很多小伙伴玩家都不太清楚看到“火焰”，知道“猛禽”，那么今天解雕侠小编给大家带来一篇 相关的文章，希望大家看了之后能有所收获，最后请大家持续关注我们！
土星v号原创宇宙爱好者
星际旅行SN-6飞过了
左(海面版猛禽，右)真空版猛禽
星船(Starship)试验机SN-5完成150米跳跃试验仅一个月后，后续试验机SN-6携带着SN-29猛禽发动机再次完成了短暂的空中飞行。 虽然这座巨大的不锈钢“水塔”夺走了大部分风头，但随着试验机不断完善，作为星船(Starship)核心的猛禽发动机的进展实际上更值得关注。 从某种意义上说，猛禽引擎对SpaceX乃至宇宙界的影响，不亚于从天而降的猎鹰9号。 “猛禽”的故事要从火箭的“火”字说起。
每个人都见过解释火箭工作原理的类似形象吧。 拿着燃料(红)和氧(蓝)，把两种东西混合后boom，把燃烧的东西向后面吐出，根据牛顿的第三定律通过喷出物体产生推力，大功告成。 谁说“火箭科学技术”很难？ 曾有人说工程和数学的区别在于解决了工程在数学上所拥有的东西，这在火箭发动机上被解释得最完美。 从冯布朗把V-2送上天的那一刻起，所有的火箭发动机工程师都在解决“混合”这个看似简单的问题。
众所周知，在日常生活中，仅仅将两种不同的液体合二为一是无法确保混合的。 要在黑咖啡里加牛奶，需要搅拌咖啡。 要从黑色变成棕色，冰咖啡的话还需要搅拌几次。 可能很少有人在意喝未与牛奶充分混合的咖啡，但未充分混合的燃料和氧气对机器来说是一个不良的弊端。 汽车黑烟就是一个很好的例子。 化学式的碳氢化合物通过与氧气燃烧发生氧化反应，在产生水和二氧化碳的同时释放能量来驱动机器。 火箭和汽车的区别在于火箭直接跳过了汽车变速箱释放了能量。 气态的水和二氧化碳是无形的气体，燃烧后的黑烟是什么呢？
完全燃烧(上)和不完全燃烧)的化学式
像未充分混合的咖啡一样，要达到完全燃烧，必须将燃料和氧气按准确的比例充分混合才能产生二氧化碳，但现实中由于各种原因无法实现，不完全燃烧时碳氢化合物会产生一氧化碳等气体，成为常见的黑烟。 在汽车中没有充分燃烧的燃料可能没问题，但在质量几乎都是推进剂的火箭上则完全不同。 因此，使燃料和氧气在燃烧室中充分混合是发动机设计的关键。 怎样才能人为地提高混合度呢？ 用外力“嘎吱”燃料和氧气不就行了吗？
在SpaceX目前的主力梅林-1D等一般的开式循环发动机中，预先拿一点燃料(黄色)和氧(蓝色) (在预燃烧室燃烧)为红色)，驱动涡轮叶片驱动燃料和液氧涡轮泵，使燃烧室梅林-1D的燃烧室内压力为9.7MPa，约为海面大气压的95倍。 但是，这并不能完全解决问题。 为了避免预燃室的温度过度燃烧发动机，开启循环必须故意加入超过最佳混合比例的过量燃料以避免充分燃烧。 另外，还没有充分燃烧的废气直接排出，因此会浪费一定程度的燃料，但至少比在更大的燃烧室内不能充分燃烧而浪费的燃料少。 因此，猎鹰9火箭起飞时会释放出大量未充分燃烧的一氧化碳，一氧化碳受热离子化后放出橙色的光，出现像照片一样长的橙色尾焰。
这种艺术性的火焰其实是一种浪费的燃料。
预燃室的废气中还有很多未燃烧的燃料，所以把废气送回主燃烧室后再“烧”一次不就完了吗？ 宇宙神V火箭用的RD-180采用了这种闭循环模式来提高燃料的利用率。 通过避免充分燃烧，还可以反向填充过量的液氧。 这样，未燃烧的燃料就不在预燃烧室中，也不会被燃烧室的火焰反向吞没。
实际上，RD-180的所有液氧(绿色)都是经过预燃室( Preburner )后进入图中间的燃烧室。 这种“富氧”的循环方式，由于加压液氧的涡轮泵)和燃烧室的涡轮( Main turbine )直接相连，燃烧室内的高压气体进一步推动涡轮泵，提高燃烧室内部的燃烧室，RD-180是现役火箭烯所以问题解决了。 是吗？ 为什么是橙色的火焰？ 是的，充分燃烧后，没有一氧化碳吗？
技术人员说不能做妾啊。 再好的工程设计也不能克服化学上的限制。 RD-180和梅林-1D使用的燃料都是煤油，本质上是一系列碳原子和氢原子组成的化合物，航天用的RP-1大多是精制的剩余十二烷。
十二烷的3D化学模型，黑球为碳原子银球为氢原子
也就是说，为了充分燃烧成为二氧化碳和水蒸气，需要在燃烧室内破坏各十二烷分子中11个碳原子之间的化学键，化合物的微观几何排列相互阻碍，混合得再好由于化合物自身的原因所有分子都不能完成反应，氧化还原还没有完成要进一步提高燃料和氧的混合度，只有改变燃料~
体积越大的燃料反应越难完成，所以换成化学结构简单的燃料不就行了吗？ 最简单的化学结构不是由两个氢原子组成的液氢吗？ 氢和氧的氧化还原反应比烃简单，没有出现任何其他化合物，确保了充分的燃烧。 在此基础上，诞生了人类历史上油耗最高的RS-25发动机。 一氧化碳消失后，橙色的火焰当然也消失了，只剩下完全燃烧时才有的淡蓝色的火焰。
RS-25喷口后的浅蓝色火焰
利用RS-25加压的解决方法是，液态氢(黄色)和液氧)分别有预燃烧室，驱动涡轮泵进行加压。 有趣的是，两者都是填充过剩液体氢的“富燃料”模式。 与RD-180的循环模式正好相反，RS-25所有液态氢通过两个预燃室中的一个启动涡轮泵给主燃烧室加压，部分燃烧的液态氢随后与液态氧合并充分燃烧。 由于氢作为燃料的混合优势，RS-25不需要那么夸张地燃烧室内压力来“挤出”，但也有20.64MPa，是梅林-1D的两倍有余。
那么，这次的问题一定要解决。 是吗？
STS液氢罐层隔热保护，厚度为1英寸(2.54 )
因为天空下没有免费的午餐，液氢的优秀混合能力不是没有代价的。 化学结构简单，意味着分子间力也小，换言之特别容易挥发，1个大气压下沸点为负253度，RS-25的高压其实也有提高液体氢沸点的作用。 也就是说发动机的效率提高了，但火箭燃料箱所需的额外隔热装置也变多了，额外的重量抵消了部分效率带来的运力优势。 更重要的是，液态氢的储存和生产成本极高。 据美国能源部估算，目前的液态氢价格为每公斤14.25美元，市面上出售的RP-1价格约为每公斤0.6美元，相差一位数以上。 燃料本身的价格进一步抵消了提高燃烧效率带来的成本优势，使用液氢的火箭并不比使用RP-1的火箭便宜。
换句话说，理想的火箭发动机不能在开启循环中浪费燃料，必须选择价格合理的燃料合理控制成本，以保证充分燃烧并释放蓝色火焰。 RP-1便宜但性能不好，液态氢性能好但成本太高。 也就是说，化合物分子结构上比十二烷简单，但价格上需要不能超过太多的燃料。 碳原子数为12个的话就太多了，试试只有1个碳原子的甲烷吧~
甲烷由1个碳原子和4个氢原子构成，更小的体积无需破坏碳键，微观分子间的屏障也减少了。 液化甲烷目前的价格为每公斤1.35美元左右，仍然是RP-1的两倍，但比液态氢的价格低一个数量级，在允许范围内。 与两种燃料的特点相似，以甲烷为燃料的猛禽发动机也融合了RD-180和RS-25“富氧”和“富燃料”循环的特点，是世界上第三个也是迄今为止唯一真正飞行过的全流量分级循环发动机。
RD-180的液氧全部通过预燃室，RS-25的燃料全部通过预燃室，猛禽的“总流量”是液氧(蓝色)和燃料甲烷(黄色)两者都通过预燃室。 具体来说，富氧的预燃烧室驱动液氧涡轮泵加压，富甲烷的预燃烧室驱动甲烷燃气涡轮泵加压，在高压下使预燃烧甲烷(棕色)和预燃烧液氧(紫色)在主燃烧室进行二次混合燃烧由于预燃室中甲烷和液氧气化，通过加压气体，猛禽主燃烧室可达到惊人的27MPa，理论上达到30MPa和水中约3km的压力，几乎所有的甲烷分子都能充分燃烧释放能量。
猛禽测试时的主燃烧室压力
从SN5和SN6的发动机视图视频中也可以看到，猛禽火焰的颜色和RS-25一样是浅蓝色。 因为甲烷精制不能达到100%，所以总是有杂质，燃料不能充分燃烧，会产生一部分橙色的火焰，但从宏观上看，与猎鹰9明亮的橙色火焰相距甚远。 也就是说猛禽发动机的实际燃料利用率远远超过梅林-1D，超过现役的所有非氢燃料火箭发动机。
SN5的发动机视角
SN6的发动机视角
猛禽发动机的快速进步与试车时的照片相比更为明显，SN29号猛禽在火焰颜色上与RS-25几乎无法察觉的浅蓝色非常接近，有只有在马赫环气流汇聚时才能清晰看到的蓝色火焰。 与三年前试车时的猛禽发动机相比，只有喷口处有蓝色火焰，后端的橙色乃至红色火焰依然清晰可见。
29台猛禽发动机的改进，反而是最细微的火焰颜色变化显示出最明显的进步。 猛禽发动机正在接近总流量的最佳混合比例，这意味着它离星舰首飞和SpaceX殖民地火星之梦又近了一步
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