马斯克的火箭最终的用途（100年前的理论暗示）

2012年，当世人纷纷担心世界末日是否会到来之时，SpaceX的首席工程师埃隆马斯克平静的做出了一个决定：研发世界上最大最先进的火箭——Starship！8年来，SpaceX虽然推出了几部星际传输系统的渲染视频，但或多或少，世人对马斯克口中的星舰还是 持怀疑态度，因为星舰所采用的多项技术实在是太前卫了！

8年后的2020年，SpaceX在完成了其首次商业载人发射之后，马斯克当即调整了其公司内部的项目优先级，星舰成为了SpaceX优先级最高的项目！紧接着，星舰原型机爆炸的消息接踵而至，压力与嘲笑也随之而来，但黄天不负有心人终于在2020年8月，星舰SN5原型机在一台猛禽发动机的助力下完成了150米跳跃测试，后续的优化版本SN6在10月份又完美通过了150米跳跃的第二次测试，星舰这个在世界科技圈飘荡了8年的概念产品，终于成功飞天了！随后，SpaceX宣布要将第8款星舰原型机SN8打造成一款缩小版但配件齐全的“准星舰”，并计划在2020年圣诞之前完成15公里高度的飞行测试！

SN8将搭载三台猛禽发动机，其已于10月22日完成了第一次静态点火的尝试，成功与否未知！每一次星舰原型机的静态点火测试，都是对猛禽发动机的一次技术验证，相较于猎鹰9号所采用的梅林发动机，猛禽发动机有两大革命之处，其一是猛禽采用了全流量分级燃烧的架构，其二是猛禽以甲烷作为主燃料，如果你还不了解全流量分级燃烧的概念，不妨去看看帝哥前几期的视频，本期内容，帝哥将重点跟大家讨论一个问题：为什么是甲烷？

据帝哥所知，目前世界上使用甲烷作为燃料的火箭发动机只有两个型号，一个是世界首富贝佐斯旗下公司蓝色起源正在研发的BE4，另一个就是SpaceX的猛禽。SpaceX在2012年为猛禽选择燃料时略为保守，他们打算继续使用RP-1。RP-1是精制煤油的代号，R是REFINED，意思是“更好”，P是煤油的首字母，1是标准号，所以RP-1就类似于汽车排放里的“国标5”。2014年，SpaceX宣布放弃RP-1，猛禽发动机将改以甲烷作为主燃料！燃料的突然改变势必会让猛禽的架构被迫做出较大的改动，是什么原因让马斯克及其研发团队壮士断腕做出了这种180度的反转选择呢？了解马斯克的人都知晓他有一个重心壮志，也是其创建SpaceX的初心——让人类可以往返于地球与火星之间，让人类真正变成跨行星物种！RP-1被舍弃，其根本原因就是无法支撑SpaceX的火星移民计划，那为什么SpaceX不直接享用NASA的成果选择液态氢作为燃料呢？相较于RP-1和液态氢，马斯克和贝佐斯到底看上了甲烷的哪些优势呢？

RP-1曾助力土星五号完成了人类历史上的首次载人登月，液氢更是为NASA带来了大名鼎鼎的航天飞机，二者相较于甲烷，各有优劣。如果单纯从能量的释放效率上来讲，液氢无疑是最好的，它的理论比冲可达460秒，而RP-1的理论比冲只有360秒，甲烷的理论比冲为380秒。比冲是衡量发动机动力效率的一个重要指标，360秒指的不是发动机的一次性燃烧时间，而是在消耗单位重量推进剂的情况下，发动机能够保持某一推力的时长，显然时间越长，火箭就能飞的越高，那么发动机的效率亦或是性能也就越好。如果从这一点来衡量，液氢的性能明显高于甲烷和RP-1，甲烷相较于RP-1又有大约5%的性能提升，液氢是当之无愧的NO.1，这也是美国曾经的航天飞机、正在研发的太空发射系统（SLS）、以及我国长征5号系列火箭选择液氢作为主燃料的原因！但大家不要忽略一个事实，这种比较只是基于燃料的潜在理论性能表现，没有考虑使用这种燃料要付出哪些代价的情况下得出的。美国的航天飞机共发生过两次空难，14名宇航员牺牲，航天飞机内部的大量液氢难辞其咎！

首先，液态氢对温度的要求极为苛刻，宇宙中最低的温度是-273.15摄氏度，而氢的沸点就已经低至了-250摄氏度，不可思议的是氢的冰点只比沸点低9度也就是-259摄氏度，氢想要以液体状态存在，温度就必须控制在-259摄氏度和-250摄氏度之间！高了，液氢直接气化，低了，液氢又会固化，这就要求装载液氢的燃料仓在温度传递上高度绝缘，一旦燃料仓中氢的温差超过9度，就势必会产生灾难性后果！

其次，超低温的液态氢会引起金属的氢脆现象，也就是氢原子会融入到金属中，造成金属出现微小裂纹，削弱了燃料循环系统的整体强度，而发动机内部处处充斥着高压，当金属裂缝遇到高压，那么灾难又可能随之而来！

再次，氢氧组合时的燃烧温度高达3000摄氏度，虽然绝大多数发动机都搭载了循环冷却系统，但依然对构成发动机的金属材料有很高的要求，没有超高的材料学工艺，想在火箭中玩转液态氢几乎是不可能的！

最后，液氢的密度只有70千克每立方米，液态甲烷的密度则是422.5千克每立方米，火箭要装载等重的液态甲烷和液态氢，就要求氢燃料仓的体积近乎6倍于甲烷燃料仓的体积，这又会增加燃料仓的金属用量，进而增加燃料仓的重量，迫使火箭主体结构的三维相应的增加，火箭的干重提高了，相应的火箭的有效载荷就降低了，单就这一点原因，就几乎将氢气的高比冲优势抹平了。难怪马斯克曾不止一次地强调：选择甲烷，不再看氢原子的脸色！

如果用一个比喻来形容液氢在航天领域的尴尬，帝哥觉得“天上的美味，凡间能得几回闻”较为合适！这也是目前多数火箭仍以RP-1作为燃料的原因。RP-1有两个核心优势，其一是常温下即以液态形式存在，存储方便，其二是其密度大约是液态甲烷的两倍，达到了809千克每立方米，可以做到比甲烷更小的燃料仓。表面上看较小的燃料仓是一个优势，但不要忽略了一个事实，无论选择哪种燃料，在氧化剂的选择上，液态氧依然是大规模的首选，氧气的沸点是-183摄氏度，冰点是-219摄氏度，而RP-1的冰点只有-60摄氏度，这就要求RP-1的燃料仓和液氧的燃料仓之间添加隔温设施，这又增加了两个燃料仓的复杂度！甲烷则恰恰相反，因为在沸点与冰点上，甲烷和氧气很接近！液态甲烷的沸点是-162摄氏度，冰点是-184摄氏度，这种特性使得液态甲烷仓和液氧仓之间几乎不需要热绝缘层。另外在制造成本上，每公斤RP-1大约需要30美元，而每公斤液态甲烷和液态氢都只要2美元左右，RP-1的性价比太低！

其实对火箭而言，燃料仓的大小与燃料的费用不是限制火箭的核心因素，目前火箭最大的弊端是“一锤子买卖”！先不说火箭回收技术难不难，就RP-1燃烧之后对发动机的副作用而言，解决起来都让人头疼！RP-1燃烧之后会产生大量的碳，虽然大部分的含碳物质会被排放到大气，但还是有少部分燃烧不完全的煤油会附着在发动机内外表面，这又增加了发动机排污系统和冷却系统的复杂度，也会影响发动机的复用性与稳定性，黢黑的猎鹰9号箭体就是明证，这也是马斯克目前对梅林发动机的最大抱怨，他多次称赞了猛禽所使用的甲烷，因为甲烷的沸点很低，即使出现不完全燃烧现象也会以气体形式被排到发动机之外，另外就是甲烷燃烧之后只会产生二氧化碳和水，这让以可复用性为核心目标的猛禽的清洁工作相当容易！

到此为止，如果从化学的角度来看，甲烷的性价比最高，它比RP-1便宜且易清洁又相对环保，相较于液氢而言，它又降低了发动机的设计复杂度以及对金属材料的苛刻要求，甲烷有理由成为火箭发动机燃料的未来主力！但仅此而已吗？不要忘记马斯克赋给星舰的初心：往返于地球与火星之间，实现星际穿越！

人类目前已实现的最远双程旅行是地球与月球之间，地球与月球之间的距离只有大约38万公里，而地球与火星的平均距离达到了2.25亿公里，完全不是一个数量级！在地球与火星相对较近的情况下，从地球上出发，也得需要近7个月的时间才能到达，期间宇航员的吃喝问题如何解决？历时7个月到达了火星之后，宇航员返回地球的燃料又如何解决？一次性带齐所有吃喝与燃料？不现实！人类唯一能借助的手段，还是化学反应，也就是从地球之外通过一系列的化学反应生成所需的各种物质，还好100多年前，有一位名叫萨巴蒂埃（Sabatier）的法国化学家给出了理论支撑！

萨巴蒂埃反应是通过氢气和二氧化碳的反应产生水和甲烷的过程，它的美妙之处在于它几乎是一个完美的闭环，意即产生的水可以再次被电解分离成氢气和氧气，氢气又可以跟二氧化碳再次反应生成水和甲烷，如此一来，只要有初始的氢气，就可以将源源不断的二氧化碳变成或者是水、或者是氧气或者是甲烷，按需保留即可！有了这个理论支撑，只要某一环境中存在着大量的二氧化碳，人类貌似就可以生存下去！巧了！火星上就有大量的二氧化碳！借助萨巴蒂埃反应，不仅可以生成人类生存所需的水和氧气，还可以生成甲烷为星舰的返航提供燃料！

无论是在地球上，还是在火星上，人类步入深空的动力之源已越发明显，昨天我们对沼气池里臭气爱答不理，今天如果不重视，明天我们可能就对它已高攀不起。马斯克及其幕后一众技术大拿在2014年拍板选择甲烷，不但体现了他们严谨的工程师精神，更展现了以未来为导向的技术发展格局！萨巴蒂埃反应已经证明人类可以在地球之外源源不断的获取甲烷，从火箭燃料的角度出发，这是甲烷相较于RP-1和氢气的绝对优势，人类即将跨越单程火箭的沟壑，进入双程甚至多程火箭的红海！甲烷在航天领域的大规模应用，让人类有能力在火星上建立起一座永久基地，以火星为跳板，以甲烷为燃料，拥抱星辰大海步入深空！

其实人类科技发展的过程，就是在正确的时间、正确的地点、做出正确选择的过程！恭喜你甲烷！一跃从沼气池飞进了火箭发动机！