「氣尖發(fā)動機不僅開發(fā)和研究成本高，風險大，且收益不比傳統(tǒng)，更加可靠的鐘形發(fā)動機。一個普遍共識是，這不值得。」

知乎上有個帖子主題是「如何評價 SpaceX 的 2020 年?」，一條回答似乎答非所問，但也道出了 SpaceX 收獲頗豐的原因——「火箭做好了，做什么都順利?！?/p>

不管是星鏈計劃，載人龍飛船，或是移民火星的各種項目，SpaceX 給一眾「追隨者」的最好啟示是，想要在太空做些很酷的事情，就必須降低火箭發(fā)射成本，讓航空航天成為一門真正的「商業(yè)」。

SpaceX 通過發(fā)展運載火箭的可重復使用技術(shù)，將發(fā)射成本進一步降低。2015 年底，當 SpaceX 首次成功回收一級火箭，埃隆·馬斯克說這是他人生中最棒的時刻。但是不知道大家有沒有好奇過，多級助推真的是最高效的解決方案嗎?

其實早在上世紀 60 年代，科學家就在研究是否存在一種在所有大氣壓環(huán)境下都能使用的火箭發(fā)動機。也就是氣尖噴管(也稱氣動塞式噴管)發(fā)動機。但要理解氣尖噴管比傳統(tǒng)的鐘形噴管使進入太空成本更低效率更高，還得先看看火箭發(fā)動機的工作原理。

氣尖發(fā)動機，能改變什么?

簡單來說，火箭發(fā)動機的基本原理是作用力和反作用力，自帶的推進劑(能源)在發(fā)動機內(nèi)轉(zhuǎn)化為動能，形成高速射流排出從而產(chǎn)生推力。

火箭運轉(zhuǎn)要達到最高效率，離開發(fā)動機噴管的氣流壓力，要剛剛等于周圍大氣壓。這很好理解，只有這樣，氣流完全向火箭運行方向的「正反向」推，一旦氣流壓力高于周圍大氣壓，會向四周膨脹散射，這部分沒能給火箭提供升力，屬于浪費。

而低于周圍壓力的超音速流體會形成沖擊波，形成壓縮——膨脹——壓縮——膨脹的循環(huán)現(xiàn)象，也是俗稱的耀眼的「馬赫環(huán)」。這不僅是效率低下的表象，如果周圍大氣「擠進」噴嘴太多，沖擊波和瞬間壓力峰值造成氣流分離(flow separation)，嚴重時導致噴管結(jié)構(gòu)破壞等后果。

傳統(tǒng)火箭常用鐘形噴管，其主要起到「加速器」的作用。為了加快相同質(zhì)量的氣體通過噴管的速度，實際上可以通過縮小中部「窄喉」尺寸。然而氣體到達窄喉時，流速已經(jīng)超過音速，反而遵循截面越大，流速越快的原則，因此要擴張噴嘴壁，氣流在整個鐘形噴管中是先收斂再擴散。所以噴管效率對于噴管的「幾何形狀」有很大的依賴。

然而噴管是要在一開始就設定好的，只能在一個高度達到最高效率。隨著火箭升空，無法兼顧在不同氣壓環(huán)境下既高效，又安全。所以傳統(tǒng)火箭多使用多級設計，達到一定高度時，第一級脫落，接著由下一級助推。

但這種火箭設計真的是最優(yōu)解嗎?

正如埃隆·馬斯克常說的那樣，高達 70% 的發(fā)射成本用于了助推階段。大口徑的真空發(fā)動機起飛階段無用，卻占了很大一部分重量，完全屬于浪費，而關(guān)于一種能在任何氣壓環(huán)境下使用的新型火箭發(fā)動機的設想，早在上世紀 60 年代就出現(xiàn)了。

氣尖發(fā)動機通過結(jié)構(gòu)的改變調(diào)整了燃氣噴出后的膨脹狀態(tài)，使其「自適應」不同高度的環(huán)境背壓(阻力)，與同一量級的鐘形噴管發(fā)動機相比，氣尖噴管使得發(fā)動機產(chǎn)生的推力被最大化利用，攜帶更少的推進劑意味著會降低火箭發(fā)射成本。

相比鐘型噴管，氣尖結(jié)構(gòu)并非噴管包裹著氣流，氣流是一個「半受限」狀態(tài)，外側(cè)是自由膨脹邊界，內(nèi)側(cè)受到壁面約束，產(chǎn)生推力。位于海平面時，較高的周圍氣壓將氣流推向噴嘴壁，隨著高度升高，氣流所受壓力變小，氣流自動形成一個「虛擬」的口徑變大的噴嘴。以此適應不同氣壓環(huán)境，因此也被稱為(海拔)高度補償噴管。

而根據(jù)發(fā)動機模塊的不同組合方式，氣尖發(fā)動機分為環(huán)排型和直排型兩種。從理論上來說，氣尖發(fā)動機可以代替對于分級火箭的需求，實現(xiàn)單級入軌。

效率和成本的悖論

洛克達因早在 1959 年就開始了研究，希望用更先進的氣尖噴管用于土星五號，被命名為 J-2T(T 代表 torroidal，環(huán)排型)。洛克達因「借用」了性能更為優(yōu)異的 J-2S(真空發(fā)動機)的推力室抽氣循環(huán)、改進的渦輪泵系統(tǒng)，但是在 20 個月的預研工作結(jié)束后，J-2T 仍有較多的工程實踐問題沒有解決。

外媒 everyday astronaut 比較了上述發(fā)動機在「理論上」的性能表現(xiàn)，「除了在推重比上，J-2T 從其他指標上是比 J-2S 更有信服力的選擇。」

90 年代，美國贊助洛克希德馬丁開始「冒險之星」計劃的研發(fā)——單級入軌、可重復性使用、無人駕駛的航天器目的是取代航天飛機。研制成功的話，預計可使發(fā)射成本降低 90%。為此，洛克希德馬丁先縮小尺寸(二分之一)研發(fā)驗證機 X-33，采用 XRS-2200 氣尖噴管發(fā)動機。NASA 為此投入了 9.2 億美元，事故頻發(fā)讓投入變成無底洞，該項目在 2001 年終止。

就連資金充足的 NASA 也是如此，更別說家底不厚的創(chuàng)業(yè)公司。2014 年，在 SpaceX、藍色起源和維珍銀河都待過的 Tom Markusic，成立了螢火蟲太空公司(Firefly Aerospace)。為了降低「上天」的成本，Markusic 直接研發(fā)的就是氣尖噴管，但是過于陡峭的技術(shù)路線很快拖垮了螢火蟲。再次拿到投資時，它果斷拋棄氣尖噴管發(fā)動機理念，轉(zhuǎn)向傳統(tǒng)鐘形火箭，「團隊后來移除了所有花哨的設計，采用了商人的思路。」聯(lián)合創(chuàng)始人 Max Polyakov 說道。

2019 年底，總部位于新墨西哥州的 ARCA 測試氣尖發(fā)動機 LAS 25DA，用于 LAS 火箭上。ARCA 也是為數(shù)不多的目前研發(fā)氣尖噴管的公司之一。更早時候，這家公司就稱正在研發(fā)和測試單級入軌 Haas 2CA 火箭，同樣使用氣尖發(fā)動機，業(yè)內(nèi)評論稱「目前完成度已經(jīng)很高了」。如果成功，正如 ARCA 所說，該火箭將成為首枚「完整」進入低地球軌道的火箭。也是第一個使用氣尖發(fā)動機升空的火箭。

既然氣尖火箭可以降低火箭發(fā)射成本，阻礙其半個世紀無法落地的原因又是什么?

曾經(jīng)研究氣尖火箭的 Vector Aerospace 在 2016 年發(fā)了一條聲明，其實可以很好的總結(jié)這一原因：「氣尖噴管性能優(yōu)異，但是零部件數(shù)量的增加意味著在推重比相同的情況下，要比傳統(tǒng)鐘形噴管更重，同時對可靠性要求更高。」氣尖發(fā)動機無法像鐘形發(fā)動機一樣把燃料管環(huán)繞在鐘形噴管四周進行散熱，中間的尖柱無法承受非常高的燃燒溫度，對冷卻和材料要求更高。

「氣尖發(fā)動機不僅開發(fā)和研究成本高，風險大，且收益不比傳統(tǒng)，更加可靠的鐘形發(fā)動機。一個普遍共識是，這不值得?！筫veryday astronaut 總結(jié)道。說到底還是技術(shù)理想和現(xiàn)實算賬的平衡問題。別忘了，「商業(yè)化」速度也是檢驗技術(shù)發(fā)展最重要的因素之一。

即便是推崇「第一性原理」的馬斯克，在解決火箭發(fā)射成本這樣的問題上，還是趨向更加務實和合理的解決方案。他最大的關(guān)注點在于火箭的燃燒效率，并非高度補償噴嘴所帶來的優(yōu)勢，「傳統(tǒng)鐘形發(fā)動機，理論上達到 98.5%，或者有望達到 99% 的燃燒效率。」

但是誰也說不好，畢竟隨著對于材料的研究，耐熱和重量問題總會有辦法解決。當技術(shù)的突破能給成本和風險帶來結(jié)構(gòu)性的變化，這個理論上更加先進的火箭發(fā)動機，興許能將太空探索的進程帶向前所未有的高度。

畢竟馬斯克成功點燃社會對于人類向太空進發(fā)的熱情，下一代的火箭「長」什么樣，由誰來推動，依然是個值得關(guān)注的話題。

關(guān)鍵詞： 馬斯克 火箭