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猛禽火箭發動機

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猛禽火箭發動機
在加利福利亞霍桑的SpaceX工廠外準備運輸的1代猛禽發動機
原產國美國
製造者SpaceX
用途多級火箭 和 深空 推進
相關產品SpaceX星艦
現狀服役
液態火箭發動機
推進劑液氧 / 甲烷
混合比3.6 (78% O2, 22% CH4) [1][2]
系統全流量分級燃燒循環
泵2 渦輪泵
構造
燃燒室1
噴管面積比
  • 34.34 (海平面),[3]
  • 80 (真空)[4]
性能
推力1代: 185 tf（1.81 MN；408,000 lbf）[5]
2代:
  • 230 tf（2.26 MN；507,000 lbf）[6]
    (海平面)
  • 258 tf（2.53 MN；569,000 lbf）[7] (真空)
3代: 280 tf（2.75 MN；617,000 lbf）
推重比1代: 88.94

2代: 141.1

3代: 183.6
燃燒室壓力350 bar（5,100 psi）
比衝（真空）380 s（3.7 km/s）[8]
比衝（海平面）327 s（3.21 km/s）[9]
流量
  • ~650 kg/s (1,433 lb/s):[10]
    • ~510 kg/s (1,100 lb/s), O2[11]
    • ~140 kg/s (310 lb/s), CH4[11]
燃燒時間不固定
尺寸
長度3.1米（10英尺）[12]
直徑1.3米（4英尺3英寸）[13]
淨重1代: 2,080公斤（4,590磅）

2代: 1,630公斤（3,590磅）

3代: 1,525公斤（3,362磅）

猛禽發動機（英語：Raptor）是SpaceX正在研發和製造的火箭引擎系列，為世界上第三種被設計，且第一種被用於飛行的全流量分級燃燒火箭發動機。[14]其採用液態甲烷與液氧作為推進劑（也被稱為液氧甲烷）。

SpaceX的重型運載火箭星艦在其超級重型助推器和星艦飛船中使用猛禽發動機。[15]星艦的任務包括將載荷運送至地球軌道，以及未來計劃的月球和火星任務。猛禽發動機的推力大約是SpaceX用於獵鷹九號的默林1D發動機的三倍。其被設計可在少量維護後重複使用。[16]

開發歷史

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構思及初步設計

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SpaceX的默林火箭發動機和Kestrel火箭發動機使用RP-1和液氧的組合。而猛禽發動機的推力約為SpaceX的Merlin 1D發動機的三倍，後者為獵鷹9號和獵鷹重型運載火箭提供動力。

一個名爲「猛禽」的先進火箭發動機設計項目由SpaceX的Max Vozo於2009年的美國航空航天學會商業載人及貨物研討會上首次公開進行討論。當時SpaceX有數名員工正在研究猛禽發動機的可行性，但並沒有將其放於重要開發項目[17]，而猛禽發動機當時計劃使用液氧及液氫作爲推進劑。2011年，該計劃的相關詳情在被披露[18]。2012年3月，有新聞報道指出猛禽發動機正進行開發，但沒有相關細節被公開[19]。

2012年10月，SpaceX公開宣佈新開發的火箭發動機的概念及設計，並指出此發動機的推力將會是梅林1系列的發動機的數倍，並且將不會使用RP-1作爲推進劑，但沒有公開表示使用什麽燃料作爲取代品[20]。他們表示，相關新型火箭發動機的詳細資訊將於「未來一至三年內」公佈，並指出此發動機將用於下一代大型運載火箭，能向地球低軌道發射150至200噸的有效載荷，遠遠超越NASA的太空發射系統。

研發過程

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2012年11月，馬斯克宣布了SpaceX推進部門的新方向，即向開發甲烷燃燒的火箭發動機方向發展。他進一步表明，猛禽發動機的概念將成為基於甲烷燃料的設計，甲烷將是SpaceX計畫火星殖民的首選燃料。由於火星地下有和大氣中有二氧化碳，甲烷（一種簡單的碳氫化合物）可以輕鬆地通過薩巴捷反應在火星上合成[21]。NASA已經研究了火星上的就地資源利用，並發現其對氧氣、水和甲烷的生產是可行的。

當SpaceX在2009年首次提到"猛禽(Raptor)"這個詞時，它專門指的是一個上級發動機概念，並且2012年的聲明表明，它仍然是一個上級發動機的概念。但是到2014年初，SpaceX確認"猛禽"將被用於新的第二級，以及全新大型（當時的直徑為10米）火星殖民運輸器的核心（後來在2016年用於星際運輸系統的兩個級別，然後在2017年用於大獵鷹火箭)。

在2012年11月公開的信息表明，SpaceX可能設計了一系列以Raptor為名的火箭發動機；這一點在2013年10月由SpaceX確認。然而，2014年3月，SpaceX首席運營官格溫·肖特威爾澄清說，新發動機開發計劃的重點完全在全尺寸Raptor發動機上；在通往非常大的Raptor發動機的開發路徑上，並沒有計劃生產較小的亞尺度甲烷發動機。

2013年10月，SpaceX宣布將在NASA的史坦尼茲太空中心進行猛禽發動機組件的甲烷發動機測試，SpaceX將向現有的測試架基礎設施添加設備，以支持液態甲烷和熱氣態甲烷發動機組件測試[22][23]。2014年4月，SpaceX完成了對斯坦尼斯測試架的必要升級和維護，以準備進行猛禽發動機組件的測試，並已經開始了發動機組件測試計劃，重點是開發強大的啟動和關閉程序。在斯坦尼斯的組件測試還允許硬件驗證。

SpaceX在2014年成功開始了噴嘴的開發測試，並在2015年完成了全功率下的全尺寸氧預燃器測試。從2015年4月至8月，進行了76次預燃器的點火試驗，並總計有約400秒的測試時間。SpaceX在2014年和2015年完成了使用NASA斯坦尼斯設施的計劃測試。

2016年1月，美國空軍向SpaceX授予了一項價值3360萬美元的開發合同，以開發一種用於獵鷹9號和獵鷹重型上級階段原型版本的猛禽發動機原型。

第一版的設計目標是使其室壓達到250巴（25百萬帕斯卡；3,600磅力每平方英寸）。[24] 截至2022年7月，室壓已在測試中達到300巴。[25] 2024年4月，馬斯克分享了SpaceX通過Raptor 1發動機（海平面185 tf, Rvac 200 tf）和Raptor 2發動機（海平面230 tf, Rvac 258 tf）取得的性能，並公布了即將推出的Raptor 3的目標規格（海平面280 tf, Rvac 306 tf）[26][27] 並表示SpaceX最終目標是實現海平面助推器引擎的推力超過330噸。[28]

Raptor 1和2發動機需要使用熱屏蔽來保護管道和電纜免受高速大氣再入的熱量影響，而Raptor 3的設計則不需要外部熱屏蔽。[29]

測試

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生產

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發動機設計

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猛禽火箭發動機燃燒過程原理示意圖
猛禽火箭發動機的簡化圖

猛禽火箭發動機採用液態甲烷[30]與液氧作為推進劑[31]，而非獵鷹9號運載火箭所使用的煤油/液態氧。更早的猛禽火箭發動機設計中計劃採用液態氫作為燃料，而不是甲烷[32]。

猛禽火箭發動機將有着數倍於默林真空1D發動機的推力。 更廣義上的猛禽火箭發動機概念是一款高可重用性的甲烷分級燃燒發動機，用於SpaceX的下一代用於火星探索與殖民的運載火箭[33] 。根據伊隆·馬斯克的說法，這個設計將能夠達到完全復用的目標，並能讓太空飛行的開銷降低兩個數量級[34]。

猛禽火箭發動機採用了複雜的全流量分級燃燒循環， 氧化劑和燃料分別由各自的動力渦輪機供壓，部分推進劑通過管道互相交換，分別燃燒驅動渦輪機。這種設計下，渦輪機的工作溫度更低，因而發動機的壽命得到延長，效率也更高。而且燃燒室的壓力可以更大，支持更大的比沖。由於氧氣預燃室的富氧氣體高壓高溫，SpaceX研發了SX500合金，用於建造於氧氣預燃室。[35]

所有猛禽發動機的發動機點火，無論是在測試台上還是在空氣中，都將通過火花進行點火，這將使猛禽發動機無需獵鷹9號和獵鷹重型發動機上用於點火的三乙基鋁-三乙基硼烷（TEA-TEB）。

電腦模擬技術

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猛禽火箭發動機的開發大量使用電腦模擬技術，並利用圖形處理器通用計算技術加速，使開發成本降低，預先發現發動機燃燒不穩定性等問題，和測試在地面不容易複製環境的狀態。[36] [37]

發動機版本

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猛禽真空發動機

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猛禽發動機 第一代

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猛禽發動機 第二代

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猛禽發動機 第三代

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2023年5月，馬斯克表示猛禽發動機成功通過一次45秒靜態點火測試並錄得點燃室壓力350 bar（5,100 psi），產生269噸推力。[38]

測試

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全箭的測試始於子系統級，與大多數運載火箭一樣，採用火箭發動機部件測試，然後在地面測試設施中測試完整的火箭發動機。猛禽發動機的部件級測試於2014年5月開始[39]，2016年9月首次進行全發動機測試。[40]截至2017年9月，開發中的猛禽發動機在42個主要地面試驗台上進行了共計1200秒的發動機點火測試，最長的測試為100秒。[41]

2009至2015年間的開發全部依靠SpaceX的私人投資，完全不依靠美國政府的資金投入[42][43]。2016年一月，SpaceX同意由美國空軍從防衛部門預算中拿出3360萬美元提供資金支持以研發一款可能會被用於獵鷹9號運載火箭及獵鷹重型運載火箭的第二節的原型猛禽火箭發動機。SpaceX也將提供至少6730萬美元用於同一項目，並保證民間資本與政府資金比例至少為2:1。[44][45]

2016年8月一台研發用猛禽火箭發動機被送往SpaceX在德克薩斯州的McGregor測試場[46]進行研發相關的測試。[47]

2019年8月27日，搭載了猛禽火箭發動機SN6的Starship的縮小原型Starhopper成功完成了150米的跳躍測試。[48]

2020年8月4日，搭載了猛禽火箭發動機SN27的星艦原型SN5成功完成了150米的跳躍測試。[49]

2020年8月18日，猛禽發動機在測試中達到了330巴（Bar）的室壓[50]，這是世界上現有最高的燃燒室壓力。

2020年9月3日，搭載了猛禽火箭發動機SN29的星艦原型SN6成功完成了150米的跳躍測試。

2020年12月10日，搭載了猛禽火箭發動機SN30， 36， 42的星艦原型SN8進行了12.5公里的跳躍測試， 降落速度太快導致失敗。

2021年5月31日，猛禽發動機首次完成軌道飛行時長的發動機點火測試。

2021年6月27日，首具真空猛禽發動機運抵德州博卡奇卡。

2021年7月底，超過20具猛禽發動機及3具真空猛禽發動機運抵德州博卡奇卡。

2021年10月25日，馬斯克表示猛禽發動機版本二在爆炸前最高達到321Bar室壓，並產生245噸推力。

2021年11月12日，S20完成首次6具發動機靜態點火測試。

2021年12月18日，馬斯克確定未來星艦將會有9具2代猛禽發動機，助推器將有33具2代猛禽發動機。

2022年2月9日，首具2代猛禽發動機運抵博卡奇卡。

2022年2月10日，馬斯克表示猛禽發動機曾達到247噸馬力，並指出在處理猛禽發動機二代高溫融化的問題後，可以每天生產最少一具猛禽發動機二代。

2022年3月30日，第一具2代猛禽發動機運抵德州博卡奇卡。

2022年7月，合計39具2代猛禽發動機安裝至S24及B7。

2022年9月，猛禽發動機首次於測試場進行快速重啓測試。

2022年10月，首具使用電力驅動向量的2.1代猛禽發動機運抵德州博卡奇卡。

2022年11月，SpaceX完成製造第200具2代猛禽發動機。[51]

2023年5月，第三代猛禽發動機達成350Bar室壓，並產生高達269公噸推力，相當於超級重型助推器將擁有約8900公噸推力。[52]

2023年8月18日，SpaceX進行了猛禽發動機萬向節最大角度(15度)的長時間測試[53]。

參見

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參考文獻

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