SpaceX 的「猛禽引擎(Raptor)」

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前言

NASA的「阿提米絲登月計劃」正準備展開升空之際,SpaceX位於美國德州海濱泊卡奇卡小鎮(Boca Chica)的星際火箭發射基地(Starbase)也同時如火如荼地建造,並即將成為「星艦號」1(Starship)處女航的製造與組裝工廠。

SpaceX過去幾年在Boca Chica小鎮花了不少功夫,經過實體測試、重覆確認,以優化Starship的系統設計 – 上述硬體的建造與優化都在臨時性的機棚裏進行。最近看到SpaceX投入大量的資金,開始建造永久性的工廠以取代臨時性的機棚,可以看出馬斯克(Elon Mask)對Starship計劃的信心。

Starship計劃的處女航將由編號7號的「超重型火箭」(Super Heavy Booster, B7)與編號24號(S24)的Starship組成。

 

Starship為什麼是S24

SpaceX先前設計不同型號飛船用來做各種測試,有些因失敗而爆炸,有些則進一步設計成為「探路者」(Pathfinder)–  SpaceX的設計理念就是經由實體測試、發現錯誤、再改進原先設計。2022年十月中旬,B7/S24已經在發射架上組裝完成。這個發射架就是所謂的「機械哥吉拉」(Mechanical Godzilla),像靠著兩根像筷子的機械手臂,將Starship夾起並套在「超重型火箭」頂部(參看附註一)。

Starship「超重型火箭」(Super Heavy Booster, B7)是一型前所未有的新型火箭,其推力是先前最强力火箭 – 阿波羅農神五號登月火箭的二倍。B7推力如此強大是因為65公尺高的「超重型火箭」安裝33具SpaceX自行研發的「猛禽引擎」2(Raptor)– 「猛禽引擎」性能(參見下圖)在太空科技領域具備許多方面的躍進。在介紹猛禽引擎的特點之前,讓我們先瞭解一下火箭引擎的一般原理。

圖片來源:「超重型火箭」由33具「猛禽引擎」(Raptor)2組成

 

火箭引擎的一般原理

有別於噴射飛機上只需使用燃油的「吸氣式噴射引擎」3,液態火箭引擎因為是在沒有空氣的太空中飛行,所以除了燃油外,還需自帶氧化劑。基本上,液態火箭引擎的工作原理就是將燃氣與氧氣混合燃燒後,藉由所產生的高壓氣體,從噴嘴向外噴出來產生推力。

美國物理學家羅伯.戈德(Robert Goddard)在1926年發明液態火箭,後來在二戰期間,以馮·布朗(Wernher von Braun)為首的德國火箭工程師們,將液態火箭應用在攻擊英國的V2火箭上。液態火箭的工作循環有很多種,本文只是簡單介紹與「猛禽引擎」工作原理相關的循環(cycles)。

液態火箭上有「燃料桶」(Fuel Tank)和「氧化劑桶」(Oxidizer Tank)。燃料與氧化劑合稱為「推進劑」(Propellants),分別由各自的「液壓泵」(Propellant Pump)打入噴油孔,然後在燃燒室混合燃燒;燃燒後的高壓高溫氣體經過「噴嘴」(Nozzle)向外噴出。Propellant Pumps是由一「渦輪」(Turbine)負責驅動,而轉動渦輪的高壓氣體則是由「氣體產生器」(Gas Generator)所產生。下圖顯示的是「開放式循環」(Open Cycle)引擎,指的是Gas Generator產生的氣體在驅動渦輪後,就直接往外排放。這種引擎構造較簡單但效率不好,所以就有「封閉式循環」(Closed Cycle)引擎的設計。

圖片來源:「開放式循環」2(Open Cycle)引擎

 

封閉式循環的渦輪可安裝在氧化劑管路上,或裝安裝在燃料管線上。下圖顯示的封閉式循環的渦輪是安裝在氧化劑管路上 – 這款軀動渦輪的裝置不再是「氣體產生器」而是由安裝在氧化劑管路上的「預燃器」(Pre-Burner)混合了少量的燃料燃燒,而產生富氧氣注入燃燒室,並同時軀動Propellant Pumps。封閉式循環構造複雜,不過推力效率較高。

圖片來源:「封閉式循環」2(Closed Cycle)引擎

 

「猛禽引擎」(Raptor)循環是獨特設計的封閉式雙渦輪驅動,稱為Full Stage Combustion Cycle – 下圖顯示在右邊有富氧預燃器軀動氧化劑泵,在左邊有富油預燃器驅動燃料泵。實際的管線安排要比下圖所示複雜許多。這種雙預燃式的循環產生兩管高壓氣體在燃燒室混合燃燒,其化學反應效率根據馬斯克聲稱高達99%,並稱只有上帝能超越。

圖片來源:「猛禽引擎」(Raptor)的Full Stage Combustion Cycle設計2

 

接下來我們來談談燃料的選擇:大部分的液態火箭的燃料是採用精煉煤油RP1,其優點是常溫下是液態並容易儲存,缺點是燃燒後產生「焦化污漬」(Coking)。過去因為大部分的火箭是一次性使用,所以焦化不是問題,但是如果需要重複使用火箭引擎,清理引擎上的「焦化污漬」是個頭痛的問題 –  SpaceX的「獵鷹九號」(Falcon 9)使用的Merlin engine就是使用煤油為燃料,並重複使用;每次回收的火箭引擎都需要花上數週的時間做清理。為了避免coking的問題,有些液態引擎採用液化氫為燃料,例如如太空梭主引擎,而SpaceX則採用「液態甲烷」(就是液化天然氣CH4),燃料這一項也是猛禽引擎前所未有的創舉。天然氣燃燒後沒有焦化的問題,這個優點讓Starship的火箭可以快速重複使用,因為要清理33具引擎是不切實際的。

 

為什麼不像NASA的「太空發射系統」(SLS)選擇液態氫作為燃料呢?

 

甲烷(CH4)分子量比氫氣(H2)大得多,所以噴出氣體分子產生的動量較大,這就是一般第一節火箭使用煤油而不用液態氫的原因,例如農神五號登月火節的第一節就是使用煤油,第二節才使用液態氫。

此外,還有儲存問題,液態氫的儲存溫度比甲烷低將近攝氏100度C,難度大。管線密封也是問題,因為氫分子小容易漏氣,所以在操作上是極大挑戰;最近NASA阿提米絲幾次取消發射都和氫氣管線漏氣有關。除此之外,甲烷的天然氣價格要比精煉煤油RP1便宜,再加上馬斯克(Elon Mask)認為:火星上存在可生產甲烷燃料的天然資源,所以甲烷成為新一代火箭引擎的首選,亞馬遜(Amazon)創辦人Jeff Bezos設立的「藍色起源」4(Blue Origin)發展的BE4引擎也是採用甲烷為燃料。

 

 

猛禽引擎2.0

SpaceX自從2012年開始研發其「猛禽引擎」5-6歷經十年從猛禽1.0, 猛禽1.5 到目前的猛禽2.0,其性能的提升都是躍進式成長。單從外型比較(參見下圖),猛禽2.0可以說是達到脫胎換骨的程度 – 推力也從185噸增加到230噸,那是24%的性能提升。

猛禽1.0外部管線複雜有點像鳥巢,管線對接要用到盤狀凸緣,機械名詞稱為「法蘭」(Flange)。猛禽1.0用了很多法蘭,因為在研發初期需要方便更換零件,而且需要安裝很多感應器搜集測試數據,所以外型看起來很雜亂。隨着設計的成熟,這些接頭就可以改成焊接,很多測試裝置也可以省略,線路達到整合。

猛禽2.0最大的突破是省略了原本的點火系統,而是利用高溫氣體成為「自燃推進劑」(Hypergolic)。「自燃推進劑」的細節被SpaceX視為公司機密並沒有公佈。上述種種的簡化使得猛禽2.0的重量得以減輕,製造成本也降低了一半,製造速度可達每天生產一台猛禽2.0。因為外部簡化,連同原本用來保護管線的隔熱罩也可省去 – 單就去除隔熱罩一項,整台「超重型火箭」就可以減輕6公噸之多。這種簡化的設計理念正是馬斯克Elon Musk的座右銘”The best part is no part”。

猛禽2.0引擎雖然並不是目前推力最強力的火箭引擎,但是它是百噸級推力性能最佳的引擎。我們以「NASA 阿提米絲登月計劃(上 / 下)」兩期所提到的NASA「太空發射系統」(SLS, R25)來做比較:猛禽引擎重量1,600公斤,RS25則是3,200公斤;猛禽2.0推力230 公噸,RS25則是190公噸。猛禽的性能已經將RS25遠遠的甩在後頭,因為RS25使用的是半個世紀前的技術。

猛禽2.0的推力如此之大是因為它的「燃燒室壓力」(Main Combustion Chamber Pressure)高達300 bar (296標準大氣壓),這是目前的世界紀錄,MCC Pressure的壓力越大,就代表推力也越大。就拿「藍色起源」(Blue Origin)最新開發的BE4引擎作比較,其270公噸的推力比猛禽2.0更大,但是體積重量都比猛禽大;BE4的MCC Pressure只有134 bar不到猛禽的一半。更重要的是BE4引擎的製造成本及生產速度均不如猛禽2.0 – 猛禽生產成本從原本的每台美金2百萬,逐漸降至美金1百萬,而BE4的造價卻超過美金1千萬。

圖片來源:「猛禽2.0」5(Raptor 2.0)推力為230噸

 

結語

就當Starship「超重型火箭」(B7/S24)高高的矗立在泊卡奇卡海濱整裝待發的此時,大家都寄望那33具猛禽2.0引擎能不負眾望為人類在太空探索及火星殖民的進程上寫下重要的里程碑。馬斯克在接受訪問時表示:就算這次任務失敗也是符合SpaceX發展理念,那就是從實體測試失敗中,不斷改進再出發;即使成功,還有非常多需要改進的地方。

以目前的發射系統來說,要將一噸重的物資運到火星的成本約為美金10億元;想要在火星建立殖民基地的話,這項成本必須降低至美金10萬元。換句話說,這套系統還需要改進一萬倍。馬斯克認為當成本目標達成後,SpaceX將以1000架Starship,花十年的時間在火星上建立起適合人類生活的城市,且讓我們拭目以待。

 

 

參考資料:

附註一、關於Elon Musk的Starship計劃,讀者可參閱CASE在2022年3月8日所刊出的「漫談太空旅行 (五)」一文。 http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39413

附註二、The Real Reason SpaceX Developed The Raptor Engine!   by The Tesla Space.  https://youtu.be/I9RIXbBfnI4

附註三、關於吸氣式噴射引擎,讀者可參閱CASE在2022年5月17日所刊出的「波音787夢幻客機的引擎」(GEnX)

附註四、關於Jeff Bezos設立的「藍色起源」(Blue Origin),讀者可參閱CASE在2022年2月8日所刊出的「漫談太空旅行 (三)」一文。

http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=39354

附註五、SpaceX upgrades everything on Raptor Engines is totally thrilling Scientist’s mind.  https://youtu.be/nMktmbcZYYQ

附註六、Elon Musk Explains SpaceX’s Raptor Engine. 

https://youtu.be/E7MQb9Y4FAE

 

作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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