嚮往太空的馬斯克，為什麼沒去造「更先進」的火箭？_風聞

「氣尖發動機不僅開發和研究成本高，風險大，且收益不比傳統，更加可靠的鐘形發動機。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 收穫頗豐的原因——「火箭做好了，做什麼都順利。」

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」的最好啓示是，想要在太空做些很酷的事情，就必須降低火箭發射成本，讓航空航天成為一門真正的「商業」。

SpaceX 通過發展運載火箭的可重複使用技術，將發射成本進一步降低。2015 年底，當 SpaceX 首次成功回收一級火箭，埃隆·馬斯克説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境下都能使用的火箭發動機。也就是氣尖噴管（也稱氣動塞式噴管）發動機。但要理解氣尖噴管比傳統的鐘形噴管使進入太空成本更低效率更高，還得先看看火箭發動機的工作原理。

氣尖發動機，能改變什麼？

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

火箭運轉要達到最高效率，離開發動機噴管的氣流壓力，要剛剛等於周圍大氣壓。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，一旦氣流壓力高於周圍大氣壓，會向四周膨脹散射，這部分沒能給火箭提供升力，屬於浪費。

而低於周圍壓力的超音速流體會形成衝擊波，形成壓縮——膨脹——壓縮——膨脹的循環現象，也是俗稱的耀眼的「馬赫環」。這不僅是效率低下的表象，如果周圍大氣「擠進」噴嘴太多，衝擊波和瞬間壓力峯值造成氣流分離（flow separation），嚴重時導致噴管結構破壞等後果。

氣流壓力小於周圍大氣壓，叫做過度膨脹（overexpanded）｜網絡

傳統火箭常用鐘形噴管，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。所以噴管效率對於噴管的「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。隨着火箭升空，無法兼顧在不同氣壓環境下既高效，又安全。所以傳統火箭多使用多級設計，達到一定高度時，第一級脱落，接着由下一級助推。

海平面發動機和真空發動機對比（SpaceX 梅林發動機）｜論文截圖

但這種火箭設計真的是最優解嗎？

正如埃隆·馬斯克常説的那樣，高達 70% 的發射成本用於了助推階段。大口徑的真空發動機起飛階段無用，卻佔了很大一部分重量，完全屬於浪費，而關於一種能在任何氣壓環境下使用的新型火箭發動機的設想，早在上世紀 60 年代就出現了。

氣尖發動機通過結構的改變調整了燃氣噴出後的膨脹狀態，使其「自適應」不同高度的環境背壓（阻力），與同一量級的鐘形噴管發動機相比，氣尖噴管使得發動機產生的推力被最大化利用，攜帶更少的推進劑意味着會降低火箭發射成本。

鐘形噴管和直排型氣尖噴管對比圖｜NASA

相比鍾型噴管，氣尖結構並非噴管包裹着氣流，氣流是一個「半受限」狀態，外側是自由膨脹邊界，內側受到壁面約束，產生推力。位於海平面時，較高的周圍氣壓將氣流推向噴嘴壁，隨着高度升高，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境，因此也被稱為（海拔）高度補償噴管。

而根據發動機模塊的不同組合方式，氣尖發動機分為環排型和直排型兩種。從理論上來説，氣尖發動機可以代替對於分級火箭的需求，實現單級入軌。

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於土星五號，被命名為 J-2T（T 代表 torroidal，環排型）。洛克達因「借用」了性能更為優異的 J-2S（真空發動機）的推力室抽氣循環、改進的渦輪泵系統，但是在 20 個月的預研工作結束後，J-2T 仍有較多的工程實踐問題沒有解決。

外媒 everyday astronaut 比較了上述發動機在「理論上」的性能表現，「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。」

不同火箭發動機噴嘴解決方案對比圖｜洛克達因

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

就連資金充足的 NASA 也是如此，更別説家底不厚的創業公司。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 直接研發的就是氣尖噴管，但是過於陡峭的技術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動機理念，轉向傳統鐘形火箭，「團隊後來移除了所有花哨的設計，採用了商人的思路。」聯合創始人 Max Polyakov 説道。

2019 年底，總部位於新墨西哥州的 ARCA 測試氣尖發動機 LAS 25DA，用於 LAS 火箭上。ARCA 也是為數不多的目前研發氣尖噴管的公司之一。更早時候，這家公司就稱正在研發和測試單級入軌 Haas 2CA 火箭，同樣使用氣尖發動機，業內評論稱「目前完成度已經很高了」。如果成功，正如 ARCA 所説，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動機升空的火箭。

ARCA 是目前為數不多的目前研發氣尖噴管的公司之一｜官方供圖

既然氣尖火箭可以降低火箭發射成本，阻礙其半個世紀無法落地的原因又是什麼？

曾經研究氣尖火箭的 Vector Aerospace 在 2016 年發了一條聲明，其實可以很好的總結這一原因：「氣尖噴管性能優異，但是零部件數量的增加意味着在推重比相同的情況下，要比傳統鐘形噴管更重，同時對可靠性要求更高。」氣尖發動機無法像鐘形發動機一樣把燃料管環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温度，對冷卻和材料要求更高。

「氣尖發動機不僅開發和研究成本高，風險大，且收益不比傳統，更加可靠的鐘形發動機。一個普遍共識是，這不值得。」everyday astronaut 總結道。説到底還是技術理想和現實算賬的平衡問題。別忘了，「商業化」速度也是檢驗技術發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。他最大的關注點在於火箭的燃燒效率，並非高度補償噴嘴所帶來的優勢，「傳統鐘形發動機，理論上達到 98.5%，或者有望達到 99% 的燃燒效率。」

但是誰也説不好，畢竟隨着對於材料的研究，耐熱和重量問題總會有辦法解決。當技術的突破能給成本和風險帶來結構性的變化，這個理論上更加先進的火箭發動機，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於人類向太空進發的熱情，下一代的火箭「長」什麼樣，由誰來推動，依然是個值得關注的話題。

題圖來源：ARCA｜責任編輯：於本一

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