本期对谈成员：
卢西
德国汉莎航空飞机发动机工程师
德国亚琛工业大学硕士
《如何离开地球表面：
人类航空航天小史》作者
本文中涉及的图片及视频资料可前往公众号《循环往复podcast》查看
这期访谈录制于SpaceX对于“超重-星舰”的第三次飞行试验之后，截止这期节目发布时星舰已经即将开始它的第十二次试飞实验了。星舰的登月版本HLS将会参与到美国的登月计划——阿尔忒弥斯三号和四号的月球着陆器任务
在2022年阿尔忒弥斯1号绕月试飞时 我们也做过一期节目聊了聊当年美国的阿波罗登月计划与半个世纪之后的阿尔忒弥斯登月计划的不同。本期我和德国汉莎航空的飞机发动机工程师卢西就SpaceX的超重型助推器猛禽发动机与当年阿波罗计划的土星五号与苏联的N1火箭做了下对比分析
星舰使用的是全流量分级燃烧循环火箭发动机 ，以低温液氧和液态甲烷作为推进剂燃料。这种发动机的特点是什么？固体火箭和液体火箭的优缺点分别是什么？现代AI、GPU驱动所做的计算机仿真测试对发射效率有什么样的提升？我们也聊了聊在地面与真空的不同环境中我们常见的物理规律被颠覆，思维定式被打破的有趣时刻，希望大家喜欢这期节目～
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NASA 的火箭并不自己制造而是把订单给到美国大的航空航天公司比如波音、洛克希德·马丁这样的制造商。这些公司通常不会自己主动去研发火箭，研发发动机，通常是来自于军方、NASA、DLR（德国宇航中心） ESA （欧洲航天局）这样的机构提出需求，需要什么样的火箭？什么样的载荷能力？什么时候发射载荷上天？这些公司再设计方案进行投标，通过他们的方案，得到国家资助来完成
SpaceX 做猎鹰时没有国家明确的订单支持，但得到了NASA 在人才和知识储备上的帮助。NASA不希望把自己所有的发射都给一个或者几个结成联盟的公司，这样自己就会失去议价权，他们希望有新的供应商来到市场里进行竞争，这样可以得到更好的发射能力，也可以得到更低的价钱，所以SpaceX 还并不成功时也拿到了 NASA 的订单
07:02
航天领域有一个slogan——“创新发生在它必须发生的时候”。发射火箭的成本非常高，如果原来的技术可以实现目的，就千万不要去创新，因为原来的技术已经被证实可靠，而未经验证的新技术有可能不可靠，导致全面的失败，这是非常痛苦的结果。所以像美国已经存在非常丰富的火箭型号和火箭发动机型号，他们就没有必要去重新研发，这也是为什么在 SLS 上面看到的全部都是老旧的技术
08:43
SpaceX 在发动机研发过程中极致省成本，每一代测试原型机都是以非常低的成本制造的。他们创新性的开发了计算机模拟技术，进行一系列模拟之后并不知道模拟得到的结果是否能真正的反应现实，所以在一些重要节点上就去进行实物测试来验证计算机模拟的真实性，如果可以验证的话就可以确认计算机模拟逻辑是成立的，这样就可以省去非常多的实物试验
SpaceX 每一次试飞都是为了获得某几个数据，再投入到计算机模拟里一步步精进，所以对他们来说其他方面失败了没有关系，只要收集到了特定的数据，其他并不重要
事实证明开发这样一个软件来进行火箭发动机模拟，成本远远低于上测试台测试火箭发动机。而对于所谓的国家队比如洛克希德马丁来说，他们最看重的是和政府之间的合同，需要在这一时刻向政府展示他们的milestone里程碑，展示向政府承诺过的性能和研发进度，所以研发过程没法像 Spacex 一样
13:42
当年阿波罗登月计划，美国政府拿出了联邦预算占比大概4%的经费去研发土星5号，花了非常多的钱才实现登月。但钱只是必要不充分条件，苏联的 N1 火箭花的钱也非常多，但每次都失败。土星 5 号的发动机非常大因为火箭很大，但火箭很大并不意味着发动机就需要很大。大型火箭可以装很多个发动机，这就是 N1 走的路
发动机数量与每台发动机全都正常工作的可能性成反比。想象一下1万台发动机每台都正常工作的可能性就非常低，如果只有五台发动机可能性就高很多。美国的土星 5 号用了5个发动机，苏联的N1火箭用了30台发动机。这30个发动机如果有一个不能正常工作，必须要把另外一侧的发动机关机，否则推力就不平衡。那时还没有像今天这样好的电器控制水平，它的工程难度很高
发动机越大，它的燃烧室也就越大，而越大的燃烧室就会越容易造成燃烧的不稳定。所以巨型火箭的难度在于它的燃烧室，还需要一个巨大功率的燃料泵
16:04
苏联还有一个煤油火箭，其单发功率超过F1，但它用了四个燃烧室把所有燃料分到四个燃烧室里进行燃烧，这样效率更低但可以避免用一个超大燃烧室产生的燃烧不稳定
美国当时做F1火箭发动机燃烧室时进行了很多实验，很多发动机原型机在实验台上就爆炸了，把整个火箭发动机的实验台都炸毁了。要再新建实验台然后再进行测试，然后再炸再测试是非常昂贵的，那时没有像今天这样好用的燃烧和流体模拟能力
这次 SpaceX 发射的Starship有 33 台猛禽发动机比当年苏联N1火箭发动机还要多，猛禽发动机当年在测试时表现出来的可靠性很差，而之所以能成功点火是因为它的发动机布局非常厉害。发动机布局也是非常难的一环，Starship发动机的布局叫全流量分级燃烧，这种发动机的布局是效率最高的，没有之一
它需要两个预燃烧室：一个贫油，一个富油。这两个燃烧室达到一个燃烧稳定都很困难，显然SpaceX 做到了。这33台发动机每一台都可以在长时间内稳定燃烧。火箭发动机能够产生推力，但自己也需要消耗非常大的动力。这个动力是它的燃料和氧化剂，也就是液态甲烷和液态氧气加压到非常高，只有高压才能快速喷入主燃烧室
把这么大量的燃料和氧化剂非常快加到这么大的压力，需要非常大的功率，要产生这么大的功率需要有一个涡轮来推动它，这个涡轮就叫涡轮泵。涡轮泵在推动时自己就需要消耗很大的动力来带动它，而带动它需要产生一个燃气，这个高温高压的燃气来自于它的预燃烧室，高能量的流体去推动涡轮转动提供功率
这两个预燃烧室是怎么实现燃烧稳定的？SpaceX 从来没有向别人公布过，它有非常多的采访，有非常多照片视频资料，也邀请 Youtube 上的一些网红去参观他们的工厂，但是从来没有向别人展示过它的预燃室是怎么样的，这就是猛禽发动机上最核心的东西
21:43
在材料领域来说不同型号的火箭之间差别很大，但通常航空航天领域使用的材料并不是专用的。现在稍微专业一点的自行车车架用的是和飞机同款的铝，这种材料本身并没有特别强大或稀有。火箭在工作时绝大部分部件并不会承受非常夸张的考验，但一些核心地方所经历的恶劣工作环境是在地球上经历不到的
有时地面上的工程学原理在太空环境就完全不适用了。火箭发动机上用的涡轮泵 Turbo Pump上面的轴承和飞机、汽车以及其他地面机械完全不同。在太空中因为真空环境的影响没办法用油来润滑轴承，只能通过液氧来润滑，在地面上一个很简单解决的问题在太空环境中就很麻烦。但控制卫星姿态的舵轮我们依然可以用油来润滑
航天器在太空时向阳面被太阳光炙烤时温度能高至100摄氏度以上，阴影处则低于-100摄氏度，温差超过200摄氏度，在真空环境没有空气的流动来交换热量，就需要一个工程模块把冷的地方和热的地方做交换。在地面上我们可以使用空调这种换热器，但在太空没法使用这样的空气交换原理，航天工程师用一种类似毛细血管的流体回路，全称流体循环热控系统（Fluid circulation thermal control system）利用流体对流换热的方法对航天器整体或局部实施的主动热控制系统
这样的问题在地面上根本不存在，我们用一个泵就可以解决，但在太空中实现这种简单的需求都需要精密研发。这也是我们为什么要进行大量太空实验，太空环境下的工程运作和地面上还有什么不一样？我们只能去试，去发现我们没有发现的东西
读书时学院旁边有一个铸造学院，他们做过很多很酷的实验，其中有一个铸造的实验是要在模拟太空的环境中完成的。那个铸造实验里面有非常多细小的结构，需要知道液态金属进去之后在失重的情况下可以在里面怎么分布？它的晶体结构在失重情况下的生长序列和在地球上有什么不同？引力对晶体的生长有什么影响？这些实验都很酷
26:21
生活在地上的人和生活在天上的人有很多常识性的思维习惯和真理性的习惯都需要被改变。对国际空间站的宇航员来说他们每90分钟就绕地球一圈，所以没有白天和黑夜的概念。他们倒班就是8小时，上班8小时休息8小时，这样工作几个月会对心理产生什么样的影响呢？可能心理学家也不知道
这又引出另一个话题，宇航员们长时间在这么狭小的空间里，离自己的母星这么远，周围没有任何熟悉的事物，这对他们的心理会造成什么样的影响？光传递到地球都需要非常久的时间，在太空发出一个信号到地球需要很久，地球回应也需要很久，在太空上的人是不可以和这个世界上其他人产生任何即时联系的，时间久了这会不会产生心理影响？人类有登陆火星的计划，这些问题我们还没有答案。可是美国和欧洲已经有非常多非常丰富的研究正在进行了，在模拟这样的环境来看人身体的变化，看人心理的变化
29:23
轨道飞行和亚轨道飞行对飞行员素质的要求不用，真正的宇航员在天上非常忙碌
买了第一张绕月飞行船票的日本首富还带了两个音乐家为他在太空演奏？
火星志愿者计划
35:33
比冲是描述火箭发动机和燃料组合性能的衡量数据，是发动机喷射和发动机本身同等质量的推力和它喷射时间之比和它本身重量的比。它的数值越大意味着这个发动机性能越强
离子发动机的比冲非常高，是化学火箭的上百上千倍。化学火箭发动机比冲到200 、 300已经非常高了，400多算是梦幻级别了， 而离子发动机几万都很正常。但问题是它的推力非常小，如果一直没有阻力的话，在无垠的宇宙空间中它很小的推力，可以实现很慢很慢的加速，随着时间越来越长加速度越来越快
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化学火箭加速很快，但加速完成后就结束了，因为燃料烧光了。离子火箭是用电加速物质，让物质从发动机中喷出，因为是电加速所以速度非常快，远远超出化学火箭的是、发动机喷射速度。如果离子发动机能够做到推力非常大的话，我们就可以展开想象的翅膀了
离子火箭发动机在航天领域有了非常多的应用。比如星链卫星在轨和变轨用的都是离子发动机。远远看上去像个饼一样是蓝色的，那个蓝色就是里面喷出来的离子的颜色
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可控核聚变、托卡马克、点火成功
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如何成为宇航员？
NASA 进行过一个公开讨论：教地质学家开飞机容易还是教飞行员地质学容易？结果是教一个飞行员地质学比较容易
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化学火箭分为两大类：固体燃料和液体燃料。固体火箭可以想象成是个非常精密且复杂的窜天猴，外面是一个大金属外壳，里面是燃料和氧化剂。但燃烧的时候不像窜天猴从下往上烧，是从里往外烧。也就是说火箭刚点火还在地面上的时候，它的燃烧面积最小，那它的推力就最小，这非常不合逻辑。因为刚点火火箭要克服自重和空气阻力让火箭升空，这个时候要推力最大，燃烧面最大。所以燃料工程师就要规划燃料的燃烧路径，在固体燃料上雕花，雕刻结束后也就意味着燃烧路径都确定好了，到时候直接点火就行
液体火箭燃烧需要有涡轮泵 power head ，占液体火箭发动机开发和制作成本的 40% -60%。它需要非常复杂的循环，需要冷却燃烧室冷却喷管，需要预热燃料，预热预燃烧，然后推动涡轮让涡轮带动泵，这是个非常复杂的过程
但它可以把燃料高压注入燃烧室，比冲性能远远超过固体火箭。固体火箭的优点是比较可靠，做好了就可以封存很久，随时拿出来用。但液体火箭需要液氧，液氧要低温保存，用的时候再把液氧进行化学制备打进
液体火箭发动机燃料并不贵，性能也比较好，难的是发动机的设计和制造。而固体火箭设计起来简单，但燃料很贵，装料和雕花都不便宜
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液体火箭发动机造一台特别贵，可同样的发动机造1万台，平均到每台就便宜了。固体火箭没有规模效应潜力，就算造1万台还是要这些料，还是要每台雕花，总成本就在那里
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所有航天创业公司要低成本做火箭一定是要做液体火箭，液体火箭又分不同的燃料组合。最常见的是煤油，和飞机用的煤油Kerosene几乎一样。煤油的优点是可以常温储存性能也不错，缺点是会结焦。火箭和飞机不同在于涡轮不能冷却，火箭预燃烧室里的燃料是富油，也就是比较多的油加比较少的氧气。故意燃烧不充分防止温度过高，但时间久了会有结焦让发动机状态恶化。飞机的燃烧是开放态的，就不太会怕结焦
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煤油有结焦的问题，液态甲烷需要低温，氢气温度低而且液态氢的体积特别大，分子特别小，会钻进金属表面结成氢气团崩坏零件，导致阀体难以密封。但氢的性能很好，比冲很高推力也很大。所以世界上还没有完美的燃料，都是要做取舍的
马斯克选择甲烷，一是甲烷成本比较低，甲烷的发动机设计成本也会略微低一些，以及更重要的甲烷有可能在火星上自己制备，不需要背着返程的燃料
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工程师是这个世界上的魔法师，可以创造出那些你觉得不可能的事情
《如何离开地球表面——人类航空航天小史》