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拥有金牌猎鹰9号火箭后，马斯克通过捆绑三个猎鹰9号第一级，研制出了重型猎鹰火箭。这种火箭在近地轨道上的运载能力为60吨，仍然是地球上现役最强的火箭。
然而，马斯克的目标不仅仅是发射卫星，而是去火星。现有的重型火箭根本不够上火星，必须研制更大的火箭。要知道，去火星必须涉及多级火箭。一个个扔太麻烦了，肯定很贵。如果要回收，太难了。第一级火箭是可以回收的，因为第一级火箭根本没有达到第一宇宙速度，会呈抛物线回落到地表。第二级火箭会失败，通常会达到第一宇宙速度。
图:煤油、甲烷和液态氢的密度对比
马斯克团队综合考虑多方面因素，确定甲烷火箭方案可行，是最优方案。首先，煤油的密度是813 g/L，液态甲烷的密度是422 g，液态氢的密度是70 g，液态氢的密度低得可怕。
无论是液氧煤油火箭、氢氧火箭还是以液氧甲烷为燃料，液氧都跑不掉。如果完全燃烧，1克煤油应配2.7克液氧。1克甲烷应配3.7克液氧，1克液氢应配6克液氧。
你会发现火箭除了发动机就是油箱。液氧煤油火箭，煤油是小罐，液氧是大罐。说到氢氧火箭，液氢绝对是超大型的坦克，比液氧大5倍。这就是超低密度带来的问题。油箱太大，增加了结构重量。使用甲烷时，罐比煤油大40%，但与液氧罐大小差不多。综合来看，它是有成本效益的。
甲烷的另一个优点是液态甲烷的温度为-161℃，液氧的温度为-183℃。煤油常温储存，不同煤油冰点不均匀，在零下-40度左右，液氢为-253度。反正液氧和煤油的温差在-200度左右。液氢和液氧的温差也接近70度。也就是说，液氢会把液氧冻成一大块冰，液氧会把煤油冻成固体，所以两个油箱尽量不要背靠背。要减轻结构重量，做一个普通的底部收纳盒是非常困难的，至少要解决保温的问题。
图:普通底部储罐
但是液氧和甲烷的温度差不多，甲烷的冰点是-182度，只比液氧的沸点-183度高一点点。没关系，这个温差可以通过采取一些保温措施来解决。这样，我们就可以把油箱做成一个整体，中间有一个隔板来释放液氧和甲烷。这就是所谓的普通底舱。这是使用液氧甲烷作为燃料带来的额外好处。共底收纳盒变得更加方便。用液氧煤油或氢氧作为普通底罐也不是不可能，但成本相对较高。
那么，最重要的是液氧甲烷发动机的性能？发动机的一个非常重要的指标是比冲。比冲上限由燃油决定。理论极限是液氧煤油发动机370，液氧甲烷发动机422，氢氧发动机532。不过，其实也没那么高。RD180是著名的液氧煤油发动机，海平面比冲只有311，真空比冲338。航天飞机的发动机是最好的氢氧发动机，海平面比冲366，真空比冲452。
可以想见，甲烷发动机的性能介于氢氧发动机和液氧煤油发动机之间。不高不低，海平面比冲能量在330以上，可以满足马斯克的需求。
图:宇宙神5火箭发射X37B时，二级火箭尾焰迅速蔓延
这里补充一点，火箭发动机喷出的气体速度越快，膨胀效率越高，这样热能就可以完全转化为机械能。但是在大气中，由于大气压的存在，喷出的高温气体不能完全扩散，仍然受到大气压的束缚。因此，比冲会更低。当你看到火箭发射时，尾部的火焰总是狭窄的，因为它喷射得很快，传播得很慢。然而，当两级火箭发动机在真空中燃烧时，尾焰不是一条长条形，而是一个大喇叭口。快速喷射，快速横向扩散，成为喇叭口。所以，我们看火箭发射的时候还是要看门口。你不能只看热闹。我还有一个视频节目，介绍了不同火箭的不同尾焰。你可以搜出来看看。
自从甲烷被选为燃料后，工程师们发现当今世界上甚至没有成熟的甲烷发动机。SpaceX只能自己设计。
我们得稍微复习一下火箭发动机的基础知识。当初火箭发动机只是把燃料挤入燃烧室，燃烧喷射，就像喷灯一样。然而，后来发现没有足够的燃料。布劳恩的方法是用过氧化氢催化分解，产生高温高压气体吹涡轮泵，给燃烧室提供燃料。这是V2火箭使用的招数。
图:电子号码起飞重量只有10吨
这个设计需要用额外的双氧水，太麻烦了，然后大家都没做。但是新西兰的电子火箭也是利用外部能源的技术来驱动燃油泵，但是他们采用的是锂电池+电动泵的方法。这项技术对于小型火箭发动机来说仍然可行。电子火箭只有10吨，专门用来打小卫星。它很轻，可以用降落伞回收。确实结构简单。因为这个电动泵和燃烧无关。其他火箭发动机的燃油泵关系复杂，所以才这么麻烦。
更复杂的设计是膨胀机循环，就是让燃油绕着喷嘴内壁转圈流动，用喷嘴加热燃油，产生高温高压，然后推动燃油泵，快速将燃油输送到燃烧室和从燃烧室输送出来。这被称为膨胀循环。
图:梅林发动机燃气发生器排气口冒出滚滚浓烟，大量燃油浪费
此外，将少量的燃料和氧化剂放入特殊的燃烧室中燃烧。然后，废气被用来吹动涡轮泵以将燃料输送到燃烧室。这叫做气体发生器。这是猎鹰9号使用的梅林发动机的型号。如果燃油充分燃烧，温度可高达3000度，涡轮泵叶片根本受不了。为了降低温度，我们只能增加燃料的量。那时候只会给一点氧气，这样没有完全燃烧的燃料会带走很多热量。温度不会太高，仍然在涡轮泵的公差范围内。但是燃料燃烧不完全是一种浪费，所以燃气发生器比冲不高，油耗大。这种模式也称为开环。
自然，有些人认为，由于废气中含有大量未完全燃烧的燃料，如果简单地将其送入燃烧室燃烧，就不会浪费。然而，事情怎么会这么简单呢？不完全燃烧会产生大量的黑烟，其实它会产生大量的碳粒子。这东西进入燃烧室。你不怕发动机结焦。如果注射器堵塞，你要负责。没有人真的敢做。
你可能会想，你能把它翻过来吗？让氧化剂过量，燃料少，这样就不会有那么多黑烟，也不会有结焦的问题，对吧？你想的太简单了。富含氧化剂的高温气体不是氧气切割机吗？你要切断涡轮泵的所有叶片吗？你对涡轮泵有多怨恨。
美国人曾经想这么做。如果实现这种方式，发动机将从启动循环变为关闭循环，燃料和氧化剂完全不会浪费。可惜美国人走在这条被称为悲剧的路上，最终放弃了。后来我干脆放弃了液氧煤油发动机的道路。
这条路是苏联人修的。这条路被称为高压加力发动机，或分级燃烧发动机。他们开发了耐高温、抗氧化的金属零件，他们的煤油不容易结焦。这也和燃油质量有关。煤油不是一种简单的物质，但它的成分非常复杂。
图:RD180发动机试车，这是一台双喷嘴发动机
因此，美国宇宙神5火箭采用了俄罗斯的RD180，这是一种典型的高压加力发动机。美国人看到俄罗斯的发动机感到惊讶。价格便宜，数量充足，真是好东西。但是，俄罗斯人有一个缺陷，那就是燃烧室的燃烧室压力上不去。因此，他们采用多喷嘴方法。RD180是典型的一拖二，一个涡轮泵为两个燃烧室提供燃料。
美国人没有走富氧分段燃烧的道路，但他们做到了。那是航天飞机的主引擎。这款发动机水平高，推重比高，比冲高，效率惊人。燃料是氢气，完全没有结焦问题。美国人绕过了棘手的问题。
图:航天飞机主发动机试车
这台发动机有两个预燃室，分别驱动两个涡轮泵，一个管道供应氢气，另一个供应氧气。因为氢氧差太远，涡轮泵的速度差太大，分开比较合适。
但是，这台发动机也有故障。涡轮泵由富含氢气的气体驱动。如果燃油泵输送氧气，高温高压氢气和氧气的距离非常近，任何泄漏都会造成灾难。涡轮轴不可能完全没有间隙，对吧？美国人只能用高压氦来试图阻挡氢回来，所以他们仍然需要携带额外的氦，这种氦是惰性的，不会燃烧。但这不是麻烦。此外，用于输送氧气的涡轮泵极其复杂。我真的很佩服工程师的帮助，他们真的做到了。
图:全流分级燃烧
那么还有别的办法吗？有，就是所谓的全流分级燃烧。使用富含燃料的涡轮泵输送燃料，如果泄漏出去，只会击中燃料，不会爆炸。用富氧涡轮泵输送氧气也没关系，也是这个道理。
马斯克最新的猛禽发动机是一款罕见的全流量分级燃烧发动机。富燃废气和富氧废气最终送入燃烧室，完全没有浪费。所以这台发动机在海平面比冲达到334，真空比冲361，比煤油高一点，比氢氧发动机低一点，总推力310吨。它比航天飞机发动机大一点。
图:猛禽试运行
但是，浓燃烧的废气不能冒黑烟吗？倒入主燃烧室时不会结焦吗？这个问题我下次再说。关注我，后续会更精彩。
