史上最强火箭即将登场，前苏联倒在相同技术线路上，祝马斯克好运

Space X公司的超级火箭~星舰，即将完成首次完整版的亮相。

●星舰完整版，高度120米。

星舰第一级一共使用了32台猛禽液氧甲烷发动机，单台推力是172吨，总推力高达5504吨。

如果试飞成功将是史上最强火箭，超过了美国登月用的土星5号火箭。

猛禽发动机按三层布置在星舰一级的尾部，外层20台，中层9台，内层3台。猛禽发动机采用世界上最先进的火箭发动机体制~全流量分级燃烧体制，具有强大的推力调控能力，可以在68吨到172吨之间调节。

●猛禽发动机在星舰尾部的布置方式。

我们知道火箭发动机的氧化剂和燃料是分开的，在喷口里面混合燃烧的时间非常短，所以往往燃烧不够充分，这样就会损失推力，减少效率。

那最好的办法是分别燃烧两次：燃料进入主喷口前，和少量的氧化剂燃烧一次；氧化剂进入主喷口前，和少量的燃料燃烧一次；这2股二次燃烧后的产物，再进入主喷口，充分混合燃烧。这就是所谓的全流量分级燃烧。

●全流量分级燃烧示意图。

当年美苏两强争霸的时候，为了展现国家实力，捞取高额的政治红利，美苏两国都先后推出了自己的登月计划，但是只有美国成功了，最重要的原因就是美国的火箭搞得好。

美国用于登月的土星5火箭的总设计师是大名鼎鼎的冯.布劳恩，是美国在回形针行动中，从德国抢回来的，当时世界上最顶级的火箭专家。

土星5火箭第1级使用了5台F1液氧煤油发动机，单台海平面推力超过了650吨，起飞质量超过3000吨，高达87米，加上阿波罗飞船以后，高度超过100米。

●土星五火箭和屁股上的5台F1火箭发动机。

当时的美国肯尼迪政府为了搞这个阿波罗计划，砸了大概1,000亿美元左右（公开预算为250亿），火箭跟飞船都是全新研制的。

但是苏联国内生产总值只有美国的1/4，没有美国那么有钱，所以苏联的登月火箭走了一条完全不同的道路。

苏联执行登月的火箭为n1，总设计师为科罗廖夫，为了节约经费没有重新研制火箭发动机。他用的方法是小型的发动机并联的方式。

N1火箭的第1级一共并联了30台 Nk15火箭发动机，总推力是4500吨，超过了土星5号。

●N1火箭的屁股上可以看到大量并列的小型发动机，与space X公司的星舰类似。

Space X公司这次是即将试飞的大火箭，就是小火箭发动机大量并联，这是前苏联想走，但是没有走成的道路。

所以说，世界上的大推力火箭有两条路可以走，一条就是冯布劳恩之路，另一条就是科罗廖夫~马斯克之路。

但是，这两条道路各有各的难处。

土星五火箭的第1级，5台F1火箭发动机，如果一台出错的概率是1%，5台并联出错的概率大概就是5%。

这样换句话说，它的成功率就是95%。

如果按照科罗廖夫和马斯克这样的道路。大量的小型发动机并联，一台小型发动机的出错概率是1%，整体的成功率就是99%的N次方。

●工厂中等待装配的猛禽发动机。

只要这个N的数量一增大以后，成功概率就会急剧下降。

10台并联，就是0.99的10次方，等于0.904。

20台并联，就是0.99的20次方，等于0.818。

30台并联，就是0.99的30次方，等于0.74。

这就是为什么前苏联采用科罗廖夫的登月方案没有搞成的原因。

N1火箭一共发射了4次，全部都没有出大气层，一次还炸在了火箭发射台上。可以说损失惨重，后来很长一段时间苏联都追不上美国的宇航成就。

直到后来苏联搞了能源号运载火箭、暴风雪号航天飞机，才勉强把整体航天技术水平和美国拉平，但是接下来苏联就解体了。

所以，按照科罗廖夫和马斯克的这种小发动机多数量并联的方式，主要考验在单台发动机的质量，以及控制系统的完善程度。

得益于现代电子技术的进步，目前控制多发动机同步的技术可能比前苏联科罗廖夫那个时期要好。

但是不管怎么说，多数量发动机肯定是不如少数量发动机的整体可靠性高。

但是，如果把火箭发动机的数量减少，推力增大，又面临着几个问题。

第1个问题就是，大推力燃烧室燃烧稳定性的问题。

火箭燃料在火箭发动机的燃烧室中燃烧的时候，物理学上属于高温可压缩流体。

但流体力学又是物理学里面最难的一个分支。

到目前为止，流体力学仍然是半经验、半理论的一个科学。飞机为什么要在风洞里吹很长时间，然后才能基本定型，因为单靠计算根本就算不出来。

所以，即使是大推力的火箭发动机，为了防止燃烧室中的燃烧不稳定，有可能也是分几个燃烧室。

我们国家现在正在搞的500吨级的液氧煤油发动机 Yf480，就是双燃烧室。这台发动机将用在长征九重型运载火箭。

●Yf480液氧煤油发动机。

推力超过500吨的火箭发动机，只有土星五火箭的 F1液氧煤油发动机是一个单燃烧室的发动机。

除了燃烧室的燃烧稳定性问题以外，大推力发动机的研制周期比较长，而且因为它只能用在大型火箭上，用途比较单一需求数量少，产量少导致制造成本高昂。

推力较小的火箭发动机，用途广产量大。

大批量生产降低成本以后，又可以在实践中反复测试产品的缺陷，得到大量的测试数据以后又可以修正原先的设计。

所以马斯克的这个方案成功与否，取决于试验的次数是否足够多。

只要样本整体数量足够庞大，几乎所有的缺陷都会被反映出来，这个时候它就会非常可靠。

所以小型火箭发动机的可靠性，以及完善程度，理论上比大型火箭发动机要高。

如果大型火箭发动机的可靠性是99%，那么小型火箭发动机的可靠性可能是99.5%。

除此以外，小型发动机大规模并联还要解决一个彼此干扰的问题。

这就是为什么马斯克的火箭在发射之前要测试很多次，甚至要把它炸掉，就是要考验在极端情况下的工作状态。

●星舰各个版本与土星5号对比。

就目前世界的航天领域来说，马斯克走了一条和其他国家的国营航天机构，包括中国火箭科学研究院以及美国NASA、欧洲航天局、俄罗斯航天局完全不同的道路。

马斯克的成功将是对曾经失败的科罗廖夫火箭方案的最大肯定和告慰，也将是人类火箭制造史上全新的里程碑，所以这里要祝马斯克好运。