第三代猛禽长啥样？为谁打造？

▲星舰首飞后再起波澜。5月13日，SpaceX首席发言人马斯克最新披露，第三代猛禽发动机静态点火测试数据刚刚出炉，骇人听闻——燃烧室压力高达350bar、推力高达269吨力。又一次印证：SpaceX就爱挑战不可能，不知疲倦地追逐突破，自我超越。

相比之下，4月20日星舰首飞日使用的第二代猛禽发动机，燃烧室压力330bar、推力230吨力。显而易见，第三代猛禽燃烧室压力增大了20bar，继续保持全球现役火箭发动机燃烧室压力的最高纪录。

▲三年前的2020年8月17日，马斯克曾披露猛禽发动机在点火测试中达到330bar的燃烧室压，推力达225吨。之前公布的猛禽燃烧室压力最好成绩达268.9bar，已经超越之前世界室压纪录保持者：俄制发动机RD-180峰值267bar。

为啥如此看重燃烧室压力值？

所谓燃烧室压力，英文全称Main Combustion Chamber Pressure，缩写为MCC Pressure，是指燃烧剂（燃料）和氧化剂（氧气）混合后燃烧产生高温高压气体，这些气体会对燃烧室壁面和喷嘴产生压力，同时也是产生推力的关键之一。燃烧室压力的大小会影响到推力的大小，因此在设计和优化发动机时需要对燃烧室压力进行精确的测量和控制，这也是火箭发动机核心技术之一。

尽管燃烧室压力和推力之间没有直接的换算关系，它俩是不同的物理量，燃烧室压力是指燃烧室内气体的压力，以bar（巴）或者MPa（百万帕）为单位，而推力是指发动机产生的推力，以kN（千牛顿）或lbf（磅力）或tf（吨力）为单位。

不过，一般状况下，燃烧室压力越大，就代表发动机推力也越大。就拿三代猛禽为例，第一代猛禽燃烧室压力300bar，推力达185吨；第二代猛禽燃烧室压力330bar，推力达230吨；第三代猛禽燃烧室压力350bar，推力达269吨。

但也有二般状况，燃烧室压力与推力并非成正比。就拿光头贝投资的蓝色起源（Blue Origin）开发的发动机BE4为例，设计推力达270吨，比第三代猛禽269吨还大，但是体积、重量都比猛禽大，而且燃烧室压力只有134bar，仅仅是猛禽发动机的38%。这就是技不如人，远没有掌握发动机核心技术。

第三代猛禽长啥样？

截至目前（马斯克最先透露第三代猛禽数据之际），外界对此知之甚少，不太清楚具体关键参数。比如尺寸、重量、比冲（ISP）、流量（Mass Flow）、推力百分比（Thrust Percentage）等等。

在马斯克透露第三代猛禽数据之后不久，有专业媒体人问询老马：第三代猛禽（Raptor V3）与第二代猛禽（Raptor V2）看起来何异同？

对此，马斯克回复称：「如果我们能够删除并且整合足够多的第二级结构(细小而繁琐的部分)，那么我们就可以在局部保护其余部分，并且去掉发动机隔热罩。」

这就是说，第三代猛禽设计目标将比第二代更简洁，更高效，更轻巧。通过删除或者整合一些部件，有效减少发动机质量，让发动机结构更为紧凑，还能更快更有效地实现量产。

▲作为长期追踪SpaceX各项动态消息的知名航天媒体NASASpaceflight，5月13日在其推特账号发布一条短视频，内容是前一天（5月12日）在德州麦格雷戈火箭测试基地，静态点火试射第三代猛禽（Raptor V3）持续45秒钟画面。

视频发布后马斯克在下方回复称：「坦率来说，我们没想到发动机能在这么大的燃烧室压力下持续点火这么久。这是一片未知领域。」（见下图▼）

三代猛禽发动机迭代都有哪些变化？

▲三代猛禽发动机主要参数对照表

SpaceX自从2012年开始研制猛禽发动机，历经整整十年，从猛禽V1.0，V1.5，V2.0，V2.5，一直到最新版3.0（简化为第一代、第二代、第三代），性能提升都是跨越式进化。最突出的是推力陡增，从185吨猛增到269吨，这可是45%的性能提升！‍

▲第一代、第二代猛禽主要参数对照  图表出品everydayastronaut.com‍

第一代猛禽外部管线复杂到被戏称为「圣诞树」，管线对接要用到盘状凸缘，机械名词称为「法兰」（Flange）。第一代猛禽采用了很多法兰，这是在研发初期为了方便更换零件，而且需要安装很多感应器搜集测试数据，所以外观看起来很杂乱。随着设计简化、技术成熟，这些接头便改成焊接，很多测试装置也随之省略，线路可以集成。

第二代猛禽最大突破在于，去掉原本的点火系统，也就是删除了燃烧室里的双冗余点火器，而是巧妙利用燃烧室高温高压工作环境，让充分混合的高热氧气和甲烷气体直接变成「自燃推进剂」（Hypergolic）。所谓「自燃推进剂」到底是如何做到的？这被SpaceX视为公司核心技术机密从未披露过。

以上种种简化，让第二代猛禽得以减重，造价也降低一半，制造速度令人咂舌，每天至少可生产一台第二代猛禽。由于外观简化，就连原本用来保护管线的隔热罩也被删除了。要知道，光是去除隔热罩这部分，就为超重型火箭减轻多达6吨负重。这一简化的设计理念，正是马斯克座右铭：The best part is no part（最好的部件就是没有部件）的具体表现。

毋庸置疑，第三代猛禽会进一步简化设计、优化构造，减负减重的同时，最大程度地释放高效性能。

尽管猛禽并不是史上推力最强悍的火箭发动机，但却是百吨级推力性能最棒的。我们就拿全球目前数一数二的两款巨箭发动机做比较：单台猛禽重1.6吨，NASA官定月球火箭太空发射系统（SLS）使用的R25发动机重达3.2吨，整整多出一倍；第三代猛禽推力高达269吨，RS25只有190吨。猛禽性能远超RS25几条街，要知道RS25使用的可是50年前的老旧技术。

第三代猛禽能释放这么大推力，关键在于燃烧室压力，高达350巴，这是史上火箭发动机之最，燃烧室压力越大，就代表推力也越大。

▲蓝源BE4与SpaceX猛禽对照图表来自reddit.com/r/spacex/comments

▲再拿蓝色起源开发的BE4作比较，尽管设计推力270吨，只比第三代猛禽269吨多出一丢丢，但体积重量都比猛禽大不少；拿关键指标燃烧室压力作对比，BE4只有134巴，仅仅是猛禽的38%。更重要的是，无论对比制造成本，还是生产速度，BE4都远不如猛禽，猛禽造价从第一代200万美元，快速降至第二代25万美元，而BE4造价却高达800万美元。

猛禽发动机主要特色有哪些？

第三代猛禽为谁打造？

表面上看，不断迭代猛禽发动机，这就是SpaceX不知疲倦地追逐突破和自我超越的最新例子，但成熟公司不会为了简单突破而突破的，追逐突破一定有强烈目的的。在我看来，第三代猛禽很可能就是为了加长版星舰打造的。马斯克为啥要推加长版星舰？

要知道，第二代猛禽完全可以满足目前星舰系统的设计能力。第二代猛禽发动机关键指标：燃烧室压力330bar，推力230吨力。作为星舰系统第一级，超重型火箭配置33台猛禽发动机，总推力峰值高达7590吨。不仅已是史上之最，而且是土星五号起飞推力2.2倍、SLS B1起飞推力的1.9倍、胖五起飞推力的6倍。即便星舰首次试飞以90%推力，而不是100%全功率推进，这也是相当于土星五号两倍推力，或者去年底首飞的SLS最大运力1.7倍。

如果单纯为了满足目前星舰系统设计要求的话，第二代猛禽已经足够用了。只要解决安全可靠、共振问题，以及低价高效，就能满足星舰现阶段需求。而没必要投入更多资源来搞所谓第三代。

所以，深层原因只有一个：为了更新一代星舰系统，也就是老马透露的加长版星舰。

我们不妨先来看看，三代猛禽不断推高的推重比：第一代1.25，第二代1.5，第三代1.77。所谓推重比，是用来描述发动机利用排气产生的推力与负重量之间的比例，Thrust-to-weight-ratio，通常缩写为TWR。

再看看推重比对火箭发射的影响。我们知道，火箭在发射上升阶段，开始1G（9.8米/秒^2）的加速度，纯粹是用来挣脱地心引力的。

▲第一代、第二代猛禽推重比对比示意图图表出品everydayastronaut.com

第一代猛禽推重比只有1.25，那么意味着80%推力都耗在对抗地心引力上（1/1.25=80%），这种必须付出的推力损耗常被称为重力损失（Gravity Loss）。再换个角度看，只有20%推力用在推进火箭上。这种剔除1G之后净增的0.25G加速度，又被称为净加速度（NET ACCELERATION）。

第二代猛禽推重比达到1.5，意味着只需67%推力用来摆脱引力（1/1.5≈67%），其余33%推力就能用在加速推进火箭上。剔除1G之后增加0.5G的净加速度，

第三代猛禽推重比高达1.77，意味着只需56%推力用于摆脱引力（1/1.77≈56%），其余44%推力都用在加速推进火箭上。剔除1G之后增加0.77个G的净加速度。这对史上最强巨箭——星舰系统来说，价值可就大了。这会缩短超重型火箭持续点火时间，便能抵达一二级分离速度及高度，由此缩短返航距离，减少返航回收阶段所需推进剂量。

这也会缩短星舰飞船进入轨道所需时间，由此减少重力阻力。换句话说，发动机越是加大推力，越会减少重力阻力，从而增加星舰飞船运力。

显而易见，这么高的推重比并不是为了现有版本设计的，而是为了下一代星舰。

就在星舰首飞前夕，今年4月9日马斯克突然发推声称：「星舰飞船会变大，可能会再延长10米。」这意味着：作为星舰系统的第二级，星舰船体从目前50米高，增至60米高；新一代星舰系统总高度将从目前119米（69+50）增高至129米；第二级星舰发动机配置从目前3台真空版增至6台；星舰近地轨道最大运力从150吨有望增加到200+吨；有效载荷舱体积从目前1100立方米有望增至1700+立方米。

要想实现加长版星舰的设计需求，就需要猛禽提供更多推力，提升单台发动机效能。所以，在第二代猛禽已经大规模量产的情况下，SpaceX还必须极尽所能榨取每一台猛禽发动机效能，于是在短时间内便推出了测试版第三代猛禽，以至于测试数据称得上骇人听闻。

不难预见，随着装配更强大的第三代猛禽发动机，加长版星舰如虎添翼，关键指标让人叹为观止：起飞推力高达8877吨，LEO运力200+吨，轨道加油后深空运力200+吨，加压空间1700+立方米……

不管是近地轨道，还是去⽉球、⽕星等深空，这都是举世无双的颠覆性太空运输系统。如果我们笃信成功总是有惯性的话，那么也就不难相信SpaceX必将星舰效能发挥到最大，优化到极致，最终成为我们这个大航天时代的超级载具。