未来的火箭发动机像喷气发动机一样呼吸空气

在洛杉矶以北大约两个小时车程的地方有一个小机场，它坐落在广袤的沙漠边缘，像飞蛾一样吸引着航空航天特立独行的人。莫哈韦航空航天港(Mojave Air&Amp；Space Port)是Scaled Composites和Masten Space Systems等公司的所在地。Scaled Composites是第一家将私人宇航员送上太空的公司，Masten Space Systems从事建造月球着陆器的业务。这是美国最大胆的太空项目的试验场，当亚伦·戴维斯和斯科特·斯特格曼去年7月到达神圣的停机坪时，他们知道他们来对了地方。

这两个人在黎明前到达机场，为他们的吸气式火箭发动机的原型搭建试验台，这是一种介于火箭发动机和喷气发动机之间的新型推进系统。他们称他们的邪恶创造为芬里斯，戴维斯认为这是让我们其他人能够足够便宜地进入太空的唯一途径。传统的火箭发动机在太空之旅中必须携带装满燃料和氧化剂的巨型油箱，而呼吸空气的火箭发动机则直接从大气中提取大部分氧化剂。这意味着呼吸空气的火箭可以用更少的推进剂抬起更多的东西，并极大地降低进入太空的成本-至少在理论上是这样。

将喷气发动机的效率与火箭发动机的动力相结合的想法并不新鲜，但从历史上看，这些系统只是分阶段结合的。例如，维珍银河和维珍轨道公司使用喷气式飞机将常规火箭运送到几英里外的大气层中，然后将其释放，进行最后一段太空之旅。在其他情况下，顺序是颠倒的。有史以来飞行最快的飞机是美国国家航空航天局(NASA)的X-43，它使用火箭发动机提供最初的助推，然后一个吸气式高超声速喷气发动机-被称为超燃冲压发动机-接管并将飞行器加速到每小时7300英里，几乎是音速的10倍。

但是，如果这些分级系统可以卷成一个引擎，那么巨大的效率收益将极大地降低进入太空的成本。弗吉尼亚大学航空航天研究实验室主任、高超声速飞行专家克里斯托弗·戈恩(Christopher Goyne)说：“圣杯是一种单级进入轨道的飞行器，你只需从跑道上起飞，飞入太空，然后再回来重复使用这个系统。”克里斯托弗·戈恩(Christopher Goyne)是弗吉尼亚大学航空航天研究实验室的主任，也是一名高超声速飞行专家。

单级入轨火箭(SSTO)面临的最大挑战是，要达到轨道所需的速度-大约每小时17,000英里-需要大量的推进剂。但添加更多的推进剂会使火箭变得更重，从而使其更难达到轨道速度。这种恶性循环被称为“火箭方程式的暴政”，这就是为什么要发射一颗汽车大小的卫星，需要一枚办公楼大小的二级火箭。准备火箭是有帮助的，因为一旦第一级的推进剂用完，它就可以减轻自重，但一开始就必须燃烧所有的推进剂仍然是相当低效的。这就是装有吸气式发动机的SSTO火箭将提供巨大效率提升的地方。

戈恩说：“我们的想法是在发射早期使用吸气式发动机，以利用无需携带自身氧化剂的发动机带来的效率提升。”一旦你在大气层中达到足够高的高度，你就会开始耗尽呼吸系统的空气，你可以使用火箭来进行最后的轨道助推。

当戴维斯在2018年创立山地航空航天研究解决方案公司时，以前还没有人制造过可以工作的呼吸空气的火箭发动机。美国国家航空航天局(NASA)和劳斯莱斯(Rolls-Royce)等航空航天巨头都曾尝试过，由于成本飙升和重大技术挑战，所有的项目都以失败告终。但是戴维斯，这位海军陆战队的前航空军械技术员，有了一个自己的呼吸空气发动机的想法，并且无法动摇这个想法。戴维斯说：“我雇了斯科特·斯特格曼来向我证明这是行不通的。”但斯特格曼之前曾在诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)担任机械工程师，他分析了这些数字，没有发现任何令人惊叹的东西。就物理而言，戴维斯的引擎看起来应该可以工作。

根据Stegman的计算，全尺寸的Fenris发动机可以将火箭需要携带的氧化剂数量减少约20%。这是一个巨大的效率提升，但首先他们必须证明戴维斯的设计是可行的。戴维斯缺乏在计算机上进行详细的流体动力学模拟来对发动机进行建模所需的资金，因此两人决定转而制造一台物理发动机。“归根结底，你可以做出非常漂亮的模拟，没有人会相信你，”戴维斯说。“如果只是出去测试一下我的想法是否有效，成本会更低。”

去年7月，当戴维斯在莫哈韦航空航天港开始倒计时时，他和斯蒂格曼已经在研究芬里斯原型将近一年半了。戴维斯说，他完全是自掏腰包开发发动机的，估计到目前为止，他在这个项目上已经花费了大约50万美元。沙漏形状的发动机比烤面包机大不了多少，其设计目的是从一端被动地吸入空气，将空气与煤油和燃烧室中的一些气态氧结合起来，然后从另一端喷出火焰。当戴维斯去年触发点火时，芬里斯发动机运转正常。

戴维斯声称，这次试验是第一次也是唯一次成功热发射吸气式火箭发动机。这是一个很大的断言，并伴随着一个重要的警告：Fenris引擎甚至还没有强大到足以将任何东西送入太空。两人还没有公布任何关于发动机性能的数据，但在发动机点火的视频中，很明显，排气缺乏你在高性能火箭发动机中预期会看到的有序结构。公平地说，戴维斯和斯蒂格曼并没有试图到达最后的边界。他们只是想看看他们的引擎是否能把空气从一端拉出来，并在另一端喷出火焰，而不会爆炸。“它实际上是一个两端都有孔的火箭发动机，”斯特格曼说。“这是不正常的，这就是为什么我们在第一次测试中非常保守的原因。”

今年晚些时候，戴维斯和斯特格曼将在怀俄明州退役的导弹发射井进行一些更先进的发动机测试。与第一次试运行不同的是，这些测试将把Fenris推到极限，并从实验发动机中提取尽可能多的动力。戴维斯说，根据他的计算机模型，他预计在测试过程中将达到600秒以上的比冲，这是衡量火箭发动机使用推进剂效率的指标。这将是一项不朽的成就，因为美国国家航空航天局(NASA)保持的世界纪录特定冲量为542秒，而大多数运行中的轨道火箭的特定冲量都在300秒左右。如果怀俄明州的演示进展顺利，下一大步将是展示飞行中的马达。戴维斯说，如果他找到发射合作伙伴，芬里斯发动机最快可以在2022年飞行。

从历史上看，戴维斯和斯特格曼是很好的伙伴。现代液体燃料火箭的诞生是由罗伯特·戈达德(Robert Goddard)、杰克·帕森斯(Jack Parsons)和维尔纳·冯·布劳恩(Wernher Von Braun)等业余人士推动的，他们为随后的大规模国营火箭计划扫清了道路。但并不是每个人都相信芬里斯是游戏规则的改变者。

“我对整个概念持怀疑态度，”南加州大学航空航天工程教授、推进专家丹·欧文(Dan Erwin)说。一个令人担忧的问题是，大气中大部分是惰性氮-在火箭发动机中，氮的作用就像一张湿毯。它通过氧气和煤油之间的燃烧反应加热，而不会对其产生影响，这降低了燃烧温度，减少了推力。虽然氮气对发动机的推力有贡献--因为它在燃烧室中被加热，然后通过喷嘴排出--但排气速度必须高于航天器的速度。否则，欧文说，当空气离开发动机时，空气相对于静止的大气层向前移动，这将削弱火箭的前进动量。虽然这样的引擎并不是不可能的，但它必须具有令人难以置信的高性能。

德克萨斯农工大学(Texas A&；M University)航空航天工程师、高速燃烧专家阿多尼奥斯·卡佩蒂斯(Adonios Karposs)也对芬里斯发动机的可行性表示怀疑。他指出，虽然火箭大部分时间都在超音速或高超声速下运行，但燃烧室本身并没有经历过这些情况。这与高超声速吸气式发动机不同，它在发动机内部经历了高超声速气流。对于制造高超声速超燃冲压发动机的公司来说，这一直是一个重大的技术挑战，也将面临像芬里斯这样的吸气式发动机在飞行过程中面临的挑战。卡佩蒂斯说，芬里斯设备的一次静态射击测试是在零速度下进行的。当Fenris设备变得真正超音速，空气从进气口高速涌入时，会发生什么？一个简单的猜测就能预测行为的减弱，很快就会将600秒的特定冲量降低到某个较小的值。"；

拥有大量资金和专业知识的组织努力让呼吸空气的火箭发动机重现生机，这已经有很长的历史了。在20世纪80年代，美国国家航空航天局(NASA)和英国航空航天公司的合作伙伴都在追求SSTO吸气式航天飞机的概念，这种飞机可以取代航天飞机。美国国家航空航天局的飞行器，被称为国家航空航天飞机，被设计成使用吸气式超燃冲压发动机加速到音速的25倍，并在没有岩石的情况下到达轨道

Sabre背后的想法是利用发动机的呼吸模式在较低的大气中将航天器提升到超音速，然后在太空边缘切换到全火箭模式。这在概念上很简单，但关键在于细节。例如，当发动机在低空使飞机达到高超声速时，气温接近1800华氏度，这一温度足以熔化发动机部件。为了克服这一挑战，Sabre使用预冷器通过发动机循环氢燃料来降低空气温度。这会将空气降低到海拔-200华氏度左右的环境温度。“实际上，核心引擎并不知道它在以超音速飞行，”Reaction Engines的项目主管肖恩·德里斯科尔(Shaun Driscoll)说。“预冷器会解决这个问题。”

一旦空气降低到可控制的温度，它就会被传递到压缩机，以提高气体压力，就像传统的喷气发动机一样。然后，它被送到火箭燃烧室，在那里与液氢燃料混合并点燃以产生推力。当飞行器达到高超声速时，对于吸气式发动机来说，大气太稀薄了，系统切换到机载氧化罐，进行太空之旅的最后一段。

邦德于2017年从反应发动机中退役，但Sabre发动机的工作仍在快速进行。在过去的四年里，该公司已经筹集了超过1亿美元来开发Sabre，在邦德离开公司后不久，Reaction Engine与Darpa签订了合同，为科罗拉多州的发动机预冷器开发一个测试设施。去年年底，该公司展示了其预冷器可以处理高超声速条件下产生的极端热量，这是其全引擎演示道路上的一个重要里程碑。大约在同一时间，欧洲航天局(European Space Agency)结束了对发动机的设计审查，并为该公司开始测试发动机核心开了绿灯。

Reaction Engines首席执行官马克·托马斯表示，该公司预计明年开始进行这些测试。军刀发动机的核心是推进系统的呼吸空气的心脏，去除了排气喷嘴和预冷器。托马斯说：“这些测试将在明年进行，这将是朝着世界上第一台能够从零加速到5马赫的吸气式发动机迈出的重要一步。”托马斯说，如果这些测试进展顺利，下一大步将是整合所有发动机部件，并用定制的机身进行高速飞行演示。托马斯说，他预计第一次试飞将在2020年代中期进行。

托马斯说：“近年来，商业发射公司在可重用性和降低发射成本方面取得了重大进展，然而，他们的方法基本上是利用已经使用了70多年的现有化学火箭技术。”“只有空气呼吸系统才能进一步大幅降低发射成本和可靠性。”

Sabre是由数百万美元的政府和行业资金支持的40多年研发的顶峰。这大约是你能从两个人在沙漠中榨取小型原型火箭发动机的最远距离，但戴维斯并没有因为可能性很大而分阶段进行。“这比什么都重要，”他说。“只有600人去过外层空间，在我意识到每个人都有这种能力之前，我是不会放弃的。”

👁大脑是人工智能的有用模型吗？另外：获取最新的人工智能新闻。

🏃🏽‍♀️想要最好的健康工具吗？看看我们Gear团队挑选的最好的健身跟踪器、跑步装备(包括鞋子和袜子)和最好的耳机