图注:甲烷燃料在太阳系中非常多
火箭对燃料的选择是至关重要的,可以决定燃料箱的大小,最终决定火箭的大小;还会对火箭发动机的选择产生影响;并且对火箭使用燃料的速度产生影响。燃料的选择还可以决定火箭排放出的是有毒的气体,还是无害气体,比如俄罗斯质子火箭使用的是会造成严重污染的有毒燃料,而航天飞机则是使用了可以产生干净气体的燃料。作为一种中间燃料,甲烷既属于造成温室效应的气体之一,但它在燃烧过后所产生的的气体又是干净的,并可以产生较多的动能。这也就意味着在产生相同动能的情况下,它所使用的燃料箱是较小的,但要注意的是,清洁的燃料也就意味着成本的增加。但如果发动机能够多次使用的话,再加上多种化合物以及涡轮泵的使用,那么成本将不再是一个问题。
通常来说,火箭中的涡轮泵是由小型的主发动机驱动,而这也是提供动力的最佳办法。而在猛禽号发动机中,就是使用了这种装置,由液态甲烷和液态氧产生的排气会在主燃烧室合并,而泵的残留物也可以提供额外的动力。对于火箭的可重复使用性而言,涡轮泵系统是关键点,在燃烧之后产生干净气体的甲烷燃料,它的使用会将火箭发动机的发展更上一层楼,它能使火箭发动机具有可重复使用性,并降低火箭发动机的使用成本,这些都是甲烷燃料的优势。
图注:土卫六上有大量的甲烷
BE-4火箭发动机的崛起在亚马逊创始人的资金帮助下,蓝色起源公司开始研发BE-4火箭发动机,这就是新格伦重型火箭。目前,该发动机已在西得克萨斯州进行了热火实验。在网络上可以看见一则BE-4火箭发动机测试点火的六秒钟视频,关于BE-4热火实验的细节问题,蓝色起源公司未对此作出任何回应。在2020年进行第一次发射的新格伦重型火箭,在第一级配备了7台BE-4发动机,在第二级会配备1台。2019年底即将发射的火神火箭,也会采用BE-4作为主发动机。BE-4属于可重复使用的发动机,它在海平面上可以产生240吨推力,在目前已有的甲烷燃料火箭发动机中,它的性能是最强的。2011年,蓝色起源公司决定研发甲烷燃料发动机,而BE-4热火实验的成功则证明了这个决定是正确的。在一开始,该公司只是想研发出可以对海平面产生181.44吨推力的发动机,但在与ULA公司合作之后,成功的使发动机的推力上升了40%。
图注:BE-4发动机
由波音公司和洛克希德·马丁公司建立的ULA公司,也在BE-4发动机的研发过程中也进行了私人投资,同时美国的第二大富豪也对此进行了私人投资。据报道,为了能够更好地发射国家安全卫星,美国空军也会进行投资,其金额数目约4600万美元。ULA公司的总裁表示在BE-4发动机完成热火实验后,来自ULA公司的工程师在将它组装到火神火箭之前,会对它先进行性能测试等一系列的评估。在研发液体火箭发动机的过程中,存在着三个会引发燃烧不稳定性的变量:一是更改了燃料的选择;二是在不改变燃料的情况下更改发动机尺寸;三是在不改变燃料和发动机尺寸的情况下,对热力循环进行了修改,这三种变量在BE-4发动机中都可以找得到。
图注:猛禽发动机喷射出的淡蓝色马赫环
目前,大多数火箭发动机使用的固体燃料助推器或液体燃料助推器,都是将RP-1或液态氢作为提供动力的燃料。而BE-4发动机不仅采用甲烷作为燃料,还运用了富氧分级燃烧技术,可以在发射的过程中节约大量的燃料。由于甲烷燃料在燃烧过后产生的是干净气体,这也就意味着BE-4发动机更容易得到重复使用。目前,蓝色起源公司决定对新格伦重型火箭的第一级采用回收技术(该技术由SpaceX公司首创)。至于一次性的火神火箭,ULA公司也决定在发射之后回收火箭的第一级发动机,从而对它进行维修和再次使用。
在今年5月的地面测试中,BE-4发动机发生了事故,使得一套动力组硬件遭到了损坏。至于其原因,该公司暂未透漏,但他们表示这是很普遍的问题。在今年4月,该公司宣布,BE-4发动机很快就会在德克萨斯州的贝佐斯牧场进行热火实验。而在BE-4发动机开始进入批量生产之后,会在新工厂进行集成,新工厂位于阿拉巴马州的亨茨维尔。目前,ULA公司还未决定火神火箭的第一级发动机,而喷气洛克达因公司正在研发使用煤油和液态氧的AR1发动机。ULA公司认为BE-4发动机的研发时间早于AR1,所以火神火箭会先使用BE-4发动机进行试飞,对于此,喷气洛克达因公司认为AR1是最佳选择并且风险小。