原作者为everydayastronaut

SpaceX(以下简称太空叉)最新的猛禽发动机是一款以甲烷为燃料的全流量分级燃烧循环发动机(Full Flow Staged Combustion Cycle Engine, 以下简称FFSCC)，其开发难度非常之大，以至于从未有过同类发动机上天。
而火箭发动机这个话题可谓极其复杂深奥，所以为了介绍猛禽发动机，我打算过一遍当前几款火箭发动机的循环方式，然后让它们和猛禽发动机做对比，这些发动机包括太空叉当前主力梅林发动机，航天飞机主发动机RS-25发动机，Atlas V一级的RD-180发动机，蓝色起源的BE-4发动机和土星五号一级的F-1发动机。

而这还不够，因为太空叉不但使用了一种近乎疯狂的发动机循环方式，还要使用液态甲烷作为燃料，而这也是运载火箭中前无古人的举措。所以我们还要介绍液态甲烷作为火箭燃料时其独有的特性，并且最终明白太空叉为猛禽发动机选择甲烷燃料的原因。
所以我们还将剖析其他所有发动机循环方式，让你知道FFSCC到底是什么意思，如何运转，对比其他循环方式有何优劣。
所以希望在看完这篇文章后，大家能明白为何猛禽发动机如此特别，猛禽发动机对比其他发动机如何，为何它使用甲烷作为燃料，也希望大家自己能想通猛禽发动机是不是最强火箭发动机。
事先说一下，这篇文章篇幅很长，但如果你和我一样一直关注猛禽发动机的各种传闻，又想去深入了解一下猛禽发动机，但又不知道从何查起……那我建议你先收藏再看。
而我在这个科目上已经身经百战见得多了，所以我有一个很好的基础来让大家完全了解猛禽发动机……骗你的，其实是所有火箭发动机。

正常的火箭发动机示意图
又或许你和我一样，曾注视着上面那张图表几个小时结果每次脑子都要爆炸了却还没看出个门道。所以为了防止各位脑子爆炸，我将它们高度简化了有关火箭发动机循环方式的部分，希望能让大家更好地理解其概念。

首先给大家补习一些物理知识……但我们要事无巨细地深入讲很多本质上的细节。希望到这篇文章的最后，读者能掌握火箭发动机的工作原理，了解不同种类的液体燃料火箭发动机，以及懂得甲烷是很好的燃料选择的原因，并明白猛禽发动机是如何打败其他种类热门发动机的。
火箭基本就是一个大燃料罐里面装着很多燃料，燃料罐的菊花有个东西能把燃料超快的喷射出去，更简单的说，燃料喷射的速度越快越好。

想做到此事最简单的办法是以很高的压力在燃料罐中储存燃料，然后在燃料罐一端放一个阀门，再放一个喷嘴来让燃料加速从而产生推力，搞定！没有多么厉害的泵，也没有多么复杂的系统，开个阀门，喷就完事了。
这种叫做挤压供应火箭发动机，有这么几种主要类型：冷气(cold gas)、单组元及双组元挤压供应式发动机。你会发现这些经常用在反作用控制系统上(Reaction Control Systems, RCS)，因为它们简单、可靠、反应迅速。

但挤压供应发动机有一个巨大的限制因素——燃料总是从高压流向低压，所以发动机的压强永远不能比燃料罐高。同时，为了保存高压燃料，你的燃料罐必须非常结实，导致其越来越厚，越来越重。来看看复合材料压力容器(Composite Overwrapped Pressure Vessels, COPV)，它们能够以超过10000PSI、700bar(70MPa)的压力储存气体

先更到这里吧

提高压力，就要增加贮箱壁厚
即便如此，燃料管能容纳的燃料和压力仍然有限，当你想把载荷送进轨道的时候，这种方法也不会提高多少运力。所以聪明的火箭科学家们很快意识到，想让火箭尽可能的轻，那有一个办法——提高焓（这要是个90年代重金属乐队的名字就老***）。

焓主要意义是体积、压强、温度之间的关系，燃烧室内更高的压强和温度等于更高的效率，而更多的质量从火箭喷出带来的是更高的推力。所以想要把更多燃料挤进发动机，你可以提高燃料罐的压强，或者干脆使用超大功率的泵把燃料挤进燃烧室，听起来第二个主意很不错。
但泵每秒会推动上百升燃料，需要很多……是需要非常极其相当多的能量才能驱动。所以假设我们有一个小火箭发动机，然后在右边放一个涡轮让泵转得飞快？同时你可以把火箭燃料的一部分化学能转换成动能从而驱动这些大功率的燃料泵。

欢迎来到涡轮泵与分级燃烧循环的课堂！但你还会遇到一些限制因素，比如燃料总是从高压流向低压，热量太高会熔化周围的东西怎么办……所以你要把这些都记在“小本本”上，在之后尝试榨干你的发动机的每一滴性能时经常检查它们。而发动机也有很多种循环方式，但我只打算讲其中三种最常见的，或者至少是在了解猛禽发动机之前需要知道的三种最重要的循环方式。
我们要讲解的有：燃气发生器循环、部分流量分级燃烧循环以及最后的全流量分级燃烧循环。
先从燃气发生器循环，也叫开式循环开始讲起。这应该是液体燃料入轨级火箭发动机里最常见的循环方式，它肯定比挤压供应系统复杂，但至少闭式循环的那些发动机相比也还算简单。

现在为方便大家理解我要极度简化它，在现实生活中，发动机上到处都有无数的阀门、线缆和细小的管路，有氦气为燃料罐增压，燃料会流经喷管、燃烧室来为其冷却，预燃室、燃烧室内还要有点火源……但我的目的是让其更加简化更易理解，所以大家知道我省略了很多东西就好。但从现在开始我们要关注这些发动机内的流动情况，从而掌握我要讲的概念。看这样的图明显更加轻松，不会一脸懵逼。

燃气发生器循环(上图)通过一个涡轮泵把燃料和氧化剂泵入燃烧室。涡轮泵有几个主要部件：一个小型火箭发动机称为预燃室，涡轮通过轴给一或两个燃料泵提供动力，从而把燃料泵入燃烧室。你或许听说过涡轮泵和预燃室的组合叫做动力包(Power Pack，老外的叫法，在中国一般叫“半系统”)，因为它真的就是给发动机提供动力的东西。在开式循环中，预燃室中燃烧过的燃料会直接排出，不提供任何显著的推力。这使得开式循环效率更低，因为驱动泵所使用的燃料和氧化剂基本全浪费了。
有一个小插曲，涡轮泵的启动过程本身有一个“先有鸡还是先有蛋”的问题，导致其启动很困难。因为驱动涡轮泵的预燃室需要高压燃料和氧化剂才能运行，所以预燃室需要涡轮泵转动才能让自己有完全可运行的压力状态，但涡轮泵又需要预燃室点火才能驱动自己，但预燃室又需要涡轮泵……这使得点燃燃气发生器循环发动机很需要技巧，有几种方法能够做到，但这就不是本篇文章的主题了。
回到涡轮泵上，记得压力总会从高处流向低处吧，所以涡轮泵压力要比燃烧室压力高，这意味着进入预燃室的管道是整个火箭发动机里压力最高的地方，其余“下游”部分与之相比都是低压。

但注意观察太空叉使用煤油和液氧作燃料的梅林发动机，注意预燃室废气管喷出的黑烟……为什么从那排出的尾气比火箭主燃烧室喷出的更黑呢？黑得几乎都看不见火焰了。这是因为火箭燃料燃烧时可达到上千摄氏度，为了保证温度不会高到让涡轮乃至整个涡轮泵组件熔化，就要保证它的温度低到能够持续运转的程度。以最佳燃料、氧化剂比例运转会有最高的效率，会产生最多的能量，但也会产生极大的热量。
所以为了保证温度够低，你可以让预燃室内的燃烧比稍微低于最优比。要么燃料过量，也叫富燃；要么氧化剂过量，也叫富氧。以富燃方式运行煤油发动机会有很多未燃烧的燃料以煤烟的形式冒出，高压下不完全燃烧的碳原子会形成聚合物，这个过程称为结焦。煤烟会黏在所有其经过的表面，可以堵塞喷注器甚至直接损伤涡轮本身。