马斯克拿出了猛禽3发动机。最近很多自媒体开始吹疯了。
但是似乎话题往往就终止到了“简洁”这个部分就难以深入了。
那么猛禽3发动机到底哪里好？这是W君的专业内容，所以咱们聊聊吧，今天我们就聊聊液体火箭发动机。说到这里一群熟悉W君的朋友就会说了“你不是搞固体燃料火箭的吗”，那啥，W君液体火箭多少也知道那么一点点……
从结构上看猛禽3比之前的两代产品的确是简洁了许多，但要注意这是一个浮于表面的现象。
说最简明的液体火箭发动机原理实际上就是将氧化剂和燃料注入燃烧室内燃烧。
燃烧的过程中产生的高温高压燃气向喷嘴喷出就可以让火箭获得推力。
例如上面的图就是一张V-2火箭发动机的设计图。
V-2火箭发动机的燃烧室结构也是这样设计的。但是这里有两个问题，第一个是火箭发动机在运行的时候燃烧室产生的高温会让火箭发动机直接熔化，第二个问题则是燃烧室内的压力巨大，大到燃料和氧化剂很难注入到燃烧室内。
实际上人类液体燃料火箭发动机的研究就是针对于这两个问题的不断求解过程。
第一个高温问题，我们可以看到上面图片中火箭发动机外侧是有管道的，在发动机工作的过程中，燃料先流经火箭发动机外侧的这些环形管道吸收火箭发动机所产生的热量达到为发动机降温的目的。
第二个问题——如何向高温高压的燃烧室内注入液体燃料，这个解决方法是用“泵”将液体燃料和氧化剂压入燃烧室
这里就出现了我们最早的液体燃料火箭发动机设计，利用加热的燃料膨胀带动涡轮，将燃料从燃料罐内抽出，同时涡轮的另一头将氧化剂从氧化剂罐内抽出。这就形成了燃料泵和氧化剂泵。
所以，V-2发动机的引擎也就成了这个样子。大多数液体火箭发动机都是在这个基础上进行的修修补补和升级。逐步的提高泵的效率。
燃料膨胀带动涡轮这个思路实际上是有上限的，产生的压力不够大，在大功率火箭发动机的工作中，就难以向燃烧室内注入足够多的液体了，于是人们在设计液体火箭发动机的过程中就额外的增加了一个小发动机。
这个小发动机（预燃室）专门用于驱动涡轮高速旋转，让火箭发动机的燃料泵获得更高的转速从而让火箭发动机的燃烧室内获得更多的燃料和氧化剂。理解了这个概念再看下面猛禽发动机大家就会有相对清晰的原理认识。
说回实物：
我们会发现猛禽1发动机的结构和原理图是相同的，但似乎多了很多细小的管路设计。除了主流体通道外，火箭发动机还需要各种辅助管路来管理启动过程、燃料预处理、泄压、排气等。这些辅助系统在原理图中可能只简略标示，但在实物中就表现为大量的细小管路。
同时，一台火箭发动机需要大量的传感器来实时监控各个部分的压力、温度、流量等参数。这些传感器的电缆和连接管路往往会让实际设备看起来比原理图复杂得多。
这些管路实际上就是火箭发动机的高昂成本具体的花费了。
Space X的工作实际上就是在逐步的减少外围管路的设计，从猛禽1到猛禽2发动机，我们可以明显的察觉到外围管路越来越少了。
到了猛禽3，我们可以惊奇的发现外部的小型管路已经精简到了极致，几乎一根不剩了。
马斯克是神吗？如何做到一个发动机和原理图如此的相像？
这里就需要引入一些关键的原理和公式来解释这个现象。
首先，推力公式在火箭发动机的设计中非常重要：
其中：
? F 是推力（单位：牛顿）。
? m 是流经发动机的推进剂总质量流率（单位：千克/秒）。
? ve 是燃气离开喷嘴时的流速（单位：米/秒）。
? pe 是喷嘴出口的压力（单位：帕）。
? p0 是环境压力（单位：帕）。
? Ae 是喷嘴出口的截面积（单位：平方米）。
猛禽3在设计中，通过提高涡轮和泵的效率，使得燃料和氧化剂可以更快速地注入燃烧室，进而提高了推力。
其次，比冲公式用于衡量发动机的燃料利用效率：
其中：
? Isp 是比冲（单位：秒）。
? g0 是标准重力加速度，约为9.81 m/s2。
通过全流量分级燃烧循环，猛禽3的比冲得到了显著提升，这意味着更少的燃料可以产生更大的推力。
最后，能量平衡公式也很重要：
其中：
? Qin 是燃料和氧化剂燃烧释放的总热量（单位：焦耳）。
? Qout 是通过废气传递给大气的热量（单位：焦耳）。
? W 是由燃气推动涡轮产生的机械功（单位：焦耳）。
猛禽3通过优化燃烧过程和热量管理，最大化了能量的利用，减少了能量损失。
在猛禽发动机的研发过程中，Space X大量使用了计算机仿真系统来优化发动机的设计。
使得原来的基于经验数据和实验数据的火箭设计向计算机分析和辅助设计的领域转移。这实际上才是真正的计算机技术向各个学科的应用范例。
其实和SpaceX类似的工作我们在2010年就开始搞起来了，现在差的就是经验的积累和数据的积累了。
相信在不久的将来，我们自己也可以拿出不逊色于猛禽发动机的火箭系统。液体火箭发动机这种条条大路通罗马的技术实际上会在不久的将来归一化。
所以现在你还羡慕猛禽吗？
