火箭发动机相对于旋转爆震发动机、气尖引擎、空射、空天飞机、旋转离心发射的优势
转载自知乎@JF科技：https://zhuanlan.zhihu.com/p/654541431。
前言
今天看到一个 X（原推特）上的一个长贴[1]，关于火箭效率和不少发射系统对比的讨论，十分欣赏这位大神作者（Robotbeat）浅显易懂（相对的哈，毕竟是和火箭有关）的叙述。搬运过来，大家一起学习。以下是翻译，润色，和注解过的内容，以及相对应的原文引用。注意，为了语句通顺和中文达意，并不是完全一个字一个字翻译的，同时，注解或笔者自己增加的内容，会放在括号或引用内部。如果有不清楚或异议，请参考每段后注释里引用的 X 上的英文原文。
还有一点背景信息很重要：这个讨论中关于旋转爆震发动机的部分，是假设它被用于入轨发射，而不是讨论旋转爆震发动机用于大气层内部的高超音速飞行器的应用。
正文
（最近）关于旋转爆震发动机的新闻，关于它的高25%的比冲[2]的说法。这是不对的。让我们来仔细看一看。（原文[3]）
在一个简单的（液体）火箭发动机里，燃烧室的压力（又称，工作压力）不能超过燃料/氧化剂喷射口的压力（注：要不然，燃烧室里一燃烧，更高的压力会把燃料和氧化剂从喷射口里倒压回去）。同理，燃料/氧化剂喷射口的压力也要低于燃料/氧化剂储箱的压力（否则倒灌）。如此一来，储箱的压力会非常高。而储箱压力和储箱质量成正比。（原文[4]）
这个就是很原始简单的纯压力驱动火箭发动机设计。这种设计，有一个致命的储箱质量和发动机工作压力的矛盾。越高的工作压力，性能越好：在一定的单位燃料/氧化剂质量，和在一定的发动机喷口面积的情况下，发动机工作压力越高，推力越大。（原文[5]）
但是很快你就会到达一个饱和/平衡点：越高的工作压力的确会增加推力，但是会带来更高的储箱质量，结果抵消了增加的性能。要想火箭高效，你一定要想方设法去减小储箱质量。所以最终，纯压力驱动火箭发动机一般都运行在较低的工作压力下，已达到减小储箱质量的目的。（原文[6]）
固体火箭（注：如我国的谷神星一号火箭[7]）本质上就是一个纯压力驱动火箭。这就是为什么固体火箭性能较差：更低的比冲，更高的储箱质量。因为它需要降低工作压力，让储箱，同时也是固体火箭的燃烧室，质量不会太大，但因此牺牲了比冲。（原文[8]）
固体火箭很简单，一般在小规模的情况下十分好用。它没有阀门和其他复杂的东西。但是它有本质上的性能瓶颈。有一个方法可以突破这个性能瓶颈：用涡轮泵。（原文[9]）
绝大多数液体发动机火箭都使用涡轮泵。涡轮泵给燃烧室增压，但不用增加储箱的压力。这种做法可以极大地减少火箭的干质量（干质量是指火箭本身的质量，不包括燃料和氧化剂的质量），同时提高压力和比冲。（原文[10]）
用涡轮泵可以使燃烧室的压力大于储箱压力，但用爆炸（注：这里的爆炸不是普通意义上的爆炸，而是热力学里定义的爆炸：前端火焰扩张的速度高于音速，就叫做爆炸）也可以做到类似的效果。爆炸/爆震产生的压力可以比燃料/氧化剂输送压力更大，比储箱压力更大。旋转爆震发动机最主要的好处就是，省了一个涡轮泵。（原文[11]）
就像其他技术新闻报道一样，如果报道说 "性能提高 25%"，你几乎可以肯定这个所谓"提高"的比较基准，一定选择的是最低标准。在旋转爆震发动机报道里，这个基准选择是性能最差的纯压力驱动火箭发动机。（原文[12]）
旋转爆震发动机其实就是另一种能够让燃烧室压力比储箱压力更高的设计，比性能最差的纯压力驱动火箭发动机要高效。但它并没有魔法，可以使它的效率比涡轮泵火箭发动机更高。事实上，旋转爆震发动机的效率是很烂的。（原文[13]）
永远也不要在不知道比较基准的情况下，全盘接受性能的宣传。要问清楚真实比冲。旋转爆震发动机就是一个好的例子，很多真实而成功的测试中，它的比冲是很糟糕的低：才 150 秒左右：见下图[14]
（原文[15]）
因此，目前为止我没有看到任何事实上的证据表明旋转爆震发动机比涡轮泵发动机具有更高的性能。分级燃烧发动机（注：中文有时又叫，补燃发动机，或分级循环发动机，补燃循环发动机，等等）是性能之王，它的性能数据匪夷所思的好。（原文[16]）
很多涡轮泵火箭发动机性能不怎么样，是因为它们使用单独的燃料管线来驱动涡轮泵，然后把涡轮泵废气直接排除到火箭之外。这样还有很多燃料的废气直接扔了，没有充分燃烧，为火箭做功。分级燃烧发动机，例如猛禽发动机，却可以充分利用所有的燃料。（原文[17]）
事实上，因为分级燃烧发动机可以精细控制燃烧过程，它更有可能比旋转爆震发动机高效，因为它能够在有控制的情况下，彻底燃烧所有的燃料。而旋转爆震发动机不得不做得很重、很坚固，用来对抗燃烧室里不间断的爆炸而不融化。（原文[18]）
甚至，高压使得分级燃烧发动机比气尖引擎（aerospike engine）[19]更好。我们知道，发动机内部和外部的压力差是驱动火箭的动力来源。（原文[20]）
对于纯压力驱动火箭来说，这个压力差是很低的，因位储箱的限制，燃烧室的压力很低。在海平面，你不得不使用小号喷嘴来避免发动机尾焰分层。而气尖引擎的好处是即使压力很低，也能避免尾焰分层。（原文[21]）
笔者：这个不得不稍稍解释一下， 什么是尾焰分层，和为什么尾焰分层很不好。看下图[22]
燃料和氧化剂在燃烧室里点燃后产生高压高温燃气，从喷嘴处进入喷管，向后排出。在火焰排出的过程中，压力不断下降，最终燃气的压力会下降到和外界的大气压力相同，当然，这是指火箭还在大气层里飞行的阶段。如果燃气在喷出喷管的同时，压力等于外界大气压力（上图中），这是最优化的情况，每一分燃气超过外部大气压力的部分都作用到了喷管上，然后传递给了火箭做功。如果燃气在喷出喷管的同时，压力仍然比外部大气压力高，尾焰就会扩散（上图右），这样，一部分燃气压力就浪费了，整体性能损失。如果燃气在喷出喷管之前，压力已经比外部大气压力低了，就会出现所谓的尾焰分层（上图左），就是尾焰脱离喷管管壁。尾焰分层一旦出现，第一，性能损失，因为外界更高的大气压力等把尾焰压回去，抵消了一部分推力；第二，更要命的是尾焰分层会极大地增加尾焰的不稳定性，和喷管内部的紊流，造成事故；第三，尾焰分层说明喷管过大或过长，在火箭领域里，过大、过长就意味着不必要的死重，性能损失。
但是如果发动机燃烧室的压力高，你就可以装一个大喷管而不用担心尾焰分层。所以，只要有高燃烧室压力，气尖引擎的优势就没有了。（原文[23]）
这就是航天飞机主发动机设计师所做到的：超高燃烧室压力使得主发动机在海平面和真空状态下都很高效，而且不用担心尾焰分层。猛禽发动机也类似，但拥有更高的压力。（原文[24]）
星舰二级上的猛禽发动机采用了更大的喷管来进一步提升比冲。气尖引擎理论上可以在一级飞行的后期阶段做到更好的比冲，但是对于二级飞行来说，气尖引擎性能是比不过传统优化过的钟形喷管。（原文[25]）
而且气尖引擎在起飞时的比冲很糟糕。气尖引擎最大的问题是，它最适合的应用场景是单级入轨的航天器，但它通常很重，而单级入轨航天器恰恰对重量特别敏感。（原文[26]）
综上所述，对于二级构架的入轨运载火箭来说，如星舰，不管是旋转爆震发动机还是气尖引擎都没有比涡轮泵发动机有任何优势。实际上，性能甚至更糟糕，因为旋转爆震发动机和气尖引擎都更重。（原文[27]）
再进一步，连空射发射的能量效率都不如传统火箭，因为空射需要把载具飞机提升到高空。事实上，空射火箭的质量减少，完全被载具飞机的航空燃料质量给抵消了。到最后，空射火箭总效率不如传统火箭。（原文[28]）
传统涡轮泵火箭发动机的优异性能，再怎么强调也不过分。在最佳速度段，它的效率比航空发动机要好得多。火箭发动机可以达到 50% 的热力学效率！因为它有超高的内部温度和压力，它能够扩展到真空里。（原文[29]）
航空发动机的高效运行只能在低速情况下。即使如此，它内部的温度和压力，比起火箭发动机要低得多，它和外界的压力差，和火箭外界真空相比，小得多。种种因素使得航空发动机的热效率仅仅为 30%。（原文[30]）
当火箭飞行速度和火箭发动机尾焰速度一样的时候，热效率最高。这个速度范围是 10 到 15 倍音速。而且，它们不用像航空发动机那样在高阻力的稠密大气层里运行，（原文[31]）
飞机本身通常占总重（注：原文用了 dry mass，干重，但结合上下文，笔者把它改为总重）的一半，而另一半里，是货物和燃油各占一半。所以，等飞机到达目的地之后，整个过程中推进的最大质量，其实是飞机本身，而不是货物。（原文[32]）
相比之下，多级火箭异常的高效。猎鹰 9 号的二级干重（注：4吨）只占整个入轨质量的 20%不到。也就是说，80% 多的入轨质量是载荷！这是非常高效的。（原文[33]）
这就显示了质量的重要性。如果你的单级入轨航天器 90% 的入轨质量是航天器的干重，也就是说，载荷才 10%，那就等于把能量效率减低了一个数量级（10 倍）。所以，发动机干重极其重要！（原文[34]）
同时，重力损失和空阻也有很大的影响。入轨的速度增量[35]不是一个恒定的数值，如果能够减少重力损失和空阻，你可能可以极大地减少入轨速度增量的要求，从 9.7 公里每秒减少到 9 公里每秒。（原文[36]）
一个好的航空发动机（注：这里指的是民航发动机）的推重比可以达到 5 左右。而火箭发动机，像猎鹰火箭上的梅林发动机，推重比可以做到疯狂的 150！而功率重量比更是疯狂，因为功率等于推力乘以速度。（原文[37]）
梅林发动机比航空发动机的推重比好 30 倍，功率重量比好 300 倍。猛禽发动机的功率重量比应该也差不多（尽管猛禽的推重比低一点点，但它的速度更高，就把功率重量比值补偿回来了）。（原文[38]）
由此可见，使用航空发动机的空射平台并不能带来更高的效率。理论上有可能在低音速的应用中会有一点点帮助，但是一旦到了高倍音速，5 到 10 倍音速或 1.5 到 3 公里每秒，吸气发动机的效率就完了，即使不考虑这类发动机干重的负面影响。（原文[39]）
如果把航空发动机的干重考虑进去，它的效率优势估计只能在 3 倍音速以下才能体现出来。火箭的确在这个速度区间效率很低，但是这个区间只占了整个发射的极小一部分，火箭稍稍一发力，就飞过了这个区间。（原文[40]）
要设计一个能够覆盖到很宽的音速区间的航空发动机是一项异常困难的不可能任务，而且会极大地增加干重、死重。而火箭发动机则很容易做到。如果你的任务需要不停地加速，而不是巡航，那要在性能上击败火箭发动机是几乎不可能的事情。（原文[41]）
在空射发射火箭的情况下，该系统可能可以找到一点点低压力运行的优势，例如用一个吸气航空发动机用来辅助火箭达到3 倍音速以下的低速，和 15 到 30 公里高度的低空。但这么做的成本很高。（原文[42]）
而且，这么做对于整发射的总效率没有任何帮助。一个更简单、而且更有效的做法是给火箭发动机在不同阶段使用不同的燃料、氧化剂混合比。火箭发动机一般都是富燃，而这些用来推动涡轮泵的富燃气体，因为不充分燃烧就排放出去，引起能量损失。（原文[43]）
氧气从能量角度来说是几乎"免费"的。液氧超级便宜，可以从空气中直接廉价地提取。而且液氧密度大，所以液氧储罐相对来说干重更低。所以，在火箭一级运行的早期，用富氧混合比，尽管会降低比冲，但从能量角度来看会有优势。（原文[44]）
这些反对空射发射火箭的论据，对于旋转离心力发射（SpinLaunch）同样适合。这些发射辅助手段（空射，或旋转离心力抛射）都只是为了发射的最初阶段提供助力，而代价往往是干重增加，从而降低了总效率。（原文[45]）
因为，你在大气层最稠密的高度上用 5 马赫速度飞行，你就必须要有一个重型烧蚀型的气动外壳来抵抗空气摩擦产生的热量。所有这些都很重，极大的降低了总效率。（原文[46]）
我（指推文原作者 Robotbeat）觉得，如果你的发射频率超级高，那有可能可以找到有意义的亚音速发射辅助装置的设计。但是即使是这样，效率的增益是非常非常有限的。而且投资巨大。传统火箭总是被低估。（原文[47]）
火箭估计可以把 25% 的化学能量转换成轨道能量。这种效率，远超旋转离心力发射（SpinLaunch）；远超任何单机入轨的空天飞机，如 Skylon 云霄塔空天飞机；远超空射系统 LauncherOne。如果要发射去更高处，可以考虑另一种方法，从另一端进行辅助。（原文[48]）
天钩系统。它可以用来辅助发射过程中上面的部分。这种系统对于发射效率的提升是巨大的，远超那些骗人的把戏，像旋转爆震发动机，气尖引擎，电磁轨道炮（这个尤其的差，因为各种问题，如轨道烧蚀等），和旋转离心发射。（原文[49]）
笔者：解释一下这个所谓的天钩系统，有点像一个简配版的太空电梯。如果我们能够建造太空电梯，那什么效率问题统统不必再说，从此人类占领整个太阳系。但是太空电梯的最大阻碍在于电梯绳索的强度。因为太空电梯绳索太长，需要 3 万 6 公里，用任何已知材料来制造这个绳索，它都会因为自身巨大的重力而断裂。天钩系统通过简化和缩水来克服这个困难。因为人类没有如此强大的材料能够制作这么长的绳索，那为什么不制作一根短一点绳索呢？看图[50]
想象一下，在地球近地轨道里运行着一个大质量的空间站。而空间站的下方，悬挂着一根几十公里长的超级绳索。这种长度的超级绳索，以现有人类科技是能够制造得出来的。当我们要发射相对于空间站来说较小质量的载荷入轨时，我们可以将载荷发射到绳索的底部，连接固定好。这时，通过空间站的旋转，将这根带着载荷的绳索甩起来，将载荷"甩"进轨道。
因为动量守恒，载荷获得了新的动量进入轨道，空间站就会损失同样大小的动量。但是因为空间站的质量远大于载荷质量，所以空间站的速度损失不大，可以通过超级高效的离子推进器，通过长时高效的推进，把失去的动量补充回来。而空间站的离子推进器的工质可以通过传统发射定期补足。
这就是等于把火箭发射中的一部分（上面部分），用更高效的离子发动机来替换；把火箭发射的短时间用离子推进的长时间来替换。从而到达总体效率的提升。
当然，这只是一个设想，没有任何公司或国家机构有已知的具体研究或计划。是不是总体效率真有提升，也需要详细计算。因为，补充空间站的离子推进器的工质需要传统火箭发射补充，说不定到最后，半斤八两。
但大家不应该低估星舰。猛禽发动机就好像科幻一样，和所有现有的发动机或任何入轨技术比起来，猛禽匪夷所思的好而且便宜。二级入轨是一个非常高效的构架。（原文[51]）
Stoke 的做法也非常好，但不是因为他们采用了气尖引擎，而是因为他们用了一个超低维护成本的主动式金属隔热防护盾。它非常令人兴奋！（原文[52]）
但如果你一定要提高效率的话，还是看看天钩系统。猛禽发动机因为它的超高室压，使得它在效率上超过任何其他的把戏。液氧辅助的喷管推力变形技术也是一个很有意思的可以在一级火箭上试试的想法。我认为，它听上去比气尖引擎强。（原文[53]）
亚音速发射辅助系统（类似于福特级航母上的电弹系统），加上采用液氧辅助的喷管推力变形技术的猛禽一级，加上超高压氢氧二级，再加上天钩系统，那将会是现在人类最高效的入轨发射系统。好了，我要去工作了。（原文[54]）
小结
不得不说，Robotbeat 对各种发射系统和其物理原理有着非常全面的认识。当然其中有些断言可能有些偏颇（如对空射的评价，的确总效率可能不如，但是牺牲一部分效率来换取全球全天候发射，也有可取之处）；可能有些未经计算，不一定是完全正确（如天钩系统是不是真的总效率提升了）。但总体而言，他的结论笔者完全赞同。火箭发射是一项非常非常成熟的技术，几乎已经推进到了人类现有技术的极限。要想有效率提升，不是靠几个小把戏就能够搞定突破的。现在其他发射技术，可能还有一点点用途，在牺牲总效率的前提下，提高重复使用率用以降低成本，如 SpinLaunch, LauncherOne, Skylon，等等。但是可惜的是，它们自己还没有成熟起来之前，还没能做到提高重复使用率和降低成本之前，星舰就要来了。等到星舰全回收技术成熟，包括一级和二级的整体回收，那其他发射系统也就完全没有任何机会了。
参考
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^关于火箭发动机比冲的基本知识：太阴女神：火箭发动机的比冲，是什么？ https://zhuanlan.zhihu.com/p/337766713
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^Skyhook 的原理图 https://en.wikipedia.org/wiki/Skyhook_(structure)
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