液氧 从梅林到猛禽，为何马斯克认为去火星必须用液氧甲烷发动机？
作者：科学声音吴京平
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马斯克在拥有了金牌火箭猎鹰9号之后，又用三枚猎鹰9号第一级做捆绑的方式发展出了重型猎鹰火箭，这个火箭近地轨道运送能力达到了60吨，目前还是我们地球上现役的最强火箭。
但是，马斯克的目标不是简单的发发卫星，而是奔着去火星的。现有的重型火箭根本就不够去火星，必须开发更大的火箭。你想啊，去火星肯定要搞多级火箭，一级一级地扔太麻烦了，而且肯定很贵。你要想回收，难度就太大了。一级火箭能回收，那是因为一级火箭根本没达到第一宇宙速度，会走抛物线落回地表。二级火箭就不行了，通常二级火箭会达到第一宇宙速度。
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图：猎鹰9号第二级的残骸
前几天，外媒炒作我们的长征5B火箭一级的坠落问题。我还专门做了节目。大家有兴趣，可以回顾一下。其实猎鹰9号的二级火箭残骸也曾经掉在了一个农场里，没烧光，还多少剩了一点残骸。二级火箭虽然是入轨了，但是速度并不算快，而且几百公里高的太空，其实多多少少还有少量的大气分子，也还是会产生阻力。绕的圈数多了，还是要掉下来的。比如说，国际空间站其实每天都会下落100米左右，有飞船对接上来，那就顺便推一把，速度一上去，轨道就会升高一截。
也就是说，二级火箭还有少许回收的可能性。尽管技术难度比一级火箭大得多，毕竟速度比一级火箭快了不少。可是三级火箭怎么办？土星五号是登月火箭，第三级的速度达到了11.2公里/秒，已经达到了地球的逃逸速度，再也回不到地球上了。你怎么回收呢？不行的。
所以，马斯克在设计去火星的运输系统，就必须简化流程。火箭只能用两级的，其实本质上有点类似于航天飞机了，也就是第二级也要能从太空里返回地球降落，或者是直接落在月球上，直接落在火星上。只要两级就够了，不能再多了。
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图：最右边的就是马斯克的星舰
那也就意味着，这枚火箭是超级的大，比土星5号还要大好多。预计一级火箭重达3500吨，二级火箭重达1200吨。这么大的火箭，拿梅林发动机去并联是不可能的。必须造更大的发动机，即便是大发动机，也仍然需要并联一大捆。单台发动机的推力达到300多吨，这也就不小了。比我们的yf100大了两倍多。这样的发动机，需要并联28台，才能把这么大的一颗火箭推起来，总推力达到8500吨左右。
马斯克是这么考虑的，一级火箭把二级火箭送进太空，然后自己飞回去，回收再利用。二级火箭靠自己的力量就能飞去月球，如果要去火星，那就不够了。必须同时发射两枚巨型火箭。一艘运人运货，一艘当加油机，在太空里边，两枚巨型火箭屁股对着屁股，对接加油。加油机回地球着陆，另一艘巨型火箭去火星，然后直接降落。
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要从火星上回来，那就直接开着巨型火箭飞回来。从月球上回来也是一样，直接开着飞回来，只是去火星是需要在火星基地补充燃料的。这些燃料必须是在火星上就地生产出来的。一切都要以这个流程为标准，来设计火箭和发动机。
一个大问题就摆在大家的面前，火星上有石油吗？不知道，反正现在是没有。火星上有炼油厂吗？没有，这都不靠谱儿。
那么如何在火星上生产燃料呢？办法还是有的，那就是在火星上找到水源，比如说地下的冰，NASA的探测器的确在火星上发现了冰。火星大气之中有二氧化碳，再加上水，那就可以利用电作为能源，用一些催化剂，想尽办法把二氧化碳和水还原成甲烷和氧气，用甲烷来当做燃料。
当然，也可以直接电解水，生成氢气和氧气。氢也能当燃料，比冲非常高，燃烧热值也高。但是氢气实在是不好伺候，分子太小了，密度太低，重量没多大，体积倒是不小，作为星际航行，燃料罐要很大，工程设计实在是太难了。所以，还是甲烷好一点。
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图：煤油、甲烷、液氢的密度对比
马斯克的团队综合考虑了很多很多的因素，确定了甲烷火箭这个方案是可行的，而且是综合下来的最优解了。首先，煤油的密度是813克/升，液态甲烷是422克，液氢是70克，液氢的密度低得令人发指。
不管是液氧煤油火箭，还是氢氧火箭，还是液氧甲烷作为燃料，液氧是跑不了的，就以液氧为标准，完全燃烧的话，1克煤油要搭配2.7克液氧。一克甲烷要搭配3.7克的液氧，1克液氢要搭配6克的液氧。
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