为什么星舰要用天然气做燃料？SpaceX 用火星资源倒推火箭工程的秘密

猎鹰9号烧的是航天煤油，为什么到了星舰，SpaceX 非要换成做饭用的天然气？ 星舰用的是猛禽发动机，烧的是液态甲烷和液态氧。 甲烷其实就是天然气的主要成分。 放着成熟便宜的煤油不用，非要换一种燃料，为什么？ 答案跟地球没有任何关系。 这套燃料方案，是给几千万公里外、它还没去过的火星挑的。 去火星容易，怎么从火星飞回来，才是真正的物理和工程噩梦。 星舰加满燃料，肚子里要装 1200 吨推进剂。 要想从火星点火返回地球，它的储箱同样必须是满的。 从地球出发的时候，多带一箱回程的油行不行？ 数学直接崩盘。 按照齐奥尔科夫斯基火箭方程，火箭每增加一吨想要送到火星表面的载荷，在地球起飞时就要多烧掉几十倍的燃料去推它。 如果要自己背着回程燃料去火星，整艘火箭在地球轨道上就得加注几十次，自重彻底压垮运力。 想回地球，燃料只有一条路：必须在火星当地造出来。 但火星上既没有油田，也没有炼油厂，更没有树木和煤炭。 火星有什么？ 两样东西：空气和冰。 火星的大气里，大约 95% 都是二氧化碳。 地表之下，冻着大量的地下水冰。 有二氧化碳和水，做燃料的原料就全齐了。 怎么做？ 两步化学反应。 第一步，把地下的水冰挖出来融化，通电电解，水就变成了氢气和氧气。 第二步，把氢气和火星空气里的二氧化碳混在一起，通进三四百度的反应器，在金属镍的催化下发生反应。 这就是一百多年前法国化学家萨巴蒂尔发现的反应。 反应的产物正好是甲烷，还有水。 生成的水一点都不浪费，回收回去继续电解。 源源不断的二氧化碳和冰，就这样变成了星舰要喝的液态甲烷。 顺便还产出了大量液氧。 在猛禽发动机的推进剂配比里，液氧占了将近 78% 的重量。 火星空气里的二氧化碳，直接变成了最宝贵的氧化剂来源。 既然电解水已经有了氢气，为什么不干脆直接烧氢气？ 液氢可是火箭界的黄金燃料。 推力效率极高，航天飞机以前的主发动机就烧它。 直接烧氢气，还能省掉萨巴蒂尔反应炉，少一道工序。 为什么不用？ 因为工程上的细节，会把纸面上的性能优势全砸碎。 第一个问题是密度。 液氢的密度只有每立方米 70 公斤左右，而液态甲烷的密度超过 420 公斤。 两者的密度差了整整六倍。 要是星舰改烧氢气，火箭的燃料储箱就得做成原来的好几倍大。 星舰本来就有五十米高，再把储箱撑大几倍，整艘飞船就会变成一个巨大的薄皮气球。 不仅火箭空重暴增，穿越地球和火星大气层时的迎风阻力也大得吓人。 第二个问题是温度和蒸发。 液氢的沸点是零下 253 度，距离绝对零度只剩二十度。 而液氧的沸点是零下 183 度。 这两样东西装在同一枚火箭里，温差高达 70 度。 如果不加厚重复杂的绝热层，零下 183 度的液氧能把旁边的液氢直接冻成固态冰块，液氧本身散发的热量又会把液氢迅速煮沸。 更要命的是，氢分子是全宇宙最小的分子。 从地球飞到火星要六个月，星舰在火星表面还要停上大约 26 个月，等待下一个返回地球的天文窗口。 在两年多的时间里，氢气会极其顽固地顺着阀门和焊缝的分子间隙逃逸。 等你想回家的时候，储箱里的氢气可能早就挥发得差不多了。 液态甲烷就没有这个烦恼。 甲烷的沸点是零下 161 度，跟液氧的零下 183 度非常接近。 两者在温度上可以说是邻居。 星舰只需要在火箭内部做一道简单的金属共底，就能把甲烷和液氧隔开，不需要额外加装沉重的保温绝热层。 在火星冰冷的环境里，甲烷也能稳定储存两三年。 那为什么不继续用猎鹰9号成熟的煤油？ 因为煤油是大分子碳氢化合物，分子结构复杂，在火星上极难合成。 而且煤油燃烧会产生严重的积碳。 猎鹰9号回收之后，发动机内部会挂满黑乎乎的碳垢，地勤必须拆开清洗维护。 星舰的目标是像民航客机一样，落地之后快速加注燃料，马上就能再次起飞。 猛禽发动机采用全流量分级燃烧循环，甲烷燃烧得非常干净，发动机几乎不需要清洗就能反复点火。 2016 年在墨西哥瓜达拉哈拉的国际宇航大会上，马斯克第一次公布星舰的前身计划时，就定死了这个方案。 星舰不是先在地球上造出一艘最强火箭，再去火星上碰运气。 它是完全倒推出来的工程产物。 先看火星表面有什么天然资源，算清楚回程需要多少吨燃料，再根据这道化学公式，决定了发动机烧什么、储箱造多大、隔板怎么焊。 每次星舰在得克萨斯的星港点火起飞，那台猛禽发动机里喷出的蓝白色烈焰，烧的其实是一张在火星上自制的返程车票。