【双语】谈谈那些最小的火箭引擎-Scott Manley
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转文本：OpenAI Whisper-Medium
整理：Deepseek V3
从巨型到微型：火箭发动机的尺寸极限探索
引言：从巨型发动机谈起
大家好，我是Scott Manley。过去我们讨论过现存最大的火箭发动机，你们可能看过我谈论那些巨大的F-1发动机。有一张著名照片展示了Fernophon Brown站在土星五号火箭底部，被那些庞大的F-1发动机完全衬托得渺小无比。我也曾介绍过SLS助推器发动机，这些五段式固体火箭发动机不仅是人类制造过最强大的火箭发动机，同时也是飞入太空的最明亮火箭发动机。但今天，我想探讨的是另一个极端——小型火箭发动机。制造小型发动机涉及许多有趣的工程挑战。
轨道级火箭的最小主发动机
我们将从能够飞入轨道的火箭助推器主发动机开始讨论。就常规使用而言，我认为目前最小的火箭发动机是Rocket Lab公司Electron火箭上使用的Rutherford发动机。Electron是一款相当小的火箭，其第一级由九台发动机提供动力。根据资料，每台Rutherford发动机重35公斤，采用3D打印技术制造，能产生约2.6吨推力(我听说一些新型号能达到2.8吨)。不过这个重量不包括为其供电的电池质量，因为Rutherford开创性地在火箭发动机中使用了电动泵技术，结合3D打印等现代技术实现了发动机小型化。
还有另一种电动泵发动机也曾几次进入轨道，那就是Astra火箭上使用的Delphin发动机。Astra火箭体积更小，但只安装了五台发动机，而且我认为这些发动机实际上比Rocket Lab的Rutherford更强大。采用电动泵发动机的主要原因之一是它大大简化了泵的结构。大多数火箭发动机采用燃气发生器循环或闭式循环设计，本质上都是通过燃烧气体驱动涡轮，再由涡轮带动泵工作。但随着涡轮和泵尺寸缩小，制造难度会急剧增加，因为涡轮叶片边缘的间隙公差问题会越来越显著，导致效率下降。
尽管如此，我认为Ursa Major公司的Hadley发动机在小型化方面做得相当出色。这是一款推力2.3吨的煤油/液氧发动机，已经成功飞行，为Stratolaunch发射的高超音速试验飞行器提供动力。此外，它还计划用于Astra公司Rocket 4的第二级。几年前我曾参观过他们的工厂，亲眼见过这些发动机。不过，这款发动机尚未真正进入轨道飞行。可以说，Ursa Major在缩小涡轮尺寸方面处于领先地位，他们制造的可能是目前最小型的涡轮泵驱动发动机。
压力输送系统与小型推进器
如果我们完全摒弃那些高度复杂的泵系统，仅使用压力输送系统会怎样？这就是压力输送式发动机。最小的压力输送双组元推进剂发动机本质上就是反作用控制推进器。美国使用的大多数这类推进器都可以追溯到1960年代。当时有家名为Marquardt的公司，他们以生产小型反作用控制推进器闻名，最初为阿波罗计划服务，后来也用于其他卫星。
在Marquardt之前，水星计划和双子星计划已经使用过小型发动机，但阿波罗计划采用的R4D推进器至今仍在服役，与SpaceX龙飞船上使用的Draco发动机类似。这些发动机能产生约50公斤推力，长约12英寸(30厘米)，直径约6英寸(15厘米)，重约4公斤。虽然比起第一级的巨型F1发动机和第二级的J2发动机确实小很多，但作为反作用控制推进器来说并不算太小。
Marquardt公司后来经过一系列并购，先后成为Kauser-Marquardt、Aerojet Rocketdyne的一部分，现在隶属于L3Harris。查阅L3Harris的小型双组元推进器目录，我发现其中最小的是R6D发动机(这可能是我能找到的美国航天器上使用的最小发动机，其他国家的航天器上可能有更小的)。这是一款使用甲基肼/四氧化二氮的推进器，能产生5磅推力，整个装置仅重450克(1磅)。这款推进器设计于1970年代，用于卫星。
从技术角度看，双组元推进器的燃烧室必须足够长，确保燃料和氧化剂在到达喷管喉部前完全反应，然后膨胀产生推力。这从根本上限制了双组元推进器的最小尺寸。值得一提的是，这份产品目录显示该推进器喷管直径仅5.5毫米，看起来非常小。这让人想起火星气候探测者号的事故，当时由于英制与公制单位转换错误导致任务失败。有趣的是，这里可能是将英寸误转换为毫米，实际应为5.5厘米而非5.5毫米，误差达10倍。
单组元推进器的极限突破
能否制造比这更小的推进器？答案是肯定的——单组元推进器。最初由Redmond公司生产的MR-103是该系列中最小的型号，仅能产生1牛顿推力，通过催化分解肼类燃料工作。这款MR-103推进器重约330克，其中约200克(整整三分之二)是用于控制单组元推进剂流动的阀门质量。单组元推进器还需要加热催化剂床使其分解燃料，因此燃烧反应区域也需要一定长度，末端才是小型喷管。
这种设计对微型航天器来说并不理想，因为加热催化剂需要额外电力，增加了系统复杂性。如果愿意牺牲性能，不使用肼类而采用过氧化氢，可以找到更小的推进器——过氧化氢不需要加热催化剂。我发现一个日本制造的200毫牛顿(相当于20克推力)推进器实例，总重仅30克。虽然性能只有肼类单组元推进器的一半，但省去了加热系统的复杂性。
冷气推进系统的极致微型化
如果我们完全摒弃催化剂，仅用一个阀门将推进剂储罐与喷管相连，就能制造冷气推进器。这类推进器可以做得极其微小。我发现美国航天器上使用过的最小冷气推进器由Moog公司制造，仅重16克，曾用于斯皮策太空望远镜，能产生120毫牛顿推力。虽然推进器本身很轻，但配套线路的质量可能反而更大。
对于立方星(CubeSat)而言，确实存在真正微型级的冷气推进系统。有些使用丁烷、一氧化二氮或氨作为推进剂，其优点是不需要压缩气体——使用液化气体，释放到膨胀室中加热后喷出。2000年发射的SNAP-1卫星就携带了这样的推进系统。现在甚至可以直接购买螺栓安装式的独立推进模块，比如VACO公司为MARCO任务(首批飞往火星的星际立方星)设计的系统。这些丁烷推进系统采用了一种称为CHEMSTM(化学蚀刻微系统)的技术，通过堆叠化学蚀刻的圆盘来制造复杂的管路网络，而非传统加工方式。
固体火箭发动机的微型世界
正如开头提到的，人类制造过最强大的火箭发动机实际上是固体火箭发动机——诺斯罗普·格鲁曼公司的五段式固体火箭助推器。他们提供从巨型SLS助推器到小型发动机的全系列产品。如果你玩过模型火箭，就知道那些小小的黑火药发动机能把火箭送上几百英尺高空。在专业领域，你可以买到更大的型号。
他们的产品目录从巨大的SLS助推器开始，往下有ULA使用的石墨环氧发动机(GEM)，再到作为末级推进的"星"系列发动机。你可能听说过Star 30和Star 48，这些数字代表推进剂舱的直径(英寸)。他们甚至制造了直径仅4英寸的Star 4发动机——小到可以放在手掌上，看起来像个带着喷管的小柚子。Star 4G直径4.5英寸，重1.5公斤(3.3磅)，能产生58磅(26公斤)推力，持续10秒，总冲2650牛·秒。这还不是他们制造的最小发动机，但展示照片最好——有人用手举着它。
他们制造的最小的是直径仅3英寸的Star 3，长7.5英寸，重仅2磅(约1公斤)。这款发动机曾实际应用于火星探测漫游车的终端下降阶段。这些漫游车使用气囊着陆，在降落伞下降接近地面时，会点燃这些小型发动机尽可能抵消水平速度，然后释放大气球缓冲着陆。这些可能是行星探测任务中使用过的最小固体火箭发动机，但我知道还有更小的存在。
记得我做过关于ASM-135反卫星导弹的视频吗？这种由F-15发射的导弹末端有一个被称为"微型寻的飞行器"(MHV)的装置。这个自旋稳定的装置装有热成像相机，外围环绕着64个小型固体火箭发动机。通过精确计时点火(利用旋转特性)，这些发动机可以调整飞行方向。整个装置重30磅(含相机、制导、电源和通信系统)，分摊下来每个发动机可能只有约100克(4盎司)。这可能是我所知使用过的最小固体火箭发动机，但可能还有更小的。
MEMS技术下的纳米级推进器
事实上，我们还可以更进一步——微机电系统(MEMS)技术。这种通过蚀刻硅片制造微型机械装置的技术，使我们能在手机中集成陀螺仪和加速度计等元件。2000年的一份研究论文显示，研究人员成功在硅片上制造了微型火箭发动机——准确地说，是在一块芯片上阵列排列了数百个微型火箭发动机舱。每个微型发动机都配有底部点火加热元件和顶部微型硅喷管。
这种设计可以按顺序点燃各个微型发动机，每个能产生6毫牛顿推力，燃烧时间仅几分之一秒。想象一下，在一个航天器中，你的控制软件、导航系统和传感器都集成在一块微芯片上，而这块芯片同时还集成了数百个微型火箭发动机——这简直太酷了！研究指出，这种微型发动机的尺寸极限取决于燃烧热量流失速度——如果尺寸太小，燃烧产生的热量会过快散失导致熄火。他们使用的发动机舱截面为1.5×1.5毫米，已经接近极限，但认为如果采用更高能推进剂，还可能进一步缩小。
研究还提到一个有趣现象：有时一个发动机点火会引燃相邻发动机，产生连锁反应。虽然这些微型火箭发动机从未实际应用，但在学术领域，有许多关于微型电推进装置的博士研究项目。比如一种用于双组元发动机的二维喷管截面设计。问题在于，当尺寸过小时，发动机可能无法正常点火，因为燃烧室需要特定尺寸才能维持稳定燃烧。
我还看到过关于胶体推进器的研究，这种技术在1960年代出现，1970年代基本被弃用，因为当时卫星需要更大推力的推进器。但随着立方星的兴起，这种超微型电推进器可能重新找到用武之地。有时候，当你怀揣建造宇宙飞船的远大理想时，反而需要从小处着眼。
我是Scott Manley，飞行安全第一。