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开水当燃料，来真的？

SpaceX的星舰都已经第六次试飞了，观者对于超大型火箭的关注可以说从没降温过：我们关注它的起落方式、隔热层材料、燃料选择、回收、深空二次点火等等技术细节。但实际上还有更超前、更不可思议的火箭一级助推器已经能兼具大推重比和回收性，比如“水火箭”。

几乎所有现役火箭都是靠火箭发动机向前推进的：当火箭发动机点火以后，推进剂——可以是液体也可以是固体，混合氧化剂后，一起在发动机燃烧室里燃烧。几百上千吨的燃料瞬间产生大量高压气体，然后从发动机喷管高速喷出，对火箭产生反作用力，送火箭上到预定的轨道。

但是如果跳过燃烧这步可以吗？从原理和实践来说都是可行的。美国一家致力于太空探索的非营利科研机构Arca Space（下简称Arca）已经研发出一款将传统发动机省去，并可以快速送重型飞船上天的“发射辅助系统”（Launch Assist System，LAS）。

这款助推器的燃料箱中不再是燃料，而是被加热到250摄氏度的高温高压的水。由于自带高温和高压，自然也就没必要配备传统发动机，去做一系列加热加压的工作了。

2800吨左右的高温高压水作为燃料

在发射的瞬间，水会一下子爆沸，化成水蒸气喷出，同样利用反作用力把火箭送走。这个火箭助推器结构乍听起来类似于在大锅炉下加了喷嘴，不像一个真正可以应用的火箭，却真的已经走到了地面试车阶段，甚至已经有以水为推进剂的小型轨道火箭送了10公斤物资上天。

这也再一次证明，航天事业中越反直觉的研究，反倒越可能实现。

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长板突出，短板更惊人

先细说一下它的整体结构，LAS全身上下都是复合材料打造的，这样能够更好地承燃料贮箱内外的高温高压环境。燃料贮箱又分内外两层，内层用来隔热，保证传导至外层的温度不能高于110摄氏度，因为外层材料中有环氧树脂，受热就会软化；外层则是为了承受压力，如果温度过高，承力体就会失效。

传统运载火箭的一级助推器往往需要一套极其复杂的增压输送系统，才能保证大量高危化学品燃料能顺利在几秒内转化为强大的动力。但水火箭的“大锅炉”不需要，2800多吨的水能有什么危险？

用水作为燃料的优势之一就是操作风险低，能极大程度上提高运载火箭的可靠性。在发射台上发生“锅炉爆炸”总比由成百上千吨高能化学燃料组成、威力堪比核弹的传统火箭爆炸要好多了。

可能会有人疑惑，这个水是烧好再罐装还是在火箭内加温？它又是怎么一直保持高温的直到发射以及回收时二次加压？这就要靠锂电池了。

在燃料贮箱内其实有2%的良性相脱稳剂，水是被加热到250摄氏度后再注入“发动机”的，这个过程中部分水会蒸发；在发动机中的加热就要靠火箭内部的高放电锂聚合物电池了，电池也是Arca特制的，据称在发动机运行期间释放的电能超过小型核反应堆产生的电能，且每次发射后，太阳能和风能都可以为其火箭的电池充电。

不过，水火箭的最大优势还不是安全性，而是夸张的“推重比”，也就是发动机所产生的最大推力与其所负担的火箭重力之间的比例，这一点和它简单的结构息息相关。

水爆沸会有自生增压，同时起飞时的巨大加速度又能带来机械压力，也能起到一定的增压效果。这样一来，Arca的水火箭竟然得到了极高的推重比，推重比越高发动机的推力就越大，完全可以在运载火箭从地面起飞时，用来迅速将火箭推出地球重力井的底部。

另外，由于在起飞需要最大推力，也就是排放最严重的阶段，Arca采用的推进剂是完全无污染的水，因而能够大大降低运载火箭在发射时对地球大气层的污染。

从成本角度来说，LAS也美好得像一场梦。商业火箭企业目前选择的主要路线之一的液氧甲烷，尽管相对于液氧煤油、液氧液氢等，液氧甲烷是以价廉物美闻名，但一吨的价格也要万元左右，而水费价格直接降维打击。

由于燃料几乎等同于不要钱，同时一级助推器惊人的推重比大大减少了火箭发射时的重力损失，这使得上面级可以使用相比同级火箭轻得多的推进剂量，将更重的载荷送入轨道，连低成本之王SpaceX也很难与水火箭的报价相抗衡，据了解，Arca运力60吨的“HAAS Heavy”报价仅4000万美元，而同级别的重型猎鹰可是9000万美元。

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比冲是LAS的超短板

但是比较尴尬的是，推重比极其优秀的水火箭，比冲却是一塌糊涂。

比冲是衡量火箭动力的重要参数，比冲值越大，动力性能也就是发动机的效率越好，通俗解释就是每消耗一个单位的推进剂所换来的推力大小。但是水火箭的比冲值只有两位数，哪怕是起飞推重比最强的产品，在不载荷的情况也只能到达4.5马赫的速度和50km的高度（其他产品一般在2马赫左右、3km的高度），想用来直接送火箭冲出卡门线进入亚轨道都很难。

正是因此Arca才把自己的产品命名为“发射辅助系统”，大力宣扬它的长板。在官网介绍中，Arca将水火箭定义为火箭第一级的辅助产品，“对于助推器来说，重要的是推重比，而比冲则是次要的。”

按照他们的分析，启动时的加速度越高，轨道飞行器的飞行性能就越好。因此LAS既可以作为第一级火箭和Arca其他产品配合运送一些小卫星，也可以当作一级火箭的辅助推进器，跟别的公司产品配合。且和其他商业火箭公司一样，他们也有可回收产品。

LAS分一次性使用和循环使用两种。一次性使用的水火箭细长，下接一个常见的渐缩渐扩的喇叭形喷嘴；而可回收使用的LAS则像“星舰”的一级火箭“超重”一样粗壮，下接的喷嘴也是特殊的环形气尖喷嘴。

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可回收最难的构造

气尖喷嘴（或称气动塞式喷管）不是新东西，它所代表的气尖发动机更是发射系统的一个“奇迹”。之所以可回收LAS需要用到气尖喷嘴而不是传统的钟型喷嘴，是因为可回收火箭的飞行高度更高，对推重比和比冲的要求也要更高，回收的时候还要靠气尖喷嘴的推力室控制来精确调整姿态——气尖发动机通过其独特的设计，能够在从地面到太空、临近地面的过程中自动“调整”排气喷射的形状，保持更接近于理想的膨胀。

气尖发动机研究者寥寥

早在上世纪 60 年代，研究者就已经把气尖发动机视为一种能在所有大气压环境下使用的火箭发动机。但这个研究到现在，之所以也就Arca在勤勤恳恳的研发，其他研究者基本都放弃了，是因为它实在太重、风险太大。

火箭起飞时，发动机产生的气流压力要刚刚好等于周围大气压，只有这样，气流才能完全向火箭运行方向的“正反向”推，如果周围大气进入喷嘴太多，会导致喷管结构破坏。传统的喷嘴其实是有个加速的作用在，因为气流通过中部窄小地方时流速已经超过音速，反而遵循截面越大，流速越快的原则，然后再扩散；火箭升到一定高度，气压环境也就变了，一级火箭就该脱落，让下一级火箭开始工作。

气尖发动机不需要，它可以通过结构的改变调整了燃气喷出后的膨胀状态，使其能“自适应”不同高度的环境压力或者说阻力。但在推重比相同的情况下，它的零部件数量也越多，也就更重；而且散热也比较麻烦，气尖喷嘴的大面积外露表面直接接触高温排气，所以其热管理比传统喷嘴更为复杂，通常需要更有效的冷却设计。总的来说，开发研究成本高、风险大，收益也不一定更好，所以被商业公司抛在脑后。

但是Arca还是一股脑要走到底，毕竟在增强火箭推进系统的可变性和效率方面，气尖发动机仍是备选之一，谁知道下一代飞行器到底会由谁来推动？