01
往后喷，往前飞
火箭发动机的道理其实很简单：用最快的速度，把热燃气往后喷出去。你朝一个方向推东西，它也会反过来推你。消防员得使劲抱住水枪，就是这个原因。这股反推的力，就叫推力。火箭喷出去的东西全是自己带的，不用靠空气借力，所以到了太空照样能工作。猛禽是SpaceX为星舰火箭打造的发动机，烧的是液态甲烷和液氧。它们燃烧后变成压力极高的热燃气，再由底部的钟形喷管以每秒3千米以上的速度喷出去。
你眼前这台是猛禽3，也是最新的一代。飞行时它能产生250吨推力，按设计最高可达280吨。发动机本身只有1525千克重，所以推力约是自重的160倍。它高约3.1米，宽约1.3米。超重型助推器底部装着33台这样的发动机，一起点火。每台每秒要吞下约四分之三吨推进剂，整个助推器每秒要烧掉约25吨。
这个模型选了中心的一台发动机，带你走完一次完整的发射点火，从发射台上的启动指令，一直到助推器的发动机关机。有几处做了简化。猛禽3的内部结构从没公开过，所以剖面只把已知的循环原理画成清楚的示意图，并不是真实的管路。SpaceX也没公布油门曲线，模型是根据发射直播里显示的速度推算出来的。启动按这类发动机常见的步骤依次进行。SpaceX说整个启动约需3秒，其中每一步花多长时间，是模型自己估计的。尾焰的形状会像真实的一样变化，只是画得简单些。拖动时间轴，可以在发射过程中前后移动；拖动模型，可以转动它。
猛禽每出一代，推力都更大，重量却更轻。猛禽1推力185吨，重2080千克。猛禽2的推力提高到230吨，重量降到1630千克。猛禽3按280吨推力设计，重1525千克。它的外观也清爽了许多，因为去掉了隔热罩。早期的版本外面裹着一层隔热罩，用来保护露在外面的管路和线缆。到了猛禽3，大部分管路都挪进了发动机自身的零件里，其中很多零件是3D打印的。外面没什么需要保护了，隔热罩也就用不着了。
02
两种超低温液体
汽车发动机从空气里取氧。火箭要飞到几乎没有空气的地方，所以只能自己带。猛禽烧的是甲烷和氧。这两样在室温下都是气体，而气体太占地方，带不了多少。所以两者都是以液体的形式上天的，温度要降到各自的沸点以下。甲烷的沸点是111 K，约−162 °C。氧的沸点是90 K，约−183 °C。液体越冷，密度越大，同一个贮箱也就能装下更多。
两种推进剂的用量并不相等。每烧一千克甲烷，发动机就要配上约3.6千克氧。所以按重量算，两者的混合物里将近五分之四都是氧。这也是发动机氧一侧更大的原因：入口更粗，泵也更大。满推力工作时，一台发动机每秒要吞下约593千克氧和约165千克甲烷。要这么快地输送这么多液体，得靠非常强劲的泵，下一章就来讲它们。
甲烷在燃烧之前，要先绕一段远路。出了泵以后，大部分甲烷会流过喷管和燃烧室壁里的许多细小通道。冰冷的液体一路吸收热量，紧挨着约3500 K火焰的金属才不会熔化。工程师把这叫作再生冷却。这些热量也没白费，正好把奔向火焰的甲烷预热了。氧走的是近路，出了泵就直接进预燃室。点一下某种推进剂，跟着它在发动机里走一遍。
有些火箭公司还会更进一步，SpaceX就是其中之一。它们把两种液体冷却到远低于沸点，冷到快要冻住。这叫致密化：液体更冷，体积就会稍稍缩小，同一个贮箱也就装得下更多。一般来说，这样能多塞进约十分之一的推进剂，火箭却不用做大。不过，能降温的余地并不大。甲烷在约91 K就会冻住，只比沸点低20度。SpaceX没有透露，给星舰加注的推进剂究竟有多冷。
03
两台泵，各有一团火
猛禽每秒要把约四分之三吨推进剂压进燃烧室，而燃烧室里的压力超过300巴。这是你周围气压的300多倍。要是只靠贮箱自己加压来推，贮箱就得做得又厚又重，根本没法用。所以这份活儿交给泵来干。每台泵都和一个涡轮装在同一根轴上。涡轮是一个带叶片的轮子，热燃气一吹，它就转起来。泵和涡轮合在一起，就叫涡轮泵。猛禽有两台：大的一台泵氧，小的一台泵甲烷。
涡轮要靠热燃气才能转。这些燃气来自两个小燃烧室，叫作预燃室，每台涡轮泵各配一个。几乎全部的氧都要流过富氧预燃室，只有一点点甲烷在里面燃烧。出来的燃气很热，但大部分仍然是氧，用来带动氧泵。富甲烷预燃室正好反过来：几乎全部的甲烷都从这里流过，只有一点点氧在里面燃烧，流出的燃气带动甲烷泵。随后，两股燃气都流进主燃烧室，在那里一起烧完。一点也没有浪费。
这种设计叫作全流量分级燃烧。之所以叫“全流量”，是因为两种推进剂的每一滴，在燃烧前都要先流过涡轮。这样做有三大好处。推动涡轮的燃气多，涡轮就能在较低的温度下工作，只有几百度，而不是3000多度，所以寿命更长。泵可以推得更猛，燃烧室压力更高，发动机做得更小，推力却更大。而且每根轴只接触一种推进剂，也就用不着一道棘手的密封来隔开热氧和燃料。画面用慢镜头展示启动过程：先是泵转起来，接着预燃室点火，最后主燃烧室点燃。点一下下方的某台发动机，把它的循环方式和猛禽比一比。
最难搞定的是氧这一侧。以氧为主的热燃气会腐蚀大多数金属，而氧涡轮偏偏就在这股燃气里高速旋转。为了扛住它，SpaceX自己研制了合金，其中一种叫SX500。全流量这个想法本身并不新。苏联在1960年代就造出了RD-270，还进行了试车。美国也在2000年代中期试验过集成动力头验证机。但两者都从没离开过地面。2019年7月25日，一台猛禽把星虫试验机托到约20米高。猛禽由此成为第一种飞上天的全流量发动机。
04
最大的一团火在这里
两股热燃气在燃烧室顶部相遇，那里有一块板，叫主喷注器。燃气在这里混合、燃烧，温度约3500 K，也就是3200 °C以上。燃烧室里的压力超过300巴。2023年，一台猛禽3在试车台上达到了350巴，创下纪录。燃烧室本身小得出人意料。发动机之所以那么高，主要是因为上面有泵，下面有喷管。
燃烧室下方，壁面向内收拢，形成喉部。喉部直径约22厘米，差不多有一个菜盘子那么宽。所有燃气都得从这个窄口挤过去，一边挤一边加速。到了这里，速度正好达到声速。再往下，壁面又向外张开，成为喷管，燃气继续加速。等离开发动机时，它的速度已超过每秒3千米，约是空气中声速的十倍。
这里是整台发动机最热的地方。壁面之所以扛得住，全靠冰冷的甲烷在壁内的通道里飞快流过。火焰本身烧得很干净，因为两种推进剂进来时就已经是气体了。气体遇上气体，就没有液滴需要先打散、再蒸发，所以两者混合得快，也烧得彻底。下面的读数显示，每秒有多少推进剂流进燃烧室，燃气又以多快的速度喷出去。
在300多巴的压力下，火要怎么点？两个预燃室靠小型火炬点火器点燃，埃隆·马斯克把它们比作加强版的火花塞。可主燃烧室从猛禽2开始，就干脆不装点火器了。从预燃室来的燃气又热又密，一碰面就烧了起来。工程师说，它们的表现就像自燃推进剂，也就是不用点火、一碰就着的那类推进剂。少一个零件，就少一处可能出故障的地方。
05
钟形喷管：空气由浓变稀
喷管就是燃烧室下面那个钟形的部分。燃气顺着它往下流，喷管越来越宽，燃气也随之膨胀、降温、加速。换句话说，喷管把压力和热量变成了速度，而推力正是来自速度。但一个喷管只能在一种气压下大小刚好。做得太短，燃气还没把劲使完就跑掉了。做得太宽，外面的空气又会反挤进来。猛禽的喷管是按海平面的气压设计的，因为助推器就是从海平面开始爬升的。
在海平面，猛禽喷出的燃气到了喷管出口，压力约为0.9巴。周围的空气约为1巴，稍高一些，于是空气把尾焰往里压。被压窄的气流里，激波来回交叉，交叉处的燃气会升温发光。这些亮点叫作马赫环。燃气从中飞快穿过，它们却一动不动，就像湍急的溪水里那些停在原地的波纹。
火箭越飞越高，空气越来越稀，压在尾焰上的力也越来越小。尾焰向外张开，马赫环拉长、变淡，最后消失。油门不变，发动机的推力却大了约5%，多出约14吨。它的比冲也从约330秒升到约350秒。比冲衡量的是：用同样多的推进剂，能换来多少推力。飞到30千米高时，这部分增益已经几乎全部到手。拖动滑块，就能看到发动机在上升途中任意高度的样子。最大动压前后推力有一段下降，那是发动机收小了油门，不是空气造成的。
助推器上面的飞船，还装着一种真空版猛禽，简称RVac，它的喷管要宽得多。太空里没有空气挤压尾焰，所以更大的喷管能让燃气膨胀得更充分，比冲可达约380秒。但RVac不能在海平面满推力工作。浓密的空气会往上挤进喷管，把气流从壁面上扯开。这会让喷管剧烈地左右晃动，足以把它损坏。所以助推器用海平面版的喷管，RVac则要等到了太空再上场。
06
33台发动机，一次发射
超重型助推器装着33台猛禽，排成三圈：中间3台，外面一圈10台，最外圈20台。里面的13台负责转向。每台都挂在顶部的一个活动关节上，这个关节叫万向节。两个作动器能推着发动机偏转，最多约15度。发动机一偏，推力的方向就跟着变，整枚火箭也就转了向。最外圈的20台是固定的，不能摆动。模型里的这台发动机，就是中间三台中的一台。
升空前约3秒，发动机就启动了。火箭确认每一台都运转正常后，才在T−0那一刻松开固定它的夹具。火箭穿过浓密的低层大气，速度越来越快。升空后45到60秒之间，火箭迎来最大动压，也就是空气对火箭冲击最大的时刻。发动机会暂时收小油门，减轻火箭承受的负荷。SpaceX没有说收小了多少，所以这里的曲线是模型根据直播画面自己推算的。
过了最大动压，发动机重新开足油门，变稀的空气又给推力额外加了一把劲。到T+2:20左右，助推器已飞到约52千米高，速度约每小时5800千米。随后助推器的发动机关机，上面的飞船趁两级还连在一起，就点燃了自己的六台发动机。这叫热分离。每台猛禽3都能在飞行中重新点火，所以助推器可以再次点火，飞回来。点一下下方的某个时刻，就能在图上跳过去。
2026年5月22日，猛禽3在第12次试飞中首飞。到目前为止，最难的是在飞行中让发动机重新点火。那次飞行中，28台发动机里有20台重新点燃，完成了返航点火，也就是让助推器掉头飞回来的那次点火。可到了着陆点火，只有一台重新点燃。在地面上启动时，检查同样严格。2026年7月16日，第13次试飞的首次发射尝试在T−0自动中止，因为有几台发动机没有达到预定转速。火箭安全地留在了发射台上。