目前最好的火箭发动机燃料（以空气作为燃料的火箭）
目前最好的火箭发动机燃料（以空气作为燃料的火箭）当戴维斯在2018年创立山地航空研究解决方案（Mountain Aerospace Research Solutions）时，之前还没有人制造出可工作的吸气式火箭发动机。美国国家航空航天局(NASA)和罗尔斯·罗伊斯(Rolls-Royce)等航空航天巨头都曾尝试过，但由于成本飙升和重大技术挑战，所有项目都以失败告终。但是戴维斯，一位曾在海军陆战队担任航空军械技术员，却有了一个自己制造吸气式发动机的想法，并且再大的阻碍都无法撼动这个想法。"我雇佣了斯科特·斯泰格曼来向我证明这是不可能的。"戴维斯说。但斯泰格曼之前在诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)担任机械工程师，他仔细研究了这些数字，没有发现任何阻碍因素。就物理学而言，戴维斯的发动机似乎应该可以正常运作。"我们的想法是在发射早期使用吸气式发动机，以利用引擎不需要携带自身氧化剂的发动机带来获得更
以空气作为燃料的火箭？这款新型火箭发动机，将颠覆传统液体火箭领域
这种理论上的发动机可以大幅降低进入太空的成本。现在有两家公司正试图将其变为现实。
在洛杉矶以北约两小时车程的地方——有一个小型飞机场，它坐落在一望无际的沙漠边缘，但它却吸引着全球的航空航天奇才们慕名而来，就像飞蛾扑火一般蜂拥而至。莫哈韦航空航天港是Scaled Composites（第一个将美国私人宇航员送上太空的公司）和Masten Space Systems（从事月球着陆器制造业务）等公司的所在地。这里是美国最大胆的太空项目的试验场，去年7月，当亚伦·戴维斯(Aaron Davis)和斯科特·斯泰格曼(Scott Stegman)抵达这个神圣的停机坪时，他们知道自己来对了地方。
两人在黎明前就抵达机场，为他们的吸气式火箭发动机原型机搭建试验台。吸气式火箭发动机，这是一种介于火箭发动机和喷气发动机之间的新型推进系统。他们称该新型推进系统为——Fenris，戴维斯相信，这是唯一能让我们其他人以足够便宜的价格进入太空的方法。传统的火箭发动机必须携带巨大的燃料罐和氧化剂前往太空，而吸气式火箭发动机则直接从大气中提取大部分氧化剂。这意味着，吸气式火箭可以用更少的推进剂运载更多的东西，并大大降低了进入太空的成本——至少在理论上是这样。
将喷气式发动机的效率和火箭发动机的动力结合起来的想法并不新鲜，但从历史上看，这些系统只是分阶段结合。例如，维珍银河(Virgin Galactic)和维珍轨道公司(Virgin Orbit)就利用喷气式飞机将常规火箭送入大气层数英里，然后再将它们发射到太空旅行的最后一段。在其他情况下，顺序是颠倒的。有史以来飞行速度最快的飞机——NASA的X-43飞机，它使用火箭发动机提供最初的推动力，然后由一个被称为喷气式高超音速发动机（即scramjet，吸气超燃冲压发动机)接管，将飞机加速到7300英里/小时，这几乎是音速的10倍之多。
但是，如果这些分阶段的系统可以整合成一个引擎之中，巨大的效率收益将大大降低进入太空的成本。弗吉尼亚大学航空航天研究实验室主任、高超音速飞行专家克里斯托弗·戈恩（Christopher Goyne）说："'圣杯'是一种单级入轨飞行器，你只需从跑道起飞，飞向太空，然后返回并重复使用该系统。"
单级入轨火箭（SSTO）的最大挑战是，要达到入轨所需的速度——约17000英里/小时，需要大量的推进剂。但添加更多的推进剂会使火箭更重，从而更难达到轨道速度。这种恶性循环被称为 "火箭方程的暴政"，这也是为什么要用一栋办公楼大小的两级火箭才能发射一颗汽车大小的卫星。火箭的分级对此是有帮助的，因为一旦第一级的推进剂用完，就可以减轻自重，但是在一开始就燃烧所有的推进剂仍然是非常低效的。这就是采用吸气式发动机的SSTO火箭将提供一个巨大效率提升的地方。
"我们的想法是在发射早期使用吸气式发动机，以利用引擎不需要携带自身氧化剂的发动机带来获得更高地效率提升。"戈恩（Goyne）继续说道："一旦你在大气层中达到足够高的高度，你就会开始耗尽吸气系统中的空气，你就可以使用火箭进行最后的助推，使其进入轨道。"
当戴维斯在2018年创立山地航空研究解决方案（Mountain Aerospace Research Solutions）时，之前还没有人制造出可工作的吸气式火箭发动机。美国国家航空航天局(NASA)和罗尔斯·罗伊斯(Rolls-Royce)等航空航天巨头都曾尝试过，但由于成本飙升和重大技术挑战，所有项目都以失败告终。但是戴维斯，一位曾在海军陆战队担任航空军械技术员，却有了一个自己制造吸气式发动机的想法，并且再大的阻碍都无法撼动这个想法。"我雇佣了斯科特·斯泰格曼来向我证明这是不可能的。"戴维斯说。但斯泰格曼之前在诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)担任机械工程师，他仔细研究了这些数字，没有发现任何阻碍因素。就物理学而言，戴维斯的发动机似乎应该可以正常运作。
发动机工作原理视频：
根据斯泰格曼的计算，一个全尺寸的Fenris发动机可以减少火箭所需携带的氧化剂量约20%。这是一个巨大的效率提升，但首先他们必须证明戴维斯的设计是可行的。戴维斯没有足够的资金在计算机上运行详细的流体动力学模拟来为发动机建模，所以两人决定建造一个物理发动机来代替。"在一天结束的时候，你可以做出非常漂亮的模拟，但没有人会相信你。"戴维斯表示："如果只是去测试我的想法是否有效，这将会便宜有效得多。"
去年7月，戴维斯在莫哈韦航空航天港开始倒计时时，他和斯泰格曼已经在Fenris原型机上工作了将近一年半。戴维斯说，他完全是自掏腰包支付发动机的研发费用，估计到目前为止，他在这个项目上已经花费了大约50万美元。这种沙漏形的发动机比烤面包机大不了多少，它的设计是被动地从一端吸入空气，在燃烧室中将空气与煤油和一些气态氧气进行混合，然后从另一端吐出火焰。而当戴维斯去年触发点火后，Fenris发动机就可以正常运作了。
戴维斯对此声称，这次测试是第一次也是唯一一次成功点燃吸气式火箭发动机。这是一个很大的断言，同时也附带了一个重要的警告:Fenris发动机甚至还没有强大到可以将任何东西送上太空。这个两人的小团队还没有公布任何有关发动机性能的数据，但从发动机点火的视频中可以明显地看到，由于排气管缺陷并达到我们所期望在高性能火箭发动机中看到的有序结构。平心而论，戴维斯和斯蒂格曼并不是想达到最终的极限条件。他们只是想看看他们的发动机能否在不爆炸的情况下，将一端的空气吸入另一端，并将火焰喷出。"这简直就是一个两端都有洞的火箭发动机，"斯缇格曼兴奋得解释道，"这是一种极其不正常的状态，也是为什么我们在第一次测试中非常保守的原因。"
今年晚些时候，戴维斯和斯特曼将在美国怀俄明州的一个退役的导弹发射井中进行一些更先进的发动机测试。与第一次试运行不同的是，这些试验将是将Fenris发动机推向极限，并从实验发动机中提取尽可能多的动力。戴维斯表示，根据他的计算机模型显示，他预计在测试过程中能获得600秒以上的比冲，这是衡量火箭发动机使用推进剂效率的一个指标。这将是一个里程碑式的成就，因为世界纪录的比冲是542秒(由美国宇航局保持)，而大多数运行的轨道火箭的比冲在300秒左右。如果在怀俄明州的试验进展顺利，下一个重要步骤将是在飞行中演示发动机。戴维斯说，如果他找到一个发射伙伴，Fenris发动机最快可以在2022年飞行。
从历史上看，戴维斯和斯泰格曼的观点是一致的。现代液体燃料火箭的诞生是由罗伯特·戈达德、杰克·帕森斯和维尔纳·冯·布劳恩等业余爱好者推动的，他们为后来的大规模国家级火箭计划扫清了道路。但是，并不是每个人都相信Fenris发动机将会是一个游戏规则的改变者。
"我对这整个概念持怀疑态度。"南加州大学航空航天工程教授、推进器专家丹·埃尔文（Dan Erwin）说。其中一个令人担忧的问题是，大气中大部分是惰性氮气——而在火箭发动机中，氮气的作用就像一块湿毯子一样。它通过氧和煤油之间的燃烧反应加热而不产生任何作用，反而会降低了燃烧温度和推力。虽然在一定情况下，氮气可以为发动机的推力做出贡献——因为它在燃烧室中被加热并通过喷嘴排出，但排气速度必须大于航天器的速度。埃尔文（Erwin)表示，否则，当空气从发动机中排出时，它是相对于静止的大气是向前移动的，这将减弱火箭的前进动力。虽然这样的发动机并非不可能，但它的性能必须高得惊人。
德克萨斯农工大学的航空航天工程师、高速燃烧专家阿多尼奥斯·卡佩提斯（Adonios Karpetis）也对Fenris发动机的可行性有所顾虑。他指出，尽管火箭大部分时间都以超音速或超音速下飞行，但燃烧室本身不会经历这些条件。而高超音速吸气式发动机则不然，它的发动机本身就经历了高超音速气流。这一直是制造高超音速喷气发动机的公司所要面临的一大技术挑战，在飞行过程中，像Fenris这样的吸气式发动机也将面临这一挑战。"Fenris装置的一次静态火力试验是在零速状态下进行的。"卡佩提斯对此产生质疑："当Fenris装置成为真正的超音速，空气通过进气口高速冲入装置时，会发生什么？一个简单的猜测就能预测到行为的递减，迅速将600秒的比冲降低到一些较小的值。"
前车之鉴：新型吸气式发动机找到了解决这一问题的完美方案在很长一段时间内，一些拥有大量资金和大量专业知识的组织，努力将吸气式火箭发动机变为现实。早在20世纪80年代，美国航空航天局和英国航空航天公司的合作都在追求能够替代航天飞机的SSTO喷气式太空飞机的概念。NASA所设计的飞行器被称为 "国家航空航天飞机"(National Aero Space Plane)，其设计目的是利用吸气超燃冲压发动机(scramjet)加速到25倍音速，并在没有火箭发动机的情况下到达轨道。英国的飞行器被称为 "水平起飞着陆器"（或称Hotol），其目的是采用混合发动机，将喷气发动机和火箭发动机的各个方面结合起来。
预算的限制使这两个航天飞机项目在制造之前就夭折了，但Hotol的首席工程师之一艾伦·邦德（Alan Bond）仍然无法放弃这个想法。1989年，邦德成立了Reaction Engines公司，以Hotol的设计为基础，制造一种新的吸气式火箭发动机。他设想将这种发动机用在他称为 "Skylon "的概念性太空飞机上，这架飞机看起来就像一枚火箭，在它的两个狭长的机翼顶端装备了一台喷气式发动机。Skylon的发动机被称为"协同吸气火箭发动机"（Synergetic Air Breaking Rocket engine，简称Sabre），尽管这架航天飞机还只是一个概念，但发动机是真实存在的。
Sabre背后的想法是利用发动机的吸气模式，在低层大气中将航天器加速到高超音速，然后在太空边缘切换到完全的火箭模式。概念上很简单，但问题在于细节。例如，当发动机在低空将飞机工作到高超音速时，空气温度接近1000℃，其温度足以熔化发动机部件。为了克服这一挑战，Sabre使用了一个预冷器，通过在发动机中循环氢燃料来降低空气温度。这将空气降低到高空时周围的环境温度，约为-130℃。"实际上，核心发动机并不知道其正在超音速飞行。"反应发动机的项目总监肖恩·德里斯科尔(Shaun Driscoll)认为，"预冷器将可以负责很好地处理这个问题。"
一旦空气被降低到一个可控的温度，它就会被传递到一个压缩机以提高气体压力，就像在传统的喷气发动机中一样。然后，它被输送到火箭燃烧室，在那里与液态氢燃料混合，并点燃以产生推力。当飞行器达到高超音速时，大气层已经十分稀薄，不适合使用吸气式发动机，系统就会切换到机载氧化剂罐，进行太空之旅的最后一段飞行。
2017年，邦德从Reaction Engines公司退休，但Sabre发动机的工作仍在快速进行。在过去的四年里，该公司已经筹集了超过1亿美元来开发Sabre发动机，在邦德从公司退下来后不久，Reaction Engines与Darpa签订了合同，在科罗拉多州为发动机的预冷器开发一个测试设施。去年年底，该公司展示了其预冷器可以处理超高音速条件下产生的极端热量，这是其通往实现全面发动机演示道路上的一个重要里程碑。大约在同一时间，欧洲航天局结束了对发动机的设计审查，并为该公司开始测试其发动机核心开了绿灯。
虽然取得了一定的突破，但是未来的路还极其漫长Reaction Engines首席执行官马克·托马斯（Mark Thomas）表示，公司预计明年开始进行这些测试。Sabre发动机核心是推进系统的空气呼吸心脏，除去了排气喷嘴和预冷器。"这些测试将在明年期间进行，这将是向世界上第一台能够从零加速到5马赫的吸气式发动机迈出的重要一步，"托马斯引以为傲地宣布道。并且他还表示，如果这些测试进展顺利，下一步的重头戏将是整合所有的发动机部件，并利用定制机身进行高速飞行演示。托马斯说，他预计第一次演示飞行将在2020年代中期发生。
"近年来，商业发射公司在可重复使用性和降低发射成本方面取得了重大进展，然而，他们的方法基本上是利用现有的化学火箭技术，该技术已经使用了70多年之久。"托马斯认为："只有吸气式系统才能实现发射成本和可靠性的进一步量级降低。"
Sabre发动机是40多年来在数百万美元政府和行业资金支持下研发的结晶。这是你能从这个两人小队在沙漠里将一个小型火箭发动机原型竭尽全力所得到的最远的距离，但戴维斯并没有被这漫长而又极低的成功几率所吓倒。他表示他将会继续乐观地坚持下去："这比什么都重要，你看，目前全人类中只有600人去过外太空，所以我的研究将是全人类步入全民太空时代的希望。我不会放弃，直到我实现了每个人的这种能力。"
