+ 張雪松

獵鷹火箭的基礎(chǔ)：不斷升級的梅林發(fā)動機

+ 張雪松

太空探索技術(shù)公司在航天發(fā)射領(lǐng)域已經(jīng)創(chuàng)造了很多的奇跡，他們第一個研制了非政府的中型火箭獵鷹九號，粉碎了人們對商業(yè)航天公司能力不足的擔(dān)心。獵鷹九號火箭不僅用于發(fā)射龍式飛船，還成功打入商業(yè)通信衛(wèi)星發(fā)射市場，成為阿里安5和質(zhì)子火箭的勁敵，至于獵鷹九號火箭的一級返回復(fù)用，更是前無古人的創(chuàng)舉。獵鷹九號火箭越戰(zhàn)越勇，其基礎(chǔ)正是不斷發(fā)展升級的梅林（Merlin，亦可譯為“灰背隼”）液氧煤油發(fā)動機。

我國的新一代長征火箭上使用了YF-100高壓補燃液氧煤油發(fā)動機，高壓補燃循環(huán)的液氧煤油發(fā)動機比沖要比常規(guī)的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)高近10%，從齊奧爾科夫斯基公式出發(fā)，我們很容易推算出高壓補燃液氧煤油發(fā)動機的性能優(yōu)勢。太空探索技術(shù)公司作為一家2002年建立的美國商業(yè)航天公司，既沒錢直接高價買到俄羅斯的高壓補燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動機技術(shù)，也沒有足夠的技術(shù)團(tuán)隊獨立進(jìn)行高壓補燃液氧煤油發(fā)動機的研制，只好因地制宜做起了燃?xì)獍l(fā)生器的液氧煤油發(fā)動機，研制了最初的Merlin 1A發(fā)動機。

Merlin 1A發(fā)動機的推力只有340千牛（34.7噸），獵鷹一號火箭使用Merlin 1A發(fā)動機作為主發(fā)動機。Merlin 1A發(fā)動機的技術(shù)起點并不高，它的噴管使用燒蝕冷卻技術(shù)，渦輪泵和燃燒室也沒什么亮點。如果一定要說的話，那么燃燒室的針?biāo)ㄊ絿娮⑵魉闶且粋€創(chuàng)新，針?biāo)ㄊ絿娮⑵魇莻鹘y(tǒng)同軸式噴注器的變種，這種設(shè)計容易實現(xiàn)較大的節(jié)流比例，此前美國最著名的針?biāo)ㄊ絿娮⑵魇褂迷诎⒉_登月艙下降段的變推力發(fā)動機上，很多人因此聲稱太空探索技術(shù)公司得到了美國航空航天局的直接技術(shù)轉(zhuǎn)移。事實上較真的話，Merlin 1A發(fā)動機的針?biāo)ㄊ絿娮⑵骱秃教炀譀]什么關(guān)系，更像是推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人Tom Mueller從TRW公司帶過來的“遺產(chǎn)”。如果要說和官方的關(guān)系，Merlin 1A發(fā)動機的渦輪泵由Barber-Nichols公司提供，這家公司曾參與研制RS-88發(fā)動機和美國航天局的Fastrac發(fā)動機，從設(shè)計特點上看Merlin 1A發(fā)動機的渦輪泵很可能源自官方的Fastrac發(fā)動機項目。

Merlin 1B是1A發(fā)動機的升級型號，渦輪泵仍然由Barber-Nichols公司提供，海平面推力提高到380千牛（38.8噸），海平面比沖261秒，真空比沖303秒，這個指標(biāo)即使對比美國老牌公司幾十年前的MB-3液氧煤油發(fā)動機也慘不忍睹。Merln 1B發(fā)動機從未上天，但它為新的Merlin 1C發(fā)動機打下了更好的基礎(chǔ)技術(shù)。Merlin 1C發(fā)動機開始在液體火箭發(fā)動機中嶄露頭角，新的Merlin 1C發(fā)動機噴管使用了再生冷卻技術(shù)，不過渦輪泵仍然由Barber-Nichols公司提供，它的海平面推力增加到350千牛（35.7噸），還衍生出真空版Merlin 1C發(fā)動機，真空比沖336秒，憑借面積比117的大型噴管在比沖上也不過是和普通的高壓補燃液氧煤油發(fā)動機相當(dāng)。Merlin 1C發(fā)動機的推重比約為75，這不過是比經(jīng)典的高壓補燃液氧煤油RD-180略高，考慮到高亞補燃循環(huán)帶來的固有增重，Merlin 1C發(fā)動機在性能上相當(dāng)平庸，但它推動獵鷹一號和獵鷹九號火箭走向成功，是太空探索技術(shù)公司第一種成功的大推力液體火箭發(fā)動機。Merlin 1C還發(fā)展出Merlin 1C Block II發(fā)動機，改進(jìn)型發(fā)動機性能有了很大提高，海平面推力提高到56.7噸，比沖為275秒，真空比沖304秒，最重要的是它的重量只有653公斤，比增推前的Merlin 1C還輕了3公斤，因此推重比提高到96，這也是Merlin 1系列發(fā)動機首次在推重比上初現(xiàn)崢嶸。

新一代的Merlin 1D實現(xiàn)了脫胎換骨的飛越，這種發(fā)動機無論是設(shè)計還是性能都有了革命性的提高，而且本身還細(xì)分了多個升級的亞型號，性能不斷提高，讓Merlin發(fā)動機真正成為世界液體火箭發(fā)動機中的佼佼者。上文提到針?biāo)ㄊ絿娮⑵魅菀讓崿F(xiàn)深度節(jié)流，但從Merlin 1A到Merlin 1C Block II這些發(fā)動機實際上都沒有節(jié)流能力，直到Merlin 1D發(fā)動機才充分利用針?biāo)ㄊ絿娮⑵鞯奶烊粌?yōu)勢，實現(xiàn)了發(fā)動機節(jié)流功能。令人感到諷刺的是，Merlin 1D和早期Merlin 1系列發(fā)動機的共同點，主要也就是針?biāo)ㄊ絿娮⑵髁?，Merlin 1D發(fā)動機的燃燒室壓強從1000PSI（6.89兆帕）提高到1420PSI（9.77兆帕），此外它還使用了新研制的渦輪泵和新的燃燒室，整體方案和早期Merlin發(fā)動機大相徑庭。

第100臺Merlin 1D發(fā)動機

2012年Merlin 1D發(fā)動機開始試車，它的地面推力為67噸，真空推力74噸，海平面比沖282秒，真空比沖311秒，比沖數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氧煤油發(fā)動機位居榜首，至于真空版Merlin 1D發(fā)動機的比沖更是達(dá)到了345秒以上，媲美專門設(shè)計的真空版高壓補燃液氧煤油發(fā)動機。更令人稱奇的是，Merlin 1D發(fā)動機在推力有所提高，燃燒室壓強大幅提高的條件下，發(fā)動機重量反而降低到約468千克，這使它的推重比提高到約160，超過蘇聯(lián)時代的NK-15發(fā)動機，一躍成為人類液體火箭發(fā)動機推重比最高的型號。Merlin 1D這種超高推重比的先進(jìn)發(fā)動機，成為獵鷹九號火箭性能不斷逆天前進(jìn)的基礎(chǔ)，應(yīng)用了Merlin 1D發(fā)動機后，獵鷹九號火箭從原來的V1.0版本升級為V1.1，近地軌道運力從約10噸提高到約13噸。

Merlin 1D發(fā)動機的推重比很高，但這還是包含推力矢量作動器的，而很多發(fā)動機統(tǒng)計時不包含這個部分，這樣的高性能實在令人高山仰止。事情還沒有結(jié)束，太空探索技術(shù)公司又升級研制了Merlin 1D+發(fā)動機，它的推力和推重比進(jìn)一步提高，真空推力提高到約84噸，推重比達(dá)到了180，同時發(fā)動機燃燒時壓強進(jìn)一步提高到10.8兆帕，比沖略有提高。使用Merlin 1D+發(fā)動機的型號被稱為獵鷹九號V1.1全推力版，這也是2015年12月首次發(fā)射，并成功實現(xiàn)陸上垂直降落回收的那種火箭。太空探索技術(shù)公司還表示，Merlin 1D+發(fā)動機可以在111%的推力下工作，也就是說它的地面推力可以增加到86.2噸，此時發(fā)動機推重比高達(dá)199。的憑借Merlin 1D+更好的性能尤其是增加了超過1/4的推力，新型獵鷹九號火箭的近地軌道運載能力提高到22.8噸，同步轉(zhuǎn)移軌道為8.3噸，一級回收的同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力仍可達(dá)到5.3噸，從而成為商業(yè)航天發(fā)射市場上最具競爭力的火箭。

神奇的Merlin發(fā)動機的故事還沒有結(jié)束，根據(jù)2017年6月太空探索技術(shù)公司總裁肖特維爾接受采訪時透露的信息，目前Merlin 1D+發(fā)動機還在地面試車中進(jìn)一步挖潛增推，試車中達(dá)到了空前的109噸地面推力，這意味著發(fā)動機推重比達(dá)到了約232，而推重比133的NK-15就已經(jīng)名列第二被驚為天人了。對于現(xiàn)有的獵鷹九號火箭來說，Merlin 1D+發(fā)動機空前的極限推力對于增強運載能力恐怕沒什么作用，現(xiàn)在制約獵鷹九號火箭運載能力的瓶頸在于箭體直徑不足，無法加注更多的推進(jìn)劑。不過換個角度看，對于火箭的冗余設(shè)計來說，這種極限推力對于增強9發(fā)并聯(lián)的獵鷹九號火箭的冗余是很有幫助的，即使一臺甚至兩臺發(fā)動機出現(xiàn)故障關(guān)機，剩余發(fā)動機仍可繼續(xù)工作將衛(wèi)星送入軌道，獵鷹九號火箭的可靠性將進(jìn)一步提高，為商業(yè)發(fā)射市場上攻城略地提供堅實的基礎(chǔ)。