猎鹰火箭的基础：不断升级的梅林发动机

+ 张雪松

猎鹰火箭的基础：不断升级的梅林发动机

+ 张雪松

太空探索技术公司在航天发射领域已经创造了很多的奇迹，他们第一个研制了非政府的中型火箭猎鹰九号，粉碎了人们对商业航天公司能力不足的担心。猎鹰九号火箭不仅用于发射龙式飞船，还成功打入商业通信卫星发射市场，成为阿里安5和质子火箭的劲敌，至于猎鹰九号火箭的一级返回复用，更是前无古人的创举。猎鹰九号火箭越战越勇，其基础正是不断发展升级的梅林（Merlin，亦可译为“灰背隼”）液氧煤油发动机。

我国的新一代长征火箭上使用了YF-100高压补燃液氧煤油发动机，高压补燃循环的液氧煤油发动机比冲要比常规的燃气发生器循环高近10%，从齐奥尔科夫斯基公式出发，我们很容易推算出高压补燃液氧煤油发动机的性能优势。太空探索技术公司作为一家2002年建立的美国商业航天公司，既没钱直接高价买到俄罗斯的高压补燃循环液氧煤油发动机技术，也没有足够的技术团队独立进行高压补燃液氧煤油发动机的研制，只好因地制宜做起了燃气发生器的液氧煤油发动机，研制了最初的Merlin 1A发动机。

Merlin 1A发动机的推力只有340千牛（34.7吨），猎鹰一号火箭使用Merlin 1A发动机作为主发动机。Merlin 1A发动机的技术起点并不高，它的喷管使用烧蚀冷却技术，涡轮泵和燃烧室也没什么亮点。如果一定要说的话，那么燃烧室的针栓式喷注器算是一个创新，针栓式喷注器是传统同轴式喷注器的变种，这种设计容易实现较大的节流比例，此前美国最著名的针栓式喷注器使用在阿波罗登月舱下降段的变推力发动机上，很多人因此声称太空探索技术公司得到了美国航空航天局的直接技术转移。事实上较真的话，Merlin 1A发动机的针栓式喷注器和航天局没什么关系，更像是推进系统负责人Tom Mueller从TRW公司带过来的“遗产”。如果要说和官方的关系，Merlin 1A发动机的涡轮泵由Barber-Nichols公司提供，这家公司曾参与研制RS-88发动机和美国航天局的Fastrac发动机，从设计特点上看Merlin 1A发动机的涡轮泵很可能源自官方的Fastrac发动机项目。

Merlin 1B是1A发动机的升级型号，涡轮泵仍然由Barber-Nichols公司提供，海平面推力提高到380千牛（38.8吨），海平面比冲261秒，真空比冲303秒，这个指标即使对比美国老牌公司几十年前的MB-3液氧煤油发动机也惨不忍睹。Merln 1B发动机从未上天，但它为新的Merlin 1C发动机打下了更好的基础技术。Merlin 1C发动机开始在液体火箭发动机中崭露头角，新的Merlin 1C发动机喷管使用了再生冷却技术，不过涡轮泵仍然由Barber-Nichols公司提供，它的海平面推力增加到350千牛（35.7吨），还衍生出真空版Merlin 1C发动机，真空比冲336秒，凭借面积比117的大型喷管在比冲上也不过是和普通的高压补燃液氧煤油发动机相当。Merlin 1C发动机的推重比约为75，这不过是比经典的高压补燃液氧煤油RD-180略高，考虑到高亚补燃循环带来的固有增重，Merlin 1C发动机在性能上相当平庸，但它推动猎鹰一号和猎鹰九号火箭走向成功，是太空探索技术公司第一种成功的大推力液体火箭发动机。Merlin 1C还发展出Merlin 1C Block II发动机，改进型发动机性能有了很大提高，海平面推力提高到56.7吨，比冲为275秒，真空比冲304秒，最重要的是它的重量只有653公斤，比增推前的Merlin 1C还轻了3公斤，因此推重比提高到96，这也是Merlin 1系列发动机首次在推重比上初现峥嵘。

新一代的Merlin 1D实现了脱胎换骨的飞越，这种发动机无论是设计还是性能都有了革命性的提高，而且本身还细分了多个升级的亚型号，性能不断提高，让Merlin发动机真正成为世界液体火箭发动机中的佼佼者。上文提到针栓式喷注器容易实现深度节流，但从Merlin 1A到Merlin 1C Block II这些发动机实际上都没有节流能力，直到Merlin 1D发动机才充分利用针栓式喷注器的天然优势，实现了发动机节流功能。令人感到讽刺的是，Merlin 1D和早期Merlin 1系列发动机的共同点，主要也就是针栓式喷注器了，Merlin 1D发动机的燃烧室压强从1000PSI（6.89兆帕）提高到1420PSI（9.77兆帕），此外它还使用了新研制的涡轮泵和新的燃烧室，整体方案和早期Merlin发动机大相径庭。

第100台Merlin 1D发动机

2012年Merlin 1D发动机开始试车，它的地面推力为67吨，真空推力74吨，海平面比冲282秒，真空比冲311秒，比冲数据在传统燃气发生器循环液氧煤油发动机位居榜首，至于真空版Merlin 1D发动机的比冲更是达到了345秒以上，媲美专门设计的真空版高压补燃液氧煤油发动机。更令人称奇的是，Merlin 1D发动机在推力有所提高，燃烧室压强大幅提高的条件下，发动机重量反而降低到约468千克，这使它的推重比提高到约160，超过苏联时代的NK-15发动机，一跃成为人类液体火箭发动机推重比最高的型号。Merlin 1D这种超高推重比的先进发动机，成为猎鹰九号火箭性能不断逆天前进的基础，应用了Merlin 1D发动机后，猎鹰九号火箭从原来的V1.0版本升级为V1.1，近地轨道运力从约10吨提高到约13吨。

Merlin 1D发动机的推重比很高，但这还是包含推力矢量作动器的，而很多发动机统计时不包含这个部分，这样的高性能实在令人高山仰止。事情还没有结束，太空探索技术公司又升级研制了Merlin 1D+发动机，它的推力和推重比进一步提高，真空推力提高到约84吨，推重比达到了180，同时发动机燃烧时压强进一步提高到10.8兆帕，比冲略有提高。使用Merlin 1D+发动机的型号被称为猎鹰九号V1.1全推力版，这也是2015年12月首次发射，并成功实现陆上垂直降落回收的那种火箭。太空探索技术公司还表示，Merlin 1D+发动机可以在111%的推力下工作，也就是说它的地面推力可以增加到86.2吨，此时发动机推重比高达199。的凭借Merlin 1D+更好的性能尤其是增加了超过1/4的推力，新型猎鹰九号火箭的近地轨道运载能力提高到22.8吨，同步转移轨道为8.3吨，一级回收的同步转移轨道运载能力仍可达到5.3吨，从而成为商业航天发射市场上最具竞争力的火箭。

神奇的Merlin发动机的故事还没有结束，根据2017年6月太空探索技术公司总裁肖特维尔接受采访时透露的信息，目前Merlin 1D+发动机还在地面试车中进一步挖潜增推，试车中达到了空前的109吨地面推力，这意味着发动机推重比达到了约232，而推重比133的NK-15就已经名列第二被惊为天人了。对于现有的猎鹰九号火箭来说，Merlin 1D+发动机空前的极限推力对于增强运载能力恐怕没什么作用，现在制约猎鹰九号火箭运载能力的瓶颈在于箭体直径不足，无法加注更多的推进剂。不过换个角度看，对于火箭的冗余设计来说，这种极限推力对于增强9发并联的猎鹰九号火箭的冗余是很有帮助的，即使一台甚至两台发动机出现故障关机，剩余发动机仍可继续工作将卫星送入轨道，猎鹰九号火箭的可靠性将进一步提高，为商业发射市场上攻城略地提供坚实的基础。