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详解SpaceX 的梅林发动机
送交者: 香椿树1 2018年02月21日06:35:07 于 [军事天地] 发送悄悄话

如何正确地“黑”SpaceX:从梅林引擎开始

【文/观察者网专栏作者 查攸吟】

  自从2010年起,美国的太空探索技术公司(以下简称SpaceX)已近乎发展成为了一种流行文化。有狂热的粉丝、也有相关的文化图腾、更有无数力挺的跨界著名关注者,至于在航天业界的同行们,无论是否对其认可,都已无法忽略这家企业。其名之盛,以至于目前其相关新闻已被国内许多营销团体或者个人包装用于各类营销目的。

  SpaceX公司位于肯尼迪航天中心的LC39A号机库进展,照片摄于2015年6月,当时尚未完工

  当然,这种现象并不奇怪。截至2015年末该公司的猎鹰9号运载火箭(Falcon-9)完成了至少6次发射,把多颗航天器送入轨道。作为一种宣称近地轨道有效载荷13吨、典型发射任务报价只有5400万美元的“经济适用型”中型运载火箭,猎鹰9号的实用、可靠已经得到证明。时至今日,其发射过的最昂贵的载荷,乃是欧洲卫星公司的SES-9同步轨道通讯卫星,重约5.3吨。然而,上述这些并非令SpaceX扬名之处。

  马斯克同时也是著名电动车企业特斯拉的老板。该公司与SpaceX一样精于新媒体营销:专利没多少,名气却很响,依靠优良的外观和人机界面设计,其产品给人感觉高端大气上档次。然而特斯拉公司大量购买业界其他企业的成熟标准件,然后加以自行拼凑组装,并依靠死命堆电池“解决”纯电动车的续航问题。可以说,马斯克掌握的这两家企业,其有着相似的企业文化内核。

  最吸引眼球的是——迄今为止猎鹰9号回收型,共进行了6次第一级垂直回收试验,有一次获得圆满成功(载荷入轨+回收成功),剩下的几次也部分成功(载荷入轨+回收失败)。

  众所周知,SpaceX的创始人艾隆·马斯克并非航天专业出身,但是自创办SpaceX以来,他搞得有声有色。这一切是怎么做到的?

  下面,让我们离开神话和赞语,从各个方面去对这家企业去做一个剖析,以期待对其成功做出有益的解读。

  从梅林引擎开始

  众所周知,发动机是决定运载火箭性能的最关键因素,也是决定一枚火箭的基础。没有合适的发动机,就不存在火箭。因为运载火箭几乎就是围绕着发动机来进行设计的。而目前,除去尚在试制阶段的,采用液氧甲烷燃料的猛禽(Raptor)上面级引擎,以及随着猎鹰9火箭投入使用而靠边站的红隼(Kestrel)上面级引擎,采用液氧煤油燃料的梅林发动机是SpaceX目前唯一的台柱。

  正在试车中的红隼上面级发动机。很明显的,这是一种设计被用在真空中使用的小型火箭发动机

  梅林发动机的设计源头颇为驳杂,技术来源众说纷纭。由于公司方面从未做出过明确的表态,所以各路粉丝和想看笑话的,往往本着各自的立场满世界为其“找爹”。不过,美国的火箭发动机型号虽然繁复浩瀚,但万变不离其宗,其技术传承和演进是有一个较为明确的路线与参考的。

  大致上,我们由于梅林引擎的针栓式喷嘴构造,将其视为阿波罗下降段引擎演进线上的产物。而且在其具体的设计思想上,明显是参考了马歇尔航天中心的Fastrac廉价发动机。

  当然,上述说法必然得罪不少人。

  反对的理由之一,便是梅林引擎和登月舱下降级发动机连燃料都不一样,只不过都采用了针栓式喷嘴而已。至于Fastrac廉价发动机……“如此推力有何资格和猎鹰相比”。所以按照其逻辑,梅林引擎应该和圣杯一样,乃是神对马斯克的恩赐,只恨不能把火箭都吹成是他的创造。

  Fastrac低成本发动机的使用者,可复用运载火箭计划的低成本试验平台——无人驾驶飞船X-34

  不过,无论粉丝们如何否认,出身汤谱森-拉莫-伍尔德里奇公司的SpaceX的总工程师Tom Mueller,毕竟是在TR-106引擎(使用针栓式喷嘴,氢氧燃料)的开发过程中积累了丰富的经验。在其投奔新东家后,适当借鉴参与过的项目,取其精华加以利用,实在也属于情理之中的事情。而针栓式喷嘴的优点也非常的多。包括稳定性好、加工维护便宜、节流调速容易等。那么,在相关专利已经失效的前提下借鉴过来,也是合情合理的。

  不过,尽管优点多多,针栓式喷嘴的固有缺点,却也在梅林发动机的设计和制造过程中把整个团队坑得不轻。

  针栓式喷嘴构造对冷却的要求很高,所以最初的梅林1A与1B,均不可避免的遇到了过热的问题。由于梅林系列发动机在其开发初期坚持采用了可靠性和效率都很糟糕的烧蚀冷却方式,所以发动机过热烧穿的问题,一直团队在早期面临的最大挑战。最早的猎鹰1型火箭,就屡屡在发动机的问题上吃瘪。直到被搞烦了的SpaceX决定下大力气部分推倒重来——从1C改进型开始,将发动机冷却模式改为回热冷却式,彻底放弃烧灼冷却模式,这才基本解决了过热的问题。

  一台展示中的梅林1C,可见其喷管上的回热冷管线

  所谓回热冷却,就是设计一组专门环绕燃烧室和喷嘴的管路,将燃料首先流经燃烧室和喷口的外壁再注入燃烧室。既冷却了发动机又可以预热燃料。但其较为复杂的结构,也增加了引擎开发的难度和风险。

  然而,换用回热冷模式却和SpaceX的技术发展宗旨是背道而驰的。众所周知,梅林引擎在立项伊始,就被定义为一种结构尽可能简单的高性价比引擎。也因为这个思路,没有选用技术难度更大、但是比冲更高的分级燃烧循环,而是结合美国的技术积累情况,走了较为简单、低成本、低风险的燃气发生器循环模式——因为阿波罗计划的牵引,上世纪60年代,美国在液氧煤油燃料、燃气发生器循环领域作了大量工作,技术积累非常丰厚,但是此后的研发重点就转向了液氢液氧燃料、高压补燃循环(分级燃烧循环的一种)发动机,对液氧煤油发动机研发投入不多。

  分级燃烧循环模式(左)与燃气发生器循环模式(右)构造对比

  那么,分级燃烧循环模式和燃气发生器循环模式到底有何区别?前者在燃烧循环时,将推动涡轮泵做功的废气压入燃烧室再次进行燃烧,最大限度利用燃气的能量。而后者,为了最大限度简化设计、采取直接将废气一排了事的“简单粗暴”态度,以求最大限度减少发动机的干质量。因为分级燃烧循环充分利用了涡轮泵废气的能量,可以大幅度提高涡轮功率、进而提高燃烧室压力,显著提高了发动机比冲。对于燃气发生器循环,涡轮废气的能量被浪费了,涡轮泵的功率越高、这种浪费越严重,到了一定程度、浪费的废气能量高于燃烧室压力提高带来的好处,得不偿失;所以燃气发生器循环的燃烧室压力较低,比冲明显低于分级燃烧循环。

  当然,在液氧煤油燃料组合上,燃气发生器循环比高压补燃循环还有一个优势:富燃燃烧。因为煤油的高温结焦问题,高压补燃循环只能采用调高氧化剂比例的富氧燃烧模式,高温高压燃气堪比乙炔气割,一旦发动机故障、燃气泄漏,故障发展会很迅速、后果严重。相比之下、富燃燃烧的燃气破坏力就弱得多,故障发展缓慢、温和得多,这个特性曾经挽救过猎鹰9号的发射任务,此乃后话。

  车间内组装完成的梅林1C引擎

  显然,由于丰满的理想和骨干的现实,SpaceX被迫做出了无奈的妥协。使得梅林发动机在走燃气发生器循环模式,以求最大程度简化的同时,却被迫在发动机冷却模式上采用回热冷却。最终,造就了梅林1C这个有几分怪异,但基本算是“好用”的引擎。

  梅林1C基本固定了当前经典版梅林引擎的所有特性。在其基础上开发的1D,则是进一步的减重与优化设计。最终,在设计团队的竭尽所能之下,其燃烧室压力较之1C提高了近五分之二,接近100个标准大气压力,使得性能有了大幅的提高。

  总的来说,即便是以梅林1D而言,其海平面比冲也仅有275s,海平面推力折合约66吨。虽然较为可靠,但各项指标均已落后,算不上什么强大的火箭发动机。最新型的梅林1D+发动机数据版本繁杂、自相矛盾,很难准确评价,但是它的技术基础没有变化,核心指标不会有革命性突破。

  正在试车中的梅林1D引擎,注意右侧管路中排出的气流,这是涡轮泵排出的废气,燃气发生器循环模式的典型特征

  纵观美国航天界琳琅满目的火箭发动机货架,比之更优秀的产品比比皆是。例如航天飞机的主发动机,大名鼎鼎的洛克达因产航天飞机主发动机(SSME)。其采用液氢液氧燃料、高压补燃循环、可以重复使用,海平面比冲达366s、海平面推力约190吨。其性能不知甩开梅林1D几条大街。尤其是其具备高达452s的真空比冲!相较而言,梅林1D仅有可怜的310s。那么,既然费尽周章完成的梅林1D实际上是个半吊子,市面上也有着远比它强大的引擎,那么为何公司不老老实实掏钱去买现成的好发动机呢?

  洛克达因公司的RS-25,或者直接称之为“航天飞机主发动机”(SSME)。至今其仍是最出色的氢氧火箭发动机之一。价格昂贵是它唯一的缺点

  实际上,目前目前声名大噪的猎鹰9号运载火箭的成功之处,就在于其采用了梅林这样的“大路货”。但是,SpaceX是一家典型的商业公司。它的宗旨是抢占市场,获得业务,最终实现盈利。而不是设计和制造更棒更强的火箭,为航天事业做出贡献。开发梅林系列发动机的基本要求就是廉价。即便是最新型的梅林1D,推算价格也仅百万美元级别。与之相比,性能远胜的SSME,其价格却是以千万计的。此外,不但是发动机本身的价格相差悬殊,采用煤油为燃料的梅林引擎与采用液氢为燃料的SSME,其使用成本也相差悬殊。

  最后,必须要简单谈一下的是猎鹰9号火箭第二子级主发动机真空梅林(Merlin vacuum)。顾名思义,真空梅林的实质还是梅林。它是在起飞级型号的基础上,采用大面积比的高空喷管改进获得。与梅林1版本基本是继承性的关系,只是专门优化了真空比冲性能。

  2008年,SpaceX霍桑工厂基于梅林1C生产的真空·梅林上面级发动机

  于是乎,随着红隼上面级引擎靠边站,SpaceX终于用一种发动机满足了所有需要。而其技术始于各类明的暗的的技术输入渠道,基于各种低成本概念的堆砌。公司方面,要做的只是在享有技术的基础上进行开发和改进。这种策略最终极大地摊薄了研发成本,更是有利于组织批量生产、控制成本、提升质量。最终,以最经济的价格生产出适用的引擎。

  然而,正如前文所剖析的那样,梅林1系列引擎,要推力没推力要比冲没比冲,优点只是便宜简单和可靠,终究是一种凑合用的产品。所有人都应该明白,如果艾隆·马斯克能够以同样的成本制造和使用SSME,他当然不会选择梅林。正如他自己对媒体说得那样:“火箭引擎是目前SpaceX所面临的最大短板。”

  这,也是SpaceX努力推进“猛禽”(Raptor)甲烷液氧发动机研制工作的根本原因。关于这种引擎,我们下文分解。

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