如何正確地“黑”SpaceX：從梅林引擎開始

【文/觀察者網專欄作者 查攸吟】

　　自從2010年起，美國的太空探索技術公司（以下簡稱SpaceX）已近乎發展成為了一種流行文化。有狂熱的粉絲、也有相關的文化圖騰、更有無數力挺的跨界著名關注者，至於在航天業界的同行們，無論是否對其認可，都已無法忽略這家企業。其名之盛，以至於目前其相關新聞已被國內許多營銷團體或者個人包裝用於各類營銷目的。

　　SpaceX公司位於肯尼迪航天中心的LC39A號機庫進展，照片攝於2015年6月，當時尚未完工

　　當然，這種現象並不奇怪。截至2015年末該公司的獵鷹9號運載火箭（Falcon-9）完成了至少6次發射，把多顆航天器送入軌道。作為一種宣稱近地軌道有效載荷13噸、典型發射任務報價只有5400萬美元的“經濟適用型”中型運載火箭，獵鷹9號的實用、可靠已經得到證明。時至今日，其發射過的最昂貴的載荷，乃是歐洲衛星公司的SES-9同步軌道通訊衛星，重約5.3噸。然而，上述這些並非令SpaceX揚名之處。

　　馬斯克同時也是著名電動車企業特斯拉的老闆。該公司與SpaceX一樣精於新媒體營銷：專利沒多少，名氣卻很響，依靠優良的外觀和人機界面設計，其產品給人感覺高端大氣上檔次。然而特斯拉公司大量購買業界其他企業的成熟標準件，然後加以自行拼湊組裝，並依靠死命堆電池“解決”純電動車的續航問題。可以說，馬斯克掌握的這兩家企業，其有着相似的企業文化內核。

　　最吸引眼球的是——迄今為止獵鷹9號回收型，共進行了6次第一級垂直回收試驗，有一次獲得圓滿成功（載荷入軌＋回收成功），剩下的幾次也部分成功（載荷入軌＋回收失敗）。

　　眾所周知，SpaceX的創始人艾隆·馬斯克並非航天專業出身，但是自創辦SpaceX以來，他搞得有聲有色。這一切是怎麼做到的？

　　下面，讓我們離開神話和贊語，從各個方面去對這家企業去做一個剖析，以期待對其成功做出有益的解讀。

　　從梅林引擎開始

　　眾所周知，發動機是決定運載火箭性能的最關鍵因素，也是決定一枚火箭的基礎。沒有合適的發動機，就不存在火箭。因為運載火箭幾乎就是圍繞着發動機來進行設計的。而目前，除去尚在試製階段的，採用液氧甲烷燃料的猛禽（Raptor）上面級引擎，以及隨着獵鷹9火箭投入使用而靠邊站的紅隼（Kestrel）上面級引擎，採用液氧煤油燃料的梅林發動機是SpaceX目前唯一的台柱。

　　正在試車中的紅隼上面級發動機。很明顯的，這是一種設計被用在真空中使用的小型火箭發動機

　　梅林發動機的設計源頭頗為駁雜，技術來源眾說紛紜。由於公司方面從未做出過明確的表態，所以各路粉絲和想看笑話的，往往本着各自的立場滿世界為其“找爹”。不過，美國的火箭發動機型號雖然繁複浩瀚，但萬變不離其宗，其技術傳承和演進是有一個較為明確的路線與參考的。

　　大致上，我們由於梅林引擎的針栓式噴嘴構造，將其視為阿波羅下降段引擎演進線上的產物。而且在其具體的設計思想上，明顯是參考了馬歇爾航天中心的Fastrac廉價發動機。

　　當然，上述說法必然得罪不少人。

　　反對的理由之一，便是梅林引擎和登月艙下降級發動機連燃料都不一樣，只不過都採用了針栓式噴嘴而已。至於Fastrac廉價發動機……“如此推力有何資格和獵鷹相比”。所以按照其邏輯，梅林引擎應該和聖杯一樣，乃是神對馬斯克的恩賜，只恨不能把火箭都吹成是他的創造。

　　Fastrac低成本發動機的使用者，可復用運載火箭計劃的低成本試驗平台——無人駕駛飛船X-34

　　不過，無論粉絲們如何否認，出身湯譜森-拉莫-伍爾德里奇公司的SpaceX的總工程師Tom Mueller，畢竟是在TR-106引擎（使用針栓式噴嘴，氫氧燃料）的開發過程中積累了豐富的經驗。在其投奔新東家後，適當借鑑參與過的項目，取其精華加以利用，實在也屬於情理之中的事情。而針栓式噴嘴的優點也非常的多。包括穩定性好、加工維護便宜、節流調速容易等。那麼，在相關專利已經失效的前提下借鑑過來，也是合情合理的。

　　不過，儘管優點多多，針栓式噴嘴的固有缺點，卻也在梅林發動機的設計和製造過程中把整個團隊坑得不輕。

　　針栓式噴嘴構造對冷卻的要求很高，所以最初的梅林1A與1B，均不可避免的遇到了過熱的問題。由於梅林系列發動機在其開發初期堅持採用了可靠性和效率都很糟糕的燒蝕冷卻方式，所以發動機過熱燒穿的問題，一直團隊在早期面臨的最大挑戰。最早的獵鷹1型火箭，就屢屢在發動機的問題上吃癟。直到被搞煩了的SpaceX決定下大力氣部分推倒重來——從1C改進型開始，將發動機冷卻模式改為回熱冷卻式，徹底放棄燒灼冷卻模式，這才基本解決了過熱的問題。

　　一台展示中的梅林1C，可見其噴管上的回熱冷管線

　　所謂回熱冷卻，就是設計一組專門環繞燃燒室和噴嘴的管路，將燃料首先流經燃燒室和噴口的外壁再注入燃燒室。既冷卻了發動機又可以預熱燃料。但其較為複雜的結構，也增加了引擎開發的難度和風險。

　　然而，換用回熱冷模式卻和SpaceX的技術發展宗旨是背道而馳的。眾所周知，梅林引擎在立項伊始，就被定義為一種結構儘可能簡單的高性價比引擎。也因為這個思路，沒有選用技術難度更大、但是比沖更高的分級燃燒循環，而是結合美國的技術積累情況，走了較為簡單、低成本、低風險的燃氣發生器循環模式——因為阿波羅計劃的牽引，上世紀60年代，美國在液氧煤油燃料、燃氣發生器循環領域作了大量工作，技術積累非常豐厚，但是此後的研發重點就轉向了液氫液氧燃料、高壓補燃循環（分級燃燒循環的一種）發動機，對液氧煤油發動機研發投入不多。

　　分級燃燒循環模式（左）與燃氣發生器循環模式（右）構造對比

　　那麼，分級燃燒循環模式和燃氣發生器循環模式到底有何區別？前者在燃燒循環時，將推動渦輪泵做功的廢氣壓入燃燒室再次進行燃燒，最大限度利用燃氣的能量。而後者，為了最大限度簡化設計、採取直接將廢氣一排了事的“簡單粗暴”態度，以求最大限度減少發動機的干質量。因為分級燃燒循環充分利用了渦輪泵廢氣的能量，可以大幅度提高渦輪功率、進而提高燃燒室壓力，顯著提高了發動機比沖。對於燃氣發生器循環，渦輪廢氣的能量被浪費了，渦輪泵的功率越高、這種浪費越嚴重，到了一定程度、浪費的廢氣能量高於燃燒室壓力提高帶來的好處，得不償失；所以燃氣發生器循環的燃燒室壓力較低，比沖明顯低於分級燃燒循環。

　　當然，在液氧煤油燃料組合上，燃氣發生器循環比高壓補燃循環還有一個優勢：富燃燃燒。因為煤油的高溫結焦問題，高壓補燃循環只能採用調高氧化劑比例的富氧燃燒模式，高溫高壓燃氣堪比乙炔氣割，一旦發動機故障、燃氣泄漏，故障發展會很迅速、後果嚴重。相比之下、富燃燃燒的燃氣破壞力就弱得多，故障發展緩慢、溫和得多，這個特性曾經挽救過獵鷹9號的發射任務，此乃後話。

　　車間內組裝完成的梅林1C引擎

　　顯然，由於豐滿的理想和骨幹的現實，SpaceX被迫做出了無奈的妥協。使得梅林發動機在走燃氣發生器循環模式，以求最大程度簡化的同時，卻被迫在發動機冷卻模式上採用回熱冷卻。最終，造就了梅林1C這個有幾分怪異，但基本算是“好用”的引擎。

　　梅林1C基本固定了當前經典版梅林引擎的所有特性。在其基礎上開發的1D，則是進一步的減重與優化設計。最終，在設計團隊的竭盡所能之下，其燃燒室壓力較之1C提高了近五分之二，接近100個標準大氣壓力，使得性能有了大幅的提高。

　　總的來說，即便是以梅林1D而言，其海平面比沖也僅有275s，海平面推力折合約66噸。雖然較為可靠，但各項指標均已落後，算不上什麼強大的火箭發動機。最新型的梅林1D+發動機數據版本繁雜、自相矛盾，很難準確評價，但是它的技術基礎沒有變化，核心指標不會有革命性突破。

　　正在試車中的梅林1D引擎，注意右側管路中排出的氣流，這是渦輪泵排出的廢氣，燃氣發生器循環模式的典型特徵

　　縱觀美國航天界琳琅滿目的火箭發動機貨架，比之更優秀的產品比比皆是。例如航天飛機的主發動機，大名鼎鼎的洛克達因產航天飛機主發動機（SSME）。其採用液氫液氧燃料、高壓補燃循環、可以重複使用，海平面比沖達366s、海平面推力約190噸。其性能不知甩開梅林1D幾條大街。尤其是其具備高達452s的真空比沖！相較而言，梅林1D僅有可憐的310s。那麼，既然費盡周章完成的梅林1D實際上是個半吊子，市面上也有着遠比它強大的引擎，那麼為何公司不老老實實掏錢去買現成的好發動機呢？

　　洛克達因公司的RS-25，或者直接稱之為“航天飛機主發動機”（SSME）。至今其仍是最出色的氫氧火箭發動機之一。價格昂貴是它唯一的缺點

　　實際上，目前目前聲名大噪的獵鷹9號運載火箭的成功之處，就在於其採用了梅林這樣的“大路貨”。但是，SpaceX是一家典型的商業公司。它的宗旨是搶占市場，獲得業務，最終實現盈利。而不是設計和製造更棒更強的火箭，為航天事業做出貢獻。開發梅林系列發動機的基本要求就是廉價。即便是最新型的梅林1D，推算價格也僅百萬美元級別。與之相比，性能遠勝的SSME，其價格卻是以千萬計的。此外，不但是發動機本身的價格相差懸殊，採用煤油為燃料的梅林引擎與採用液氫為燃料的SSME，其使用成本也相差懸殊。

　　最後，必須要簡單談一下的是獵鷹9號火箭第二子級主發動機真空梅林（Merlin vacuum）。顧名思義，真空梅林的實質還是梅林。它是在起飛級型號的基礎上，採用大面積比的高空噴管改進獲得。與梅林1版本基本是繼承性的關係，只是專門優化了真空比沖性能。

　　2008年，SpaceX霍桑工廠基於梅林1C生產的真空·梅林上面級發動機

　　於是乎，隨着紅隼上面級引擎靠邊站，SpaceX終於用一種發動機滿足了所有需要。而其技術始於各類明的暗的的技術輸入渠道，基於各種低成本概念的堆砌。公司方面，要做的只是在享有技術的基礎上進行開發和改進。這種策略最終極大地攤薄了研發成本，更是有利於組織批量生產、控製成本、提升質量。最終，以最經濟的價格生產出適用的引擎。

　　然而，正如前文所剖析的那樣，梅林1系列引擎，要推力沒推力要比沖沒比沖，優點只是便宜簡單和可靠，終究是一種湊合用的產品。所有人都應該明白，如果艾隆·馬斯克能夠以同樣的成本製造和使用SSME，他當然不會選擇梅林。正如他自己對媒體說得那樣：“火箭引擎是目前SpaceX所面臨的最大短板。”

　　這，也是SpaceX努力推進“猛禽”（Raptor）甲烷液氧發動機研製工作的根本原因。關於這種引擎，我們下文分解。