獵鷹火箭發動機設計特點

□ 袁宇

小推力針栓式噴注器試驗件

提起Space X公司的火箭發動機，就不得不提到一個人——湯姆·米勒（Tom Mueller），Space X公司副總裁，推進技術總負責人。湯姆·米勒曾經在美國TRW公司參與了15年的液體火箭發動機研發工作，是TRW公司推進與燃燒部門負責人，而TRW公司的獨門秘笈就是——針栓式噴注器火箭發動機。TRW公司從1960年代起，就一直專注于針栓式噴注器發動機的研制工作，先后研制出60多種不同的針栓式噴注器，發動機推力范圍從450N～2.89MN。最著名的是1963年7月，TRW為阿波羅登月飛船研制的登月艙下降發動機（IMDE），該發動機就采用了針栓式噴注器，具有10%～100%的推力調節能力。這也是Space X公司一直宣稱其發動機技術與阿波羅登月飛船有關的原因。

上圖是一個小推力針栓式噴注器試驗件，可見噴注器僅由中心氧化劑針栓噴嘴和環繞的燃料噴注環組成。與傳統的液體火箭發動機相比，針栓式噴注器發動機具有如下顯著特點：容易調節推力、固有的燃燒穩定性、結構簡單、成本低廉。

1990年后，TRW公司使用針栓式噴注器技術開發低成本發動機，致力于降低航天發射的成本。湯姆·米勒曾經負責研發了迄今推力最大的液氫/液氧發動機TR-106，其真空推力高達381.3噸。而這臺發動機的零件總數不超過100個，從設計、制造并組裝僅用了不到一年的時間。TRW宣稱該發動機的成本僅有傳統發動機的20%，可以使發動機系統占火箭硬件的成本從40%降低到10%。然而，針栓式發動機的缺點是燃燒效率比傳統的發動機偏低，因此一直未能在運載火箭動力系統中得到廣泛應用。2000年前后，湯姆·米勒看到自己的才華將會隨著TRW在航天動力領域的邊緣化而被埋沒，于是離開了TRW，參與創建了Space X。

下圖是歐洲“阿里安”5運載火箭芯一級Vulcain2的噴注器和推力室。可見，傳統火箭發動機的噴注器由成百上千個精細的噴嘴組成。相比之下，針栓式噴注器的結構大為簡化，意味著可靠性得到提高，同時減少質量和降低制造成本。通過移動中間的針栓，就能調節流通面積，從而實現推力的調節。傳統的液體發動機推力降低到50%以下時，往往出現不穩定燃燒問題，而針栓式噴注器在1/19的低推力下，依然可以保持穩定的燃燒和較高的燃燒效率，因此針栓式發動機是大范圍推力調節發動機技術的首要選項，也是奠定Space X垂直起降的“蚱蜢”重復使用試驗火箭的主要技術基礎。

“阿里安”5芯級Vulcain2的噴注器和推力室

TRW的針栓式發動機設計上另一顯著特點是燒蝕冷卻+液膜冷卻的推力室。傳統液體火箭發動機的燃燒室一般為再生冷卻，結構上有幾十到幾百個細小的流動通道，燃料先從中流過，帶走燃氣的熱量，再進入燃燒室參與燃燒，這樣就可以避免燃燒室被高溫的燃氣燒毀。冷卻通道必須精心設計并加工，結構和工藝非常復雜，使得燃燒室的制造成本和周期居高不下。TRW的推力室，由厚實的絕熱材料制成內襯，再在外面包上鈦合金或者碳纖維承受內壓。內襯在工作時會被燃氣緩慢燒蝕，但只要求能堅持幾百秒即可，畢竟火箭發動機是一次性的。同時，利用一個噴注環將小部分燃料均勻地噴到內襯的表面形成液膜，以減緩內襯的燒蝕速度。這種設計非常有效地減少了零件的數量和成本。

湯姆·米勒在Space X設計的第一種火箭發動機Merlin 1 A，采用的就是燒蝕冷卻+液膜冷卻燃燒室。結合簡單的燃氣發生器循環系統、針栓式噴注器技術，這臺發動機的成本連傳統火箭發動機的1/10都不到，這也是Space X敢于提出超低發射價格的底氣。不過Merlin 1A的發展之路并不順利，研制中出現了燃燒室過熱燒毀的情況，“獵鷹”1首次發射時，正是Merlin1 A發動機出現漏火現象導致飛行失敗。顯然Merlin 1 A是無法滿足Space X的安全性和重復使用的要求的。

Merlin 1A發動機的推力室

湯姆· 米勒和他設計的Merlin 1C發動機（右1為真空型）

Space X的廠房內批量生產的Merlin 1D發動機

2008年，改進型Merlin 1C出現，重大變化就是采用了再生冷卻的燃燒室和噴管，其中燃燒室使用高導熱率的銅合金制成夾套式冷卻結構，噴管則使用上百根不銹鋼管子組成管束式結構?！矮C鷹”9號一級使用了9臺Merlin 1C，二級使用了一臺Merlin 1C真空型（除了噴管設計不同外其他與Merlin 1C一致）。Merlin 1C發動機推力增加到483KN，參與了2次“獵鷹”1號和5次“獵鷹”9號的發射，表現良好。當然，隨著再生冷卻結構的引入，發動機的制造成本有所增加。

隨著可重復使用的“獵鷹”9號升級版V1.1的提出，火箭起飛重量增加了一半，對火箭發動機提出了更大推力、更長工作壽命的要求。2013年，改進型Merlin 1D發動機亮相，燃燒室壓力增加了43.5%，推力增加到720.6KN。Merlin 1系列發動機不到十年發展了3個改進版本，證明了針栓式發動機另一個顯著的特點：可以快速更換零組件實現改進升級。與Merlin 1C的管束式噴管相比，Merlin 1D的噴管改為更簡單的單層金屬壁結構，使用小流量煤油噴在內表面來實現液膜冷卻。Merlin 1D的真空型同樣使用在“獵鷹”9V1.1的二級上。

Merlin 1D在2013年9月首飛，目前已經成功參加4次飛行任務。它的性能足夠滿足Space X公司未來很長一段時間的需求，設計基本定型。如果按Space X未來一年發射10枚“獵鷹”9V1.1和10枚“獵鷹”9重型火箭計算，Merlin 1D每年的需求達到380臺以上。相比傳統液體火箭發動機一年幾臺、幾十臺的產量，Merlin 1D可以進行標準化、批量化生產，從而進一步降低發動機生產成本，提高制造可靠性。

不過，推力不到百噸的Merlin 1系列發動機顯然無法吸引足夠的眼球。2010年，Space X拋出了下一代發動機發展計劃，包括真空推力達871噸的Merlin 2液氧/煤油發動機，和真空推力68.1噸的Raptor全流量補燃循環液氫/液氧發動機。按此計劃，Merlin 2將成為人類迄今推力最大的液體火箭發動機，而Raptor將成為第一臺實用的全流量補燃循環發動機。不過，Merlin 2僅僅是Merlin1的放大版，除了推力過于夸張外在技術上沒有什么亮點，因而缺乏實質性進展。而Raptor發動機計劃幾經變更，最終確定為一臺推力達到450噸的全流量補燃循環液氧/甲烷發動機，將用于Space X下一代超重型火箭“獵鷹”X和巨型火箭“獵鷹”XX（又稱為火星登陸火箭MCT）上。Raptor發動機從2013年開始進行設計，2014年開始進行零組件試驗。不管怎么樣，液氧/甲烷推進劑組合、全流量補燃循環都是首次在運載火箭上應用，具備足夠的眼球效應。如果Raptor發動機研發成功，Space X將成為航天動力技術發展的執牛耳者。