深度从闭门羹到猛禽SpaceX坎坷的发动机之路（上）

　　来源航天爱好者网
　　SpaceX创办至今18年，一直坚持自研自产发动机，走过了一条漫长、坎坷而又充满故事的道路
　　在近期举办的美国第三十届小卫星大会上，SpaceX公司宣布了一个令观众们的惊喜的消息。代号＂猛禽＂的新一代液氧甲烷火箭发动机已经运往位于德克萨斯州的测试场，并将开展一系列的实机测试。（不过截至目前还是一张图片也没有）至此，该公司备受关注却又极其神秘的新一代＂猛禽＂发动机终于露出真身，而猛禽之所以如此受到关注，主要有以下三点原因：如果研发进度顺利，猛禽将成为世界上首款投入实际发射使用的液氧甲烷火箭发动机。猛禽的投入使用将使得现有的猎鹰系列火箭运力再上新台阶，甚至有可能赋予其直送地球静止轨道的能力，从而有能力与ULA（联合发射联盟）争夺高利润的绝密军事卫星发射任务合同。猛禽使SpaceX具备了开发载人登陆火星用火箭BFR的重要条件—火箭发动机，同时凭借甲烷的无积碳燃烧特性，这种火箭的快速复用能力将比现在的猎鹰9更胜一筹。
　　事实上，SpaceX从2002年创办至今，一直在使用自己的火箭发动机，从最初想要购买成品到现在自研自产的梅林系列发动机，甚至是研发全新的全流量分级燃烧的甲烷发动机，十多年走过了一条漫长而又坎坷的道路。在9月28日国际宇航大会的火星殖民技术路线演讲开张之前，彻底回望一下过去，再展望一下猛禽的未来，似乎是很有必要的，就算是火星殖民计划公布前预热软文系列的第一弹吧。
　　​第一部分：从美国来了个要买洲际导弹的疯子
　　先讲一段故事，早在SpaceX创立之前，伊隆·马斯克首先想到的是购买现成的廉价火箭，而非自己动手。因此2001年10月，伊隆·马斯克选择去莫斯科购买现成的洲际导弹（你没看错，他要买的是洲际导弹），跟着他一起的还有航天顾问吉米·坎特雷尔（Jim Cantrell）和他最好的朋友阿德奥·雷西（Adeo Ressi）。尽管马斯克账上有1000万美元，但他只想买翻新的导弹好省点钱，然后希望用这个火箭运送植物或老鼠上火星。
　　古怪如雷西这样的人也认为马斯克疯了，竭力阻止马斯克的火星探索项目上马。他的手段无所不用其极，包括收集各国火箭爆炸的视频，让其他朋友轮番游说，后来雷西跟着去了莫斯科也不是为了帮助马斯克购买导弹，而是为阻止做最后的努力。但马斯克依然不为所动，决意倾囊而尽投入到该项目上。
　　他们跟一些公司安排了几场会议，包括替俄罗斯联邦航天局开展火星、金星探索的 NPO Lavochkin，商用火箭发射商Kosmotras（记住这家公司，下面还会说）等。这些安排基本上都按照俄罗斯的礼仪来办的。因为俄罗斯人往往不吃早餐，所以对方要求会面安排在上午 11 点以便吃顿早午饭。然后就是一小时左右的边吃边聊—三明治、香肠，当然还有伏特加。接着就是冗长的抽烟和咖啡时间。等桌面清理干净后，负责的俄罗斯人就会问马斯克，＂你想买点什么呢？＂如果俄罗斯人稍微重视马斯克一点的话，后者也许并不会对前者感到厌烦。问题是他们认为马斯克在航天领域是个菜鸟，并不欣赏他的冒险精神。坎特雷尔回忆说＂他们的一位首席设计师对着我和马斯克喷了一脸，认为我们就是一堆狗屎＂，所以马斯克一伙人空手而归。
　　麦克·格里芬（Michael Griffin），前任NASA局长
　　2002年，这群人重返俄罗斯，这次带上了麦克·格里芬（4年后这位仁兄执掌NASA）。这位仁兄曾在曾在 CIA 的风投机构 In-Q-Tel 及喷气推进实验室工作过，刚踏出卫星与航天器制造商轨道科学公司的大门。这次马斯克的腰包更鼓，胃口也更大了，他一下子就要 3 颗导弹。他们跟 Kosmotras 的官员见了面。双方在 ＂为了太空＂、＂为了美利坚＂的杯筹交错间开始了交易。马斯克开门见山直接就问一颗导弹多少钱，＂800万美元＂，对方说。马斯克杀价很狠：＂2颗＂。＂他们坐在那里盯着他，＂坎特雷尔回忆说＂然后说了类似‘年轻人，不可能’ 这样的话。＂甚至还比划出他好像没钱的手势。到了这个时候，马斯克已经明确俄罗斯要么对做生意不重视，要么只是决定要把.com时代的百万富翁和他的钱尽可能分开。于是他夺门而出，结束了会谈。
　　如果当年马斯克800万能买到两枚这个，或许SpaceX就是另一个样子了，R-36系列多弹头洲际弹道导弹，北约代号SS-18，并给了个＂撒旦＂（Satan）的恐怖绰号，冷战结束后根据R-36M型改造成第聂伯（Dnepr）运载火箭，LEO运力4.5吨，此图为2013年发射KOMPSat-5卫星时所摄
　　正在装载毕格罗充气空间站测试卫星Genesis 1的第聂伯火箭整流罩，一种苏联时期的古拙感扑面而来，苏联解体后，乌克兰受西方唆使实施去核武化行动，包括R-36在内的大量洲际导弹被拆毁，变成一堆废铁
　　一伙人一头扎进漫天飞雪、垃圾满地的莫斯科，招了一辆出租就直奔机场。俄罗斯人是唯一在马斯克预算内的火箭供应商，但是做生意太难打交道了。＂那是一段漫长的路程，＂坎特雷尔说：＂我们坐在里面，谁也不说话，望着窗外俄罗斯的农民在雪中买东西＂抑郁的情绪一直蔓延到了飞机上，直到饮料车推到面前。＂飞机轮子离开莫斯科地面时你总会感觉特别好＂坎特雷尔说：＂就好像，‘上帝，我们办到了。’于是我和格里芬拿起杯子碰了一下。＂ 坐在前排的马斯克还在敲电脑。＂我们在想，‘妈的，这个呆子现在能干什么？’＂ 此刻马斯克正在翻自己做的一份电子表格。
　　嘿，伙计们，我觉得我们可以自己造这个火箭！——马斯克突然说到
　　于是乎，SpaceX、梅林（merlin）发动机和猎鹰（Falcon）火箭就这么诞生了…
　　文中提及的Kosmotras公司的官方网站，这家公司的主营业务就是上文提到过的第聂伯运载火箭，凭借这些现成的冷战遗物，公司主打低成本的轨道发射，生意一直还算不错，直到与马斯克会谈的15年后，俄罗斯人终于开始为他们当年的傲慢付出了代价，SpaceX从俄罗斯人手中抢走了新一代铱星的发射合同，年内就有两次发射，猎鹰-9可以一箭10星，运力两倍于曾经让马斯克买不起的第聂伯，而且依旧可以回收火箭一级，而第聂伯火箭自2015年后便无限期推迟发射
　　事实上，这次洽谈失利之后，马斯克也有其他选项，当然是指火箭发动机上，虽然美国国内基本上没什么合适的卖家（当时还是航天飞机时代，其它的发动机型号也基本上也是贵的够可以的），但是轨道科学技术公司（现在的轨道ATK）的安塔芮斯火箭曾采用的NK-33发动机就很合适，也是同样的冷战遗物，最早用于登月用的N1火箭的改进型N1F火箭，但最终因为项目下马，无奈只得封存。NK-33不仅价格低廉，而且数量充足，是无毒无污染的液氧煤油组合，最关键的它是高大上的分级燃烧循环（后面会讲），推重比（发动机推力和发动机自重的比值，越高越好）高达137，仅次于RD-253和SpaceX自研的梅林1D发动机（梅林在1D型之前推重比都拼不过NK-33，老毛子家底之厚真不是盖的）。
　　NK-33，这些生产于苏联时期的火箭发动机被引入美国后，被改名为AJ26-58，后被装机于另一家著名的低成本商业航天公司的＂轨道科学技术公司＂研发的＂安塔芮斯＂火箭，一级由两台NK-33驱动，有心的同学可以注意下NK-33的管路结构，对比下后面要介绍的梅林发动机，该图摄于在美国斯坦尼斯航天中心试车期间
　　但是SpaceX没有选择继续购买，而是踏上了坚定的自研之路，当年做出这个决定的原因中很可能不乏马斯克本人的执拗性格在内，但这种固执从今天看来或许是一个异常正确的决定，毕竟2014年由NK-33导致的那场绚烂爆炸至今还历历在目。
　　第二部分：早期的＂梅林＂——＂车库＂里走出来的屌丝发动机
　　既然白手起家，自研自产火箭，马斯克最首要解决的就是液体火箭发动机这个难题，这也是火箭研发中最具难度的问题之一，这个搞不定，其它皆为浮云。为此他厚着脸皮聘请了几位具有丰富发动机研发经验的工程师，其中就包括TRW公司TR-106火箭发动机的总设计师汤姆·穆勒（Tom Mueller），还有波音的蒂姆·布扎（Tim Buzza），而梅林-1A发动机首飞则是2006年5月，距离公司成立已经过去了四年，而那时距离今天也已有整整十年。
　　梅林1A发动机，那时候的SpaceX籍籍无名，甚至被很多人称之为一群骗子，图片资料也很少，欧空局曾嘲笑梅林发动机＂像是从自家后院车库拼凑出来的＂
　　那时候马斯克招人听起来就像骗子一样，你想象一下15年前，马云给你打电话说＂小伙，我支付宝不干了，我需要你，我要造火箭去月球，你来我这里干吧＂，98%的结局是＂滚，死骗子！＂，所以没情怀的人真心干不了这行，而支付宝的诞生就是模仿了马斯克早年创办的PayPal的模式
　　马斯克最早的思路是想让梅林的研发尽可能的快，生产尽可能的便宜，工作尽可能的可靠，基于这种思路，梅林最早的研发做出了各种方面的取舍和设定。这些设定一直影响着这款发动机，直到今天。
　　首先我们先说说最重要的循环方式，梅林为了降低研发难度，采用了经典的燃气发生器循环，又叫开式循环。啥叫开式循环呢？让我来举个例子说明一下。
　　液体燃料火箭发动机和汽车发动机一样，汽车发动机把燃料（汽油）和氧化剂（空气）吸入发动机燃烧室，两者充分混合，然后火花塞点火引燃燃料，燃料剧烈膨胀做工推动曲轴旋转，驱使车辆前行（看不懂的见下下面的动图）。而火箭发动机类似，只不过火箭因为要在真空环境工作，氧化剂（例如液氧）都是自行携带的。当燃料和氧化剂需求不大的时候，可以采用简单的挤压循环，利用压差把两者挤入燃烧室。
　　但是燃料和氧化剂的流量需求都非常大的时候怎么办？那就要用泵来泵送了！其实这和汽车也是类似的，汽车在这种情况下，通常的办法都是添加一个涡轮增压器，详见下图。
　　涡轮增压器的原理其实很简单，做工后的废气（红色气流）推动图中右上角的涡轮，左侧与之同轴的涡轮则被带动，像一个泵一样将空气和燃料加速送往气缸，提高流量
　　火箭其实也一样，搞个泵就好了，但是泵也需要能量来源，现在的火箭发动机通常都是涡轮泵，利用一部分火箭燃料在预燃室点火燃烧，推动涡轮泵加压泵送更多燃料和氧化剂进入燃烧室，最终推动火箭飞行。而梅林所采用的燃气发生器循环和NK-33等采用的分级燃烧循环最关键的区别就在于，预燃室燃烧完后的那些＂废气＂怎么处理，如果通过废气管直接排出发动机，那就是燃气发生器循环；如果重新泵入燃烧室继续做工，那就是分级燃烧循环。
　　梅林无论怎么改，之所以还叫梅林，就是因为他的燃料循环方式没改，依旧是图中右侧的燃气发生器循环，注意两种循环方式废气的处理方式
　　梅林发动机试车时，右侧这根废气管不停地喷出黑色的废气，这就是上图中预燃室推动完涡轮泵后的剩余废气，黑色废气代表这是一种富燃的预燃室，也就是煤油的供给量远多余氧气，因此黑烟中还有不少未经充分燃烧的煤油，还能够继续燃烧，有点儿浪费，但是开式循环就这样，开式嘛，废气都开门放跑了
　　富燃燃烧其实超级常见啦，RD-93那标志性的黑烟也是这个原因，航空煤油未能充分燃烧（氧气不足或者混合不充分等），就变成黑烟喷出来了，但是火箭发动机的富燃燃烧是故意的
　　梅林之所以经常被网友称之为屌丝发动机，正是因为采用了燃气发生器循环。而高大上的分级燃烧的液氧煤油发动机，只有俄罗斯人真正纯熟的掌握了这项技术（好吧，你赢了，中国也算）。美国人都不会，不过他们有分级燃烧的氢氧机，比如航天飞机主发动机SSME。两种循环方式之间的优劣和区别所在，详见同名微信公众号另一位作者薯条同学的大作为什么SpaceX的梅林1D发动机有排气管排出废气，而中俄的YF-100和RD-180煤油机却不需要？比我解释的好得多，这里只是想说清梅林的基本情况。
　　当然美国人的也没闲着，涡轮泵已经不能束缚他们的脑洞了，美国-新西兰的RocketLab公司就搞了一款电泵火箭发动机，特点就是把原来的涡轮泵改成了锂电池驱动的电动泵，以此来泵送燃料和氧化剂，详见下图。这么做的好处很大，省去了大量燃料管路和预燃室，简化了发动机的研发和制造。但是电泵也有一定的局限，毕竟电池的容量有限，暂时只能用在小功率发动机上。
　　电泵发动机的燃料循环图，跟上面那两个对比下是不是简单多了？
　　电动小火箭发动机的实物和试车画面，有兴趣的可以浏览同名微信公众号往期文章世界首枚＂电动火箭＂Electron已经斩获三发订单！
　　​第三部分：针栓式喷注器——源自阿波罗登月时期的古董技术
　　除了循环方式之外，梅林发动机的另一大特点是采用了上世纪60年代阿波罗计划中登月舱下降级发动机中标志性的针栓式喷注器（Pintle injector），这可能也是大家指责SpaceX是NASA干儿子最早的一个证据，但是各位要注意一点，登月舱下降级发动机直到发射后第三天着陆月球前才开始使用，这就要求燃料必须长期储存，且发动机极端可靠（一旦点不着火，宇航员就摔死在月球上了）。因此被称之为Descent Propulsion System(DPS)的下降级发动机是一个采用接触自燃燃料组合的挤压式循环的＂有毒发动机＂（四氧化二氮和肼50，两种燃料只要一接触就剧烈燃烧）。
　　登月舱下降级发动机的解刨图，共有四个燃料罐，还有一个氦气增压罐，典型的挤压循环（资料来源：NASA啦…）
　　登月舱下降级发动机的管路图，四个燃料罐，氦气增压罐清晰可见，可惜针栓式喷注器没找到太细节的东西（资料来源：NASA啦…）
　　而梅林则是一个液氧煤油发动机，采用燃气发生器循环，而且两种发动机在推力水平和作用等各方面区别都很大。所以网上经常有人说SpaceX是用的NASA的淘汰破烂和转移技术拼凑的火箭，要我说这种论调还是算了吧，照这个思路，RD-180还派生自你家烧猪毛的喷灯呢…但是话又说回来，登月舱下降级发动机正是由汤姆·穆勒的前任东家TRW公司于上世纪60年代研发而成（最早是JPL，实用化于TRW），TRW在后来的几十年间开发了60多款基于针栓式喷注器的发动机，可谓是轻车熟路。所以穆勒在梅林研发中采用这种喷注器合情合理，毕竟很成熟，很熟悉，符合之前快速研发的宗旨。
　　针栓式喷注器最早的专利授权文件（1968年，美国国家专利局），清晰可见其标志性的喷嘴结构，还有右下角发明者Gerry Elverum的签名
　　所谓喷注器，就是要将两种燃料均匀混合并且喷入燃烧室的一种结构，针栓式则将整个喷注器深入到燃烧室中，中间红色的是煤油，在流经头部的特定结构后变成环状径向散射，而蓝色的液氧则沿着轴向输送，与径向散射开的煤油成90度撞击在一起，从而充分混合和雾化
　　针栓式喷注器有诸多优点，包括稳定性好，加工维护便宜，节流调速（throttling）容易等等。节流调速这一点很重要，这是猎鹰-9火箭能够垂直回收的根基所在，之后还会谈到。但是针栓式喷注器的缺点主要是对于发动机冷却要求很高。发动机过热问题极大的限制了发动机的功率和推力。综合这些优缺点，就很好理解为什么针栓式喷注器之前最成功的应用是在阿波罗登月舱上，而梅林发动机开发早期的很多不利消息也大都是发动机过热烧穿和推力达不到设计要求。
　　​第四部分：梅林的升级之路——火箭发动机行业的＂刘强东＂
　　2006年，梅林的第一个版本1A型安装在猎鹰-1火箭上首次投入飞行，这时它的推力仅有34吨，海平面比冲仅有253秒（比冲是用来描述推进效率重要参数，类似于汽车的每升油行驶里程数，越大越好，单位通常为秒，该参数对运力影响很大）。这时候的梅林的确是平平无奇，没有任何拿得出手的参数，当时别说跟煤油机领域的巅峰之作RD-180比，就是库房角落里落灰的NK-33都甩他好几条街，总之这时候的梅林从头到尾就是透着一股十足的屌丝气息。
　　但是＂梅林＂在之后服役的10年之间，多次大刀阔斧的进行改进，并衍生了梅林-1B、1C、1C真空版、1D、1D真空版等多个型号。现在，梅林发动机及其真空版作为猎鹰9火箭的主发动机，已经成功执行了20余次发射任务，并还将作为2017年首射的重型猎鹰火箭的发动机被继续使用，部分参数甚至已经达到了世界顶尖水平。
　　梅林发动机在演进过程中发生了天翻地覆的变化，喷管结构、冷却方式、涡轮泵等均有改进，因此梅林发动机的推力和比冲不断强化。比如最早梅林-1A发动机喷口采用了低成本的一次性烧蚀冷却碳纤维复合材料制成，因此那个时代的梅林是很难复用的，因为一次实打实的发射之后发动机喷口就烧坏了，现在已经换用通道壁冷却。还有梅林采用的涡轮泵，它的功率水平也一直不断提高，梅林1A到1C阶段涡轮泵由Barber-Nichols公司生产，而据传在从1A到1B的升级过程中，泵功率就从1490kW提升至1860kW。而自梅林-1D型开始，涡轮泵则由SpaceX自行负责，且功率又有一定程度提升。
　　Barber-Nichols公司的介绍资料，梅林的涡轮泵是作为公司的得意之作放进去的，但是如果回想起当年研发时被老马逼进度而焦头烂额的窘相，估计就没那么得意了（括弧笑）
　　最新型的梅林1D在2016年底完成进一步增推后，梅林-1D的海平面推力将从最早1A型的34.6吨升至86.2吨，增长幅度高达150%，这种推力增幅在世界航天史上都前所未见的（如果哪位网友知道有推力变成最初型超过两倍半的发动机型号，欢迎告知），同时高达180：1的超高推重比也傲视群雄。
　　主流现役和研发中发动机的基本参数对比，1D型的梅林在推重比指数上一骑绝尘，放大查看
　　真空版推力则升至93.2吨，比冲和推重比亦有明显提升。得益于梅林发动机的改进和最大40%的节流能力，猎鹰9火箭成为了首款能够垂直反推回收的火箭，一次性近地轨道理论运力也从最早的9吨提升至22.8吨。
　　还是那句老话，这发动机改的连他亲妈都不认识了，最初的梅林1A至今，除了三围尺寸，循环方式没有变，一切都堪称沧海桑田
　　可以说，梅林用十年时间完成了一个从屌丝到高富帅的逆袭过程，但是这个故事才刚刚开始，有趣的还在后面呢。