獵鷹火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

□ 袁宇

小推力針?biāo)ㄊ絿娮⑵髟囼?yàn)件

提起Space X公司的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，就不得不提到一個(gè)人——湯姆·米勒（Tom Mueller），Space X公司副總裁，推進(jìn)技術(shù)總負(fù)責(zé)人。湯姆·米勒曾經(jīng)在美國(guó)TRW公司參與了15年的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)工作，是TRW公司推進(jìn)與燃燒部門負(fù)責(zé)人，而TRW公司的獨(dú)門秘笈就是——針?biāo)ㄊ絿娮⑵骰鸺l(fā)動(dòng)機(jī)。TRW公司從1960年代起，就一直專注于針?biāo)ㄊ絿娮⑵靼l(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，先后研制出60多種不同的針?biāo)ㄊ絿娮⑵?，發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)（IMDE），該發(fā)動(dòng)機(jī)就采用了針?biāo)ㄊ絿娮⑵?，具?0%～100%的推力調(diào)節(jié)能力。這也是Space X公司一直宣稱其發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與阿波羅登月飛船有關(guān)的原因。

上圖是一個(gè)小推力針?biāo)ㄊ絿娮⑵髟囼?yàn)件，可見(jiàn)噴注器僅由中心氧化劑針?biāo)▏娮旌铜h(huán)繞的燃料噴注環(huán)組成。與傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，針?biāo)ㄊ絿娮⑵靼l(fā)動(dòng)機(jī)具有如下顯著特點(diǎn)：容易調(diào)節(jié)推力、固有的燃燒穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。

1990年后，TRW公司使用針?biāo)ㄊ絿娮⑵骷夹g(shù)開(kāi)發(fā)低成本發(fā)動(dòng)機(jī)，致力于降低航天發(fā)射的成本。湯姆·米勒曾經(jīng)負(fù)責(zé)研發(fā)了迄今推力最大的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)TR-106，其真空推力高達(dá)381.3噸。而這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的零件總數(shù)不超過(guò)100個(gè)，從設(shè)計(jì)、制造并組裝僅用了不到一年的時(shí)間。TRW宣稱該發(fā)動(dòng)機(jī)的成本僅有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的20%，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)占火箭硬件的成本從40%降低到10%。然而，針?biāo)ㄊ桨l(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是燃燒效率比傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)偏低，因此一直未能在運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。2000年前后，湯姆·米勒看到自己的才華將會(huì)隨著TRW在航天動(dòng)力領(lǐng)域的邊緣化而被埋沒(méi)，于是離開(kāi)了TRW，參與創(chuàng)建了Space X。

下圖是歐洲“阿里安”5運(yùn)載火箭芯一級(jí)Vulcain2的噴注器和推力室?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴注器由成百上千個(gè)精細(xì)的噴嘴組成。相比之下，針?biāo)ㄊ絿娮⑵鞯慕Y(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，意味著可靠性得到提高，同時(shí)減少質(zhì)量和降低制造成本。通過(guò)移動(dòng)中間的針?biāo)?，就能調(diào)節(jié)流通面積，從而實(shí)現(xiàn)推力的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的液體發(fā)動(dòng)機(jī)推力降低到50%以下時(shí)，往往出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒問(wèn)題，而針?biāo)ㄊ絿娮⑵髟?/19的低推力下，依然可以保持穩(wěn)定的燃燒和較高的燃燒效率，因此針?biāo)ㄊ桨l(fā)動(dòng)機(jī)是大范圍推力調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的首要選項(xiàng)，也是奠定Space X垂直起降的“蚱蜢”重復(fù)使用試驗(yàn)火箭的主要技術(shù)基礎(chǔ)。

“阿里安”5芯級(jí)Vulcain2的噴注器和推力室

TRW的針?biāo)ㄊ桨l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上另一顯著特點(diǎn)是燒蝕冷卻+液膜冷卻的推力室。傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室一般為再生冷卻，結(jié)構(gòu)上有幾十到幾百個(gè)細(xì)小的流動(dòng)通道，燃料先從中流過(guò)，帶走燃?xì)獾臒崃?，再進(jìn)入燃燒室參與燃燒，這樣就可以避免燃燒室被高溫的燃?xì)鉄龤?。冷卻通道必須精心設(shè)計(jì)并加工，結(jié)構(gòu)和工藝非常復(fù)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(shí)的絕熱材料制成內(nèi)襯，再在外面包上鈦合金或者碳纖維承受內(nèi)壓。內(nèi)襯在工作時(shí)會(huì)被燃?xì)饩徛裏g，但只要求能堅(jiān)持幾百秒即可，畢竟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是一次性的。同時(shí)，利用一個(gè)噴注環(huán)將小部分燃料均勻地噴到內(nèi)襯的表面形成液膜，以減緩內(nèi)襯的燒蝕速度。這種設(shè)計(jì)非常有效地減少了零件的數(shù)量和成本。

湯姆·米勒在Space X設(shè)計(jì)的第一種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)Merlin 1 A，采用的就是燒蝕冷卻+液膜冷卻燃燒室。結(jié)合簡(jiǎn)單的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)系統(tǒng)、針?biāo)ㄊ絿娮⑵骷夹g(shù)，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的成本連傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的1/10都不到，這也是Space X敢于提出超低發(fā)射價(jià)格的底氣。不過(guò)Merlin 1A的發(fā)展之路并不順利，研制中出現(xiàn)了燃燒室過(guò)熱燒毀的情況，“獵鷹”1首次發(fā)射時(shí)，正是Merlin1 A發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)漏火現(xiàn)象導(dǎo)致飛行失敗。顯然Merlin 1 A是無(wú)法滿足Space X的安全性和重復(fù)使用的要求的。

Merlin 1A發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室

湯姆· 米勒和他設(shè)計(jì)的Merlin 1C發(fā)動(dòng)機(jī)（右1為真空型）

Space X的廠房?jī)?nèi)批量生產(chǎn)的Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)

2008年，改進(jìn)型Merlin 1C出現(xiàn)，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(dǎo)熱率的銅合金制成夾套式冷卻結(jié)構(gòu)，噴管則使用上百根不銹鋼管子組成管束式結(jié)構(gòu)?！矮C鷹”9號(hào)一級(jí)使用了9臺(tái)Merlin 1C，二級(jí)使用了一臺(tái)Merlin 1C真空型（除了噴管設(shè)計(jì)不同外其他與Merlin 1C一致）。Merlin 1C發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加到483KN，參與了2次“獵鷹”1號(hào)和5次“獵鷹”9號(hào)的發(fā)射，表現(xiàn)良好。當(dāng)然，隨著再生冷卻結(jié)構(gòu)的引入，發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本有所增加。

隨著可重復(fù)使用的“獵鷹”9號(hào)升級(jí)版V1.1的提出，火箭起飛重量增加了一半，對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更大推力、更長(zhǎng)工作壽命的要求。2013年，改進(jìn)型Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)亮相，燃燒室壓力增加了43.5%，推力增加到720.6KN。Merlin 1系列發(fā)動(dòng)機(jī)不到十年發(fā)展了3個(gè)改進(jìn)版本，證明了針?biāo)ㄊ桨l(fā)動(dòng)機(jī)另一個(gè)顯著的特點(diǎn)：可以快速更換零組件實(shí)現(xiàn)改進(jìn)升級(jí)。與Merlin 1C的管束式噴管相比，Merlin 1D的噴管改為更簡(jiǎn)單的單層金屬壁結(jié)構(gòu)，使用小流量煤油噴在內(nèi)表面來(lái)實(shí)現(xiàn)液膜冷卻。Merlin 1D的真空型同樣使用在“獵鷹”9V1.1的二級(jí)上。

Merlin 1D在2013年9月首飛，目前已經(jīng)成功參加4次飛行任務(wù)。它的性能足夠滿足Space X公司未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間的需求，設(shè)計(jì)基本定型。如果按Space X未來(lái)一年發(fā)射10枚“獵鷹”9V1.1和10枚“獵鷹”9重型火箭計(jì)算，Merlin 1D每年的需求達(dá)到380臺(tái)以上。相比傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一年幾臺(tái)、幾十臺(tái)的產(chǎn)量，Merlin 1D可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)，從而進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)成本，提高制造可靠性。

不過(guò)，推力不到百噸的Merlin 1系列發(fā)動(dòng)機(jī)顯然無(wú)法吸引足夠的眼球。2010年，Space X拋出了下一代發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展計(jì)劃，包括真空推力達(dá)871噸的Merlin 2液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，和真空推力68.1噸的Raptor全流量補(bǔ)燃循環(huán)液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。按此計(jì)劃，Merlin 2將成為人類迄今推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，而Raptor將成為第一臺(tái)實(shí)用的全流量補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)，Merlin 2僅僅是Merlin1的放大版，除了推力過(guò)于夸張外在技術(shù)上沒(méi)有什么亮點(diǎn)，因而缺乏實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。而Raptor發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃幾經(jīng)變更，最終確定為一臺(tái)推力達(dá)到450噸的全流量補(bǔ)燃循環(huán)液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，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(fā)動(dòng)機(jī)從2013年開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)，2014年開(kāi)始進(jìn)行零組件試驗(yàn)。不管怎么樣，液氧/甲烷推進(jìn)劑組合、全流量補(bǔ)燃循環(huán)都是首次在運(yùn)載火箭上應(yīng)用，具備足夠的眼球效應(yīng)。如果Raptor發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)成功，Space X將成為航天動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的執(zhí)牛耳者。