猎鹰火箭发动机设计特点

□ 袁宇

小推力针栓式喷注器试验件

提起Space X公司的火箭发动机，就不得不提到一个人——汤姆·米勒（Tom Mueller），Space X公司副总裁，推进技术总负责人。汤姆·米勒曾经在美国TRW公司参与了15年的液体火箭发动机研发工作，是TRW公司推进与燃烧部门负责人，而TRW公司的独门秘笈就是——针栓式喷注器火箭发动机。TRW公司从1960年代起，就一直专注于针栓式喷注器发动机的研制工作，先后研制出60多种不同的针栓式喷注器，发动机推力范围从450N～2.89MN。最著名的是1963年7月，TRW为阿波罗登月飞船研制的登月舱下降发动机（IMDE），该发动机就采用了针栓式喷注器，具有10%～100%的推力调节能力。这也是Space X公司一直宣称其发动机技术与阿波罗登月飞船有关的原因。

上图是一个小推力针栓式喷注器试验件，可见喷注器仅由中心氧化剂针栓喷嘴和环绕的燃料喷注环组成。与传统的液体火箭发动机相比，针栓式喷注器发动机具有如下显著特点：容易调节推力、固有的燃烧稳定性、结构简单、成本低廉。

1990年后，TRW公司使用针栓式喷注器技术开发低成本发动机，致力于降低航天发射的成本。汤姆·米勒曾经负责研发了迄今推力最大的液氢/液氧发动机TR-106，其真空推力高达381.3吨。而这台发动机的零件总数不超过100个，从设计、制造并组装仅用了不到一年的时间。TRW宣称该发动机的成本仅有传统发动机的20%，可以使发动机系统占火箭硬件的成本从40%降低到10%。然而，针栓式发动机的缺点是燃烧效率比传统的发动机偏低，因此一直未能在运载火箭动力系统中得到广泛应用。2000年前后，汤姆·米勒看到自己的才华将会随着TRW在航天动力领域的边缘化而被埋没，于是离开了TRW，参与创建了Space X。

下图是欧洲“阿里安”5运载火箭芯一级Vulcain2的喷注器和推力室。可见，传统火箭发动机的喷注器由成百上千个精细的喷嘴组成。相比之下，针栓式喷注器的结构大为简化，意味着可靠性得到提高，同时减少质量和降低制造成本。通过移动中间的针栓，就能调节流通面积，从而实现推力的调节。传统的液体发动机推力降低到50%以下时，往往出现不稳定燃烧问题，而针栓式喷注器在1/19的低推力下，依然可以保持稳定的燃烧和较高的燃烧效率，因此针栓式发动机是大范围推力调节发动机技术的首要选项，也是奠定Space X垂直起降的“蚱蜢”重复使用试验火箭的主要技术基础。

“阿里安”5芯级Vulcain2的喷注器和推力室

TRW的针栓式发动机设计上另一显著特点是烧蚀冷却+液膜冷却的推力室。传统液体火箭发动机的燃烧室一般为再生冷却，结构上有几十到几百个细小的流动通道，燃料先从中流过，带走燃气的热量，再进入燃烧室参与燃烧，这样就可以避免燃烧室被高温的燃气烧毁。冷却通道必须精心设计并加工，结构和工艺非常复杂，使得燃烧室的制造成本和周期居高不下。TRW的推力室，由厚实的绝热材料制成内衬，再在外面包上钛合金或者碳纤维承受内压。内衬在工作时会被燃气缓慢烧蚀，但只要求能坚持几百秒即可，毕竟火箭发动机是一次性的。同时，利用一个喷注环将小部分燃料均匀地喷到内衬的表面形成液膜，以减缓内衬的烧蚀速度。这种设计非常有效地减少了零件的数量和成本。

汤姆·米勒在Space X设计的第一种火箭发动机Merlin 1 A，采用的就是烧蚀冷却+液膜冷却燃烧室。结合简单的燃气发生器循环系统、针栓式喷注器技术，这台发动机的成本连传统火箭发动机的1/10都不到，这也是Space X敢于提出超低发射价格的底气。不过Merlin 1A的发展之路并不顺利，研制中出现了燃烧室过热烧毁的情况，“猎鹰”1首次发射时，正是Merlin1 A发动机出现漏火现象导致飞行失败。显然Merlin 1 A是无法满足Space X的安全性和重复使用的要求的。

Merlin 1A发动机的推力室

汤姆· 米勒和他设计的Merlin 1C发动机（右1为真空型）

Space X的厂房内批量生产的Merlin 1D发动机

2008年，改进型Merlin 1C出现，重大变化就是采用了再生冷却的燃烧室和喷管，其中燃烧室使用高导热率的铜合金制成夹套式冷却结构，喷管则使用上百根不锈钢管子组成管束式结构。“猎鹰”9号一级使用了9台Merlin 1C，二级使用了一台Merlin 1C真空型（除了喷管设计不同外其他与Merlin 1C一致）。Merlin 1C发动机推力增加到483KN，参与了2次“猎鹰”1号和5次“猎鹰”9号的发射，表现良好。当然，随着再生冷却结构的引入，发动机的制造成本有所增加。

随着可重复使用的“猎鹰”9号升级版V1.1的提出，火箭起飞重量增加了一半，对火箭发动机提出了更大推力、更长工作寿命的要求。2013年，改进型Merlin 1D发动机亮相，燃烧室压力增加了43.5%，推力增加到720.6KN。Merlin 1系列发动机不到十年发展了3个改进版本，证明了针栓式发动机另一个显著的特点：可以快速更换零组件实现改进升级。与Merlin 1C的管束式喷管相比，Merlin 1D的喷管改为更简单的单层金属壁结构，使用小流量煤油喷在内表面来实现液膜冷却。Merlin 1D的真空型同样使用在“猎鹰”9V1.1的二级上。

Merlin 1D在2013年9月首飞，目前已经成功参加4次飞行任务。它的性能足够满足Space X公司未来很长一段时间的需求，设计基本定型。如果按Space X未来一年发射10枚“猎鹰”9V1.1和10枚“猎鹰”9重型火箭计算，Merlin 1D每年的需求达到380台以上。相比传统液体火箭发动机一年几台、几十台的产量，Merlin 1D可以进行标准化、批量化生产，从而进一步降低发动机生产成本，提高制造可靠性。

不过，推力不到百吨的Merlin 1系列发动机显然无法吸引足够的眼球。2010年，Space X抛出了下一代发动机发展计划，包括真空推力达871吨的Merlin 2液氧/煤油发动机，和真空推力68.1吨的Raptor全流量补燃循环液氢/液氧发动机。按此计划，Merlin 2将成为人类迄今推力最大的液体火箭发动机，而Raptor将成为第一台实用的全流量补燃循环发动机。不过，Merlin 2仅仅是Merlin1的放大版，除了推力过于夸张外在技术上没有什么亮点，因而缺乏实质性进展。而Raptor发动机计划几经变更，最终确定为一台推力达到450吨的全流量补燃循环液氧/甲烷发动机，将用于Space X下一代超重型火箭“猎鹰”X和巨型火箭“猎鹰”XX（又称为火星登陆火箭MCT）上。Raptor发动机从2013年开始进行设计，2014年开始进行零组件试验。不管怎么样，液氧/甲烷推进剂组合、全流量补燃循环都是首次在运载火箭上应用，具备足够的眼球效应。如果Raptor发动机研发成功，Space X将成为航天动力技术发展的执牛耳者。