[深度]從閉門羹到猛禽—SpaceX坎坷的發動機之路（上）

來源航天愛好者網

SpaceX創辦至今18年，一直堅持自研自產發動機，走過了一條漫長、坎坷而又充滿故事的道路

在近期舉辦的美國第三十屆小衛星大會上，SpaceX公司宣布了一個令觀眾們的驚喜的消息。代號「猛禽」的新一代液氧甲烷火箭發動機已經運往位於德克薩斯州的測試場，並將開展一系列的實機測試。（不過截至目前還是一張圖片也沒有）至此，該公司備受關注卻又極其神秘的新一代「猛禽」發動機終於露出真身，而猛禽之所以如此受到關注，主要有以下三點原因：

1. 如果研發進度順利，猛禽將成為世界上首款投入實際發射使用的液氧甲烷火箭發動機。
2. 猛禽的投入使用將使得現有的獵鷹系列火箭運力再上新臺階，甚至有可能賦予其直送地球靜止軌道的能力，從而有能力與ULA（聯合發射聯盟）爭奪高利潤的絕密軍事衛星發射任務合同。
3. 猛禽使SpaceX具備了開發載人登陸火星用火箭BFR的重要條件—火箭發動機，同時憑藉甲烷的無積碳燃燒特性，這種火箭的快速復用能力將比現在的獵鷹9更勝一籌。

事實上，SpaceX從2002年創辦至今，一直在使用自己的火箭發動機，從最初想要購買成品到現在自研自產的梅林系列發動機，甚至是研發全新的全流量分級燃燒的甲烷發動機，十多年走過了一條漫長而又坎坷的道路。在9月28日國際宇航大會的火星殖民技術路線演講開張之前，徹底回望一下過去，再展望一下猛禽的未來，似乎是很有必要的，就算是火星殖民計劃公布前預熱軟文系列的第一彈吧。

---

​第一部分：從美國來了個要買洲際飛彈的瘋子

先講一段故事，早在SpaceX創立之前，伊隆·馬斯克首先想到的是購買現成的廉價火箭，而非自己動手。因此2001年10月，伊隆·馬斯克選擇去莫斯科購買現成的洲際飛彈（你沒看錯，他要買的是洲際飛彈），跟著他一起的還有航天顧問吉米·坎特雷爾（Jim Cantrell）和他最好的朋友阿德奧·雷西（Adeo Ressi）。儘管馬斯克帳上有1000萬美元，但他只想買翻新的飛彈好省點錢，然後希望用這個火箭運送植物或老鼠上火星。

古怪如雷西這樣的人也認為馬斯克瘋了，竭力阻止馬斯克的火星探索項目上馬。他的手段無所不用其極，包括收集各國火箭爆炸的視頻，讓其他朋友輪番遊說，後來雷西跟著去了莫斯科也不是為了幫助馬斯克購買飛彈，而是為阻止做最後的努力。但馬斯克依然不為所動，決意傾囊而盡投入到該項目上。

他們跟一些公司安排了幾場會議，包括替俄羅斯聯邦航天局開展火星、金星探索的 NPO Lavochkin，商用火箭發射商Kosmotras（記住這家公司，下面還會說）等。這些安排基本上都按照俄羅斯的禮儀來辦的。因為俄羅斯人往往不吃早餐，所以對方要求會面安排在上午 11 點以便吃頓早午飯。然後就是一小時左右的邊吃邊聊—三明治、香腸，當然還有伏特加。接著就是冗長的抽菸和咖啡時間。等桌面清理乾淨後，負責的俄羅斯人就會問馬斯克，「你想買點什麼呢？」如果俄羅斯人稍微重視馬斯克一點的話，後者也許並不會對前者感到厭煩。問題是他們認為馬斯克在航天領域是個菜鳥，並不欣賞他的冒險精神。坎特雷爾回憶說「他們的一位首席設計師對著我和馬斯克噴了一臉，認為我們就是一堆狗屎」，所以馬斯克一伙人空手而歸。

麥克·格裡芬（Michael Griffin），前任NASA局長

2002年，這群人重返俄羅斯，這次帶上了麥克·格裡芬（4年後這位仁兄執掌NASA）。這位仁兄曾在曾在 CIA 的風投機構 In-Q-Tel 及噴氣推進實驗室工作過，剛踏出衛星與太空飛行器製造商軌道科學公司的大門。這次馬斯克的腰包更鼓，胃口也更大了，他一下子就要 3 顆飛彈。他們跟 Kosmotras 的官員見了面。雙方在 「為了太空」、「為了美利堅」的杯籌交錯間開始了交易。馬斯克開門見山直接就問一顆飛彈多少錢，「800萬美元」，對方說。馬斯克殺價很狠：「2顆」。「他們坐在那裡盯著他，」坎特雷爾回憶說「然後說了類似『年輕人，不可能』 這樣的話。」甚至還比劃出他好像沒錢的手勢。到了這個時候，馬斯克已經明確俄羅斯要麼對做生意不重視，要麼只是決定要把.com時代的百萬富翁和他的錢儘可能分開。於是他奪門而出，結束了會談。

如果當年馬斯克800萬能買到兩枚這個，或許SpaceX就是另一個樣子了，R-36系列多彈頭洲際彈道飛彈，北約代號SS-18，並給了個「撒旦」（Satan）的恐怖綽號，冷戰結束後根據R-36M型改造成第聶伯（Dnepr）運載火箭，LEO運力4.5噸，此圖為2013年發射KOMPSat-5衛星時所攝

正在裝載畢格羅充氣空間站測試衛星Genesis 1的第聶伯火箭整流罩，一種蘇聯時期的古拙感撲面而來，蘇聯解體後，烏克蘭受西方唆使實施去核武化行動，包括R-36在內的大量洲際飛彈被拆毀，變成一堆廢鐵

一伙人一頭扎進漫天飛雪、垃圾滿地的莫斯科，招了一輛出租就直奔機場。俄羅斯人是唯一在馬斯克預算內的火箭供應商，但是做生意太難打交道了。「那是一段漫長的路程，」坎特雷爾說：「我們坐在裡面，誰也不說話，望著窗外俄羅斯的農民在雪中買東西」抑鬱的情緒一直蔓延到了飛機上，直到飲料車推到面前。「飛機輪子離開莫斯科地面時你總會感覺特別好」坎特雷爾說：「就好像，『上帝，我們辦到了。』於是我和格裡芬拿起杯子碰了一下。」 坐在前排的馬斯克還在敲電腦。「我們在想，『媽的，這個呆子現在能幹什麼？』」 此刻馬斯克正在翻自己做的一份電子表格。

嘿，夥計們，我覺得我們可以自己造這個火箭！——馬斯克突然說到

於是乎，SpaceX、梅林（merlin）發動機和獵鷹（Falcon）火箭就這麼誕生了。。。

文中提及的Kosmotras公司的官方網站，這家公司的主營業務就是上文提到過的第聶伯運載火箭，憑藉這些現成的冷戰遺物，公司主打低成本的軌道發射，生意一直還算不錯，直到與馬斯克會談的15年後，俄羅斯人終於開始為他們當年的傲慢付出了代價，SpaceX從俄羅斯人手中搶走了新一代銥星的發射合同，年內就有兩次發射，獵鷹-9可以一箭10星，運力兩倍於曾經讓馬斯克買不起的第聶伯，而且依舊可以回收火箭一級，而第聶伯火箭自2015年後便無限期推遲發射

事實上，這次洽談失利之後，馬斯克也有其他選項，當然是指火箭發動機上，雖然美國國內基本上沒什麼合適的賣家（當時還是太空梭時代，其它的發動機型號也基本上也是貴的夠可以的），但是軌道科學技術公司（現在的軌道ATK）的安塔芮斯火箭曾採用的NK-33發動機就很合適，也是同樣的冷戰遺物，最早用於登月用的N1火箭的改進型N1F火箭，但最終因為項目下馬，無奈只得封存。NK-33不僅價格低廉，而且數量充足，是無毒無汙染的液氧煤油組合，最關鍵的它是高大上的分級燃燒循環（後面會講），推重比（發動機推力和發動機自重的比值，越高越好）高達137，僅次於RD-253和SpaceX自研的梅林1D發動機（梅林在1D型之前推重比都拼不過NK-33，老毛子家底之厚真不是蓋的）。

NK-33，這些生產於蘇聯時期的火箭發動機被引入美國後，被改名為AJ26-58，後被裝機於另一家著名的低成本商業航天公司的「軌道科學技術公司」研發的「安塔芮斯」火箭，一級由兩臺NK-33驅動，有心的同學可以注意下NK-33的管路結構，對比下後面要介紹的梅林發動機，該圖攝於在美國斯坦尼斯航天中心試車期間

但是SpaceX沒有選擇繼續購買，而是踏上了堅定的自研之路，當年做出這個決定的原因中很可能不乏馬斯克本人的執拗性格在內，但這種固執從今天看來或許是一個異常正確的決定，畢竟2014年由NK-33導致的那場絢爛爆炸至今還歷歷在目。

---

第二部分：早期的「梅林」——「車庫」裡走出來的屌絲髮動機

既然白手起家，自研自產火箭，馬斯克最首要解決的就是液體火箭發動機這個難題，這也是火箭研發中最具難度的問題之一，這個搞不定，其它皆為浮雲。為此他厚著臉皮聘請了幾位具有豐富發動機研發經驗的工程師，其中就包括TRW公司TR-106火箭發動機的總設計師湯姆·穆勒（Tom Mueller），還有波音的蒂姆·布扎（Tim Buzza），而梅林-1A發動機首飛則是2006年5月，距離公司成立已經過去了四年，而那時距離今天也已有整整十年。

梅林1A發動機，那時候的SpaceX籍籍無名，甚至被很多人稱之為一群騙子，圖片資料也很少，歐空局曾嘲笑梅林發動機「像是從自家後院車庫拼湊出來的」

那時候馬斯克招人聽起來就像騙子一樣，你想像一下15年前，馬雲給你打電話說「小夥，我支付寶不幹了，我需要你，我要造火箭去月球，你來我這裡幹吧」，98%的結局是「滾，死騙子！」，所以沒情懷的人真心幹不了這行，而支付寶的誕生就是模仿了馬斯克早年創辦的PayPal的模式

馬斯克最早的思路是想讓梅林的研發儘可能的快，生產儘可能的便宜，工作儘可能的可靠，基於這種思路，梅林最早的研發做出了各種方面的取捨和設定。這些設定一直影響著這款發動機，直到今天。

首先我們先說說最重要的循環方式，梅林為了降低研發難度，採用了經典的燃氣發生器循環，又叫開式循環。啥叫開式循環呢？讓我來舉個例子說明一下。

液體燃料火箭發動機和汽車發動機一樣，汽車發動機把燃料（汽油）和氧化劑（空氣）吸入發動機燃燒室，兩者充分混合，然後火花塞點火引燃燃料，燃料劇烈膨脹做工推動曲軸旋轉，驅使車輛前行（看不懂的見下下面的動圖）。而火箭發動機類似，只不過火箭因為要在真空環境工作，氧化劑（例如液氧）都是自行攜帶的。當燃料和氧化劑需求不大的時候，可以採用簡單的擠壓循環，利用壓差把兩者擠入燃燒室。

但是燃料和氧化劑的流量需求都非常大的時候怎麼辦？那就要用泵來泵送了！其實這和汽車也是類似的，汽車在這種情況下，通常的辦法都是添加一個渦輪增壓器，詳見下圖。

渦輪增壓器的原理其實很簡單，做工後的廢氣（紅色氣流）推動圖中右上角的渦輪，左側與之同軸的渦輪則被帶動，像一個泵一樣將空氣和燃料加速送往氣缸，提高流量

火箭其實也一樣，搞個泵就好了，但是泵也需要能量來源，現在的火箭發動機通常都是渦輪泵，利用一部分火箭燃料在預燃室點火燃燒，推動渦輪泵加壓泵送更多燃料和氧化劑進入燃燒室，最終推動火箭飛行。而梅林所採用的燃氣發生器循環和NK-33等採用的分級燃燒循環最關鍵的區別就在於，預燃室燃燒完後的那些「廢氣」怎麼處理，如果通過廢氣管直接排出發動機，那就是燃氣發生器循環；如果重新泵入燃燒室繼續做工，那就是分級燃燒循環。

梅林無論怎麼改，之所以還叫梅林，就是因為他的燃料循環方式沒改，依舊是圖中右側的燃氣發生器循環，注意兩種循環方式廢氣的處理方式

梅林發動機試車時，右側這根廢氣管不停地噴出黑色的廢氣，這就是上圖中預燃室推動完渦輪泵後的剩餘廢氣，黑色廢氣代表這是一種富燃的預燃室，也就是煤油的供給量遠多餘氧氣，因此黑煙中還有不少未經充分燃燒的煤油，還能夠繼續燃燒，有點兒浪費，但是開式循環就這樣，開式嘛，廢氣都開門放跑了

富燃燃燒其實超級常見啦，RD-93那標誌性的黑煙也是這個原因，航空煤油未能充分燃燒（氧氣不足或者混合不充分等），就變成黑煙噴出來了，但是火箭發動機的富燃燃燒是故意的

梅林之所以經常被網友稱之為屌絲髮動機，正是因為採用了燃氣發生器循環。而高大上的分級燃燒的液氧煤油發動機，只有俄羅斯人真正純熟的掌握了這項技術（好吧，你贏了，中國也算）。美國人都不會，不過他們有分級燃燒的氫氧機，比如太空梭主發動機SSME。兩種循環方式之間的優劣和區別所在，詳見同名微信公眾號另一位作者薯條同學的大作為什麼SpaceX的梅林1D發動機有排氣管排出廢氣，而中俄的YF-100和RD-180煤油機卻不需要？比我解釋的好得多，這裡只是想說清梅林的基本情況。

當然美國人的也沒閒著，渦輪泵已經不能束縛他們的腦洞了，美國-紐西蘭的RocketLab公司就搞了一款電泵火箭發動機，特點就是把原來的渦輪泵改成了鋰電池驅動的電動泵，以此來泵送燃料和氧化劑，詳見下圖。這麼做的好處很大，省去了大量燃料管路和預燃室，簡化了發動機的研發和製造。但是電泵也有一定的局限，畢竟電池的容量有限，暫時只能用在小功率發動機上。

電泵發動機的燃料循環圖，跟上面那兩個對比下是不是簡單多了？

電動小火箭發動機的實物和試車畫面，有興趣的可以瀏覽同名微信公眾號往期文章世界首枚「電動火箭」Electron已經斬獲三發訂單！

---

​第三部分：針栓式噴注器——源自阿波羅登月時期的古董技術

除了循環方式之外，梅林發動機的另一大特點是採用了上世紀60年代阿波羅計劃中登月艙下降級發動機中標誌性的針栓式噴注器（Pintle injector），這可能也是大家指責SpaceX是NASA乾兒子最早的一個證據，但是各位要注意一點，登月艙下降級發動機直到發射後第三天著陸月球前才開始使用，這就要求燃料必須長期儲存，且發動機極端可靠（一旦點不著火，太空人就摔死在月球上了）。因此被稱之為Descent Propulsion System(DPS)的下降級發動機是一個採用接觸自燃燃料組合的擠壓式循環的「有毒發動機」（四氧化二氮和肼50，兩種燃料只要一接觸就劇烈燃燒）。

登月艙下降級發動機的解刨圖，共有四個燃料罐，還有一個氦氣增壓罐，典型的擠壓循環（資料來源：NASA啦。。。）

登月艙下降級發動機的管路圖，四個燃料罐，氦氣增壓罐清晰可見，可惜針栓式噴注器沒找到太細節的東西（資料來源：NASA啦。。。）

而梅林則是一個液氧煤油發動機，採用燃氣發生器循環，而且兩種發動機在推力水平和作用等各方面區別都很大。所以網上經常有人說SpaceX是用的NASA的淘汰破爛和轉移技術拼湊的火箭，要我說這種論調還是算了吧，照這個思路，RD-180還派生自你家燒豬毛的噴燈呢。。。但是話又說回來，登月艙下降級發動機正是由湯姆·穆勒的前任東家TRW公司於上世紀60年代研發而成（最早是JPL，實用化於TRW），TRW在後來的幾十年間開發了60多款基於針栓式噴注器的發動機，可謂是輕車熟路。所以穆勒在梅林研發中採用這種噴注器合情合理，畢竟很成熟，很熟悉，符合之前快速研發的宗旨。

針栓式噴注器最早的專利授權文件（1968年，美國國家專利局），清晰可見其標誌性的噴嘴結構，還有右下角發明者Gerry Elverum的籤名

所謂噴注器，就是要將兩種燃料均勻混合併且噴入燃燒室的一種結構，針栓式則將整個噴注器深入到燃燒室中，中間紅色的是煤油，在流經頭部的特定結構後變成環狀徑向散射，而藍色的液氧則沿著軸向輸送，與徑向散射開的煤油成90度撞擊在一起，從而充分混合和霧化

針栓式噴注器有諸多優點，包括穩定性好，加工維護便宜，節流調速（throttling）容易等等。節流調速這一點很重要，這是獵鷹-9火箭能夠垂直回收的根基所在，之後還會談到。但是針栓式噴注器的缺點主要是對於發動機冷卻要求很高。發動機過熱問題極大的限制了發動機的功率和推力。綜合這些優缺點，就很好理解為什麼針栓式噴注器之前最成功的應用是在阿波羅登月艙上，而梅林發動機開發早期的很多不利消息也大都是發動機過熱燒穿和推力達不到設計要求。

---

​第四部分：梅林的升級之路——火箭發動機行業的「劉強東」

2006年，梅林的第一個版本1A型安裝在獵鷹-1火箭上首次投入飛行，這時它的推力僅有34噸，海平面比衝僅有253秒（比衝是用來描述推進效率重要參數，類似於汽車的每升油行駛裡程數，越大越好，單位通常為秒，該參數對運力影響很大）。這時候的梅林的確是平平無奇，沒有任何拿得出手的參數，當時別說跟煤油機領域的巔峰之作RD-180比，就是庫房角落裡落灰的NK-33都甩他好幾條街，總之這時候的梅林從頭到尾就是透著一股十足的屌絲氣息。

但是「梅林」在之後服役的10年之間，多次大刀闊斧的進行改進，並衍生了梅林-1B、1C、1C真空版、1D、1D真空版等多個型號。現在，梅林發動機及其真空版作為獵鷹9火箭的主發動機，已經成功執行了20餘次發射任務，並還將作為2017年首射的重型獵鷹火箭的發動機被繼續使用，部分參數甚至已經達到了世界頂尖水平。

梅林發動機在演進過程中發生了天翻地覆的變化，噴管結構、冷卻方式、渦輪泵等均有改進，因此梅林發動機的推力和比衝不斷強化。比如最早梅林-1A發動機噴口採用了低成本的一次性燒蝕冷卻碳纖維複合材料製成，因此那個時代的梅林是很難復用的，因為一次實打實的發射之後發動機噴口就燒壞了，現在已經換用通道壁冷卻。還有梅林採用的渦輪泵，它的功率水平也一直不斷提高，梅林1A到1C階段渦輪泵由Barber-Nichols公司生產，而據傳在從1A到1B的升級過程中，泵功率就從1490kW提升至1860kW。而自梅林-1D型開始，渦輪泵則由SpaceX自行負責，且功率又有一定程度提升。

Barber-Nichols公司的介紹資料，梅林的渦輪泵是作為公司的得意之作放進去的，但是如果回想起當年研發時被老馬逼進度而焦頭爛額的窘相，估計就沒那麼得意了（括弧笑）

最新型的梅林1D在2016年底完成進一步增推後，梅林-1D的海平面推力將從最早1A型的34.6噸升至86.2噸，增長幅度高達150%，這種推力增幅在世界航天史上都前所未見的（如果哪位網友知道有推力變成最初型超過兩倍半的發動機型號，歡迎告知），同時高達180：1的超高推重比也傲視群雄。

主流現役和研發中發動機的基本參數對比，1D型的梅林在推重比指數上一騎絕塵，放大查看

真空版推力則升至93.2噸，比衝和推重比亦有明顯提升。得益於梅林發動機的改進和最大40%的節流能力，獵鷹9火箭成為了首款能夠垂直反推回收的火箭，一次性近地軌道理論運力也從最早的9噸提升至22.8噸。

還是那句老話，這發動機改的連他親媽都不認識了，最初的梅林1A至今，除了三圍尺寸，循環方式沒有變，一切都堪稱滄海桑田

可以說，梅林用十年時間完成了一個從屌絲到高富帥的逆襲過程，但是這個故事才剛剛開始，有趣的還在後面呢。

（未完待續）