进击的SpaceX：如何造一台经典火箭发动机？

偶然间，看到这样一张老图片，唏嘘不已。翻出2012年写的一篇旧文，纪念一个时代的结束。

雏凤清于老凤声

2002年1月，Musk遇到Tom Muller，2002年6月，SpaceX成立。

图 SpaceX四大佬 时代杂志封面

Tom Muller于2003年10月第一次试验Merlin发动机，失败。15个月后进行全程试验，发动机运行162.2秒后关机，试验成功。

2006年3月24日，Falcon 1首飞，这也是Merlin-1A发动机处子秀，但起飞后30多秒就由于燃料泄漏和发动机着火而失败。

2007年3月21日，Falcon 1第二次飞行失败，这次Merlin-1A表现正常。

2008年8月，Falcon 1第三次飞行失败，原因是Merlin-1C采用再生冷却后，对后效推力估计不足，导致火箭一二级分离后一子级追上二子级。

2008年9月28日，一级装配1台Merlin-1C的Falcon 1第四次飞行终获成功。

2010年12月，一级装配9台Merlin-1C的Falcon 9飞行成功。

2012年6月，推力更大、性能更高的Merlin-1D发动机通过185s试车，发动机用于后续Falcon 9型号。

图 各型Merlin发动机

仅仅10年，一款新的发动机——Merlin（隼）——问世、快速成长并担当大任。历史轮回，它正以一种曾经被定义为落后的循环方式，重新给出了先进发动机的定义。

继土星V的F-1发动机后，美国很少开发液氧煤油发动机（除为德尔塔2000系列开发的RS-27外。RS-27继承了土星I的H-1发动机成熟技术，此发动机还被用于宇宙神2），而将精力转向氢氧发动机，研制了航天飞机主发动机SSME这样的传世经典。之后的宇宙神V选择了俄罗斯的高压补燃液氧煤油发动机RD-180。

在NASA和军工巨头眼里，开式循环的F-1尽管推力巨大，但太过落后，不足以支撑一片天空。直至SpaceX的Merlin，美国才又有了用于飞行的液氧煤油发动机。尽管它的性能不如高压补燃发动机，但这次Merlin不再是落后的代名词，它尽管比冲不是最高，但推重比已经达到史上最大，比常规水平高出2倍有余，并大幅超越第2名（注：2012年还没有Merlin-1DV+，它的推重比已达1.8，超出NK-33高达50%）。

下表为常见的液氧煤油发动机性能参数列表：

Merlin发动机和F-1同样采用开式循环，也就是用来驱动涡轮泵的燃烧废气直接排到环境大气，这种燃料的不充分燃烧、不充分膨胀都不能达到物尽其用。这种处理方式天生不能获得高比冲性能，不符合航天对高性能的极致追求。而补燃循环将此废气再次引入燃烧室燃烧，由于推力室室压很高，就需要泵后有更大的压力，涡轮泵有更大的功率，所有燃料物尽其用同时，带来了发动机研制难度的急剧增加。

一般而言，燃气发生器循环发动机结构简单、重量轻、易于研制、可靠性更高。补燃发动机研制投入要更大，需要更好的材料、更多的测试、更长的时间和更多的金钱。欧洲在论证阿里安V火箭的Vulcain发动机时，通过研制和生产费用敏感度分析表明，除非高压发动机比低压发动机的费用增加不超过10%~13%，才能具有商业优势。而Vulcain如果采补燃循环，研制费用要增加大约33%，生产费用增加20%，于是毅然选择了燃气发生器循环方案。

Merlin发动机在短短几年时间内，推力从Merlin-1A的340kN到Merlin-1C的556kN，再到Merlin-1D的720kN，几乎翻了一番。如此频繁的改进之所以能顺利进行，恐怕也与其采用简单的燃气发生器循环不无关系。与之对照的是，日本研制H-2A的LE-7A时，尽管它是在LE-7发动机上改进而得，但由于采用了补燃循环，在研制过程中遇到了比预计更多的技术问题，使整个H-2A火箭研制周期延长了近2年。

因此，随着火箭技术成熟，某些火箭研制不再单纯追求先进技术和高指标，尽量采用成熟技术。比冲指标持平，甚至降低一点，来换取经济和可靠性方面的显著提高。同时，充分利用先进的设计方法和生产技术，来降低成本和提高质量。德尔塔4使用的RS-68正是这方面的杰出代表。

RS-68由洛克达因公司在SSME基础上研制，尽管有SSME补燃技术的雄厚基础，RS-68仍抛弃了补燃方案而选择燃气发生器循环，燃烧室压力由20.5MPa降低到9.7MPa，降幅超过50%，真空比冲也由456s降低到410s左右，足足降低了40多秒。从指标上，是落后了很多，但从其它方面看，则是巨大的进步：

首先，运用先进计算机三维设计技术，RS-68大大降低了研制周期和研制费用，从设计到实现只有15个月，相当于SSME和J-2的三分之一；

其次，尽可能使用继承性的成熟技术，提高了可靠性，降低了费用；采用先进工艺，大幅度降低零部件数量和工时。以涡轮泵为例，与SSME相比，零件数由200个降低到30个。总零件数目只有SSME的7%，总工时由171000h降低到800h；

第三，采用大量简化工艺和降低成本的工艺，如燃烧室不采用电铸，采用烧蚀喷管等。

因此，RS-68是低成本、高可靠的设计理念、设计方法的集中体现，在以上技术驱动下，低成本和高可靠这两个矛盾得以平衡。Merlin也在走同样的道路，根据新闻报道，Merlin-1D相比之前产品拥有更少的零件，同时机器人加工技术提升了制造精度。

宝剑锋从磨砺出

短短数年，从Merlin-1A到Merlin-1D，Merlin发动机的研制集中展现了发动机的优化过程。

上表为2012年数据，与目前公布有所区别，其中2014年是发稿时补充的。

纵观发动机研制史，每一款经典发动机，在其多年的使用过程中，总是不断从核心改进，将发动机的潜能发挥到淋漓尽致。Merlin如是，美国的RL-10如是，苏联的RD-170如是，日本的LE-7如是，中国的YF-21亦如是。

以RL-10为例，它是土星I运载火箭上面级发动机和通用上面级半人马座系列的主发动机，由美国普惠公司于1958年~1963年研制。发动机定型后，根据各种航天任务的具体要求对RL-10发动机进行了持续不断的改进，形成了具有多种改型的发动机系列，包括：RL-10A-3-3A、RL-10A-4、RL-10A-4-1、RL-10A-5、RL-10C-1等。各种改进中，包括提高燃烧室压力、提高发动机推力、提高混合比、安装可延伸喷管大幅扩大喷管面积比等。它的几种改型主要性能参数如下：

图 RL-10系列发动机

以下摘自段增斌. 中国大型液体火箭发动机研制[J]. 火箭推进， 2000(1):13-28：

YF-21发动机（单机代号YF-20，二级改型代号YF-24）是我国第一种大推力液体火箭发动机。1965年开始研制，到1982年底设计定型，历时17年。后续对此发动机进行了多次改进，其中重大改进包括：

一级YF-21B发动机：提高YF-20发动机室压；增加混合比；改善冷却效果；加大流量；发动机推力由YF-21的2785kN增加到2962kN，比冲由2540m/s增加到2550m/s。

二级YF-24D发动机：主发动机推力室采用大喷管状态，将发动机比冲提高了9s；喷管延伸段采用铣槽方案；研制自锁解锁两系统主阀门，实现了箭体处理系统；蒸发器与涡轮排气管采用焊接连接，连接处采用自锁螺母防松措施；燃气发生器身部由压坑电焊结构改进为铣槽结构；游机涡轮泵采用双端面密封，代替唇式密封结构；游机火药起动器顶盖密封改进为榫槽式状态；采用容错结构设计等。

以上一二级发动机通过更改，发动机性能、结构可靠性和工艺性都得到提高，火箭性能也大为提高，确定了我国现役常温型号火箭发动机基本状态。

表面上看，发动机与运载火箭机械接口极少，甚至很多时候我们将之定义为单机。但实际上发动机与火箭联系异常紧密，一款经典的火箭身后必然有一款为之定制的经典发动机。发动机只有通过持续改进，才能发挥潜能，才能更好地服务于火箭。这既需要火箭总体的支持和牵引，也需要发动机单位的果敢和艰苦工作，两者缺一不可。

路漫漫其修远兮

Falcon火箭和Merlin发动机已星光闪耀，但其背后仍有隐忧。

2006年3月24日，Falcon 1火箭首飞失败，调查结果表明，造成火箭失败的唯一可能原因是位于燃料泵入口压力传感器上的铝制B型螺母因粒间腐蚀而出现裂缝，导致燃料泄漏。发动机点火后，泄漏的燃料起火，导致气压泄漏，推进剂预启阀关闭，发动机在火箭发射后34s时停止产生推力。

2008年8月3日，Falcon 1火箭在执行第3次发射任务时失败。按照火箭飞行程序设计，火箭在起飞后约150s一二级分离，一级发动机在分离前1.5s关机。但在执行此次发射任务中，一级发动机后效推力在分离时仍持续加速一级，导致一二级相撞。失败原因是本次新型Merlin-1C发动机采用再生冷却，与前两次使用烧蚀冷却的Merlin-1A不同，因此旧分离时序不再适用。

图 Falcon 1第三次发射分离相撞

2010年6月4日，Falcon 9第一次飞行试验，火箭进入发射窗口后，由于发动机参数超差，在点火前1秒终止了发射，在4小时的发射窗口即将结束时才抓住了第二次发射机会成功点火升空。

2010年12月8日，Falcon 9第二次飞行试验，Falcon9火箭经历了一次发动机异常，原因是一台发动机的燃料-氧化剂混合比错误，富氧燃烧环境导致燃气发生器内温度升高，并最终引发关机。

2012年5月19日，Falcon9 第三次飞行试验，当倒计时到0秒时，全部9台发动机点火。但第5号发动机突然出现”燃烧室压力升高“，计算机瞬时命令全部9台发动机停止产生推力，此时距发射只差0.5秒，火箭并未离开发射台，后调查表明一个涡轮泵阀引起5号发动机压力尖峰。

2012年10月8日，Falcon 9火箭发射龙飞船过程中，火箭飞行大约79秒后，第一级1号发动机压力骤降，控制系统关闭发动机，并计算了新的上升轨迹，指令箭上其它8台发动机多工作近30s，最终将龙飞船准确送入轨道。由于故障耗费了更多推进剂，剩余推进剂不足，无法确保二次点火成功率。为保证龙飞船安全，未实施二级发动机二次点火，没能把搭载的 OG2卫星送入预定轨道，2天后卫星坠入大气层烧毁。

因此，与世界经典发动机比起来，Merlin发动机可靠性仍然不高，仍有待后续改进。

一款发动机要成为经典，必须具备如下几个条件：

出身好：发动机具备极高的安全性和可靠性。只有好的设计，稳定的工艺，才能保证发动机设计可靠性和质量统一性。此时如果再具备极高性能，发动机就能超越经典，成为传世精品。在美国强大的工业基础和成熟发动机工业支持下，Merlin本身已经具备较好血统。但其本身推力偏小，将之用于Falcon 1正合适，用于Falcon 9已嫌多，后续再用于Falcon重型，就嫌太多了。Musk曾言：如果有超重型Falcon，地面推力7600kN的Merlin 2发动机将是其核心技术。有F-1基础，有美国强大的航天工业基础，只要NASA支持，如果再有Merlin 2，它的出身必定也会很好。

嫁得好：好的出身在50%的程度上决定了发动机的未来，另外的50%则是与运载火箭的配合和相互促进。苏联的NK-33发动机，无论是性能参数还是试车可靠性，均可称为一代神机。但它以娇小的身躯委身于巨无霸的N-1登月火箭，注定了命途多舛，至今仍在边缘上徘徊、挣扎。Falcon火箭目前已有振奋人心的成功，火箭也正值壮年，与Merlin发动机门当户对，已无50%之忧。

持续改进：随着时代发展，新的设计理念、新的工艺出现，如能应用于火箭发动机，将大大提高发动机的性能和使用水平。SpaceX管理链条少，创新氛围好。我们有理由相信，伴随公司成长，这款发动机将会越来越完善，越来越先进，成为一代经典。

后记

翻看这篇老文章后想到两个问题：

1）Musk和Muller谁成就了谁？两个人肯定是相互成就，但总体而言，没有Muller的Musk仍然可能做出Falcon并取得成功，没有Musk的Muller不一定能做出Merlin并名动天下。相比而言，Musk成就Muller更多，这也是企业家和工程师的本质差别。

2）Muller为什么离开？Muller于2002年来到SpaceX，他带来了开式循环的Merlin发动机，又于2020年离开SpaceX，其实早有传言在全流量补燃循环的Raptor发动机研制时他已经被架空。笔者不知道具体原因，但回读这篇文章时不禁想，这个原因有没有可能隐藏在字里行间呢？

本文来自微信公众号：理念世界的影子（ID：spaceodyssey1968），作者：洞穴之外