往期回顧
在本系列的之前的文章中，我們一起回顧了重型獵鷹首飛的成敗得失（鷹之擊）；以及對獵鷹系列火箭的進行簡單的介紹（鷹之軀）。
詳情請移步：
連載之三：鷹之心
01?獵鷹之心——灰背隼和猛禽
書接上回，我們繼續(xù)來看SpaceX和它的獵鷹。在此之前我們先回答一個問題：運載火箭的心臟是什么？答案一定是：火箭發(fā)動機！
對于目前的獵鷹系列火箭，這顆“鷹之心”就是SpaceX自行研發(fā)制造的Merlin系列發(fā)動機。通常直接英譯為“梅林”發(fā)動機，少數(shù)也有意譯為“merlin”這個單詞的本意“灰背隼”。
就像在前文中介紹過的：獵鷹目前全系列的火箭使用的都是梅林發(fā)動機。其中有第一級火箭使用單臺梅林1A發(fā)動機的獵鷹1號（第二級使用的是“紅隼”發(fā)動機，這個是唯一的例外。且目前無論是獵鷹1號還是紅隼發(fā)動機都已經(jīng)從SpaceX退役）。
第一級使用單臺梅林1A的獵鷹1號
有在第一級并聯(lián)使用9臺梅林1C或者1D發(fā)動機，而第二級使用一臺“真空梅林”發(fā)動機的獵鷹9號：
第一級并聯(lián)使用9臺梅林1D的
“全推力”版獵鷹9號
還有瘋狂的在第一級和助推器上同時使用27臺梅林1D發(fā)動機（很難讓觀者不去聯(lián)想起毛熊那四發(fā)四炸的N1火箭），而第二級同樣使用單臺真空梅林的重型獵鷹。
重型獵鷹瘋狂的使用了27臺梅林1D
梅林系列發(fā)動機是SpaceX目前唯一一款現(xiàn)役火箭發(fā)動機，它的研發(fā)和演化幾乎就是SpaceX公司發(fā)展的一個縮影。目前SpaceX取得的成就，包括最便宜的商業(yè)發(fā)射費用，火箭的回收和復用，以及搶下“現(xiàn)役最強運載火箭”頭銜等，背后都離不開梅林發(fā)動機的身影。
但梅林發(fā)動機早期糟糕的可靠性也曾導致獵鷹1號最初三次發(fā)射全部失敗。即便到了現(xiàn)在，已經(jīng)演化到近乎終極版本的梅林1D+發(fā)動機在成就了“現(xiàn)役最強”的重型獵鷹的同時，也難掩其第二級運載能力不足，對于將重型載荷送入地球靜止軌道這類任務難堪大用的現(xiàn)實。
而對于埃隆馬斯克那雄心勃勃的火星殖民計劃來說，現(xiàn)有的梅林發(fā)動機幾乎可以肯定是無能為力的。鋼鐵俠曾直言不諱的說過：“火箭發(fā)動機是目前SpaceX的最大短板。”
而解決上述這些問題的希望，就需要交給Space在研的下一代火箭發(fā)動機——猛禽（Raptor）。
SpaceX官網(wǎng)上“猛禽”試車的照片
為何說梅林發(fā)動機既成就了SpaceX現(xiàn)在的成績，同時又限制了SpaceX的進一步發(fā)展？做為被寄予厚望的“猛禽”又是怎樣的一臺發(fā)動機？我們下面進一步講解。
02?現(xiàn)在需要上一堂課
其實本篇在上周末的時候就應該完成，但卻一再拖延。因為要介紹火箭發(fā)動機，特別是要說明某一款火箭發(fā)動機為何好或不好，就很難繞開它的工作方式、燃料種類以及一大堆的專業(yè)術(shù)語。我曾構(gòu)思過如何完全避免使用這些即便對于航空航天專業(yè)的學生或許都是前看后忘的東西，但或許還是自己能力有限：要介紹清楚梅林和猛禽，怎么想都無法完全繞開這些點。那么干脆就來簡單的上一堂課吧。我會盡可能的用最通俗的語言來介紹這些基礎的概念。
首先是一些名詞解釋：
比沖
談到火箭發(fā)動機的性能，一定繞不開“比沖”這個詞。這個國際單位為“秒”的參數(shù)是衡量火箭發(fā)動機效率的重要參考指標。拋開它背后復雜的物理公式和概念，比沖所代表的含義是“燃燒單位重量的燃料可以產(chǎn)生的動量”，或者干脆再簡單一點，你不妨可以認為這是個類似于汽車的百公里油耗的東東。只不過比沖越大越好，百公里油耗最低越好。影響比沖的主要有燃料的種類和發(fā)動機本身的構(gòu)造，噴管形式等。
推重比
這個比較好理解。就是火箭發(fā)動機能產(chǎn)生的推力和發(fā)動機自身重量的比例。比如發(fā)動機自重1公斤，可以產(chǎn)生10公斤的推力，那么推重比就是10。推重比很大程度上可以反應發(fā)動機設計的是否精巧。推重比越大越好。推重比沒有單位。
海平面推力 / 真空推力
這個也簡單：就是火箭發(fā)動機分別在海平面高度以及真空中分別能產(chǎn)生的推力大小。因為真空中的外界氣壓低于海平面的大氣壓，因此同一種發(fā)動機的真空推力是大于海平面推力的（同樣真空比沖也大于海平面比沖）。推力單位就是力的單位牛頓或者千牛，這個大家都熟哈。影響推力的因素有燃料的種類，發(fā)動機工作模式等，以及最重要的燃燒室的壓力（室壓）。
名詞解釋就這些，下面再講講火箭發(fā)動機的種類。從大類上首先可以分成固體火箭發(fā)動機以及液體火箭發(fā)動機。其中，運載火箭使用的絕大多數(shù)都是液體火箭發(fā)動機，固體的我們就不談了。
液體火箭發(fā)動機里按照使用的燃料可分為以下幾大類：
肼類燃料發(fā)動機
這是在早期使用的（包括我國在長征五號、六號和長征七號之前的其他長征火箭）使用最多的一種液體火箭發(fā)動機。使用的燃料是偏二甲肼，氧化劑則是四氧化二氮。
這兩種物質(zhì)都是在常溫下保持液態(tài)，無需專門的低溫保溫措施，可稱為“常溫火箭”。而且這兩種物質(zhì)直接接觸就會劇烈燃燒，無需專門點火。因此這類液體火箭的可靠性很高。但是這兩種物質(zhì)也都是劇毒物質(zhì)。使用肼類燃料的火箭通常被稱為“毒火箭”，而肼類燃料發(fā)動機也被稱為“大毒發(fā)”
使用肼類燃料的老一代長征火箭
可以看到發(fā)射時黃色劇毒煙霧
加注劇毒肼類燃料時必須穿著防護服
液氧 / 煤油發(fā)動機
這類火箭發(fā)動機使用的燃料是煤油，氧化劑則是液態(tài)氧。
比起肼類燃料，液氧需要低溫保存，需要專門的保溫裝置。屬于“低溫火箭”。而且燃料和氧化劑接觸后不會自燃，需要專門進行點火，可靠性不如肼類的大毒發(fā)。但液氧/煤油發(fā)動機無毒，燃料成本低。本文的主角之一，梅林發(fā)動機就是液氧/煤油發(fā)動機。我國新一代運載火箭，如長征六號和七號使用的也是液氧煤油發(fā)動機。胖五——長征五號的助推器使用的也是液氧煤油發(fā)動機。
液氧煤油發(fā)動機技術(shù)最為成熟的是俄羅斯，甚至美國很多的主力現(xiàn)役火箭，如大力神系列火箭的發(fā)動機都是直接采購俄羅斯的液氧煤油發(fā)動機，或在其技術(shù)上稍作改型。
使用液氧煤油發(fā)動機的長征六號
發(fā)射時不再“黃煙滾滾”
液氧 / 液氫發(fā)動機
這是高大上的一款。使用液態(tài)氫作為燃料，而液態(tài)氧作為氧化劑。
毫無疑問，這也是一款低溫火箭。燃燒完全無毒無害——燃燒的唯一產(chǎn)物就是水。而且由于燃料本身的特性，液氧液氫發(fā)動機的比沖具有天然的優(yōu)勢?？梢赃@么說，最差的液氧液氫發(fā)動機的比沖也比最好的液氧煤油發(fā)動機高。但這類發(fā)動機本身的造價的以及燃料的成本都較高。
液氧液氫發(fā)動機技術(shù)最成熟的是美國，重型德爾塔IV火箭、航天飛機主發(fā)動機，以及在研的空間發(fā)射系統(tǒng)SLS采用的都是液氧液氫發(fā)動機。我國的長征五號的芯級主發(fā)動機也是液氧液氫發(fā)動機。
航天飛機的主發(fā)動機SSME
就是典型的液氧液氫發(fā)動機
液氧 / 甲烷發(fā)動機
這是一種新款的發(fā)動機。使用液態(tài)甲烷作為燃料而液態(tài)氧作為氧化劑。
也屬于低溫火箭，且無毒無公害。甲烷成本比煤油低，且在火星上可以制備。液氧甲烷發(fā)動機的比沖低于液氫，但優(yōu)于煤油機。本文的另一個主角“猛禽”發(fā)動機就是一款液氧甲烷發(fā)動機，且?guī)缀跏俏ㄒ滑F(xiàn)實化的甲烷機。因為在理論上早有甲烷機的概念，但猛禽應該是第一款接近實用化的產(chǎn)品，也是真正能承載鋼鐵俠火星夢的一款發(fā)動機。
課程的最后一部分，則是最復雜的液體火箭發(fā)動機的幾種不同的工作方式（循環(huán)方式）。真正要講解清楚這部分，單開一貼都不為過。但對于一般的愛好者來說并沒有必要了解的這么深。因此我將試圖盡可能的簡單帶過：
心臟的心臟
發(fā)動機是火箭的心臟，那么液體火箭發(fā)動機的心臟是什么呢？答案是“渦輪”。
還是做個類比吧：汽車里面有燃油泵，負責將汽油從油箱輸入發(fā)動機，并給燃油加壓，提供“缸內(nèi)直噴”等技術(shù)所需的壓力?；鸺l(fā)動機也有這么一個燃料泵，通常是離心泵，由其向燃燒室提供加壓的燃料和氧化劑而推動這個泵就是依靠渦輪。
火箭工作時是非?！翱癖钡?，比如土星五號的主發(fā)動機F-1是一款液氧煤油發(fā)動機。單臺F-1發(fā)動機工作時，每秒消耗差不多1800公斤液氧，以及800公斤煤油。要把這么巨量的燃料穩(wěn)定的輸入、加壓、霧化，是需要一個無比強勁的渦輪的。事實上，單臺F-1發(fā)動機的渦輪產(chǎn)生的功率和美國一艘核動力航母的主機功率是相當?shù)摹６鴥烧咧g的體積相差何止萬倍！下面這個視頻就是介紹F-1發(fā)動機的。
那么功率如此強勁的渦輪又是靠什么來驅(qū)動呢？對于微型火箭來說，可以靠電動機帶動。但對于絕大多數(shù)火箭發(fā)動機來說，電機驅(qū)動的功率則小的可憐。
那么最現(xiàn)實也是最簡單的方法就是用火箭燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃氣來驅(qū)動渦輪。大體上的實現(xiàn)方法是在讓部分燃料和部分氧化劑在進入主燃燒室之前先在一個“預燃室”里面燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣來推動渦輪（至于預燃室是采用“富氧燃燒”還是“富燃燃燒”就不討論了）。
那么這部分燃氣在完成使命，也就是驅(qū)動渦輪之后又該何去何從？有兩種途徑：
第一種，直接排~放~掉~！ 沒錯，就是直接排出到外界。這種工作模式的發(fā)動機被稱為“燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機”，或者“開式循環(huán)”。下圖是梅林1D發(fā)動機在試車的照片。大家不難發(fā)現(xiàn)，在噴管右側(cè)，還有一個管子正噴吐著濃煙。這就是典型的燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機的特征，那股濃煙就是預燃室中產(chǎn)生的燃氣，在驅(qū)動渦輪之后被直接排出（而且從“黑煙滾滾”的情形可以立判判斷出梅林發(fā)動機的預燃室是富燃燃燒的）。
梅林1D發(fā)動機試車時主噴管邊上直接排放出的“廢氣”
是“燃氣發(fā)生器循環(huán)”發(fā)動機的典型標志
第二種、將這部分燃氣送入主燃燒室進一步燃燒后，從主噴管中和其他在主燃燒室產(chǎn)生的燃氣一同排出，產(chǎn)生推力。其中又分為了“補燃燃燒”和“補氧燃燒”兩種，同樣也不做進一步討論。這類工作模式的發(fā)動機被稱為“分級燃燒循環(huán)發(fā)動機”，或者“閉式循環(huán)”。
沒看懂不要緊，現(xiàn)在敲黑板記重點了：燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機構(gòu)造簡單，便宜，效率（比沖、推力）略低，而分級燃燒循環(huán)發(fā)動機構(gòu)造復雜，昂貴，但效率高。梅林全系列發(fā)動機都是燃氣發(fā)生器循環(huán)的，而猛禽則是分級燃燒循環(huán)的，而且是最高大上的“全流量分級燃燒循環(huán)發(fā)動機”，這個就不展開說了。
03?神奇的梅林發(fā)動機
為何要說梅林是一款神奇的發(fā)動機？這并非是說它的技術(shù)有多么先進，事實上梅林發(fā)動機的技術(shù)指標在美國現(xiàn)役液體火箭發(fā)動機家族中完全是個小角色。之所以說它神奇，是因為它這些年來一代代更新迭代所取得進步是極其驚人的。
早在SpaceX成立之前，懷揣火箭夢和大把美鈔的馬斯克曾前往莫斯科，當時他的目標是向窮瘋了的北極熊求購幾枚有著“撒旦”綽號的SS-18洲際彈道導彈。沒錯，就是去買洲際導彈！咳咳，當然是不含彈頭的運載火箭部分。事實上，毛熊之后確實將SS-18改成了“第聶伯”運載火箭，在國際商業(yè)發(fā)射市場上大打低價牌。
由SS-18洲際導彈改成的第聶伯火箭
然而馬斯克的求購卻吃了閉門羹，據(jù)說還遭到無情的羞辱。鋼鐵俠由此轉(zhuǎn)身創(chuàng)立了SpaceX，決定自己搞火箭。作為重中之重的發(fā)動機，也打算自己搞。為此，他從TRW公司挖來了湯姆·穆勒（Tom Mueller），而后者就是后來的梅林發(fā)動機的主設計師。
馬斯克當時給出的要求是：研發(fā)盡可能的快，生產(chǎn)盡可能的便宜，工作盡可能的可靠。在這種情形下，采用燃氣發(fā)生器循環(huán)的工作方式幾乎是不二的選擇。雖然效率低了些，但是構(gòu)造簡單，成本低。于是，很快（只用了4年），梅林1A就誕生了。
梅林1A
梅林1A從今天的眼光看來是如此的簡陋，它的海平面推力只有35噸，海平面比沖僅有253秒。當時歐洲航天局曾無情的嘲笑他像是“從自家車庫里拼湊出來的玩意”。這款發(fā)動機除了采用了湯姆·穆勒老東家TRW公司當年為阿波羅登月艙研發(fā)的下降級發(fā)動機（也就是用于著陸月球表面的發(fā)動機）中采用過的針栓式噴注器技術(shù)外（這個不多解釋了，但請記住有這么個玩意），幾乎毫無亮點。而針栓式噴注器的引入，只不過讓這款發(fā)動機具有了80%-111%的節(jié)流能力（可以理解為功率大小可以調(diào)節(jié)）。這對于一開始就設想火箭的回收和復用的馬斯克來說是非常重要的一點（這是后話，我們下一篇再講）。
然而剛問世的梅林1A的可靠性比較糟糕，直接后果就是導致了獵鷹1號火箭的前三次發(fā)射全部失敗，這幾乎葬送了剛起步的SpaceX。
梅林1B是1A發(fā)動機的升級型號，海平面推力提高到38.8噸，海平面比沖261秒，真空比沖303秒，這個指標即使對比幾十年前的主流液氧煤油發(fā)動機也慘不忍睹。梅林1B發(fā)動機從未上天，但它為新的梅林1C發(fā)動機打下了更好的基礎技術(shù)。
梅林1B發(fā)動機
經(jīng)過進一步改進的梅林1C發(fā)動機開始初露崢嶸，它的海平面推力增加到350千牛（35.7噸），還衍生出真空版梅林 1C發(fā)動機，真空比沖336秒。獵鷹9號的1.0版本使用的就是這款發(fā)動機。
最重要的是，梅林1C解決了之前1A時代可靠性低下的問題。盡管單臺推力不大，但勝在構(gòu)造簡單、“身材苗條”。一切為了降低成本的SpaceX幾乎毫不猶豫采用了“一種發(fā)動機包打天下”的策略。獵鷹9號以及后面的重型獵鷹上都只有一種發(fā)動機——梅林。推力不夠數(shù)量來湊——一臺不夠？那么兩臺！還不夠？！那就9臺！真空效率低下？那就安裝一個專門在真空環(huán)境中的大噴管！單一發(fā)動機的策略大大降低了相關的研發(fā)費用，而大批量制造也進一步降低了單臺發(fā)動機的成本。這一思路也會繼續(xù)在后續(xù)的“猛禽”發(fā)動機上得到體現(xiàn)，當然，這是后話了。與之相對比，NASA的親兒子，在研的SLS空間發(fā)射系統(tǒng)，一共要用到4、5種不同型號的發(fā)動機，成本必然居高不下。
小巧的梅林1C
通過擴大噴管面積而改成的“真空梅林”
經(jīng)過大刀闊斧的改進后，2012年梅林 1D發(fā)動機開始試車，它的地面推力為67噸，真空推力74噸，海平面比沖282秒，真空比沖311秒，比沖數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)燃氣發(fā)生器循環(huán)液氧煤油發(fā)動機位居榜首，至于真空版梅林1D發(fā)動機的比沖更是達到了345秒以上，一舉跨入液氧煤油發(fā)動機的世界領先水平。
梅林1D
最新型的梅林1D（也被稱為梅林1D+）在2016年底完成進一步增推后，梅林1D+的海平面推力從最早的梅林1A的34.6噸升至86.2噸，幾乎是前者的2.5倍！對于同一系列的發(fā)動機的不同版本，2.5倍級別的性能提高幾乎是不可能存在的，因為這幾乎是完全不同的兩款發(fā)動機的性能數(shù)據(jù)對比了。
更難能可貴的是，在保持了推力翻倍增長的同時，梅林發(fā)動機還一直保持了它小巧簡單的構(gòu)造。發(fā)動機的推重比無與倫比，最新款的1D發(fā)動機推重比在160以上，穩(wěn)居液氧煤油發(fā)動機的榜首。這些特性直接造就了獵鷹9號的性能飛速提升，同時趨于成熟的1D發(fā)動機大規(guī)模量產(chǎn)也進一步降低了成本。
扎堆生產(chǎn)的梅林1D
不斷迭代，飛速進步的梅林發(fā)動機
然而，目前版本的梅林1D幾乎已經(jīng)榨干了現(xiàn)有材料和技術(shù)的全部潛力。再想提高，將非常困難。但即便單臺推力提升到了83噸，但是對于地球靜止軌道（GSO）的大載荷投送能力，無論是獵鷹9號還是重型獵鷹都有些力不從心。這對于試圖瓜分利潤最為豐厚的軍用衛(wèi)星發(fā)射市場的SpaceX來說是無法接受的。更何況馬斯克那一直碎碎念的火星殖民計劃，那是梅林發(fā)動機肯定無法勝任的工作。于是，幾年前SpaceX就開始全力研發(fā)新型的液氧甲烷發(fā)動機，也就是猛禽。
但作為一家私人航天公司自行研發(fā)出的梅林發(fā)動機，在眾多的液體火箭發(fā)動機中還是占有重要的一席之地的。除了推重比傲視群雄，他的其他參數(shù)并不那么耀眼。下圖就是目前一些主流的發(fā)動機（含固體發(fā)動機）的對比：縱坐標為海平面推力，橫坐標則是比沖，也就是說一款發(fā)動機數(shù)據(jù)點越往右上角越牛逼。那么梅林家族在哪里呢？下圖中我用紅圈將其標注出來了。或許看到這個，你才會理解馬斯克那句“最大短板”并非是客套話。
主流發(fā)動機性能對比
04?被寄予厚望的猛禽發(fā)動機
關于猛禽的公開資料并不多，只是在每年的國際航天大會上，鋼鐵俠會擠牙膏似地放出一點點資料，始終是猶抱琵琶半遮面的感覺。
但從去年開始，猛禽的面目開始逐漸清晰起來。猛禽試車已經(jīng)成功，技術(shù)數(shù)據(jù)已經(jīng)大體確定。是的，數(shù)據(jù)非常非常彪悍！
在保持了和梅林發(fā)動機幾乎相當?shù)捏w積的情況下，猛禽發(fā)動機的海平面推力約300噸，真空推力350噸，這幾乎是梅林1D的4倍以上。采用了全流量分級燃燒循環(huán)的猛禽終于擺脫了梅林時代效率低下的帽子，比沖更是分別達到了334秒和382秒，還具備了20%-100%的大范圍節(jié)流能力。
SpaceX公布的猛禽發(fā)動機數(shù)據(jù)
更重要的是，這是第一款實用化的液氧甲烷發(fā)動機。如前面所述，采用甲烷作為燃料，價格比煤油便宜。同時，甲烷還不存在煤油燃燒的結(jié)焦和積碳問題，可以大大提高火箭復用的便利性。另外還有一個重要點，甲烷是可以在火星上制備的，這一誘惑是馬斯克無論如何無法抗拒的（關于甲烷制備的問題，我計劃放在最終章“鷹之夢”中細說）。
05?尾聲
本篇我們簡單的介紹了一下獵鷹之心——梅林和猛禽發(fā)動機。這應該是全系列中最學術(shù)化，也是最枯燥的部分。下一篇“鷹之魂”中，我們一起來看看SpaceX的看家絕學——火箭的回收和復用。
