梅林火箭引擎
梅林火箭引擎（英語：Merlin rocket engine）是SpaceX研發的液氧煤油火箭引擎，用於獵鷹1號、獵鷹9號和獵鷹重型運載火箭。
 Merlin 1D在SpaceX位於McGregor的測試架上進行測試點火 | |
| 原產國 | 美國 |
|---|---|
| 製造者 | SpaceX |
| 用途 | 第一級引擎、上層級引擎 |
| 相關產品 | 獵鷹9號、獵鷹重型 |
| 上一代產品 | 梅林1C |
| 現狀 | 服役中 |
| 液態火箭發動機 | |
| 推進劑 | LOX / RP-1 |
| 系統 | 燃氣發生器循環 |
| 構造 | |
| 燃燒室 | 1 |
| 性能 | |
| 推力（真空） | 914 kN（205,000 lbf） |
| 推力（海平面） | 845 kN（190,000 lbf）[1] |
| 推重比 | 180.1 |
| 燃燒室壓力 | 9.7 MPa（1,410 psi） |
| 比衝（真空） | 311 s |
| 比衝（海平面） | 282 s (2.73 km/s) |
| 尺寸 | |
| 直徑 | 1.25公尺（4.1英尺） |
| 淨重 | 1,030英磅（470公斤）[2] |
| 參考文獻 | |
| 參考文獻 | [3][1][4][2] |
梅林火箭引擎經歷了多個型號的發展，現在廣泛使用的型號是梅林1D和用於第二級的梅林1D真空版，是梅林引擎早期型號的改進型。梅林火箭引擎是當今世界上最先進的液氧煤油火箭引擎之一，它是一款廉價、可重複使用、易於量產的火箭引擎。為了滿足火箭回收和重複使用的需要，梅林火箭引擎能夠多次啟動，可大範圍調節推力，並且具有所有火箭引擎中最高的推重比。[2]梅林採用燃氣發生器循環，使用液氧和精煉煤油作為推進劑。梅林引擎也是美國在21世紀除RS-68外研發的第二款火箭引擎。[5]梅林火箭引擎有著極高的可靠性，截至2020年8月，其最新版本梅林1D已經過930多次飛行從未發生事故。
版本歷史
梅林1A
作為SpaceX最早開發的版本，梅林1A引擎使用便宜、一次性的燒蝕冷卻碳纖維複合材料噴嘴，可以提供340kN (76,000lbf) 的推力。梅林1A只飛行了兩次，都被用於獵鷹一號的第一級上。第一次在2006年3月24日，發射之後不久因為燃料洩漏而起火而導致發射失敗[6][7] 。第二次在2007年3月21日，這次發射非常成功。[8] [9][10]。
SpaceX的渦輪幫浦採用全新的設計，由Barber-Nichols公司在2002年獲得合約，進行設計、工程分析、製造與測試的完整流程。這間公司也曾參與 RS-88引擎以及NASA Frastrac引擎計畫的渦輪幫浦製作。梅林1A的主軸採用獨特的摩擦焊接技術，在Inconel 718製成的兩端之間接上由鋁合金製作的RP-1燃料葉輪。渦輪幫浦的艙室以包模鑄造成形、兩端為Inconel、中心是鋁合金，以及在液氧端有300系的不鏽鋼。渦輪是一個部分開啟 (意即工作流體只在旋轉的某些部分被允許進入，是一個圓弧、但不是整圈都可以) 脈衝設計且最高轉速可達20,000 rpm，總重量為68 kg (150 lb)。
梅林1B
在此之後，SpaceX以梅林1A為基礎，設計出梅林1B引擎，同樣用於獵鷹1號運載火箭。推力提升到380kN (85,000 lbf)，而在真空中可以達到 420kN (95,000 lbf)，比衝值分別為261 s (2.56 km/s)以及 303 s (2.97 km/s)。
渦輪幫浦同樣由Barber-Nichols公司為SpaceX升級，其功率從梅林1A的 1,500kW (2,000 hp) 提高到 1,900kW (2,500hp)。升級的方式包括安裝一個額外的噴嘴、將部分開啟改為全程開啟，以及稍微加大RP-1與液氧的葉輪。新的幫浦以更快的轉速22,000 rpm運轉，產生更高的出口壓力。整體重量不變，依然是68 kg (150 lb)。另一個值得注意的改變是，不同於1A採用火炬點火 (torch ignition)，1B改成以TEA–TEB自燃點火。
起初，SpaceX打算將梅林1B用於獵鷹9運載火箭，並聯9個發動機作為第一級使用。但是由於獵鷹1號的發射失敗，SpaceX轉而發展採用再生冷卻技術的梅林1C引擎，而梅林1B再也沒有被用於運載火箭發射。[9][10]
梅林1C
梅林1C是SpaceX第一款使用再生冷卻技術的火箭引擎。在2007年11月，梅林1C進行了時長170秒的完整試車[11][12]。2008年8月，梅林1C引擎首次被用於獵鷹一號的發射[13]。隨後在2010年6月，梅林1C幫助獵鷹九號完成了第一次飛行[14]。配置在獵鷹1號上時，梅林1C的海平面推力為350 kN（78,000 lbf），真空推力為400 kN（90,000 lbf） 真空比衝可達304秒。在這種配置下引擎每秒消耗140公斤（300磅）推進劑。對梅林1C引擎做的測試證實，單台引擎能連續工作27分鐘，大約是十次飛行任務時間的總和[15]。當配置在獵鷹九號上時，梅林1C的海平面推力為560 kN（125,000 lbf）, 比衝為300秒。[16]
為了打入地球同步軌道衛星發射市場，SpaceX迫切需要在控制成本的前提下，研發一款高比衝第二級引擎。真空版的梅林1C，是SpaceX自行開發的首款第二級煤油引擎，基於梅林1C改進而來。2008年3月10日，SpaceX宣布梅林1C真空版測試成功。2010年1月2日，梅林真空引擎全時長試車成功[17]。相較於梅林1C引擎，梅林1C真空版採用了更長的噴嘴和更大的擴張比，以此來最佳化真空下引擎的效率。燃燒室以再生冷卻散熱、2.7公尺長[18]的鋯鈮合金[19]噴嘴擴散段則以輻射散熱。引擎提供411kN的推力，在真空中比衝值可達342s，性能在第二級液氧煤油引擎中相當先進。[20]
在2010年6月4日的獵鷹9號首飛中，梅林1C真空版被用於獵鷹9號的第二節火箭。在全功率運作下，成為最高效率的美國製造碳氫燃料火箭引擎。[21]
梅林1C引擎擁有相當優異的可靠性。在獵鷹9號第二次飛行前不久，工程師在梅林真空引擎的鋯鈮合金噴嘴上發現兩條裂縫。在發射前兩天，工程師的解決方案是剪掉下面的1.2公尺長的噴嘴。即便沒有長噴嘴帶來的額外推力，引擎也能完成此次任務。最終儘管用了比較短的噴嘴，引擎依然把第二節火箭送上了11000公里高的軌道。[18]
梅林1D
梅林1D引擎由SpaceX於2011年至2012年期間開發，2013年首飛。[22] 梅林1D引擎的最初(2011年4月)設計中，海平面推力為620 kN（140,000 lbf）。[22] 2011年，SpaceX宣布[23]梅林1D引擎的真空推力將為690 kN（155,000 lbf），真空比衝（Isp）將為310秒，膨脹比增大到16（與先前梅林1C引擎的14.5相對），艙壓位於9.7 MPa（1,410 psi）這個「最佳點」。 梅林1D引擎的由了一個新功能，能夠從100%至70%節流。[4] 後來的改進使引擎能夠最低以滿推力的40%工作。[24]
新引擎的設計目標包括提升可靠性（提高的疲勞壽命、燃燒室、噴嘴的熱餘量），提升性能(設計目標140,000英磅力（620千牛頓）以及70-100%節流能力），更易於製造。(部件數更少，工時更少）。[25]
在2012年6月引擎測試完成之後，SpaceX表示引擎已經完成了一次全任務時長（185秒）的測試點火，成功產生了650 kN（147,000 lbf）的推力，並且確認了預期中高於150的推重比。[26]
梅林1D引擎的比衝是燃氣發生器循環液氧煤油引擎中最高的。
2013年3月20日，SpaceX宣布梅林1D引擎已經完成了飛行認證。
2013年6月，第一種使用梅林1D引擎的發射載具——獵鷹9號運載火箭1.1版的第一級，完成了研發測試。[27]
使用梅林1D引擎的獵鷹9號運載火箭的首次飛行發射了加拿大太空總署的CASSIOPE衛星。CASSIOPE是一顆800英磅（360公斤）的天氣研究與通訊衛星，被發射進入了近極地低地球軌道（LEO）。第二次發射則將SES-8衛星送入了地球同步轉移軌道（GTO）。[28] [29]
梅林1D引擎的基礎混合比由推進劑供應管道的大小控制，只有少部分燃料流被一個由致動器控制的節流閥調節，以提供混合比的精細控制。[30]
2013年11月24日，在一次SpaceX、SES間關於SES-8發射的聯合電話會議中，埃隆·馬斯克表示引擎實際上只發揮了能力的85%，而且他們計畫將海平面推力提高到165,000英磅力（730千牛頓）。[31] 在2015年6月，Tom Mueller回答了Quora上一個關於梅林1D引擎推重比的問題。他表示梅林1D引擎重1,030磅（470公斤）（包括推力致動器），當前真空推力為162,500英磅力（723千牛頓），真空推力提將升到185,500英磅力（825千牛頓），而引擎重量不變。從這些數據中可得出當前的推重比約為158，升級後推重比將約為180。[2]升級後的引擎目前和另外幾個改進一起正被用於獵鷹9號運載火箭的一次改進——獵鷹9號全推力版。改進後的火箭在第20次飛行中首次使用，將11個Orbcomm OG2衛星送入軌道。
2016年5月，SpaceX宣布了進一步改進梅林1D引擎的計畫。計畫中，真空推力提升至914 kN，而海平面推力則提升至845 kN。SpaceX表示，增加的推力將把獵鷹9號運載火箭一次性任務中的LEO運力提升至約22公噸。 SpaceX還表示，不像之前的全推力升級，火箭性能的提升完全來自引擎推力的提升，而不是對火箭作出的任何大的改動。
梅林1D真空版
梅林1D引擎的真空版，為獵鷹9號運載火箭和獵鷹重型運載火箭的第二級而研發。[32][4]
2012年末，埃隆·馬斯克發表推文，展示了梅林真空1D引擎在測試架上點火的圖片，並且說道：「Now test firing our most advanced engine, the Merlin 1D-Vac, at 80 tons of thrust." [33] 目前SpaceX官方的獵鷹9號運載火箭產品頁上，梅林真空1D的推力為934 kN（210,000 lbf），真空比衝為348秒。[32] 真空環境允許引擎有更大的膨脹比（165:1，使用升級後的噴嘴），因而造成了這些提升。[32][34]
根據SpaceX發布的酬載用戶手冊，梅林真空1D最低能節流至滿推力的39%，或者360 kN（81,000 lbf）。[34]
設計細節
梅林火箭引擎（梅林1D）的工作流程是，獵鷹火箭燃料箱中的煤油和過冷液氧在加壓後，通過兩條主管道配送到箭體尾部的梅林引擎。小部分煤油和液氧進入預燃室，在其中燃燒生成高溫燃氣，推動梅林火箭引擎的渦輪泵。預燃室的尾氣直接排放到引擎外，因此這種工作方式稱為燃氣發生器循環。液氧和煤油由兩個同軸的泵分別泵入，泵的轉速為每分鐘36000轉，在此轉速下渦輪泵可以產生10000馬力以上的功率，並將剩餘的大部分液氧和煤油加壓到200個大氣壓。一部分高壓煤油流過主燃燒室外的銑槽和噴嘴前端盤旋的管道，讓燃燒室和噴嘴降溫，且升高燃料溫度以方便燃燒。最後這些推進劑進入燃燒室燃燒。梅林火箭引擎每分鐘消耗8.4噸推進劑，在海平面高度可以產生845kN（約合84.5噸）的推力，但梅林火箭引擎自身重量只有470kg。
梅林火箭引擎使用了類似阿波羅計畫中月球登陸艙下降級所使用的針栓式噴注器，這種設計使得梅林火箭引擎可以大範圍調節推力。梅林引擎的渦輪泵除了將推進劑加壓外，它也分出一部分高壓煤油驅動液壓控制器使引擎搖擺，以產生向量推力。這種設計使得梅林引擎不需要獨立的液壓動力系統，這意味著火箭不會由於液壓耗盡而失去對推力方向的控制。在早期的一些梅林引擎設計中，預燃室產生的尾氣也可以提供側向推力來控制火箭滾轉。獵鷹1號上使用的梅林1A、梅林1C有可以活動的燃氣發生器排氣管，通過改變廢氣噴出的方向來控制火箭的滾轉。但在梅林引擎的後期型號中SpaceX放棄了這一設計，用於獵鷹9號1.0版第一級的梅林引擎幾乎和獵鷹1號上的一樣，但獵鷹9號上的渦輪泵排氣裝置被設計成固定的，這樣火箭的方向控制就完全依靠引擎的搖擺，不必設計額外的活動排氣裝置，以簡化引擎結構。
另一種梅林引擎稱為梅林真空版。顧名思義，這種引擎適合在稀薄的高層大氣中工作。梅林真空版用於獵鷹9號的第二級。和第一級使用的梅林引擎相比，梅林真空版使用加長的噴嘴，這使得燃燒室的高溫高壓氣體能更充分的膨脹做功，因此有更高的比衝和推力，但是也相對更重。截至2018年，梅林1D真空版引擎的膨脹比為165:1，真空比衝高達348s，這一數值高於絕大多數的分級燃燒循環（富氧補燃循環）上層級液氧煤油引擎。
為了降低成本，梅林引擎的飛行控制計算機不使用昂貴的航太級晶片，轉而使用廉價的民用晶片。為了保證安全性，每台引擎使用三台完全相同的控制計算機，互為冗餘備份，互相校驗結果。因此，對於安裝了9台梅林引擎的獵鷹9號第一級，其上共有27台飛行控制計算機，在飛行時協同控制引擎工作。
| 梅林火箭引擎各型號比較（截至2019年12月） | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 名稱 | 推力 | 比衝 | 乾重 | 推重比 | 燃燒室壓力 | 冷卻方式 | 向量推力 | 噴嘴直徑 | 高度 | ||
| 海平面 | 真空 | 海平面 | 真空 | ||||||||
| 梅林1A | 340kN | 378kN | 270s | 300s | -- | -- | -- | 燒蝕冷卻 | 預燃室排氣 | -- | -- |
| 梅林1B | 380kN | 420kN | 261s | 303s | -- | -- | -- | 燒蝕冷卻 | 預燃室排氣 | -- | -- |
| 梅林1C | 420kN | 480kN | 275s | 304.8s | 630kg | 96 | 6.7MPa | 再生冷卻 | 擺動 | 2.92m | 1.8m |
| 梅林1D | 845kN | 914kN | 283s | 311s | 470kg | 180 | 9.7MPa | 再生冷卻 | 擺動 | 2.92m | 1.8m |
參考資料
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- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Mueller, Thomas. Is SpaceX's Merlin 1D's thrust-to-weight ratio of 150+ believable?. 2015-06-08 [2015-07-09].
The Merlin 1D weighs 1030 pounds, including the hydraulic steering (TVC) actuators. It makes 162,500 pounds of thrust in vacuum. that is nearly 158 thrust/weight. The new full thrust variant weighs the same and makes about 185,500 lbs force in vacuum.
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– Increased reliability: Simplified design by eliminating components and sub-assemblies. Increased fatigue life. Increased chamber and nozzle thermal margins,」 noted SpaceX in listing the improvements in work. – Improved Performance: Thrust increased from 95,000 lbf (sea level) to 140,000 lbf (sea level). Added throttle capability for range from 70-100 percent. Currently, it is necessary to shut off two engines during ascent. The Merlin 1D will make it possible to throttle all engines. Structure was removed from the engine to make it lighter. – Improved Manufacturability: Simplified design to use lower cost manufacturing techniques. Reduced touch labor and parts count. Increased in-house production at SpaceX.
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the fuel-trim valve adjusts the mixture in real time. The fuel-trim device consists of a servo-motor-controlled butterfly valve. To achieve the proper speed and torque, the design incorporates a planetary gearbox for a roughly 151:1 reduction ratio, gearing internal to the unit. The shaft of the motor interfaces with the valve directly to make fine adjustments. 'The basic mixture ratio is given by the sizing of the tubes, and a small amount of the flow of each one gets trimmed out,' explains Frefel. 'We only adjust a fraction of the whole fuel flow.'
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