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如何正确地“黑”SpaceX(一):从梅林引擎开始
关键字: 马斯克梅林引擎液氧煤油不过,尽管优点多多,针栓式喷嘴的固有缺点,却也在梅林发动机的设计和制造过程中把整个团队坑得不轻。
针栓式喷嘴构造对冷却的要求很高,所以最初的梅林1A与1B,均不可避免的遇到了过热的问题。由于梅林系列发动机在其开发初期坚持采用了可靠性和效率都很糟糕的烧蚀冷却方式,所以发动机过热烧穿的问题,一直团队在早期面临的最大挑战。最早的猎鹰1型火箭,就屡屡在发动机的问题上吃瘪。直到被搞烦了的SpaceX决定下大力气部分推倒重来——从1C改进型开始,将发动机冷却模式改为回热冷却式,彻底放弃烧灼冷却模式,这才基本解决了过热的问题。
一台展示中的梅林1C,可见其喷管上的回热冷管线
所谓回热冷却,就是设计一组专门环绕燃烧室和喷嘴的管路,将燃料首先流经燃烧室和喷口的外壁再注入燃烧室。既冷却了发动机又可以预热燃料。但其较为复杂的结构,也增加了引擎开发的难度和风险。
然而,换用回热冷模式却和SpaceX的技术发展宗旨是背道而驰的。众所周知,梅林引擎在立项伊始,就被定义为一种结构尽可能简单的高性价比引擎。也因为这个思路,没有选用技术难度更大、但是比冲更高的分级燃烧循环,而是结合美国的技术积累情况,走了较为简单、低成本、低风险的燃气发生器循环模式——因为阿波罗计划的牵引,上世纪60年代,美国在液氧煤油燃料、燃气发生器循环领域作了大量工作,技术积累非常丰厚,但是此后的研发重点就转向了液氢液氧燃料、高压补燃循环(分级燃烧循环的一种)发动机,对液氧煤油发动机研发投入不多。
分级燃烧循环模式(左)与燃气发生器循环模式(右)构造对比
那么,分级燃烧循环模式和燃气发生器循环模式到底有何区别?前者在燃烧循环时,将推动涡轮泵做功的废气压入燃烧室再次进行燃烧,最大限度利用燃气的能量。而后者,为了最大限度简化设计、采取直接将废气一排了事的“简单粗暴”态度,以求最大限度减少发动机的干质量。因为分级燃烧循环充分利用了涡轮泵废气的能量,可以大幅度提高涡轮功率、进而提高燃烧室压力,显著提高了发动机比冲。对于燃气发生器循环,涡轮废气的能量被浪费了,涡轮泵的功率越高、这种浪费越严重,到了一定程度、浪费的废气能量高于燃烧室压力提高带来的好处,得不偿失;所以燃气发生器循环的燃烧室压力较低,比冲明显低于分级燃烧循环。
当然,在液氧煤油燃料组合上,燃气发生器循环比高压补燃循环还有一个优势:富燃燃烧。因为煤油的高温结焦问题,高压补燃循环只能采用调高氧化剂比例的富氧燃烧模式,高温高压燃气堪比乙炔气割,一旦发动机故障、燃气泄漏,故障发展会很迅速、后果严重。相比之下、富燃燃烧的燃气破坏力就弱得多,故障发展缓慢、温和得多,这个特性曾经挽救过猎鹰9号的发射任务,此乃后话。
车间内组装完成的梅林1C引擎
显然,由于丰满的理想和骨干的现实,SpaceX被迫做出了无奈的妥协。使得梅林发动机在走燃气发生器循环模式,以求最大程度简化的同时,却被迫在发动机冷却模式上采用回热冷却。最终,造就了梅林1C这个有几分怪异,但基本算是“好用”的引擎。
梅林1C基本固定了当前经典版梅林引擎的所有特性。在其基础上开发的1D,则是进一步的减重与优化设计。最终,在设计团队的竭尽所能之下,其燃烧室压力较之1C提高了近五分之二,接近100个标准大气压力,使得性能有了大幅的提高。
总的来说,即便是以梅林1D而言,其海平面比冲也仅有275s,海平面推力折合约66吨。虽然较为可靠,但各项指标均已落后,算不上什么强大的火箭发动机。最新型的梅林1D+发动机数据版本繁杂、自相矛盾,很难准确评价,但是它的技术基础没有变化,核心指标不会有革命性突破。
正在试车中的梅林1D引擎,注意右侧管路中排出的气流,这是涡轮泵排出的废气,燃气发生器循环模式的典型特征
纵观美国航天界琳琅满目的火箭发动机货架,比之更优秀的产品比比皆是。例如航天飞机的主发动机,大名鼎鼎的洛克达因产航天飞机主发动机(SSME)。其采用液氢液氧燃料、高压补燃循环、可以重复使用,海平面比冲达366s、海平面推力约190吨。其性能不知甩开梅林1D几条大街。尤其是其具备高达452s的真空比冲!相较而言,梅林1D仅有可怜的310s。那么,既然费尽周章完成的梅林1D实际上是个半吊子,市面上也有着远比它强大的引擎,那么为何公司不老老实实掏钱去买现成的好发动机呢?
洛克达因公司的RS-25,或者直接称之为“航天飞机主发动机”(SSME)。至今其仍是最出色的氢氧火箭发动机之一。价格昂贵是它唯一的缺点
实际上,目前目前声名大噪的猎鹰9号运载火箭的成功之处,就在于其采用了梅林这样的“大路货”。但是,SpaceX是一家典型的商业公司。它的宗旨是抢占市场,获得业务,最终实现盈利。而不是设计和制造更棒更强的火箭,为航天事业做出贡献。开发梅林系列发动机的基本要求就是廉价。即便是最新型的梅林1D,推算价格也仅百万美元级别。与之相比,性能远胜的SSME,其价格却是以千万计的。此外,不但是发动机本身的价格相差悬殊,采用煤油为燃料的梅林引擎与采用液氢为燃料的SSME,其使用成本也相差悬殊。
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