SpaceX的短板究竟在哪里？——从梅林发动机说起

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如果我没有搞错的话，当我们假设火箭初始速度为0，则理想火箭方程（又称齐奥尔科夫斯基公式）应该是这个样子的：





可以看出，一枚火箭的最终速度只和两个参数有关，一个是喷气速度（发动机比冲），另一个是火箭干质比，即（火箭总质量/火箭干质量）。后者主要决定于火箭储箱，引擎以及GNC的质量，而前者仅仅是发动机性能的参数。比冲是衡量一款火箭性能的重要参数，而更高的比值意味着能在火箭级数较少的情况下将更重的载荷发射到更高的轨道里。
Falcon 9（猎鹰9）是全世界第一款超轻质化设计的火箭——全箭贮箱广泛使用2198铝锂合金，并采用了大胆的半气球贮箱设计，整流罩和级间段使用碳碳复合材料制造，GNC采用了商业化部件。而如此轻的结构重量，造就了Falcon 9火箭逆天的干质比（火箭一级约为20，二级约为27）。作为对比，同样是液氧煤油的长征七号火箭，全箭干质比在7到8之间。如此差距的结果便是，Falcon 9的标准GTO运力约为6吨，而长征7号在拥有发动机性能和火箭级数优势的情况下，GTO能力仍然几乎约等于0（此句有争议，轻拍）。



关于发动机，SpaceX目前使用9台液氧煤油燃料的梅林发动机作为Falcon 9火箭的第一级发动机，1台真空版梅林发动机作为第二级发动机。在未来，他们希望能使用液氧甲烷的猛禽发动机来驱动第二级，以之获得更强劲的性能。



正如SpaceX CEO马总说过：“火箭引擎是目前SpaceX所面临的最大短板。”
但是，梅林究竟弱在哪里，是否真是不值一钱？



梅林发动机拥有282s的海平面比冲，756KN的海平面推力，以及高达158的引擎推重比。作为一款开式液氧煤油发动机，这确实已经很不错了。但是，总感觉这些空洞的数据并不能说明什么。为了更直观的呈现梅林的定位，我们将全世界大部分火箭发动机的主要性能参数列入一表中。（纵坐标表示发动机的推力，横坐标表示发动机的比冲，可以放大观看）

只要仔细挖掘，这张表能告诉我们很多信息，我们来逐条列出。第一，我们可以发现液氧煤油发动机十分常见，包括历史上以及今天，多数引擎都使用这一燃料。但是，与之相反的是，液氧甲烷发动机几乎没有使用先例，纵然历史上有过多次关于此的试验。因此，我们只能根据一些常识以及不多的SpaceX发言来推测猛禽的一些性能。



关于推力，梅林并没有优异的表现，但是凑合。推力参数并不包含在理想火箭方程中，但是它是极其重要的一环。推力过小，火箭便无法起飞，即使稍小一点，也会带来飞行重力损失的增大，从而使火箭需要更多的燃料来达到某一相同的速度。但是需要说明的是，图表比较的是一台发动机的推力，而一枚Falcon 9是由9台梅林来驱动的。
这张图表同样说明了火箭燃料选择上的差异。即使是一台效率最高的煤油发动机，比冲也远不如一台最差的氢氧发动机，而固体引擎的比冲甚至还比不上煤油发动机。需要特别说明，目前新兴的研究热点甲烷发动机在除了有高于煤油机的比冲外，也拥有煤油机和氢氧机所不具备的一系列优点。而我国目前使用的自燃式毒燃料，拥有可以在常温下保存的优点，比冲水平和煤油发动机持平。根据这些信息，我们几乎可以推出，燃烧产物分子量越小的燃料，拥有更高的比冲水平。
现在，我们也可以来评价下梅林在发动机家族中的地位。梅林的性能参数虽然不是最优异的，但仍然是超越了一大票煤油发动机。而更重要的是，那一大票发动机都是采用的分级燃烧循环模式，而梅林采用的是燃气发生器循环模式。这两种怪异模式的区别在哪？众所周知，火箭发动机需要涡轮泵来驱动燃料进入燃烧室燃烧，几乎所有的起飞级发动机都拥有至少一个预燃室来燃烧少量燃料从而驱动涡轮泵的运转。而两种模式区别就在于处理预燃室废气的方式上：分级燃烧循环模式将废气统统压入燃烧室再次进行燃烧，来获得更大的燃烧效率和比冲；而燃气发生器循环模式是直接将废气进行了排放，进而简化管路设计，减少发动机的干质量。



分级燃烧的这种复杂设计能使发动机达到最高的效率水平，而梅林发动机虽不及此，但是在同类发动机的比较中，它仍然是最优秀的。
但是，这远不能推翻马总之前所作出的陈述。梅林发动机的设计早在Falcon 9火箭设计之初便已定型，甚至还远早于Falcon 1的首飞。显然的是，这款发动机的技术水平和Falcon 9的整体水平是极不相称的，称之为短板完全不过分。在不久的未来，SpaceX下一代引擎猛禽的问世，一定会令我们眼前一亮。



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如果我没有搞错的话，当我们假设火箭初始速度为0，则理想火箭方程（又称齐奥尔科夫斯基公式）应该是这个样子的：

火箭最终速度 = 发动机喷气速度 × ln（火箭总质量/火箭干质量）


齐奥尔科夫斯基公式纪念邮票，左上角就是该公式

可以看出，一枚火箭的最终速度只和两个参数有关，一个是喷气速度（发动机比冲），另一个是火箭干质比，即（火箭总质量/火箭干质量）。后者主要决定于火箭储箱，引擎以及GNC的质量，而前者仅仅是发动机性能的参数。比冲是衡量一款火箭性能的重要参数，而更高的比值意味着能在火箭级数较少的情况下将更重的载荷发射到更高的轨道里。
Falcon 9（猎鹰9）是全世界第一款超轻质化设计的火箭——全箭贮箱广泛使用2198铝锂合金，并采用了大胆的半气球贮箱设计，整流罩和级间段使用碳碳复合材料制造，GNC采用了商业化部件。而如此轻的结构重量，造就了Falcon 9火箭逆天的干质比（火箭一级约为20，二级约为27）。作为对比，同样是液氧煤油的长征七号火箭，全箭干质比在7到8之间。如此差距的结果便是，Falcon 9的标准GTO运力约为6吨，而长征7号在拥有发动机性能和火箭级数优势的情况下，GTO能力仍然几乎约等于0（此句有争议，轻拍）。


猎鹰9火箭早期型号3D透视图

关于发动机，SpaceX目前使用9台液氧煤油燃料的梅林发动机作为Falcon 9火箭的第一级发动机，1台真空版梅林发动机作为第二级发动机。在未来，他们希望能使用液氧甲烷的猛禽发动机来驱动第二级，以之获得更强劲的性能。


一级的9台梅林发动机，呈OctaWeb结构布置

正如SpaceX CEO马总说过：“火箭引擎是目前SpaceX所面临的最大短板。”
但是，梅林究竟弱在哪里，是否真是不值一钱？


只有一人多高的梅林1D发动机实物

梅林发动机拥有282s的海平面比冲，756KN的海平面推力，以及高达158的引擎推重比。作为一款开式液氧煤油发动机，这确实已经很不错了。但是，总感觉这些空洞的数据并不能说明什么。为了更直观的呈现梅林的定位，我们将全世界大部分火箭发动机的主要性能参数列入一表中。（纵坐标表示发动机的推力，横坐标表示发动机的比冲，可以放大观看）

只要仔细挖掘，这张表能告诉我们很多信息，我们来逐条列出。第一，我们可以发现液氧煤油发动机十分常见，包括历史上以及今天，多数引擎都使用这一燃料。但是，与之相反的是，液氧甲烷发动机几乎没有使用先例，纵然历史上有过多次关于此的试验。因此，我们只能根据一些常识以及不多的SpaceX发言来推测猛禽的一些性能。


去年进行的猛禽发动机喷注器试车图

关于推力，梅林并没有优异的表现，但是凑合。推力参数并不包含在理想火箭方程中，但是它是极其重要的一环。推力过小，火箭便无法起飞，即使稍小一点，也会带来飞行重力损失的增大，从而使火箭需要更多的燃料来达到某一相同的速度。但是需要说明的是，图表比较的是一台发动机的推力，而一枚Falcon 9是由9台梅林来驱动的。
这张图表同样说明了火箭燃料选择上的差异。即使是一台效率最高的煤油发动机，比冲也远不如一台最差的氢氧发动机，而固体引擎的比冲甚至还比不上煤油发动机。需要特别说明，目前新兴的研究热点甲烷发动机在除了有高于煤油机的比冲外，也拥有煤油机和氢氧机所不具备的一系列优点。而我国目前使用的自燃式毒燃料，拥有可以在常温下保存的优点，比冲水平和煤油发动机持平。根据这些信息，我们几乎可以推出，燃烧产物分子量越小的燃料，拥有更高的比冲水平。
现在，我们也可以来评价下梅林在发动机家族中的地位。梅林的性能参数虽然不是最优异的，但仍然是超越了一大票煤油发动机。而更重要的是，那一大票发动机都是采用的分级燃烧循环模式，而梅林采用的是燃气发生器循环模式。这两种怪异模式的区别在哪？众所周知，火箭发动机需要涡轮泵来驱动燃料进入燃烧室燃烧，几乎所有的起飞级发动机都拥有至少一个预燃室来燃烧少量燃料从而驱动涡轮泵的运转。而两种模式区别就在于处理预燃室废气的方式上：分级燃烧循环模式将废气统统压入燃烧室再次进行燃烧，来获得更大的燃烧效率和比冲；而燃气发生器循环模式是直接将废气进行了排放，进而简化管路设计，减少发动机的干质量。


两种燃烧模式的循环示意图，蓝圈处就是区别所在


梅林发动机试车图，清晰可见右侧排出的废气

分级燃烧的这种复杂设计能使发动机达到最高的效率水平，而梅林发动机虽不及此，但是在同类发动机的比较中，它仍然是最优秀的。
但是，这远不能推翻马总之前所作出的陈述。梅林发动机的设计早在Falcon 9火箭设计之初便已定型，甚至还远早于Falcon 1的首飞。显然的是，这款发动机的技术水平和Falcon 9的整体水平是极不相称的，称之为短板完全不过分。在不久的未来，SpaceX下一代引擎猛禽的问世，一定会令我们眼前一亮。


新搭建的猛禽发动机试验场地

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