猎鹰9火箭为什么这么皮实？——从紧急关机和发动机爆炸 ...

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SpaceX公司备受瞩目的下一次发射CRS-8暂定于北京时间凌晨4月9日，这也是F9-FT型火箭首次执行国际空间站的货运补给任务（之前由F9 1.1版火箭发射）。



虽然F9-FT已经执行了3次发射任务，但是按照SpaceX公司的“一贯风格”，此次发射出现什么稀奇古怪的问题也未可知，而公众似乎对于SpaceX火箭出问题也是见怪不怪，无论是反复起竖、反复加注、点火后紧急关机乃至是发射中发动机爆炸，都没能影响猎鹰9完成发射任务。其它发射承包商的火箭在猎鹰9面前仿佛一位娇滴滴的大姑娘，根本经不起这番折腾。




如果要问为什么猎鹰9有如此如此彪悍的容错性，还是要从梅林发动机本身可复用的设计思路和制造测试过程来分析，简单来说就是重复点火和关机乃至发射中丧失部分发动机推力都是包络在猎鹰9火箭本身的设计工况中的。

众所周知， “梅林”发动机（Merlin）是一款完全由美国本土设计，并由总部设在加利福尼亚州霍索恩的SpaceX厂房所制造的火箭发动机。堪称美国“车库文化”的又一个典型代表，是在马斯克意图购买前苏联引擎未果后，由TRW前总师Tom Mueller牵头开发完成的。



可以说，自从猎鹰9被赋予了重复使用以降低发射成本的重任以来，梅林发动机就必须具有优异的多次重复启动、节流和中止性能。对于以往其他绝大部分火箭发动机只要稳定工作不到三分钟就结束使命相比，这称得上是一个巨大的挑战。之所以这么说，因为对于一般的一次性运载火箭而言，发射中点火后的紧急关机，一般都可以视为发射事故，有可能导致各种不堪设想的后果。哪怕是四氧化二氮(N2O4)和偏二甲肼(UDMH)这种接触就自燃的双组员推进剂组合，虽然在卫星上这种组合就是以优异而稳定的再启动性能（无需点火器）而得到广泛使用。



但如果点火后紧急关机发生在一次性设计的运载火箭上，哪怕采用的是这种接触自燃的燃料组合，依旧是极端危险的。而如果是固体火箭推进器，比如航天飞机的两枚大“窜天猴”，那真是开弓没有回头箭了。



所以，如果说可复用火箭设计一定程度上增强了火箭关机程序的可靠性也是合理的。毕竟每一台梅林发动机从零件走向发射台的全过程中都会历经至少3次点火和启停，紧急关机对于它来说可谓是家常便饭。

从时间顺序上，每一台梅林发动机在SpaceX总部的制造过程以主要部件——喷嘴、涡轮泵、气体发生器、推力室、阀门和点火器——开始，并和管道、传感器等其他小型部件组装成发动机的主要组件。这些组件将被组装成发动机的下部和上部组合体。一旦上部和下部组合体交付至一定数量，发动机将在测试前经受一系列的质检以确保不存在缺陷。



然后SpaceX将采用位于德克萨斯州麦格雷戈的占地超过4000英亩的先进技术火箭研发设施来对这些发动机进行第一次点火——单体测试。



一旦通过认证达到了设计要求和并满足了飞行状态下的可靠性，发动机就将被运回加利福尼亚，在这里发动机将被装配到“猎鹰9号”火箭第一级的“八角网”（Octaweb）发动机结构中。（Octaweb是SpaceX自己起名的发动机金属支撑结构，一圈均布八台发动机，中央一台，这种结构代替了原有的3X3正方形发动机布置，如下所示）



完整的一级火箭将被再次运至德克萨斯（Texas）进行第二次点火测试——9台发动机的整体点火测试。



最后被运至相应的发射地点，作为发射前整个发射系统的一部分进行第三次点火测试——静态点火测试。

而在三次测试过程中，一旦某次测试出现问题，那么发动机将被检查、解体、维修，并重新进行点火启停测试直到满足设计要求。哪怕是发动机在发射过程中发生了失效甚至爆炸，其它梅林发动机和火箭飞控系统的的冗余设计也会保证任务照常进行，甚至坊间一直盛传猎鹰9一级的9台发动机间设置了凯夫拉材质的防弹插板来防止某台发动机爆炸的碎片破坏其余发动机。



总的来说，梅林是美国产的“亲儿子”，怎么折腾怎么改都是合理的，复用设计这种并不主流的思路在现阶段ULA这种以采购俄制廉价发动机的企业里是无法实施的（不排除以后跟风）。而SpaceX也在国会、公众、媒体面前多次强调梅林发动机“土生土长美国货”的身份和地位，之所以一直强调着这重身份，笔者认为无外乎以下三方面原因：



首先，众所周知的是美国和俄罗斯现阶段因为乌克兰问题关系趋冷，俄方已经暂停向美国出口关键的RD-180发动机，麦凯恩议员也对ULA进口俄制发动机发起了猛烈抨击，这就掐住了ULA部分型号火箭的脖子。而“德尔塔”的RS-68发动机光发动机单机价格就高达2000万美元，而SpaceX单次发射报价平均也就8000万到一亿美元之间。所以美国人在这种窘境之下，SpaceX在各种场合都强调所谓“自主知识产权”的重要意义，事实“梅林”发动机确实是完全由美国设计和制造，不依赖进口。虽然实质上“梅林”发动机从技术水平讲并不十分先进，但是毕竟这是自己家的东西，强调自给自足也是为SpaceX下阶段订单的可靠性做了很好的宣传。

其次是给了SpaceX展现优异成本控制能力的机会，任何一款高技术产品，尤其是类似火箭发动机这种产品，在最初阶段都需要庞大的研发投入和生产线投入。但是随着产量的不断上升，这些成本将被不断增长的发动机产量不断摊平，使得“梅林”发动机的“性价比”日益突出，更将SpaceX的成本控制能力发挥的淋漓尽致。而之前第100台梅林发动机下线的重要节点更是向全世界宣布，“梅林1D”是如此成熟、如此可靠、如此强大而又如此廉价。抛开宣传价值，在发射报价不变的前提下，发动机成本不断走低必将使净利润不停上升，再结合与NASA签订的载人发射合同，SpaceX才在资金上有实力继续研发重型猎鹰火箭和载人型龙飞船（Dragon Version 2，现在称之为Crew Dragon）。

最后无外乎要抢生意，SpaceX抛开火星殖民的终极目标，究其实质还是一家私营企业，追逐更多的订单和利润是必然的。而之前由于特殊的政府合作壁垒，SpaceX一直无法介入到军用发射的业务之中，军用卫星和军用航天器还是联合发射联盟（ULA）的一块肥肉。因此马斯克曾专门撰写了一封公开信来申请和希望参与到军用发射合同的竞争中，虽然已经拿到了美国空军的发射认证，意味着SpaceX已经介入这块市场，但是显然下一步扩大战果和巩固成就的需求依旧强劲，保障发射成功率依旧任重道远。



不管怎么改进，单机推力偏小的问题是躲不开的，采用并联“梅林1D+”的这种方式，当达到猎鹰重型火箭的时候，27台“梅林1D+”的并联保不齐就会重蹈前苏联N1火箭并联30台发动机导致四射四爆的悲惨结局。因为多发动机并联的可靠性和复杂的耦合振动一直都是难以妥善解决的问题。虽然重型猎鹰的发动机并联模式和N1大相径庭，但是SpaceX自然也想早早换用大推力单机发动机，哪怕是做为替换的先进上面级，至少也能切实的让SpaceX离火星更进一步。



综上，我们抛开SpaceX极强的宣传和媒体炒作能力，以及火箭本身高度的容错性和复用设计，在现在阶段不断改进、宣传和强调已经成熟的“梅林1D+”发动机实质上是无奈之举。根据SpaceX的长期技术路线图，SpaceX下一阶段的在火箭上的重头戏还是代号“猛禽”的新型发动机。然而在新的项目中，SpaceX能否真正引领世界傲视群雄，还是要让我们拭目以待了。

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SpaceX公司备受瞩目的下一次发射CRS-8暂定于北京时间凌晨4月9日，这也是F9-FT型火箭首次执行国际空间站的货运补给任务（之前由F9 1.1版火箭发射）。

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2016-3-30 15:39 上传

SpaceX发布的CRS-8任务徽章

虽然F9-FT已经执行了3次发射任务，但是按照SpaceX公司的“一贯风格”，此次发射出现什么稀奇古怪的问题也未可知，而公众似乎对于SpaceX火箭出问题也是见怪不怪，无论是反复起竖、反复加注、点火后紧急关机乃至是发射中发动机爆炸，都没能影响猎鹰9完成发射任务。其它发射承包商的火箭在猎鹰9面前仿佛一位娇滴滴的大姑娘，根本经不起这番折腾。

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2016-3-30 15:39 上传

2012年一台发动机发生疑似爆炸，其余8台依旧完成了发射任务

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2016-3-30 15:39 上传

SES-9任务中由于预冷燃料温度升高导致点火后紧急关机


如果要问为什么猎鹰9有如此如此彪悍的容错性，还是要从梅林发动机本身可复用的设计思路和制造测试过程来分析，简单来说就是重复点火和关机乃至发射中丧失部分发动机推力都是包络在猎鹰9火箭本身的设计工况中的。

众所周知， “梅林”发动机（Merlin）是一款完全由美国本土设计，并由总部设在加利福尼亚州霍索恩的SpaceX厂房所制造的火箭发动机。堪称美国“车库文化”的又一个典型代表，是在马斯克意图购买前苏联引擎未果后，由TRW前总师Tom Mueller牵头开发完成的。

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2016-3-30 15:39 上传

左侧这位大叔就是Tom Mueller

可以说，自从猎鹰9被赋予了重复使用以降低发射成本的重任以来，梅林发动机就必须具有优异的多次重复启动、节流和中止性能。对于以往其他绝大部分火箭发动机只要稳定工作不到三分钟就结束使命相比，这称得上是一个巨大的挑战。之所以这么说，因为对于一般的一次性运载火箭而言，发射中点火后的紧急关机，一般都可以视为发射事故，有可能导致各种不堪设想的后果。哪怕是四氧化二氮(N2O4)和偏二甲肼(UDMH)这种接触就自燃的双组员推进剂组合，虽然在卫星上这种组合就是以优异而稳定的再启动性能（无需点火器）而得到广泛使用。

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2016-3-30 15:39 上传

土星五号火箭发动机的点火器，而自燃燃料组合可以省略点火器，从而提高发动机启动的可靠性，比如阿波罗计划中的月表起飞级发动机

但如果点火后紧急关机发生在一次性设计的运载火箭上，哪怕采用的是这种接触自燃的燃料组合，依旧是极端危险的。而如果是固体火箭推进器，比如航天飞机的两枚大“窜天猴”，那真是开弓没有回头箭了。

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2016-3-30 15:39 上传

这可能是中国网友印象最深刻但是也是最不想回忆起的一次紧急关机了

所以，如果说可复用火箭设计一定程度上增强了火箭关机程序的可靠性也是合理的。毕竟每一台梅林发动机从零件走向发射台的全过程中都会历经至少3次点火和启停，紧急关机对于它来说可谓是家常便饭。

从时间顺序上，每一台梅林发动机在SpaceX总部的制造过程以主要部件——喷嘴、涡轮泵、气体发生器、推力室、阀门和点火器——开始，并和管道、传感器等其他小型部件组装成发动机的主要组件。这些组件将被组装成发动机的下部和上部组合体。一旦上部和下部组合体交付至一定数量，发动机将在测试前经受一系列的质检以确保不存在缺陷。

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2016-3-30 15:39 上传

组装完成的梅林1D发动机单体

然后SpaceX将采用位于德克萨斯州麦格雷戈的占地超过4000英亩的先进技术火箭研发设施来对这些发动机进行第一次点火——单体测试。

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2016-3-30 15:39 上传

第一次点火：单机点火测试

一旦通过认证达到了设计要求和并满足了飞行状态下的可靠性，发动机就将被运回加利福尼亚，在这里发动机将被装配到“猎鹰9号”火箭第一级的“八角网”（Octaweb）发动机结构中。（Octaweb是SpaceX自己起名的发动机金属支撑结构，一圈均布八台发动机，中央一台，这种结构代替了原有的3X3正方形发动机布置，如下所示）

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2016-3-30 15:46 上传

早期的3X3发动机布置结构，后期改成了下面图中的形式。

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2016-3-30 15:39 上传

第二次点火：一级九台发动机集体点火测试

完整的一级火箭将被再次运至德克萨斯（Texas）进行第二次点火测试——9台发动机的整体点火测试。

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2016-3-30 15:39 上传

第三次点火：静态点火（Static Fire，图为SES-9发射的带载静态点火）

最后被运至相应的发射地点，作为发射前整个发射系统的一部分进行第三次点火测试——静态点火测试。

而在三次测试过程中，一旦某次测试出现问题，那么发动机将被检查、解体、维修，并重新进行点火启停测试直到满足设计要求。哪怕是发动机在发射过程中发生了失效甚至爆炸，其它梅林发动机和火箭飞控系统的的冗余设计也会保证任务照常进行，甚至坊间一直盛传猎鹰9一级的9台发动机间设置了凯夫拉材质的防弹插板来防止某台发动机爆炸的碎片破坏其余发动机。

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2016-3-30 15:39 上传

红圈处为网友猜想的凯夫拉防弹插板的设置位置

总的来说，梅林是美国产的“亲儿子”，怎么折腾怎么改都是合理的，复用设计这种并不主流的思路在现阶段ULA这种以采购俄制廉价发动机的企业里是无法实施的（不排除以后跟风）。而SpaceX也在国会、公众、媒体面前多次强调梅林发动机“土生土长美国货”的身份和地位，之所以一直强调着这重身份，笔者认为无外乎以下三方面原因：

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2016-3-30 15:39 上传

梅林从A型到D+的参数对比，变化之大，夸张点儿说，改的连亲妈都认不出来了

首先，众所周知的是美国和俄罗斯现阶段因为乌克兰问题关系趋冷，俄方已经暂停向美国出口关键的RD-180发动机，麦凯恩议员也对ULA进口俄制发动机发起了猛烈抨击，这就掐住了ULA部分型号火箭的脖子。而“德尔塔”的RS-68发动机光发动机单机价格就高达2000万美元，而SpaceX单次发射报价平均也就8000万到一亿美元之间。所以美国人在这种窘境之下，SpaceX在各种场合都强调所谓“自主知识产权”的重要意义，事实“梅林”发动机确实是完全由美国设计和制造，不依赖进口。虽然实质上“梅林”发动机从技术水平讲并不十分先进，但是毕竟这是自己家的东西，强调自给自足也是为SpaceX下阶段订单的可靠性做了很好的宣传。

其次是给了SpaceX展现优异成本控制能力的机会，任何一款高技术产品，尤其是类似火箭发动机这种产品，在最初阶段都需要庞大的研发投入和生产线投入。但是随着产量的不断上升，这些成本将被不断增长的发动机产量不断摊平，使得“梅林”发动机的“性价比”日益突出，更将SpaceX的成本控制能力发挥的淋漓尽致。而之前第100台梅林发动机下线的重要节点更是向全世界宣布，“梅林1D”是如此成熟、如此可靠、如此强大而又如此廉价。抛开宣传价值，在发射报价不变的前提下，发动机成本不断走低必将使净利润不停上升，再结合与NASA签订的载人发射合同，SpaceX才在资金上有实力继续研发重型猎鹰火箭和载人型龙飞船（Dragon Version 2，现在称之为Crew Dragon）。

最后无外乎要抢生意，SpaceX抛开火星殖民的终极目标，究其实质还是一家私营企业，追逐更多的订单和利润是必然的。而之前由于特殊的政府合作壁垒，SpaceX一直无法介入到军用发射的业务之中，军用卫星和军用航天器还是联合发射联盟（ULA）的一块肥肉。因此马斯克曾专门撰写了一封公开信来申请和希望参与到军用发射合同的竞争中，虽然已经拿到了美国空军的发射认证，意味着SpaceX已经介入这块市场，但是显然下一步扩大战果和巩固成就的需求依旧强劲，保障发射成功率依旧任重道远。

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2016-3-30 15:39 上传

被网友戏称为“猎鹰27”的重型猎鹰火箭

不管怎么改进，单机推力偏小的问题是躲不开的，采用并联“梅林1D+”的这种方式，当达到猎鹰重型火箭的时候，27台“梅林1D+”的并联保不齐就会重蹈前苏联N1火箭并联30台发动机导致四射四爆的悲惨结局。因为多发动机并联的可靠性和复杂的耦合振动一直都是难以妥善解决的问题。虽然重型猎鹰的发动机并联模式和N1大相径庭，但是SpaceX自然也想早早换用大推力单机发动机，哪怕是做为替换的先进上面级，至少也能切实的让SpaceX离火星更进一步。

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2016-3-30 15:39 上传

重型猎鹰的发动机布置

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2016-3-30 15:39 上传

N1火箭的发动机布置

综上，我们抛开SpaceX极强的宣传和媒体炒作能力，以及火箭本身高度的容错性和复用设计，在现在阶段不断改进、宣传和强调已经成熟的“梅林1D+”发动机实质上是无奈之举。根据SpaceX的长期技术路线图，SpaceX下一阶段的在火箭上的重头戏还是代号“猛禽”的新型发动机。然而在新的项目中，SpaceX能否真正引领世界傲视群雄，还是要让我们拭目以待了。

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