SpaceX创立之初,马斯克皮聘请了几位具有丰富发动机研发经验的工程师:TRW公司TR-106火箭发动机的总设计师汤姆·穆勒还有波音公司的蒂姆·布扎。
公司最初研发出来的发动机为“梅林-1”,这款发动机被欧洲空间局戏称为自家后院车库拼凑出来的发动机。因为这发动机实在是凑齐,原因是为了省钱。
屌丝风范:
梅林发动机采用了燃气发生器循环方式。在这我需要科普一下什么叫燃气发生器循环方式,仔细看完有收获的。
这里的循环方式通俗是讲,火箭发动机的工作原理,燃料从燃料罐里到燃烧产生推力的方式。
燃气发生器循环通俗讲就是,先从燃烧罐中抽出一部分燃料进行燃烧产生高温高压气体,这些气体去推进涡轮泵工作,再这之后这些气体会变成废气排出。
第一个版本的1A型推力仅有可怜的34吨,海平面比冲仅有253秒。比冲是一个非常重要的参数,详解起来有点复杂而且亲们未必能懂,暂且先理解成比冲越高效率越好。那时候的梅林不能说比哪款发动机厉害,而是哪款发动机没有比梅林差。梅林-1A发动机的喷口采用了低成本的一次性烧蚀冷却碳纤维复合材料制成,因此这个型号的梅林是不能复用的。发射之后发动机喷口就烧坏了,不过后来换成了通道壁冷却。
屌丝的逆袭之路:
十年之间一而再再而三的改进增强:梅林-1A,梅林-1B,梅林-1C,梅林-1D。最新型的梅林-1D的推力从最初1A型的34.6吨升至86.2吨,增长幅度高达堪称变态的150%。这么大幅度的增强在航天史上都前所未见的。同时高达180:1的超高推重比也没有对手。推重比是发动机重量与其能产生推力的比值,越大越好。通俗讲就是,越瘦的人能搬动越重的东西。
34.6吨,86.2吨什么概念?我们来比较一下我国的发动机:YF-100,这款发动机采用分级燃烧循环方式,推力是120吨左右。可以看出YF-100比不管是梅林1A还是1D推力都高不少。但是,发动机不能只看推力比冲,一个很重要的问题就是体积。在3.35米的直径火箭下,能塞2台YF-100。那么换成梅林是多少台呢?9台。大家可以算一下,装在火箭上的梅林比装在火箭上的YF-100推力高出多少。
好的发动机对火箭来说多重要?直接决定性能
得益于梅林发动机的高性能,猎鹰9号的性能也很强悍。比较一下,长征7号就是那枚装了两台YF-100发动机的火箭,猎鹰9号就是那枚装了9台梅林发动机的火箭。长征7号还长装了四枚长长的助推器,能够运载13吨左右的载荷到近地轨道。猎鹰9号分为回收与不回收,回收下会损失运载能力,也就能运载13吨左右的载荷到近地轨道。没错……同样3.35米直径,长征7号还加装了四枚长助推器,可是却与回收状态下的猎鹰9号类似运载能力。
梅林虽然厉害,可也还是小发动机,86吨的推力无法满足马斯克的野心。于是,猛禽发动机便出现了。
左侧的是猛禽发动机,右侧的是猛禽发动机真空版。增大喷口面积可以提高其在太空环境下的比冲。
猛禽发动机新奇的使用液氧为氧化剂,甲烷为推进剂。采用最先进的分级燃烧循环方式,而且技术难度最高的全流量分级燃烧循环。这将是世界上第一款全流量分级燃烧循环液体火箭发动机。
分级燃烧循环其实与燃气发生器循环差不多,不同的是那推动涡轮泵工作的废气没有推出,而是注入燃烧室进行二次燃烧,实现最高的效率。而全流量分级燃烧循环意思是,所有燃料先进行燃烧推动涡轮泵再注入燃烧室燃烧。而一般的分级燃烧循环与燃气发生器循环只是一点燃料。
分级燃烧循环效率是最高的,不过后来美国一家公司脑洞大开推出了“电泵循环”,就是使用电机驱动涡轮泵。这种循环方式反而成了最高效率的,可是这种方式受限于电机技术做不大,只能是很小的火箭适用。
液氢液氧燃料是最高比冲的化学燃料,一般采用分级燃烧循环的发动机比冲是高过其它循环方式的发动机。因此把两个相结合,能造就很高比冲的发动机。美国的RS-25发动机堪称是一款把分级燃烧循环发挥到极致的发动机,其452秒的超高比冲让其它发动机望尘莫及。不过这款发动机190吨左右推力并不是很高,但是要知道液氢液氧发动机更注重的是比冲。
猛禽发动机没有RS-25那么惊人的比冲,但是目前它有220吨左右的推力,要知道这还只是初始版本。猛禽发动机可以说是全方面超越梅林发动机,其改进空间更大,谁知道马斯克会不会把它的推力改进到原先的一倍呢?
另一个重要的指标,室压:猛禽发动机测试时的燃烧室内压力已经达到了惊人的330个大气压。早在2019年2月猛禽发动机以269Bar的室压超过了当时现役发动机中室压最强的RD-180了。RD-170不仅以推力出名,还以其高压出名。但是在推力方面猛禽确实还低于RD-170非常多,160吨左右吧。
RD-180发动机试车
猛禽发动机真空版试车
种种迹象表明,猛禽发动机改造的潜力是非常大的,未来充满无限可能。而猛禽发动机也已经完成了多次的点火试车,试验任务,均取得成功。
装备猛禽发动机的星际飞船验证机试验照片