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“猎鹰9号”火箭发动机是怎样研制出来的 ZT
作者:PBSNPR
发表时间:2019-09-16
更新时间:2019-09-16
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理论科学家和实验科学家,共同奠定了国家的科学基础,设计师,工程师,工艺师,一起建立了国家的工业基础,但如果没有富有远见的企业家,踏着市场的脉动让科技之光照耀千家万户,科技只会成为战场上杀戮的利器或是炫耀自身文化的道具。埃隆·马斯克正是这群企业家中的一员!

“猎鹰火箭”的前身源于NASA工程师低成本火箭的概念:就是采用相对便宜的液氧煤油作燃料,提高干质比【火箭发射时的质量和火箭关机时的质量的比】使两级液氧煤油火箭就能发射高轨道的卫星,同时尽量降低火箭发动机的费用,从而降低成本。埃隆·马斯克2002年创立SpaceX公司之后,并没有打算自己制造发动机,一直在寻求购买俄罗斯的火箭发动机。因为火箭发动机开发周期长,俄罗斯的液氧煤油NK-15火箭发动机,推重比已经达到了133,已经可以满足“猎鹰火箭”的需要。加上对推重比超过100的发动机,干质比12的火箭来说,火箭的燃料箱占火箭干重的70%,提高干质比通过减轻燃料箱的重量效果显著。无奈俄罗斯拒绝卖火箭发动机给他,只能自己另起炉灶制造低成本的发动机。

SpaceX公司靠自己挖来的人才,和国家实验室合法获得的资料,研制了最初的 Merlin【梅林】 1A发动机。Merlin 1A发动机的推力只有340千牛【34.7吨】,为猎鹰一号火箭提供动力。因为没有有足够的技术团队,涡轮泵由Barber-Nichols公司提供。紧接着就开始研制Merlin 1B,它是1A发动机的升级型号,涡轮泵仍然由Barber-Nichols公司提供,海平面推力提高到380千牛【38.8吨】,海平面比冲261秒,真空比冲303秒,这个指标即使对比美国老牌公司几十年前的MB-3液氧煤油发动机也惨不忍睹。不过这个发动机从未上过天!

之后的Merlin 1C火箭发动机,海平面推力增加到350千牛【35.7吨】,还衍生出真空版Merlin 1C发动机,真空比冲336秒,凭借面积比117的大型喷管在比冲上也不过是和普通的高压补燃液氧煤油发动机相当。此时的Merlin 火箭发动机,虽然性能平庸,但它仍然有它的技术亮点。采用针栓式喷注器,可以大范围调节推力,液氧和煤油的质量比是2.17:1,用更多的煤油形成液膜来冷却发动机。这样可以使用高强度的钢材来制造发动机,而不是用镍基合金来制造,节省了许多成本,这也是后来高推重比的原因之一。【镍基合金强度比钢材差了三倍】

Merlin 1C还发展出Merlin 1C +发动机,改进型发动机性能有了很大提高,海平面推力提高到56.7吨,比冲为275秒,真空比冲304秒,最重要的是它的重量只有653公斤,比增推前的Merlin 1C还轻了3公斤,因此推重比提高到96,这也是Merlin 1系列发动机首次在推重比上初现锋芒。

2012年Merlin 1D发动机开始试车,它的地面推力为67吨,真空推力74吨,燃烧室压强从6.89兆帕提高到9.77兆帕。海平面比冲282秒,真空比冲320秒,比冲数据在传统燃气发生器循环液氧煤油发动机位居榜首,至于真空版Merlin 1DV发动机的比冲更是达到了347秒,媲美专门设计的真空版高压补燃液氧煤油发动机。Merlin 1D发动机在推力提高了10吨,燃烧室压强大幅提高的条件下,发动机重量反而降低到约468千克,这使它的推重比提高到约160,超过苏联时代的NK-15发动机,一跃成为人类液体火箭发动机推重比最高的型号。

为什么会有那么大的提高?原因是采用了隔热涂层改进了冷却系统,提高了液氧和煤油的质量比2.34:1,使燃烧的能量更高。不过为了继续使用高强度钢材,液氧和煤油的质量比仍然比俄罗斯高压补燃液氧煤油发动机的2.65:1,低了许多。开式循环火箭发动机只所以燃烧室压强低,是因为涡轮泵都是富燃料燃烧,要消耗大约3%的燃料【这部分燃气都是低速喷出会降低比冲】。如果要提高压强就需要增加燃料的消耗,这样比冲就会下降得更厉害。受到煤油结焦温度的影响,富燃燃气温度不能超过800度,因此涡轮泵效率不高。Merlin 1D发动机的涡轮泵,燃气经过第1级涡轮温度降低后,通过喷射氧气二次燃烧再次提高温度,推动第2级第3级轮泵,在不增加燃料消耗的基础上提高燃料压强从而提高燃烧室压强。

SpaceX公司继续升级它的发动机研制了Merlin 1D+发动机,它的推力和推重比进一步提高,真空推力提高到约84吨,推重比达到了180,同时发动机燃烧时压强进一步提高到10.8兆帕,比冲略有提高。靠着Merlin 1D+推重比的提高和火箭燃料箱干质比的提高,猎鹰九号V1.1全推力版,已经具备了垂直降落回收的动力条件。2015年12月猎鹰九号V1.1首次发射,并成功实现陆上垂直降落回收。Merlin 1DV+改进的真空版进一步提高,推重比达到了200,推力提高到93吨比冲达到348。Merlin 1D+主要做了几项改进:将液氧和煤油的质量比提高到2.36:1 增加燃烧能量,使用碳陶材料制造喷管延长段减轻重量,还改进了低压涡轮提高效率。

Merlin 1DV+,经过长时间的数据积累继续得到优化,据公司总裁肖特维尔透露,试车时推重比达到了232,推力提高到109吨。和排在第2名的俄罗斯推重比133 NK-15发动机,已经没有可比性。

理论科学家创造理论,实验科学家通过实践检验这些理论并获得实验资料,设计师学习众多科学家的理论和资料,结合自己的实践经验设计具体的产品。工程师负责制造流程解决工程问题,有的还要设计新的制造设备,工艺师负责提高工艺水平和发展新的工艺。企业家负责经营和筹措资金,项目经理负责产品开发流程控制研发成本。过往的经历证明:总设计师花钱都不靠谱,因此现代企业取消了总设计师,改为首席设计师。

提示: 本博文来自于 Military 版

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