默林火箭发动机

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默林 1D
Merlin 1D在SpaceX位于McGregor的测试架上进行测试点火
原產國 美国
生產者 SpaceX
目的 第一级发动机, 上面级发动机
相关发射载具 Falcon 9, Falcon Heavy
液態火箭發動機
推進劑 LOX / RP-1
系統 燃气发生器循环
性能
推力(真空) 914 kN(205,000 lbf)[1]
推力(海平面) 845 kN(190,000 lbf)[1]
推重比 180.1[2]
燃燒室壓力 9.7 MPa(1,410 psi)[3]
比衝(真空) 311 s
比衝(海平面) 282 s (2.73 km/s)
尺寸
淨重 1,030英磅(470公斤)[2]
參考文獻
參考文獻 [4]

默林火箭发动机英语:Merlin rocket engine)是一种由SpaceX研制的火箭发动机,用于猎鹰1号猎鹰9号火箭。默林采用燃气发生器循环,使用RP-1液氧作为推进剂。默林发动机在设计上考虑了海上回收和重复使用。默林发动机是美国在21世纪中除洛克达因RS-68外所研究的第二款火箭发动机。[5]

默林引擎使用了最早在阿波罗计划中登陆舱所使用的喉栓式喷嘴。推进剂通过一个涡轮泵输出,进入燃烧室。同时,涡轮泵也提供高压液体驱动液压控制器,之后进入低压燃料入口。这样排除了对独立的液压动力系统的依赖,这意味着不会出现由于液压耗尽而失去对推力方向的控制。涡轮泵的第三个用处是提供侧向推力来控制火箭自旋。

原型与变形[编辑]

猎鹰1号上使用的默林1A、默林1C有可以活动的燃气发生器排气管,通过改变废气喷出的方向来控制火箭的自旋。用于猎鹰9号1.0版第一级的默林1C发动机几乎和猎鹰1号上的一样;区别在于,猎鹰9号上的涡轮泵排气装置是固定的。默林真空版则用于猎鹰9号的第二级。默林真空与猎鹰9号第一级上使用的发动机的区别在于:前者的喷管面积比更大。

型号发展[编辑]

默林1A[编辑]

SpaceX默林1A 发动机

最初的版本默林1A,使用一种便宜的一次性的烧蚀冷却碳纤维复合材料喷口,产生340KN的推力。默林1A只飞行了两次,第一次在2006年3月24日,发射之后不久因为燃料泄漏而起火,导致发射失败[6][7] 。第二次在2007年3月21日,这次发射非常成功。[8]默林1A在这两次发射中都被用在猎鹰一号的第一级上。[9][10] 之后,设计了SpaceX全新的涡轮泵。 虽然设计上有一些类似Fastrac(一个被NASA终止的火箭引擎研发项目),但是从内部设计和外部设计上可以看出,他们是明显不同的两个设计。[11][12][13] 法兰盘的位置,外壳的轮廓和在液氧泵上减少了一个独立诱导轮都可以看出明显的不同。两个涡轮本都是由巴贝尔-尼克尔斯公司设计的,这是让他们看起来相似的唯一原因。同时,NASA Fastrac 发动机也只有默林发动机推力的一半。

默林1B[编辑]

SpaceX为猎鹰1号开发了默林1B火箭发动机,它是默林1A的升级版,能够产生380KN的推力。默林1B通过提高涡轮泵的功率(从1490KW到1860KW)来加强推力。 起初, SpaceX打算将默林1B用于猎鹰9运载火箭,那将会有一个包含9个引擎的引擎组,但是由于猎鹰1号的发射失败,SpaceX开始转向采用热交换冷却技术的默林1C的开发。于是默林1B再也没有被用于运载火箭发射。[9][10]

默林1C[编辑]

Merlin 1C
SpaceX工厂里正在建造的Merlin 1C
原產國 美国
生產者 SpaceX
目的 第一级发动机, 上面级发动机
液態火箭發動機
推進劑 LOX / RP-1
系統 燃气发生器循环
性能
推力(真空) 480 kN(110,000 lbf[14]
推力(海平面) 420 kN(94,000 lbf[14]
推重比 96
燃燒室壓力 6.77 MPa(982 psi)[15]
比衝(真空) 304.8 s (3.0 km/s)[15]
比衝(海平面) 275 s (2.6 km/s)
尺寸
長度 2,920 mm(115英寸)[16]
淨重 630公斤(1,380磅)
用於
猎鹰九号运载火箭

默林 1C使用再生冷却系统。2007年11月,它完成了一次170秒的完整点火[17][18]。在2008年8月猎鹰一号的首次任务中投入使用,[19]2008年9月,装备默林发动机的猎鹰一号将载荷送到了轨道上。[20] 2010年6月默林1C帮助猎鹰九号完成了第一次飞行。[21] 配置在猎鹰一号上时, 默林1C的海平面推力为350 kN(78,000 lbf), 真空推力为400 kN(90,000 lbf) 真空比冲为304秒。在这种配置下发动机每秒消耗140公斤(300磅)推进剂。对该发动机做的测试表明,单台发动机能连续工作27分钟,大约是十次飞行任务时间的总和。 [22]

当配置到猎鹰1E和猎鹰九号上时,默林1C的海平面推力为560 kN(125,000 lbf), Isp 为300秒。[23]

默林真空1C[编辑]

在2008年3月10日,SpaceX宣布成功的测试了默林1C真空发动机。作为默林1C发动机的一个变种,默林真空采用了更大的排气部分和一个更大的扩张喷口,以此来最大化真空下引擎的效率。燃烧室通过热交换散热。2.7米长[24]锆铌合金制成的[15]扩张喷口通过辐射散热。引擎提供411KN的推力,在真空条件下有342s的比冲。[25]

在2010年1月2日,第一台默林真空引擎进行了全时间测试[26]。在2010年6月4日,它被用于猎鹰9号的2级火箭发动机,进行猎鹰9号的第一次飞行。在全功率下,默林真空发动机实现了美国制造的碳氢燃料火箭引擎的最高效率。[27]

一个计划外的默林真空发动及的改进实验在2010年12月进行。之后,在猎鹰9号第二次飞行之前不久,默林真空发动机的铌锆合金喷口上发现了两条裂缝。在发射之前两天,工程师的解决方案是,裁掉下面的1.2米的喷口。因为即便没有长喷口带来的额外推力,也能完成此次任务。最后,虽然用了比较短的喷口,发动机依然把第二级送上了11000千米高的轨道[24]

默林1D[编辑]

默林1D发动机由SpaceX于2011年至2012年期间开发,2013年首飞。[28] 默林1D发动机的最初(2011年4月)设计中,海平面推力为620 kN(140,000 lbf)。[28] 2011年,SpaceX宣布[29]默林1D发动机的真空推力将为690 kN(155,000 lbf),真空比冲(Isp)将为310秒,膨胀比增大到16(与先前默林1C发动机的14.5相对),室压位于9.7 MPa(1,410 psi)这个“最佳点”。 默林1D发动机的由了一个新功能,能够从100%至70%节流。[3] 后来的改进使发动机能够最低以满推力的40%工作。[30]

新发动机的设计目标包括提升可靠性(提高的疲劳寿命、燃烧室、喷嘴的热余量),提升性能(设计目标140,000英磅力(620千牛頓)以及70-100%节流能力),更易于制造。(部件数更少,工时更少)。[31]

在2012年6月发动机测试完成之后,SpaceX表示发动机已经完成了一次全任务时长(185秒)的测试点火,成功产生了650 kN(147,000 lbf)的推力,并且确认了预期中高于150的推重比。[32] 默林1D发动机的比冲是燃气发生器循环液氧煤油发动机中最高的。 2013年3月20日,SpaceX宣布默林1D发动机已经完成了飞行认证。 2013年6月,第一种使用默林1D发动机的发射载具——猎鹰9号运载火箭1.1版的第一级,完成了研发测试。[33]

使用默林1D发动机的猎鹰9号运载火箭的首次飞行发射了加拿大航天局CASSIOPE卫星。CASSIOPE是一颗800英磅(360公斤)的天气研究与通讯卫星,被发射进入了近极地低地球轨道(LEO)。第二次发射则将SES-8卫星送入了地球同步转移轨道(GTO)。[34] [35]

默林1D发动机的基础混合比由推进剂供应管道的大小控制,只有少部分燃料流被一个由致动器控制的节流阀调节,以提供混合比的精细控制。[36]

2013年11月24日,在一次SpaceX、SES间关于SES-8发射的联合电话会议中,Elon Musk表示发动机实际上只发挥了能力的85%,而且他们计划将海平面推力提高到165,000英磅力(730千牛頓)。[37] 在2015年6月,Tom Mueller回答了Quora上一个关于默林1D发动机推重比的问题。他表示默林1D发动机重1,030磅(470公斤)(包括推力致动器),当前真空推力为162,500英磅力(723千牛頓),真空推力提将升到185,500英磅力(825千牛頓),而发动机重量不变。从这些数据中可得出当前的推重比约为158,升级后推重比将约为180。[2]升级后的发动机目前和另外几个改进一起正被用于猎鹰9号运载火箭的一次改进——猎鹰9号全推力版。改进后的火箭在第20次飞行中首次使用,将11个Orbcomm OG2卫星送入轨道。

2016年5月,SpaceX宣布了进一步改进默林1D发动机的计划。计划中,真空推力提升至914 kN,而海平面推力则提升至845 kN。SpaceX表示,增加的推力将把猎鹰9号运载火箭一次性任务中的LEO运力提升至约22公吨。 SpaceX还表示,不像之前的全推力升级,火箭性能的提升完全来自发动机推力的提升,而不是对火箭作出的任何大的改动。

默林真空1D[编辑]

默林1D发动机的真空版,为了猎鹰9号运载火箭猎鹰重型运载火箭的而研发。[38][3]

2012年末,Elon Musk发表推文,展示了默林真空1D发动机在测试架上点火的图片,并且说道:“Now test firing our most advanced engine, the Merlin 1D-Vac, at 80 tons of thrust." [39] 目前SpaceX官方的猎鹰9号运载火箭产品页上,默林真空1D的推力为934 kN(210,000 lbf),真空比冲为348秒。[38] 真空环境允许发动机有更大的膨胀比(165:1,使用升级后的喷管),因而造成了这些提升。[38][40]

根据SpaceX发布的载荷用户手册,默林真空1D最低能节流至满推力的39%,或者360 kN(81,000 lbf)。[40]

参考资料[编辑]

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  8. ^ Demo Flight 2 Flight Review Update (PDF). SpaceX. June 15, 2007. 
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