认准这只鹰（三）—— 鹰之心

往期回顾

在本系列的之前的文章中，我们一起回顾了重型猎鹰首飞的成败得失（鹰之击）；以及对猎鹰系列火箭的进行简单的介绍（鹰之躯）。

详情请移步：

认准这只鹰（一）—— 鹰之击

认准这只鹰（二）—— 鹰之躯

连载之三：鹰之心

01 猎鹰之心——灰背隼和猛禽

书接上回，我们继续来看SpaceX和它的猎鹰。在此之前我们先回答一个问题：运载火箭的心脏是什么？答案一定是：火箭发动机！

对于目前的猎鹰系列火箭，这颗“鹰之心”就是SpaceX自行研发制造的Merlin系列发动机。通常直接英译为“梅林”发动机，少数也有意译为“merlin”这个单词的本意“灰背隼”。

就像在前文中介绍过的：猎鹰目前全系列的火箭使用的都是梅林发动机。其中有第一级火箭使用单台梅林1A发动机的猎鹰1号（第二级使用的是“红隼”发动机，这个是唯一的例外。且目前无论是猎鹰1号还是红隼发动机都已经从SpaceX退役）。

第一级使用单台梅林1A的猎鹰1号

有在第一级并联使用9台梅林1C或者1D发动机，而第二级使用一台“真空梅林”发动机的猎鹰9号：

第一级并联使用9台梅林1D的“全推力”版猎鹰9号

还有疯狂的在第一级和助推器上同时使用27台梅林1D发动机（很难让观者不去联想起毛熊那四发四炸的N1火箭），而第二级同样使用单台真空梅林的重型猎鹰。

重型猎鹰疯狂的使用了27台梅林1D

梅林系列发动机是SpaceX目前唯一一款现役火箭发动机，它的研发和演化几乎就是SpaceX公司发展的一个缩影。目前SpaceX取得的成就，包括最便宜的商业发射费用，火箭的回收和复用，以及抢下“现役最强运载火箭”头衔等，背后都离不开梅林发动机的身影。

但梅林发动机早期糟糕的可靠性也曾导致猎鹰1号最初三次发射全部失败。即便到了现在，已经演化到近乎终极版本的梅林1D+发动机在成就了“现役最强”的重型猎鹰的同时，也难掩其第二级运载能力不足，对于将重型载荷送入地球静止轨道这类任务难堪大用的现实。

而对于埃隆马斯克那雄心勃勃的火星殖民计划来说，现有的梅林发动机几乎可以肯定是无能为力的。钢铁侠曾直言不讳的说过：“火箭发动机是目前SpaceX的最大短板。”

而解决上述这些问题的希望，就需要交给Space在研的下一代火箭发动机——猛禽（Raptor）。

SpaceX官网上“猛禽”试车的照片

为何说梅林发动机既成就了SpaceX现在的成绩，同时又限制了SpaceX的进一步发展？作为被寄予厚望的“猛禽”又是怎样的一台发动机？我们下面进一步讲解。

02 现在需要上一堂课

其实本篇在上周末的时候就应该完成，但却一再拖延。因为要介绍火箭发动机，特别是要说明某一款火箭发动机为何好或不好，就很难绕开它的工作方式、燃料种类以及一大堆的专业术语。我曾构思过如何完全避免使用这些即便对于航空航天专业的学生或许都是前看后忘的东西，但或许还是自己能力有限：要介绍清楚梅林和猛禽，怎么想都无法完全绕开这些点。那么干脆就来简单的上一堂课吧。我会尽可能的用最通俗的语言来介绍这些基础的概念。

首先是一些名词解释：

比冲

谈到火箭发动机的性能，一定绕不开“比冲”这个词。这个国际单位为“秒”的参数是衡量火箭发动机效率的重要参考指标。抛开它背后复杂的物理公式和概念，比冲所代表的含义是“燃烧单位重量的燃料可以产生的动量”，或者干脆再简单一点，你不妨可以认为这是个类似于汽车的百公里油耗的东东。只不过比冲越大越好，百公里油耗最低越好。影响比冲的主要有燃料的种类和发动机本身的构造，喷管形式等。

推重比

这个比较好理解。就是火箭发动机能产生的推力和发动机自身重量的比例。比如发动机自重1公斤，可以产生10公斤的推力，那么推重比就是10。推重比很大程度上可以反应发动机设计的是否精巧。推重比越大越好。推重比没有单位。

海平面推力 / 真空推力

这个也简单：就是火箭发动机分别在海平面高度以及真空中分别能产生的推力大小。因为真空中的外界气压低于海平面的大气压，因此同一种发动机的真空推力是大于海平面推力的（同样真空比冲也大于海平面比冲）。推力单位就是力的单位牛顿或者千牛，这个大家都熟哈。影响推力的因素有燃料的种类，发动机工作模式等，以及最重要的燃烧室的压力（室压）。

名词解释就这些，下面再讲讲火箭发动机的种类。从大类上首先可以分成固体火箭发动机以及液体火箭发动机。其中，运载火箭使用的绝大多数都是液体火箭发动机，固体的我们就不谈了。

液体火箭发动机里按照使用的燃料可分为以下几大类：

肼类燃料发动机

这是在早期使用的（包括我国在长征五号、六号和长征七号之前的其他长征火箭）使用最多的一种液体火箭发动机。使用的燃料是偏二甲肼，氧化剂则是四氧化二氮。

这两种物质都是在常温下保持液态，无需专门的低温保温措施，可称为“常温火箭”。而且这两种物质直接接触就会剧烈燃烧，无需专门点火。因此这类液体火箭的可靠性很高。但是这两种物质也都是剧毒物质。使用肼类燃料的火箭通常被称为“毒火箭”，而肼类燃料发动机也被称为“大毒发”

使用肼类燃料的老一代长征火箭可以看到发射时黄色剧毒烟雾

加注剧毒肼类燃料时必须穿着防护服

液氧 / 煤油发动机

这类火箭发动机使用的燃料是煤油，氧化剂则是液态氧。

比起肼类燃料，液氧需要低温保存，需要专门的保温装置。属于“低温火箭”。而且燃料和氧化剂接触后不会自燃，需要专门进行点火，可靠性不如肼类的大毒发。但液氧/煤油发动机无毒，燃料成本低。本文的主角之一，梅林发动机就是液氧/煤油发动机。我国新一代运载火箭，如长征六号和七号使用的也是液氧煤油发动机。胖五——长征五号的助推器使用的也是液氧煤油发动机。

液氧煤油发动机技术最为成熟的是俄罗斯，甚至美国很多的主力现役火箭，如大力神系列火箭的发动机都是直接采购俄罗斯的液氧煤油发动机，或在其技术上稍作改型。

使用液氧煤油发动机的长征六号发射时不再“黄烟滚滚”

液氧 / 液氢发动机

这是高大上的一款。使用液态氢作为燃料，而液态氧作为氧化剂。

毫无疑问，这也是一款低温火箭。燃烧完全无毒无害——燃烧的唯一产物就是水。而且由于燃料本身的特性，液氧液氢发动机的比冲具有天然的优势。可以这么说，最差的液氧液氢发动机的比冲也比最好的液氧煤油发动机高。但这类发动机本身的造价的以及燃料的成本都较高。

液氧液氢发动机技术最成熟的是美国，重型德尔塔IV火箭、航天飞机主发动机，以及在研的空间发射系统SLS采用的都是液氧液氢发动机。我国的长征五号的芯级主发动机也是液氧液氢发动机。

航天飞机的主发动机SSME 就是典型的液氧液氢发动机

液氧 / 甲烷发动机

这是一种新款的发动机。使用液态甲烷作为燃料而液态氧作为氧化剂。

也属于低温火箭，且无毒无公害。甲烷成本比煤油低，且在火星上可以制备。液氧甲烷发动机的比冲低于液氢，但优于煤油机。本文的另一个主角“猛禽”发动机就是一款液氧甲烷发动机，且几乎是唯一现实化的甲烷机。因为在理论上早有甲烷机的概念，但，也是真正能承载钢铁侠火星梦的一款发动机。

“猛禽”应该是第一款接近实用化液氧-甲烷发动机

课程的最后一部分，则是最复杂的液体火箭发动机的几种不同的工作方式（循环方式）。真正要讲解清楚这部分，单开一贴都不为过。但对于一般的爱好者来说并没有必要了解的这么深。因此我将试图尽可能的简单带过：

心脏的心脏

发动机是火箭的心脏，那么液体火箭发动机的心脏是什么呢？答案是“涡轮”。

还是做个类比吧：汽车里面有燃油泵，负责将汽油从油箱输入发动机，并给燃油加压，提供“缸内直喷”等技术所需的压力。火箭发动机也有这么一个燃料泵，通常是离心泵，由其向燃烧室提供加压的燃料和氧化剂而推动这个泵就是依靠涡轮。

火箭工作时是非常“狂暴”的，比如土星五号的主发动机F-1是一款液氧煤油发动机。单台F-1发动机工作时，每秒消耗差不多1800公斤液氧，以及800公斤煤油。要把这么巨量的燃料稳定的输入、加压、雾化，是需要一个无比强劲的涡轮的。事实上，单台F-1发动机的涡轮产生的功率和美国一艘核动力航母的主机功率是相当的。而两者之间的体积相差何止万倍！下面这个视频就是介绍F-1发动机的。

那么功率如此强劲的涡轮又是靠什么来驱动呢？对于微型火箭来说，可以靠电动机带动。但对于绝大多数火箭发动机来说，电机驱动的功率则小的可怜。

那么最现实也是最简单的方法就是用火箭燃料燃烧产生的高温高压燃气来驱动涡轮。大体上的实现方法是在让部分燃料和部分氧化剂在进入主燃烧室之前先在一个“预燃室”里面燃烧，产生高温高压燃气来推动涡轮（至于预燃室是采用“富氧燃烧”还是“富燃燃烧”就不讨论了）。

那么这部分燃气在完成使命，也就是驱动涡轮之后又该何去何从？有两种途径：

第一种，直接排~放~掉~！没错，就是直接排出到外界。这种工作模式的发动机被称为“燃气发生器循环发动机”，或者“开式循环”。下图是梅林1D发动机在试车的照片。大家不难发现，在喷管右侧，还有一个管子正喷吐着浓烟。这就是典型的燃气发生器循环发动机的特征，那股浓烟就是预燃室中产生的燃气，在驱动涡轮之后被直接排出（而且从“黑烟滚滚”的情形可以立判判断出梅林发动机的预燃室是富燃燃烧的）。

梅林1D发动机试车时主喷管边上直接排放出的“废气” 是“燃气发生器循环”发动机的典型标志

第二种、将这部分燃气送入主燃烧室进一步燃烧后，从主喷管中和其他在主燃烧室产生的燃气一同排出，产生推力。其中又分为了“补燃燃烧”和“补氧燃烧”两种，同样也不做进一步讨论。这类工作模式的发动机被称为“分级燃烧循环发动机”，或者“闭式循环”。

分级燃烧模式和燃气发生器循环模式

没看懂不要紧，现在敲黑板记重点了：燃气发生器循环发动机构造简单，便宜，效率（比冲、推力）略低，而分级燃烧循环发动机构造复杂，昂贵，但效率高。梅林全系列发动机都是燃气发生器循环的，而猛禽则是分级燃烧循环的，而且是最高大上的“全流量分级燃烧循环发动机”，这个就不展开说了。

03 神奇的梅林发动机

为何要说梅林是一款神奇的发动机？这并非是说它的技术有多么先进，事实上梅林发动机的技术指标在美国现役液体火箭发动机家族中完全是个小角色。之所以说它神奇，是因为它这些年来一代代更新迭代所取得进步是极其惊人的。

早在SpaceX成立之前，怀揣火箭梦和大把美钞的马斯克曾前往莫斯科，当时他的目标是向穷疯了的北极熊求购几枚有着“撒旦”绰号的SS-18洲际弹道导弹。没错，就是去买洲际导弹！咳咳，当然是不含弹头的运载火箭部分。事实上，毛熊之后确实将SS-18改成了“第聂伯”运载火箭，在国际商业发射市场上大打低价牌。

由SS-18洲际导弹改成的第聂伯火箭

然而马斯克的求购却吃了闭门羹，据说还遭到无情的羞辱。钢铁侠由此转身创立了SpaceX，决定自己搞火箭。作为重中之重的发动机，也打算自己搞。为此，他从TRW公司挖来了汤姆·穆勒（Tom Mueller），而后者就是后来的梅林发动机的主设计师。

马斯克当时给出的要求是：研发尽可能的快，生产尽可能的便宜，工作尽可能的可靠。在这种情形下，采用燃气发生器循环的工作方式几乎是不二的选择。虽然效率低了些，但是构造简单，成本低。于是，很快（只用了4年），梅林1A就诞生了。

梅林1A

梅林1A从今天的眼光看来是如此的简陋，它的海平面推力只有35吨，海平面比冲仅有253秒。当时欧洲航天局曾无情的嘲笑他像是“从自家车库里拼凑出来的玩意”。这款发动机除了采用了汤姆·穆勒老东家TRW公司当年为阿波罗登月舱研发的下降级发动机（也就是用于着陆月球表面的发动机）中采用过的针栓式喷注器技术外（这个不多解释了，但请记住有这么个玩意），几乎毫无亮点。而针栓式喷注器的引入，只不过让这款发动机具有了80%-111%的节流能力（可以理解为功率大小可以调节）。这对于一开始就设想火箭的回收和复用的马斯克来说是非常重要的一点（这是后话，我们下一篇再讲）。

然而刚问世的梅林1A的可靠性比较糟糕，直接后果就是导致了猎鹰1号火箭的前三次发射全部失败，这几乎葬送了刚起步的SpaceX。

梅林1B是1A发动机的升级型号，海平面推力提高到38.8吨，海平面比冲261秒，真空比冲303秒，这个指标即使对比几十年前的主流液氧煤油发动机也惨不忍睹。梅林1B发动机从未上天，但它为新的梅林1C发动机打下了更好的基础技术。

梅林1B发动机

经过进一步改进的梅林1C发动机开始初露峥嵘，它的海平面推力增加到350千牛（35.7吨），还衍生出真空版梅林 1C发动机，真空比冲336秒。猎鹰9号的1.0版本使用的就是这款发动机。

最重要的是，梅林1C解决了之前1A时代可靠性低下的问题。尽管单台推力不大，但胜在构造简单、“身材苗条”。一切为了降低成本的SpaceX几乎毫不犹豫采用了“一种发动机包打天下”的策略。猎鹰9号以及后面的重型猎鹰上都只有一种发动机——梅林。推力不够数量来凑——一台不够？那么两台！还不够？！那就9台！真空效率低下？那就安装一个专门在真空环境中的大喷管！单一发动机的策略大大降低了相关的研发费用，而大批量制造也进一步降低了单台发动机的成本。这一思路也会继续在后续的“猛禽”发动机上得到体现，当然，这是后话了。与之相对比，NASA的亲儿子，在研的SLS空间发射系统，一共要用到4、5种不同型号的发动机，成本必然居高不下。

小巧的梅林1C

通过扩大喷管面积而改成的“真空梅林”

经过大刀阔斧的改进后，2012年梅林 1D发动机开始试车，它的地面推力为67吨，真空推力74吨，海平面比冲282秒，真空比冲311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，至于真空版梅林1D发动机的比冲更是达到了345秒以上，一举跨入液氧煤油发动机的世界领先水平。

梅林1D

最新型的梅林1D（也被称为梅林1D+）在2016年底完成进一步增推后，梅林1D+的海平面推力从最早的梅林1A的34.6吨升至86.2吨，几乎是前者的2.5倍！对于同一系列的发动机的不同版本，2.5倍级别的性能提高几乎是不可能存在的，因为这几乎是完全不同的两款发动机的性能数据对比了。

更难能可贵的是，在保持了推力翻倍增长的同时，梅林发动机还一直保持了它小巧简单的构造。发动机的推重比无与伦比，最新款的1D发动机推重比在160以上，稳居液氧煤油发动机的榜首。这些特性直接造就了猎鹰9号的性能飞速提升，同时趋于成熟的1D发动机大规模量产也进一步降低了成本。

扎堆生产的梅林1D

不断迭代，飞速进步的梅林发动机

然而，目前版本的梅林1D几乎已经榨干了现有材料和技术的全部潜力。再想提高，将非常困难。但即便单台推力提升到了83吨，但是对于地球静止轨道（GSO）的大载荷投送能力，无论是猎鹰9号还是重型猎鹰都有些力不从心。这对于试图瓜分利润最为丰厚的军用卫星发射市场的SpaceX来说是无法接受的。更何况马斯克那一直碎碎念的火星殖民计划，那是梅林发动机肯定无法胜任的工作。于是，几年前SpaceX就开始全力研发新型的液氧甲烷发动机，也就是猛禽。

但作为一家私人航天公司自行研发出的梅林发动机，在众多的液体火箭发动机中还是占有重要的一席之地的。除了推重比傲视群雄，他的其他参数并不那么耀眼。下图就是目前一些主流的发动机（含固体发动机）的对比：纵坐标为海平面推力，横坐标则是比冲，也就是说一款发动机数据点越往右上角越牛逼。那么梅林家族在哪里呢？下图中我用红圈将其标注出来了。或许看到这个，你才会理解马斯克那句“最大短板”并非是客套话。

主流发动机性能对比

04 被寄予厚望的猛禽发动机

关于猛禽的公开资料并不多，只是在每年的国际航天大会上，钢铁侠会挤牙膏似地放出一点点资料，始终是犹抱琵琶半遮面的感觉。

但从去年开始，猛禽的面目开始逐渐清晰起来。猛禽试车已经成功，技术数据已经大体确定。是的，数据非常非常彪悍！

在保持了和梅林发动机几乎相当的体积的情况下，猛禽发动机的海平面推力约300吨，真空推力350吨，这几乎是梅林1D的4倍以上。采用了全流量分级燃烧循环的猛禽终于摆脱了梅林时代效率低下的帽子，比冲更是分别达到了334秒和382秒，还具备了20%-100%的大范围节流能力。

SpaceX公布的猛禽发动机数据

更重要的是，这是第一款实用化的液氧甲烷发动机。如前面所述，采用甲烷作为燃料，价格比煤油便宜。同时，甲烷还不存在煤油燃烧的结焦和积碳问题，可以大大提高火箭复用的便利性。另外还有一个重要点，甲烷是可以在火星上制备的，这一诱惑是马斯克无论如何无法抗拒的（关于甲烷制备的问题，我计划放在最终章“鹰之梦”中细说）。