默林火箭發動機

默林火箭發動機（英語：Merlin rocket engine）是一種由SpaceX研製的火箭發動機，用於獵鷹1號，獵鷹9號火箭。默林採用燃氣發生器循環，使用RP-1和液氧作為推進劑。默林發動機在設計上考慮了海上回收和重複使用。默林發動機是美國在21世紀中除洛克達因的RS-68外所研究的第二款火箭發動機。

默林引擎使用了最早在阿波羅計畫中登入艙所使用的喉栓式噴嘴。推進劑通過一個渦輪泵輸出，進入燃燒室。同時，渦輪泵也提供高壓液體驅動液壓控制器，之後進入低壓燃料入口。這樣排除了對獨立的液壓動力系統的依賴，這意味著不會出現由於液壓耗盡而失去對推力方向的控制。渦輪泵的第三個用處是提供側向推力來控制火箭自旋。

基本介紹

• 中文名：默林火箭發動機
• 外文名：Merlin rocket engine

原型與變形

獵鷹1號上使用的默林1A、默林1C有可以活動的燃氣發生器排氣管，通過改變廢氣噴出的方向來控制火箭的自旋。用於獵鷹9號1.0版第一級的默林1C發動機幾乎和獵鷹1號上的一樣;區別在於，獵鷹9號上的渦輪泵排氣裝置是固定的。默林真空版則用於獵鷹9號的第二級。默林真空與獵鷹9號第一級上使用的發動機的區別在於：前者的噴管面積比更大。

型號發展

默林1A

最初的版本默林1A，使用一種便宜的一次性的燒蝕冷卻的碳纖維複合材料噴口，產生340KN的推力。默林1A只飛行了兩次，第一次在2006年3月24日，發射之後不久因為燃料泄漏而起火，導致發射失敗。第二次在2007年3月21日，這次發射非常成功。默林1A在這兩次發射中都被用在獵鷹一號的第一級上。之後，設計了SpaceX全新的渦輪泵。 雖然設計上有一些類似Fastrac（一個被NASA終止的火箭引擎研發項目），但是從內部設計和外部設計上可以看出，他們是明顯不同的兩個設計。法蘭盤的位置，外殼的輪廓和在液氧泵上減少了一個獨立誘導輪都可以看出明顯的不同。兩個渦輪本都是由巴貝爾-尼克爾斯公司設計的，這是讓他們看起來相似的唯一原因。同時，NASA Fastrac 發動機也只有默林發動機推力的一半。

默林1B

SpaceX為獵鷹1號開發了默林1B火箭發動機，它是默林1A的升級版，能夠產生380KN的推力。默林1B通過提高渦輪泵的功率（從1490KW到1860KW）來加強推力。 起初， SpaceX打算將默林1B用於獵鷹9運載火箭，那將會有一個包含9個引擎的引擎組，但是由於獵鷹1號的發射失敗，SpaceX開始轉向採用熱交換冷卻技術的默林1C的開發。於是默林1B再也沒有被用於運載火箭發射。

默林1C

默林 1C使用再生冷卻系統。2007年11月，它完成了一次170秒的完整點火。在2008年8月獵鷹一號的首次任務中投入使用，2008年9月，裝備默林發動機的獵鷹一號將載荷送到了軌道上。2010年6月默林1C幫助獵鷹九號完成了第一次飛行。配置在獵鷹一號上時, 默林1C的海平面推力為350kN（78,000lbf）, 真空推力為400kN（90,000lbf） 真空比沖為304秒。在這種配置下發動機每秒消耗140千克（300磅）推進劑。對該發動機做的測試表明，單台發動機能連續工作27分鐘，大約是十次飛行任務時間的總和。

當配置到獵鷹1E和獵鷹九號上時，默林1C的海平面推力為560kN（125,000lbf）, I_sp為300秒。

默林真空1C

在2008年3月10日，SpaceX宣布成功的測試了默林1C真空發動機。作為默林1C發動機的一個變種，默林真空採用了更大的排氣部分和一個更大的擴張噴口，以此來最大化真空下引擎的效率。燃燒室通過熱交換散熱。2.7米長的鋯鈮合金製成的擴張噴口通過輻射散熱。引擎提供411KN的推力，在真空條件下有342s的比沖。

在2010年1月2日，第一台默林真空引擎進行了全時間測試。在2010年6月4日，它被用於獵鷹9號的2級火箭發動機，進行獵鷹9號的第一次飛行。在全功率下，默林真空發動機實現了美國製造的碳氫燃料火箭引擎的最高效率。

一個計畫外的默林真空發動機的改進實驗在2010年12月進行。之後，在獵鷹9號第二次飛行之前不久，默林真空發動機的鈮鋯合金噴口上發現了兩條裂縫。在發射之前兩天，工程師的解決方案是，裁掉下面的1.2米的噴口。因為即便沒有長噴口帶來的額外推力，也能完成此次任務。最後，雖然用了比較短的噴口，發動機依然把第二級送上了11000千米高的軌道。

默林1D

默林1D發動機由SpaceX於2011年至2012年期間開發，2013年首飛。默林1D發動機的最初(2011年4月)設計中，海平面推力為620kN（140,000lbf）。2011年，SpaceX宣布默林1D發動機的真空推力將為690kN（155,000lbf），真空比沖（I_sp）將為310秒，膨脹比增大到16（與先前默林1C發動機的14.5相對），室壓位於9.7MPa（1,410psi）這個“最佳點”。 默林1D發動機的由了一個新功能，能夠從100%至70%節流。後來的改進使發動機能夠最低以滿推力的40%工作。

新發動機的設計目標包括提升可靠性（提高的疲勞壽命、燃燒室、噴嘴的熱餘量），提升性能(設計目標140,000英磅力（620千牛頓）以及70-100%節流能力），更易於製造。(部件數更少，工時更少）。

在2012年6月發動機測試完成之後，SpaceX表示發動機已經完成了一次全任務時長（185秒）的測試點火，成功產生了650kN（147,000lbf）的推力，並且確認了預期中高於150的推重比。默林1D發動機的比沖是燃氣發生器循環液氧煤油發動機中最高的。 2013年3月20日，SpaceX宣布默林1D發動機已經完成了飛行認證。 2013年6月，第一種使用默林1D發動機的發射載具——獵鷹9號運載火箭1.1版的第一級，完成了研發測試。

使用默林1D發動機的獵鷹9號運載火箭的首次飛行發射了加拿大航天局的CASSIOPE衛星。CASSIOPE是一顆800英磅（360千克）的天氣研究與通訊衛星，被發射進入了近極地低地球軌道（LEO）。第二次發射則將SES-8衛星送入了地球同步轉移軌道（GTO）。

默林1D發動機的基礎混合比由推進劑供應管道的大小控制，只有少部分燃料流被一個由致動器控制的節流閥調節，以提供混合比的精細控制。

2013年11月24日，在一次SpaceX、SES間關於SES-8發射的聯合電話會議中，Elon Musk表示發動機實際上只發揮了能力的85%，而且他們計畫將海平面推力提高到165,000英磅力（730千牛頓）。在2015年6月，Tom Mueller回答了Quora上一個關於默林1D發動機推重比的問題。他表示默林1D發動機重1,030磅（470千克）（包括推力致動器），當前真空推力為162,500英磅力（723千牛頓），真空推力提將升到185,500英磅力（825千牛頓），而發動機重量不變。從這些數據中可得出當前的推重比約為158，升級後推重比將約為180。升級後的發動機目前和另外幾個改進一起正被用於獵鷹9號運載火箭的一次改進——獵鷹9號全推力版。改進後的火箭在第20次飛行中首次使用，將11個Orbcomm OG2衛星送入軌道。

2016年5月，SpaceX宣布了進一步改進默林1D發動機的計畫。計畫中，真空推力提升至914 kN，而海平面推力則提升至845 kN。SpaceX表示，增加的推力將把獵鷹9號運載火箭一次性任務中的LEO運力提升至約22公噸。 SpaceX還表示，不像之前的全推力升級，火箭性能的提升完全來自發動機推力的提升，而不是對火箭作出的任何大的改動。

默林真空1D

默林1D發動機的真空版，為了獵鷹9號運載火箭和獵鷹重型運載火箭的而研發。

2012年末，Elon Musk發表推文，展示了默林真空1D發動機在測試架上點火的圖片，並且說道：“Now test firing our most advanced engine, the Merlin 1D-Vac, at 80 tons of thrust."目前SpaceX官方的獵鷹9號運載火箭產品頁上，默林真空1D的推力為934kN（210,000lbf），真空比沖為348秒。真空環境允許發動機有更大的膨脹比（165:1，使用升級後的噴管），因而造成了這些提升。

根據SpaceX發布的載荷用戶手冊，默林真空1D最低能節流至滿推力的39%，或者360kN（81,000lbf）。