SpaceX的短板究竟在哪裡？從梅林發動機說起

如果我沒有搞錯的話，當我們假設火箭初始速度為0，則理想火箭方程（又稱齊奧爾科夫斯基公式）應該是這個樣子的：

火箭最終速度 = 發動機噴氣速度 × ln（火箭總質量/火箭末質量）

齊奧爾科夫斯基公式紀念郵票，左上角就是該公式。

可以看出，一枚火箭的最終速度只和兩個參數有關，一個是噴氣速度（發動機比沖），另一個是火箭干質比，即（火箭總質量/火箭末質量）。後者主要決定於火箭儲箱，引擎以及GNC的質量，而前者僅僅是發動機性能的參數。比沖是衡量一款火箭性能的重要參數，而更高的比值意味著能在火箭級數較少的情況下將更重的載荷發射到更高的軌道里。

Falcon 9（獵鷹9）是全世界第一款超輕質化設計的火箭——全箭貯箱廣泛使用2198鋁鋰合金，並採用了大膽的半氣球貯箱設計，整流罩和級間段使用碳碳複合材料製造，GNC採用了商業化部件。而如此輕的結構重量，造就了Falcon 9火箭逆天的干質比（火箭一級約為20，二級約為27）。作為對比，同樣是液氧煤油的長征七號火箭，全箭干質比在7到8之間。如此差距的結果便是，Falcon 9的標準GTO運力約為6噸，而長征7號在擁有發動機性能和火箭級數優勢的情況下，GTO能力仍然約等於0。

獵鷹9火箭早期型號3D透視圖

關於發動機，SpaceX目前使用9台液氧煤油燃料的梅林發動機作為Falcon 9火箭的第一級發動機，1台真空版梅林發動機作為第二級發動機。在未來，他們希望能使用液氧甲烷的猛禽發動機來驅動第二級，以之獲得更強勁的性能。

一級的9台梅林發動機，呈OctaWeb結構布置

正如SpaceX CEO馬總說過：「火箭引擎是目前SpaceX所面臨的最大短板。」

但是，梅林究竟弱在哪裡，是否真是不值一錢？

只有一人多高的梅林1D發動機實物

梅林發動機擁有282s的海平面比沖，756KN的海平面推力，以及高達158的引擎推重比。作為一款開式液氧煤油發動機，這確實已經很不錯了。但是，總感覺這些空洞的數據並不能說明什麼。為了更直觀的呈現梅林的定位，我們將全世界大部分火箭發動機的主要性能參數列入一表中。（縱坐標表示發動機的推力，橫坐標表示發動機的比沖）

只要仔細挖掘，這張表能告訴我們很多信息，我們來逐條列出。第一，我們可以發現液氧煤油發動機十分常見，包括歷史上以及今天，多數引擎都使用這一燃料。但是，與之相反的是，液氧甲烷發動機幾乎沒有使用先例，縱然歷史上有過多次關於此的試驗。因此，我們只能根據一些常識以及不多的SpaceX發言來推測猛禽的一些性能。

去年進行的猛禽發動機噴注器試車圖

關於推力，梅林並沒有優異的表現，但是湊合。推力參數並不包含在理想火箭方程中，但是它是極其重要的一環。推力過小，火箭便無法起飛，即使稍小一點，也會帶來飛行重力損失的增大，從而使火箭需要更多的燃料來達到某一相同的速度。但是需要說明的是，圖表比較的是一台發動機的推力，而一枚Falcon 9是由9台梅林來驅動的。

這張圖表同樣說明了火箭燃料選擇上的差異。即使是一台效率最高的煤油發動機，比沖也遠不如一台最差的氫氧發動機，而固體引擎的比沖甚至還比不上煤油發動機。需要特別說明，目前新興的研究熱點甲烷發動機在除了有高於煤油機的比沖外，也擁有煤油機和氫氧機所不具備的一系列優點。而我國目前使用的自燃式毒燃料，擁有可以在常溫下保存的優點，比沖水平和煤油發動機持平。根據這些信息，我們幾乎可以推出，燃燒產物分子量越小的燃料，擁有更高的比沖水平。

現在，我們也可以來評價下梅林在發動機家族中的地位。梅林的性能參數雖然不是最優異的，但仍然是超越了一大票煤油發動機。而更重要的是，那一大票發動機都是採用的分級燃燒循環模式，而梅林採用的是燃氣發生器循環模式。這兩種怪異模式的區別在哪？眾所周知，火箭發動機需要渦輪泵來驅動燃料進入燃燒室燃燒，幾乎所有的起飛級發動機都擁有至少一個預燃室來燃燒少量燃料從而驅動渦輪泵的運轉。而兩種模式區別就在於處理預燃室廢氣的方式上：分級燃燒循環模式將廢氣統統壓入燃燒室再次進行燃燒，來獲得更大的燃燒效率和比沖；而燃氣發生器循環模式是直接將廢氣進行了排放，進而簡化管路設計，減少發動機的干質量。

兩種燃燒模式的循環示意圖，藍圈處就是區別所在

梅林發動機試車圖，清晰可見右側排出的廢氣

分級燃燒的這種複雜設計能使發動機達到最高的效率水平，而梅林發動機雖不及此，但是在同類發動機的比較中，它仍然是最優秀的。

但是，這遠不能推翻馬總之前所作出的陳述。梅林發動機的設計早在Falcon 9火箭設計之初便已定型，甚至還遠早於Falcon 1的首飛。顯然的是，這款發動機的技術水平和Falcon 9的整體水平是極不相稱的，稱之為短板完全不過分。在不久的未來，SpaceX下一代引擎猛禽的問世，一定會令我們眼前一亮。

新搭建的猛禽發動機試驗場地

鳴謝：Flying_Pencil 航天愛好者