[深度]从闭门羹到猛禽—SpaceX坎坷的发动机之路（中）
好吧，因为主页君的拖延，又出了一个大新闻需要插播，就在北京时间今天凌晨，SpaceX公司正式发布了Amos-6事故的最新进展，核心事实是事故原因归结于二级液氧储箱的低温氦气增压系统（Cryogenic Helium System）失效。详细的可以参见官方网站发布的事故调查进度说明，算是有一个交代。事实上，这次的声明其实并没有解决核心问题，只是大致定位了故障发生范围，也就是最坏的情况发生了——火箭本身的问题，还是二级液氧储箱内的氦气增压系统，但官方声明否认与去年CRS-7事故有关联，具体的失效原因其实是模糊化处理的。有关去年解体事故的来龙去脉，有兴趣的可以参见上期文章SpaceX火箭爆炸事故调查报告。
笔者认为现在放出这段声明其实是有目的的，如果28号国际宇航大会开幕之前没有个交代，整个会议就将变成声讨大会，宣传效果会大打折扣。所以说现在发声，就是为了接下来的会议让大家别太过于关心这起事故。但是比较悲惨的是，年内复飞很可能无望了，因为涉及到箭体的设计变更，个人观点是搞不好会重新设计整个氦气增压系统。
正文开始，上回说到从梅林的诞生开始，SpaceX终于拥有了一款可靠的火箭发动机（后来猎鹰9的两次事故都不是发动机引起的），猎鹰1火箭的第4次发射取得了成功。接下来，SpaceX在2008年末正式获得了NASA的国际空间站商业补给服务合同（Commercial Resupply Services，简称CRS合同），采用新研发的猎鹰9版火箭向国际空间站运送共计12次货物，凭借NASA一纸订单的输血效应，SpaceX起死回生。
2012年10月8日，由梅林1C型和1C真空型发动机驱动的猎鹰9 1.0版火箭成功发射，正式执行第一次CRS货运任务，任务代号CRS-1
发射后第三天，也就是10月10日，同样由SpaceX公司研发的货运龙飞船在加拿大机械臂的帮助下成功对接国际空间站，成为人类历史上第一个有独立能力向国际空间站运送货物的私营航天企业，风头一时无两，笔者也正是这个时候开始关注这家公司的
按照道理来说，这个故事写到这里其实应该可以结束了，在2012年时，SpaceX就已经是一家屌的飞起的公司了。为什么这么说呢？因为猎鹰9火箭从头到脚，尤其是发动机都由SpaceX研发、生产和组装的，龙飞船也是SpaceX独立研发完成的，而且还能返回地球，具备了载人的潜力。我们对比下同期获得CRS合同的轨道科学技术公司，它的火箭一级发动机是买的NK-33，一级箭体（包括储箱、增压系统、管路、传感器）是乌克兰的，火箭基本就是“攒”起来的。而天鹅座飞船（下图）看起来就像个飞翔的超大个易拉罐，没有再入能力。唯一真正算是轨道科学公司自行完成的只有飞船的服务模块（Service Module，下图太阳能电池板连接的部分）。
轨道科学技术公司的Cygnus（意为天鹅座）货运飞船，后期又推出了加长型，结果使得这个飞船长得更像易拉罐了
一般公司到了这里，只要维持好火箭和飞船的运营，再接一些商业卫星发射合同，然后鸣锣上市，公司不断扩张，机构变慢慢变得臃肿不堪，效率不断变低，技术创新也会慢下来，如果运气好能拿到军方订单，搞不好就是下一个ULA（联合发射联盟）。OK，到此为止，这个故事就这么结束了。
但是马斯克却并不这么认为！
因为他觉的这种进入太空的方式还是太贵，关键问题在于——运载火箭是一次性使用的！这事儿看起来好像没什么奇怪的，因为几乎所有运载火箭都是一次性的。但是马斯克认为这完全不合理，只有让运载火箭成为像飞机、轮船和汽车一样能够可快速重复使用的运载工具，进入太空的成本才会得到根本的降低，因为通常燃料成本只占到一次发射成本的很小一部分，火箭本身的制造成本才是大头。
所以，SpaceX开始创造一款能够重复使用的火箭，在完成任务后能够安全的回到地面，然后经过快速翻修（请注意快速这个词，很关键）甚至仅仅是检查就可以用于下一次发射。嗯，看起来真特么美好，但是大家要注意，SpaceX在冒出这个想法的时候正好是人类历史上第一款可复用航天器——航天飞机退役后不久，也是人类对可复用航天器最绝望的一个时代，任何可复用太空运载系统的设计几乎被怀疑为一条“邪路”。
2011年7月21日美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机在肯尼迪航天中心安全着陆，宣告长达30年的航天飞机时代宣告终结，退役后航天飞机陆续进入博物馆供后人瞻仰
当年著名杂志《经济学人》的封面文章“太空时代的终结”，那几乎是人类对可复用航天器最绝望的一个时代，但是笔者认为航天飞机是人类在可复用航天器领域一次伟大而又失败的尝试，但是这绝不能证明可复用航天器是不可行的
后期航天飞机每次飞行都需要一万人花九个月来翻修，其实这是一种夸张的说法，但是航天飞机的翻修确实是非常复杂，所以说航天飞机是复用的范例，但却是“快速复用”的反面教材。而且航天飞机人货混装及缺乏分离式逃逸手段的设计一直都备受诟病，如果去掉体积巨大的货舱重新设计成一款升力体构型的载人航天器，可能结局会有所不同
去掉货舱之后。。。来来来，这个图的作者你给我出来，我保证不打死你！事实上，SNC公司的追梦者飞船继承了航天飞机的衣钵继续前行
之所以SpaceX在可复用运载火箭这条道路上如此执着，一方面是因为航天飞机的思路暂时堵死了，所以可回收的运载火箭成了短期内唯一的救命稻草。另一方面，也是最重要的方面，SpaceX诞生的初衷是推动人类成为一个多星球物种（这也正是本周国际宇航大会上马斯克演讲的题目），也就是说离开地球要像科幻电影中一样成为常态，火星则是他们设想中最靠谱的第一站。SpaceX的终极目标是殖民火星，我们不去评判这个思路的可行性如何，未来能否有足够的资金支持住这个疯狂的目标，但至少他们执着着。
众所周知，可持续性的载人火星登陆任务堪称本世纪内载人深空探索领域皇冠上最耀眼的那颗宝珠，其巨大的技术难度和天文数字般的资金投入几乎不需要我多说。但是做为一个私营企业要完成这样一个近乎痴人说梦的目标，首要要做的就是想尽一切办法降低进入太空的成本，而且必须是根本性或者是数量级上的降低。就注定了可复用的运载火箭是可持续性火星任务的最重要条件——没有之一。
这张图片几乎从SpaceX诞生之日起就挂在官方网站上，最近又上线了Mars专题页面，总之吹牛也好，忽悠也罢，至少这个态度是认真的
既然已经决定了要回收火箭，那么下一个问题就是——怎么回收？运载火箭的回收其实并不是一个新命题，前人曾经有过很多有益的尝试，总的来说比较合理可行的方案主要有三种，每一种都各有利弊，但是SpaceX最后之所以选择了VTVL（垂直起飞，垂直反推降落）这条道路，这是有他们的设计哲学在内的。首先根本原因是殖民火星的终极目标，直接原因是他们所具有一款自己研发的发动机，间接原因是前任在其他两种方法上曾经失败的尝试，下面我简单说一下，不选择其他两条道路的原因：
航天飞机STS-124任务后，一侧固体助推器在降落伞作用下溅落海上，但是猎鹰9是一款薄皮的液体火箭，远没有固体火箭的壳体耐操，落海后一个大浪过来就会破裂受损，另外固体火箭结构简单，没有复杂的管路和泵阀结构，不怕海水侵蚀，而液体火箭发动机被海水浸泡后几乎就等于报废了
这是俄罗斯设想的有翼回收方案，也有翼伞加滑撬的方案，这种方案最大缺点是几乎要完全重新设计火箭储箱和气动外形，还要添加机翼、游机或者其他发动机来保证可控飞行和降落，但是这些设备在正常起飞是毫无用处的死重，大幅拖累运载能力
麦道公司著名的DC-X，DC是Delta Clipper（三角快帆）一词的缩写，它是液体火箭VTVL回收领域的先驱者，1993年8月首次试飞，后因经费不足被NASA砍掉，笔者收集了一些它的资料，有时间可以单独讲讲
事实上，SpaceX在伞降回收领域是做过尝试的，笔者误删了一张珍贵图片，内容是早年的SpaceX员工在海上演练回收伞降回收后漂浮在海上的猎鹰1火箭，后来正如前文所说的原因，SpaceX放弃了这条道路。
之后回收的技术方案终于集中在了今天已经取得成功的VTVL上，除此之外，VTVL是需要对箭体改动最小的一种回收方式，粗略来说唯一需要添加的结构就是几个在起飞时可以收起来的带缓冲着陆支腿，既没有降落伞舱和气囊，也没有巨大的机翼和游机。而且这种回收方式还有一个优点——看起来很酷！
反正笔者第一次看到SpaceX回收成功是是这个表情，而且我估计你也强不到哪儿去
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=j031701y81d&width=500&height=375&auto=0
2013年时候接受TED访谈时候的录像，十几分钟时间，马斯克分别谈了手中公司的设想和未来目标，3年过去了，其中大部分都成为了现实，所以说能吹牛不牛逼——吹完牛能实现才真牛逼
在上面视频里马斯克就强调了快速复用的概念，而且在的第14分钟时，出现了早期SpaceX回收方案的视频，里面二级火箭也是可回收的，但是这个方案现在已经被废弃
那么问题就来了——挖掘机。。。呸呸，VTVL这种方式虽然不需要添加额外的大量死重，但是却对火箭发动机提出了几条苛刻的额外技术要求。而当时的猎鹰9火箭还处于1.0版本，发动机为梅林1C系列，这个版本的梅林系列发动机显然无法满足以下VTVL的必备条件：
第一点：为了适应火箭返回式复杂的姿态控制要求，一级火箭的发动机必须具有良好的矢量调整能力，而且这还不够，发动机的矢量机构的响应必须相当快速和准确，而且可动矢量角要大。
虽然没有回收成功，但还是请注意着船前中央发动机近乎逆天的矢量调整能力
第二点：为了适应返回过程中各阶段不同的减速要求，尤其是最终着陆前的反推，需要发动机具有精确的深度节流能力，也就是推力从大到小要灵活可调，而且能调整到一个相对很低的程度，更难的是推力调整要非常精确。
因为最终阶段发动机推力调整必须相当精确，因为推力小了就砸到船上了，大了就会重新飞上天。这个玩儿过《坎巴拉太空计划》中手动着陆的都有体会
第三点：回收所要用到的几台发动机必须要有优秀的多次启动能力，尤其是中央发动机，每次发射和回收中需要四次可靠点火，不过这个其实并不难，很多发动机都做得到；难的是这些发动机必须具备在超音速环境下点火反推的能力，这个你可以想象一下顶着鼓风机点燃喷灯的感觉。
也就是说，SpaceX放弃了在降落伞、气囊和机翼上做努力，而是近乎疯狂的改进着他们仅有的梅林发动机。这也是因为SpaceX的发动机是自行研制的，如果如当初SpaceX是通过外购发动机来攒机，面对着这些苛刻的要求，马斯克也只能无奈叹气了。这或许就是我们常说的塞翁失马焉知非福吧，后来这也成为了SpaceX坚持自研发动机的重要原因之一。
梅林1C发动机（左）和梅林1D发动机（右）的试车对比图，前面所说的这三方面的要求都已经融入了这一版本的演进当中，所以说梅林一路走来，除了推力的增加，其他修改的地方更值得我们去关注，尤其是自主研发带来的那些好处，梅林1D的节流能力可以降低至40%，图中最明显的区别就是喷管从左侧的管束式冷却变成了右侧的通道壁冷却，预燃室结构也有简化
在具有了梅林1D这款发动机之后，SpaceX还需要掌握复杂的垂直起降自适应算法，还需要大量的垂直反推和降落测试，这些试验放在一款实际发射的猎鹰9火箭上显然并不合适，所以SpaceX专门制造了一台VTVL测试火箭，称之为“蚱蜢”（Grasshopper），意味着它可以像蚱蜢一样高高跳起，然后稳稳落下。
巨大的蚱蜢火箭仅仅安装了一台梅林1D发动机，而且最关键是上面没有格栅舵，完全依靠发动机强大的矢量和推力调节能力来维持平衡，图中火箭上有个人，各位可以对比一下大小
后面的故事似乎大家都知道了，SpaceX进行了数次成功的蚱蜢悬停试验，然后又建造了更加贴近猎鹰9火箭实物的F9R Dev火箭来进一步测试和完善VTVL技术，然后又不小心自毁炸掉了这枚F9R Dev。然后的然后就是在实际猎鹰9发射中不停的，反复的，契而不舍的尝试反推着陆回收，最终获得了成功。
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=o0194tivpge&width=500&height=375&auto=0
我就用这么一个视频来代替，因为他确实讲的比我好，你在这里能看到，SpaceX走到今天这步究竟经历了多少挫折，如果在别的公司，我保证VTVL火箭回收的这个项目已经被砍掉一万遍了
我们这个介绍发动机的故事终于来到了现在，猎鹰9终于成为了一款可回收运载火箭，但是面对SpaceX的未来和他们的终极目标，梅林还有三方面的不足：
第一个：梅林并不是一款彻底的可复用发动机，因为影响发动机重复使用的一个重要问题就是积碳，这是复用上的一条拦路虎，要想解决这个问题，最好的办法就是换燃料，那么换什么呢？研发人员最终选择了甲烷。
第二个：梅林的推力偏低，改到这个程度还是不足100吨，而未来重型火箭需要的巨大起飞推力不可能通过无限制堆砌发动机数量来解决，现在重型猎鹰研发的拖延和困境侧面印证了这个观点。
第三个：梅林的比冲太低，做为上面级发动机很吃力，效率比较低，高轨运力受影响很大，尤其是GTO、地月转移轨道、地火转移轨道，一款开式煤油机包打天下其实很辛苦。
积碳这东西是绝大部分烃类发动机都逃不开的固有缺陷，不管是你家楼下的奔驰宝马，还是飞往火星的重型猎鹰
这样一来，就有一个非常现实的问题摆在了SpaceX面前——他们需要开发一款新的液体火箭发动机，这个发动机需要有下面的特点：
推力更大，至少要200吨级别，甚至要更高，否则无法满足规划中的重型火箭BFR的要求，而发动机数量的简单堆砌是有限度的，当面对几千吨的起飞推力时，用80吨级别的发动机来凑数简直是无法想象的。
早年SpaceX设想中梅林的继任者并非猛禽的，图为早年规划中的梅林-2发动机，采用梅林1的设计进行等比例放大，燃料组合不变，具有70%的节流能力，废气排放方式与F1发动机类似，后来梅林-2已被证实放弃
具有优秀的复用能力，也就是没有积碳，或者是在预定的解体翻修周期内积碳不足以影响发动机性能，而且关键的失效点有着明确的翻修周期，而不是每次发射后都需要大卸八块，发动机的故障寿命满足标准的澡盆曲线。
著名的土星五号火箭主发动机——F1发动机的涡轮泵结构，红框处为预燃室叶轮，上部预燃室喷出富燃的高压燃气，推动叶轮高速转动，带动上方两个共轴的两个涡轮泵泵送主燃烧室所使用的液氧和煤油，因为梅林发动机和F1一样也是燃气发生器循环，所以我觉得这个例子很好，而且燃气发生器循环发动机的预燃室都是富燃的，积碳最严重
来来来，放大给你看，这就是盖了厚厚一层积碳的叶盘，左下角的白色就是抹去积碳后的本来样子，这仅仅是全时长地面试车后的积碳，想象一下反复飞行后越来越厚的积碳会产生什么样的影响？所以要想真正复用，积碳必须解决
新发动机比冲必需要高于现有的梅林发动机（真空比冲至少350s以上），以此来同时满足深空推进和起飞离地两个阶段的不同要求，为了这个目标可能需要改进循环方式和换用比冲更高的燃料组合。
航天飞机的主发动机SSME就需要适应真空和海平面两个阶段的工作，所以在地面试车时发动机火焰就出现了明显的欠饱和状态（往里缩），而其452秒的真空比冲傲视群雄，迄今无人能敌，猛禽也不行
必须要能够深度节流；必须要能够多次启动；必须要能够进行精确快速的矢量调整，这个和现在的梅林系列发动机要求基本一致。
新发动机所采用的燃料组合要廉价，至少不能高于现有的液氧煤油，很显然，高贵的氢氧机就这么被PASS掉了。因为未来BFR这种全复用的火箭，燃料成本成为了关键因素。
哇哦，看起来好屌，为了满足这些要求，SpaceX决定开始研发代号为“猛禽”（Raptor）的液氧甲烷发动机。
（未完待续）
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