默林火箭发动机

作為SpaceX最早開發的版本，默林1A发动机使用便宜、一次性的烧蚀冷却碳纤维复合材料噴嘴，可以提供340kN (76,000lbf) 的推力。默林1A只飞行了两次，都被用於猎鹰一号的第一级上。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而导致发射失败[6][7] 。第二次在2007年3月21日，这次发射非常成功。[8] [9][10]。

SpaceX的渦輪幫浦採用全新的設計，由Barber-Nichols公司在2002年獲得合約，進行設計、工程分析、製造與測試的完整流程。這間公司也曾參與 RS-88引擎以及NASA Frastrac引擎計劃的渦輪幫浦製作。梅林1A的主軸採用獨特的摩擦焊接技術，在Inconel 718製成的兩端之間接上由鋁合金製作的RP-1燃料葉輪。渦輪幫浦的艙室以包模鑄造成形、兩端為Inconel、中心是鋁合金，以及在液氧端有300系的不鏽鋼。渦輪是一個部分開啟 (意即工作流體只在旋轉的某些部分被允許進入，是一個圓弧、但不是整圈都可以) 脈衝設計且最高轉速可達20,000 rpm，總重量為68 kg (150 lb)。

在此之后，SpaceX以默林1A為基础，设计出默林1B发动机，同樣用于猎鹰1号运载火箭。推力提升到380kN (85,000 lbf)，而在真空中可以達到 420kN (95,000 lbf)，比衝值分別為261 s (2.56 km/s)以及 303 s (2.97 km/s)。

涡轮幫浦同樣由Barber-Nichols公司為SpaceX升級，其功率从默林1A的 1,500kW (2,000 hp) 提高到 1,900kW (2,500hp)。升級的方式包括安裝一個額外的噴嘴、將部分開啟改為全程開啟，以及稍微加大RP-1與液氧的葉輪。新的幫浦以更快的轉速22,000 rpm運轉，產生更高的出口壓力。整體重量不變，依然是68 kg (150 lb)。另一個值得注意的改變是，不同於1A採用火炬點火 (torch ignition)，1B改成以TEA–TEB自燃點火。

起初，SpaceX打算将默林1B用于猎鹰9运载火箭，並聯9個發動機作為第一級使用。但是由于猎鹰1号的发射失败，SpaceX转而發展採用再生冷卻技術的默林1C发动机，而默林1B再也没有被用于运载火箭发射。[9][10]

默林1C是SpaceX第一款使用再生冷卻技術的火箭发动机。在2007年11月，默林1C进行了时长170秒的完整试车[11][12]。2008年8月，默林1C发动机首次被用於猎鹰一号的發射[13]。隨後在2010年6月，默林1C帮助猎鹰九号完成了第一次飞行[14]。配置在猎鹰1號上时，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） 真空比冲可達304秒。在这种配置下发动机每秒消耗140（300磅）推进剂。对梅林1C发动机做的测试證實，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[15]。当配置在猎鹰九号上时，默林1C的海平面推力为560 kN（125,000 lbf）, 比衝为300秒。[16]

为了打入地球同步轨道卫星发射市场，SpaceX迫切需要在控制成本的前提下，研发一款高比衝第二级发动机。真空版的默林1C，是SpaceX自行開發的首款第二级煤油发动机，基于默林1C改进而来。2008年3月10日，SpaceX宣布默林1C真空版測試成功。2010年1月2日，默林真空引擎全时长试车成功[17]。相較於默林1C发动机，默林1C真空版采用了更长的噴嘴和更大的擴張比，以此来最佳化真空下引擎的效率。燃烧室以再生冷卻散热、2.7公尺长[18]的锆铌合金[19]喷嘴擴散段則以辐射散热。引擎提供411kN的推力，在真空中比衝值可達342s，性能在第二级液氧煤油发动机中相當先進。[20]

在2010年6月4日的猎鹰9号首飞中，默林1C真空版被用于猎鹰9号的第二级火箭。在全功率運作下，成為最高效率的美国制造碳氢燃料火箭引擎。[21]

默林1C发动机擁有相當優異的可靠性。在猎鹰9号第二次飞行前不久，工程师在默林真空发动机的锆铌合金喷嘴上发现两条裂缝。在发射前两天，工程师的解决方案是剪掉下面的1.2公尺長的喷嘴。即便没有长喷嘴带来的额外推力，发动机也能完成此次任务。最終尽管用了比较短的喷嘴，发动机依然把第二级火箭送上了11000公里高的轨道。[18]

默林1D发动机由SpaceX于2011年至2012年期间开发，2013年首飞。[22] 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）。[22] 2011年，SpaceX宣布[23]默林1D发动机的真空推力将为690 kN（155,000 lbf），真空比衝（I_sp）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），艙壓位于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。[4] 后来的改进使发动机能够最低以满推力的40%工作。[24]

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）。[25]

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。[26]

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。[27]

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的CASSIOPE卫星。CASSIOPE是一颗800英磅（360）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）。[28] [29]

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。[30]

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，埃隆·马斯克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）。[31] 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）（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1D发动机的真空版，为猎鹰9号运载火箭和猎鹰重型运载火箭的第二级而研发。[32][4]

2012年末，埃隆·马斯克发表推文，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." [33] 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。[32] 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。[32][34]

根据SpaceX发布的酬載用户手册，默林真空1D最低能节流至满推力的39%，或者360 kN（81,000 lbf）。[34]