液氧煤油发动机
创造历史的Falcon火箭使用液氧/煤油梅林发动机、新锐的Antares火箭居然使用从俄罗斯购进的上世纪六七十年代生产NK-33液氧煤油发动机、俄罗斯的新一代运载火箭Angara系列火箭使用液氧煤油发动机RD-191、美国的Atlas V火箭也使用俄罗斯的RD-180发动机、我国的新一代中型运载火箭CZ-7火箭使用YF-100和YF-115液氧煤油发动机首战告捷令人鼓舞、连俄罗斯最近都爆出了拟将Atlas V上的RD-180液氧煤油发动机供应给我国。这一时间，关于液氧煤油发动机的消息不绝于耳，让人很不意外地感觉：液氧煤油发动机已然成为当前运载火箭的主流，而至少从近些年的发展来看，关于氢氧发动机的爆炸性信息这一段时间似乎还未曾如此出现过。
当然，感觉归感觉，事实上一直以来，液氧煤油发动机都是运载火箭的主要选项，甚至创造了人类奇迹的美国登月土星V火箭一级也都是使用的液氧煤油发动机F-1，其历史可谓久远，为人类的宇宙探索发挥了极为重要的作用！近些年，随着人类对于环境保护的责任意识不断增强，对于使用环保推进剂的呼声也日趋紧迫，这也进一步使得具有毒性的常规四氧化氮/偏二甲肼在应用空间上逐渐减小，而逐渐为环保的推进剂所取代，显然液氧煤油发动机是比较好的选项！
选择Falcon9 火箭的Merlin发动机开始说事儿，主要还是因为该发动机为近期出现的新发动机，且在选择了为发动机领域内公认的效率并不是很好的燃气发生器循环基础上却成就了Falcon9当前确实不菲的成就！对于Merlin发动机，肯定也好，否定也好，反正在互联网上是不绝于耳！本文并不想去过多评述这些本就仁者见仁，智者见智的是是非非，只是拟将当前以至于后续也会逐渐增多的液氧煤油发动机主要信息进行一次汇聚！所以，也算尽力去翻阅了互联网！其中有些素材基本上未加任何修饰而直接引用，有些可能来源不同，内容上也多少会有些差异！
1、关于液体火箭发动机的几种循环方式
液体火箭发动机为运载火箭提供动力，是影响运载火箭任务成败和飞行性能的关键因素。当前的液体火箭发动机主要还是通过采用推进剂进行燃烧后高速排出燃气来获取推力，系统功能和组成独成一体！
为了更好说明后续的液氧煤油发动机，这里还是有必要先谈一下关于液体火箭发动机的几种典型动力循环方式，因为其基本确定了发动机的大状态和大性能。
根据发动机的输送压力的提供方式，发动机可以分为挤压式发动机和泵压式发动机。顾名思义，挤压就是通过贮箱提供压力来实现推进剂的输送，由于随着压力的升高，对于贮箱结构的增重代价比较大，因此这种方式通常应用于推力需求较小的姿控类发动机。泵压式则是利用泵来提升系统内部压力，完成推进剂的输送，这种方式常用于推力要求较大的发动机。
对于泵压式发动机系统，根据发动机的动力循环组织的方式，一般比较常见的，可以将发动机分为燃气发生器循环、分级燃烧循环（也常称作补燃循环）和膨胀循环。
燃气发生器循环：也称为开式循环，这种方式从燃料和氧化剂的主流中抽取少量去给名为燃气发生器的组件，在该组件内燃烧形成燃气，该燃气通过涡轮做功，从而驱动泵将推进剂流体送入燃烧室。这部分燃气既可以直接外排，也可以再次通入发动机喷口排出。随着进入燃气发生器的推进剂增加，产生的燃气做功能力也越来越强，这样进入燃烧室的推进剂也就越来越多，推力也不断增加。燃气发生器里的推进剂混合是远远偏离最佳混合比的，这样才能够确保燃气温度相对较低，不会超过涡轮叶片所能承受的温度。这种方式的特点在于结构简单，各组件工作状态比较好，缺点在于推进剂未能完全发挥作用，表现在性能上略低。
分级燃烧循环：是一种闭式循环方式。其燃烧过程是按照分级来组织的。和燃气发生器循环一样，分级燃烧循环系统有一个预燃室来形成驱动涡轮的燃气。在预燃室里通常为一种推进剂少量供入，而另外一种推进剂则大量供应，以进行富氧或者富燃混合燃烧形成驱动涡轮的燃气。燃气进入主燃烧室与剩余的那一种推进剂（先前少量进入预燃室的推进剂）进行再次燃烧。和燃气发生器循环相比，其优势在于所有的推进剂都是在燃烧室内以比较优化的混合比在进行燃烧而没有从其它分支排出。这种循环方式经常应用在功率要求比较高的地方，燃烧室压力的增加，在同等推进剂消耗下产生的推力也增强。但这种循环方式在研制成本上比较高，主要是比较高的系统压力使得研制过程变得相对复杂一些。另外，涡轮的工作条件也相对差一些，且需要高温燃气管路来输送燃气，系统本身也是一个比较敏感的带复杂反馈系统。
膨胀循环：膨胀循环和分级燃烧循环有些相似，差别在于其没有预燃室。该种方式利用主燃烧室的热量来将燃烧室冷却通道中的燃料蒸发，形成蒸汽。这些蒸汽通过涡轮后驱动涡论，带动泵工作，之后再进入到燃烧室和氧化剂产生燃烧。这种方式往往应用于具有低沸点、易蒸发特性的燃料，譬如液氢、甲烷。和分级燃烧一样，膨胀循环中的所有推进剂最终都是在燃烧室内以比较优化的混合比进行燃烧，典型情况下是没有直接外排的。但是，由于其驱动涡轮的能源源自推力室内的热量，而该热量也是有限的，所以这也实际反过来也限制了该种循环模式所能提供的最大能力。一般来讲，这种循环方式比较适合于小型或者中型发动机。根据燃气的使用情况还有一种衍生系统，成为开式膨胀循环或者抽气膨胀循环，这种方式只抽取了部分燃料蒸汽驱驱动涡轮，且直接排放入外界环境。这样做的目的是提高涡轮压比，从而提高做功能力。尽管由于部分燃料外排，降低了推进剂的使用效率，但这种方式却可有获得较闭式膨胀循环更高的燃烧室压力。
2、Falcon 火箭的Merlin（梅林）发动机
SpaceX目前使用9台液氧煤油组合的梅林发动机作为Falcon 9火箭的第一级发动机，1台真空版梅林发动机作为第二级发动机（加大了喷管！）。
Falcon9火箭的梅林发动机
梅林发动机采用的是燃气发生器循环方式，其技术核心在于使用了针栓式喷注器，使得其在推力调节和燃烧稳定性方面表现优异！
什么是针栓式喷注器
同轴针栓式喷注器是由可动套筒、处于套筒内的固定针栓组成。一种推进剂从喷注器外表面流动，沿喷注器可动套筒突出部与中心同轴式喷嘴所形成的环缝隙轴向喷注；另一种推进剂从喷注器从喷注器内部流动，从可动套筒与固定针栓顶部之间的环缝或者可动套筒顶端的开槽或开孔中径向喷注。两种推进剂碰撞实现推进剂的雾化。套筒和可调汽蚀文氏管针阀杆通过柔性赶与机械臂连接在精密的伺服作动器上，作动器上安装有位移传感器，不同位置的反馈信号输入控制系统，了解两种推进剂流通环形面积，实现流量调节，从而改变推力大小。使用同轴针栓喷注器，喷注液体在燃烧室内形成两处回流区。围绕在同轴喷注器顶部的回流区外侧推进剂较多，其液滴蒸发冷却了喷注器的突出部分；而核心回流区中心推进剂较多，回流后增强了推进剂的混合，提高了燃烧效率，并避免了在流量大范围内调节引发燃烧室压力波动时可能出现的燃烧不稳定现象。
针栓式喷注器
梅林发动机经过多年发展和演化，已经形成了包括早期的梅林A到现在的梅林D共计四型，另外还有两款真空版（适应天上真空飞行，喷管大幅加大），其中梅林1B发动机实际并没有用上就已经被梅林1C所替换。
梅林1A发动机采用一次性使用的烧蚀冷却碳纤维复合材料喷管，能够产生340kN推力。该发动机作为Falcon1的一级发动机参加了两次飞行。第一次在2006年3月24日，当时因为起飞后不久燃料泄漏而失败；第二次在2007年3月21日，获得了成功，性能正常。
梅林1B发动机是梅林1A的升级版本，主要针对涡轮泵进行了改进。该发动机能够提供380kN推力。在不改变涡轮泵重量的情况下，通过对涡轮的改进和泵叶片的加大，使其能够在更高的转速下工作，从而也提高了涡轮泵的扬程。梅林1B发动机原本要作为Falcon9火箭一级上，但鉴于Falcon1的飞行情况，且使用再生冷却喷管的梅林1C也研制成功，所以该发动机实际并没有飞行使用过。
Falcon火箭的Merlin发动机
梅林1C发动机使用再生冷却的喷管和燃烧室。涡轮泵在梅林1B发动机的基础上仅进行了微小变化。2007年经过了全任务周期的热试车，2008年8月首次飞行，2008年9月执行Falcon1的第四次飞行，取得了成功。2010年6月执行了Falcon9的首飞，表现完美。其海平面推力350kN，真空推力400kN，真空比冲304s。2009年3月10日，SpaceX宣布成功完成了梅林1C真空版发动机，该发动机是在梅林1C的基础上将喷管加大从而获得更大的面积比使得发动机效率得以最大化。该发动机的燃烧室使用再生冷却，而长达2.7m的Ni合金喷管使用辐射冷却的方式，真空推力为411kN，比冲为342s。
梅林1D发动机是在2011年到2012年期间进行研制的，2013年参加了首次飞行。2011年AIAA的推进会议上，Tom Muller发布了将研制真空推力690kN，真空比冲310s，具有从100%到70%推力调节能力的梅林1D发动机的消息。2012年6月发动机完成研制，发动机海平面推力达到650kN，真空推力720kN，海平面比冲282s，真空比冲311s，其推重比甚至超过了150。2013年，3月20日，发动机经过了飞行鉴定试验；同年6月，作为Falcon9.1.1的一级发动机参加了模块试车。2015年Tom Muller又提出了在保持原有重量（470kg）的情况下，进一步改进梅林1D发动机，其真空推力将达到825kN。目前该版发动机已经在Falcon9FT火箭上得到应用。2016年5月，SpaceX宣布将进一步提高梅林1D发动机的推力，使之达到海平面推力845kN、真空推力914kN。
看着梅林发动机的发展过程，确实让人有种眼花缭乱、跟不上的感觉，而且潜意识中还怎么感觉：这发动机似乎总能够不断提升、总是在不断超出你的想象！！！这也许就是SpaceX的另外一种魅力所在吧！我理解这也许就是一种对追求的执着和自信！
3、还有哪些你应该知道的液氧煤油发动机？
除了SpaceX的梅林发动机外，那还有哪些液氧煤油发动机也值得关注？比较多，这里挑一些重点的！先从历史开始简述！
上世纪五十年代末，苏联就研制了RD-107、RD-108 和RD-0110 液氧煤油发动机，用于东方号、联盟号等运载火箭，开创了人类载人航天的历史，而且联盟号火箭至今仍然是俄罗斯载人航天的主要运载工具。到了上世纪六十年代，美国研制了采用燃气发生器循环方式的F-1 液氧煤油发动机，推力达到 6900 kN，实现了载人登月的伟大壮举。同时期，苏联研制了使用补燃循环的NK-33 液氧煤油发动机，推力达到了 1500 kN，用于 N-1 载人登月火箭。进入八十年代，苏联研制了用于能源号运载火箭的RD-170 液氧煤油补燃循环发动机。
近年来除了美国 SpaceX 公司的猎鹰 9使用了梅林液氧煤油发动机外，轨道科学公司的阿塔瑞斯火箭采用俄罗斯的NK-33液氧煤油发动机，我国的新一代运载火箭CZ-7和CZ-5也都大量使用了YF-100和YF-115液氧煤油发动机。
土星V F1发动机
土星V火箭是美国上世纪实现登月创举的火箭，其一级采用F-1液氧煤油发动机。F-1发动机直径3.65米，高5.6米，重达8.45吨；采用燃气发生器开放式循环，液、液直接燃烧。涡轮泵功率46225千瓦，工作时每秒泵入838.2公斤的煤油和1784.7公斤的液氧。土星五号火箭安装5台F-1发动机，每秒输送推进剂流量12.71立方，可以在8.9秒内清空一个容量110立方的游泳池。
洛克达因最初设计F-1只是出于美国空军在1955年提出的制造超大型火箭发动机的要求。公司最后设计出两个版本，一个E-1，一个更大的F-1。E-1虽然在静态点火试验中取得成功，但很快这款发动机被视为没有前途，而且有更强大的F-1存在，因此E-1计划被搁浅了。然而美国空军却发现没有使用如此强大的发动机的必要，F-1的研究计划也随之中止。刚刚成立的NASA看中了这款发动机，并与洛克达因签约，要求尽快完成研发。1957年，发动机进行了局部试验，而整机的静态点火试验也在1959年3月取得成功。
F-1发动机在随后七年的测试中，其燃烧不稳定性逐渐暴露出来，并可能导致灾难性事故。攻克这个技术难题的工作最初进展十分缓慢，因为这种故障的发生是不可预知的。最终，工程师们想出了解决办法，他们将少量的爆轰炸药放在燃烧室中，并在发动机运转时引爆炸药，以此测试燃烧室在压力变化时将作何反应。设计师随后测试了几种不同的燃料喷射器，并得到了最佳匹配方案。这个问题从1959年一直拖到1961年才算告一段落。
1962年5月26日，美国加州爱德华兹空军基地（AFB），阿波罗载人登月计划使用的F-1火箭发动机，以150万磅（680吨级）全推力进行了150秒试车。这是迄今为止推力最大的单燃烧室液体火箭发动机。
从1961年至1967年，F-1火箭发动机共进行了239124秒单台试车，16043秒并联试车。粗略估算，仅是单台试车，就烧掉了20万吨煤油，42.68万吨液氧！最终该发动机成就了人类航天迄今为止的最杰出壮举！
F-1发动机外形装配图
F-1发动机性能
F-1发动机原理简图
F-1发动机原理简图
作者：冰箭，中国运载火箭技术研究院某运载型号主任设计师，资深火箭专家
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