梅林真空版發(fā)動機噴管的基本知識

首先，這是正常的，不是什么東西壞了。

SpaceX 的獵鷹 9 號火箭的二級箭體裝有一臺 Merlin（梅林，又叫灰背隼）發(fā)動機的真空版本。梅林真空版發(fā)動機的一個顯著的特征就是，它有一個超級大的噴管，見下圖：

一些梅林真空版發(fā)動機噴管的參數(shù)：

1. 噴管高度：2.7 米[1]

2. 噴管底部直徑：2.5 米[1]

3. 管壁厚度：0.4 毫米左右[2]

4. 噴管重量：沒有具體數(shù)據(jù)，大約在 50 - 100 公斤左右[2]。

5. 噴管冷卻方式：沒有，硬扛[3]。

(注，以上數(shù)據(jù)有可能不是最新的版本，但從 Merlin 1D 開始，基本參數(shù)變化不大）

細(xì)心的讀者會不會感到吃驚？這么一個龐然大物（2.7 米高，2.5 米寬）的金屬制品，重量才 50 到 100 公斤，稍稍魯過幾天鐵的群友都能把它抬起來！而且，且慢！SpaceX 絕對不會讓你去碰它的，不是因為保密原因，而是你看到了嗎，噴管管壁才 0.4 毫米厚??！想想你小時候用的 0.5 毫米的自動鉛筆芯，多么容易折斷！保證一碰一個坑。見下圖中，一個剛剛制造完成的真空噴管：

（注：只找到上一代梅林真空發(fā)動機噴管的實物圖，但尺寸、重量、厚度和最新的版本差不多）

看到?jīng)]，上面清清楚楚寫著：別摸我！^_^

為啥要造的那么嬌弱呢？最直接的原因就是要減重。SpaceX 的獵鷹 9 是世界上干質(zhì)比最高的運載火箭，造就了它無與倫比的性能和廉價。每一公斤的火箭重量都要斤斤計較，沒有必要的重量統(tǒng)統(tǒng)去除。二級噴管的主要工作環(huán)境是在近似真空的高空（80 公里以上）和外太空，沒有空氣壓力和阻力，不需要很壯實。第二，管壁越薄，高溫膨脹和散熱越好，這樣就擺脫了加裝冷卻系統(tǒng)的必要，減低了復(fù)雜度和。。。對，重量！^_^

但問題來了，這么嬌弱的噴管，怎么經(jīng)得起任何折騰？從噴管制造，到裝配到發(fā)動機上，到發(fā)動機安裝到二級火箭上，到二級火箭裝箱、公路轉(zhuǎn)運到發(fā)射場，到安裝到一級火箭上，到整個火箭從水平狀態(tài)豎起至發(fā)射的垂直狀態(tài)，到（劇烈震動中）點火升空，到 MAX-Q（最大空氣動壓），到一級發(fā)動機熄火引起的負(fù)沖擊，到二級發(fā)動機點火的正沖擊。。。要熬過這么多步，僅僅靠 0.4 毫米厚的金屬薄片??！

怎么辦，從兩個方面入手。

噴管加強筋

第一，這是簡單的一方面：在接近噴管底部最大開口處的外壁上，箍上一圈加強筋。對了，就是本文開頭所說的白色的"繩子"，有點像木質(zhì)酒桶上的鐵箍。一圈加強筋提供了均勻的徑向上的壓力，使得噴管的強度和抗震性能更好，見下圖：

但是你猜不到的是這個加強筋是啥做的，和如何安裝到噴管上去的。這個加強筋是用 cork（對， 用來做紅酒瓶塞的那種軟木）做的[4]。軟木加強筋是用 RTV sillicone (室溫硅膠，對，就是你裝修廁所、廚房時打的膠）粘到真空噴管外表面上去的[4]。SpaceX 是不是再一次打破了你對神秘和高大上的航天技術(shù)的印象？^_^

等到二級發(fā)動機點火后，噴管升溫，自然而然地把硅膠融化了；同時，因為發(fā)動機的火焰提供了足夠的向外壓力，使得噴管膨脹，于是，軟木加強筋就被撐斷，飛走了。這就是大家經(jīng)常問的問題的答案。

而保證真空噴管物理強度和性能的另一方面就是真的高科技了。

噴管材料

二級噴管是由一種叫鈮鉿鈦合金制成的。在 1965 年，美國 NASA 研制成功一種合金叫 Niobium C103，主要成分是：89% 左右的 Niobium（鈮），10% 左右的 Hafnium（鉿），和 1% 左右的 Titanium（鈦）[5]?[6]?，F(xiàn)在這種合金已經(jīng)完全商業(yè)化，很多公司能夠生產(chǎn)和制造，如?Materion。SpaceX 采購這種合金原材料材料，自行加工二級噴管。下面是加工一級噴管的視頻，二級噴管加工過程類似：

是不是再再再一次顛覆了你對高大上的印象？就幾把噴槍和一個金屬磨具轉(zhuǎn)呀轉(zhuǎn)。哈哈。

為什么研發(fā)、制造、選用這種合金呢？主要是因為發(fā)動機噴口的工作環(huán)境比較惡劣哈。發(fā)動機噴管外壁一般由低溫燃料做降溫劑，零下多少度！內(nèi)壁則直接是發(fā)動機火焰燒烤，幾千度。加上工作時的震動，和點火時的沖擊波，實在是對材料的嚴(yán)峻考研。在 5 種已知的 refractory metal（耐高溫金屬）中，鈮是密度最低的，也就是說，它擁有相同的耐高溫性質(zhì)，但最輕，是航天領(lǐng)域很好的選擇。同時，鈮的導(dǎo)溫性好，延展性好，抗震動性極佳，而且相對的比較容易熱加工，如切割、焊接[5]。所以在 C103 合金中，鈮占了 89%。

鉿的加入，主要是為了增加金屬表面氧化層的粘合力，使得在低溫的情況下，金屬表面氧化層不會輕易變脆剝落，造車腐蝕[7]。

至于具體的比例和原因，就是材料學(xué)家的秘密和經(jīng)驗、試錯的累積了。好在中國在 1975 年也研制成功了類似的合金。比例基本相同，只是中國的鈮鉿鈦合金里再加入了微量（trace amount）的鋯（Zirconium）[8]。

短噴管

最后再來說一說另一個經(jīng)常提到的問題。有心人在看 SpaceX 直播的時候，有時候會發(fā)現(xiàn)，有些任務(wù)中的二級噴管特別的短，正常的二級噴管是 2.7 米長，2.5 米直徑，而下圖中的直播截屏，可以看到噴管短了好多，這是為啥？

其實原因很簡單，還是同樣的道理：SpaceX 致力于打造全世界最便宜的運載火箭，每一分錢都要掰成兩瓣兒花。二級噴管的長度和直徑是經(jīng)過嚴(yán)格計算而成的，是最優(yōu)化的形狀。也就是說，在這個形狀下，性能最高，燃料最省。然而，并不是每一次發(fā)射任務(wù)都需要用到極致的性能，很多時候，性能損失一點，對于最終衛(wèi)星入軌無關(guān)緊要，代價是多耗費一點點燃料。二級噴管做的很短，性能下降，燃料消耗增多，但是換來的是使用更少的噴管合金原材料，和加工的時間。看看原材料的是價格：

• 鈦：5 美元/公斤

• 鈮：50 美元/公斤

• 鉿：5000 美元/公斤

如果按照噴管 100 公斤來計算，噴管縮短一半，光原材料就可以省下近 3 萬美元，加工費、人工費省得更多。液氧和煤油卻是白菜價。所以，SpaceX 理所當(dāng)然地做出了這個令全世界其他火箭發(fā)射機構(gòu)目瞪口呆的決定：主動減低自己發(fā)動機性能！

現(xiàn)在理解了為啥 SpaceX 在短短十來年里，從一個人見人笑的丑小鴨，變成發(fā)射業(yè)界的巨無霸，橫掃整個世界無敵手了嗎？

參考

1. https://www.b14643.de/Spacerockets_2/United_States_1/Falcon-9/Merlin/index.htm

2. https://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=47139.0

3. https://space.stackexchange.com/questions/8806/what-are-the-differences-between-a-standard-merlin-engine-and-the-merlin-vacuum

4. https://www.reddit.com/r/SpaceXLounge/comments/wo4bv7/whats_with_the_band_on_the_vacuum_merlin_that/

5. https://materion.com/-/media/files/alloy/datasheets/other-alloy-products/niobium-c103-alloy-for-space-data-sheet.pdf

6. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20205003679/downloads/AM_C103_(AIAA)_26May2020.pdf

7. https://en.wikipedia.org/wiki/Hafnium

8. http://cn.chinatungsten.com/Nb/nihahejinjianjie.html