以下转载自 @JF科技 的知乎文章《SpaceX 梅林真空版发动机的喷管》（https://zhuanlan.zhihu.com/p/641767434）。

2023 年 7 月 1 日，SpaceX 在美国东部弗洛里达州卡纳维拉尔角成功发射升空欧洲航天局的欧几里得太空望远镜。SpaceX 的现场直播视频中的一段高清画面引来一些群友的问题。先看视频：

一个很显然的问题就是：那根崩断的白色绳子/钢圈是啥玩意儿啊？

梅林真空版发动机喷管的基本知识

首先，这是正常的，不是什么东西坏了。

SpaceX 的猎鹰 9 号火箭的二级箭体装有一台 Merlin（梅林，又叫灰背隼）发动机的真空版本。梅林真空版发动机的一个显著的特征就是，它有一个超级大的喷管，见下图：

一些梅林真空版发动机喷管的参数：

1. 喷管高度：2.7 米[1]

2. 喷管底部直径：2.5 米[1]

3. 管壁厚度：0.4 毫米左右[2]

4. 喷管重量：没有具体数据，大约在 50 - 100 公斤左右[2]。

5. 喷管冷却方式：没有，硬扛[3]。

(注，以上数据有可能不是最新的版本，但从 Merlin 1D 开始，基本参数变化不大）

细心的读者会不会感到吃惊？这么一个庞然大物（2.7 米高，2.5 米宽）的金属制品，重量才 50 到 100 公斤，稍稍鲁过几天铁的群友都能把它抬起来！而且，且慢！SpaceX 绝对不会让你去碰它的，不是因为保密原因，而是你看到了吗，喷管管壁才 0.4 毫米厚！！想想你小时候用的 0.5 毫米的自动铅笔芯，多么容易折断！保证一碰一个坑。见下图中，一个刚刚制造完成的真空喷管：

（注：只找到上一代梅林真空发动机喷管的实物图，但尺寸、重量、厚度和最新的版本差不多）

看到没，上面清清楚楚写着：别摸我！^_^

为啥要造的那么娇弱呢？最直接的原因就是要减重。SpaceX 的猎鹰 9 是世界上干质比最高的运载火箭，造就了它无与伦比的性能和廉价。每一公斤的火箭重量都要斤斤计较，没有必要的重量统统去除。二级喷管的主要工作环境是在近似真空的高空（80 公里以上）和外太空，没有空气压力和阻力，不需要很壮实。第二，管壁越薄，高温膨胀和散热越好，这样就摆脱了加装冷却系统的必要，减低了复杂度和。。。对，重量！^_^

但问题来了，这么娇弱的喷管，怎么经得起任何折腾？从喷管制造，到装配到发动机上，到发动机安装到二级火箭上，到二级火箭装箱、公路转运到发射场，到安装到一级火箭上，到整个火箭从水平状态竖起至发射的垂直状态，到（剧烈震动中）点火升空，到 MAX-Q（最大空气动压），到一级发动机熄火引起的负冲击，到二级发动机点火的正冲击。。。要熬过这么多步，仅仅靠 0.4 毫米厚的金属薄片！！

怎么办，从两个方面入手。

喷管加强筋

第一，这是简单的一方面：在接近喷管底部最大开口处的外壁上，箍上一圈加强筋。对了，就是本文开头所说的白色的"绳子"，有点像木质酒桶上的铁箍。一圈加强筋提供了均匀的径向上的压力，使得喷管的强度和抗震性能更好，见下图：

但是你猜不到的是这个加强筋是啥做的，和如何安装到喷管上去的。这个加强筋是用 cork（对， 用来做红酒瓶塞的那种软木）做的[4]。软木加强筋是用 RTV sillicone (室温硅胶，对，就是你装修厕所、厨房时打的胶）粘到真空喷管外表面上去的[4]。SpaceX 是不是再一次打破了你对神秘和高大上的航天技术的印象？^_^

等到二级发动机点火后，喷管升温，自然而然地把硅胶融化了；同时，因为发动机的火焰提供了足够的向外压力，使得喷管膨胀，于是，软木加强筋就被撑断，飞走了。这就是大家经常问的问题的答案。

而保证真空喷管物理强度和性能的另一方面就是真的高科技了。

喷管材料

二级喷管是由一种叫铌铪钛合金制成的。在 1965 年，美国 NASA 研制成功一种合金叫 Niobium C103，主要成分是：89% 左右的 Niobium（铌），10% 左右的 Hafnium（铪），和 1% 左右的 Titanium（钛）[5] [6]。现在这种合金已经完全商业化，很多公司能够生产和制造，如 Materion。SpaceX 采购这种合金原材料材料，自行加工二级喷管。下面是加工一级喷管的视频，二级喷管加工过程类似：

是不是再再再一次颠覆了你对高大上的印象？就几把喷枪和一个金属磨具转呀转。哈哈。

为什么研发、制造、选用这种合金呢？主要是因为发动机喷口的工作环境比较恶劣哈。发动机喷管外壁一般由低温燃料做降温剂，零下多少度！内壁则直接是发动机火焰烧烤，几千度。加上工作时的震动，和点火时的冲击波，实在是对材料的严峻考研。在 5 种已知的 refractory metal（耐高温金属）中，铌是密度最低的，也就是说，它拥有相同的耐高温性质，但最轻，是航天领域很好的选择。同时，铌的导温性好，延展性好，抗震动性极佳，而且相对的比较容易热加工，如切割、焊接[5]。所以在 C103 合金中，铌占了 89%。

铪的加入，主要是为了增加金属表面氧化层的粘合力，使得在低温的情况下，金属表面氧化层不会轻易变脆剥落，造车腐蚀[7]。

至于具体的比例和原因，就是材料学家的秘密和经验、试错的累积了。好在中国在 1975 年也研制成功了类似的合金。比例基本相同，只是中国的铌铪钛合金里再加入了微量（trace amount）的锆（Zirconium）[8]。

短喷管

最后再来说一说另一个经常提到的问题。有心人在看 SpaceX 直播的时候，有时候会发现，有些任务中的二级喷管特别的短，正常的二级喷管是 2.7 米长，2.5 米直径，而下图中的直播截屏，可以看到喷管短了好多，这是为啥？

其实原因很简单，还是同样的道理：SpaceX 致力于打造全世界最便宜的运载火箭，每一分钱都要掰成两瓣儿花。二级喷管的长度和直径是经过严格计算而成的，是最优化的形状。也就是说，在这个形状下，性能最高，燃料最省。然而，并不是每一次发射任务都需要用到极致的性能，很多时候，性能损失一点，对于最终卫星入轨无关紧要，代价是多耗费一点点燃料。二级喷管做的很短，性能下降，燃料消耗增多，但是换来的是使用更少的喷管合金原材料，和加工的时间。看看原材料的是价格：

• 钛：5 美元/公斤

• 铌：50 美元/公斤

• 铪：5000 美元/公斤

如果按照喷管 100 公斤来计算，喷管缩短一半，光原材料就可以省下近 3 万美元，加工费、人工费省得更多。液氧和煤油却是白菜价。所以，SpaceX 理所当然地做出了这个令全世界其他火箭发射机构目瞪口呆的决定：主动减低自己发动机性能！

现在理解了为啥 SpaceX 在短短十来年里，从一个人见人笑的丑小鸭，变成发射业界的巨无霸，横扫整个世界无敌手了吗？

参考

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