轉自 北京航天試驗技術研究所
原作者 王虹玥、張平
簡介
SpaceX 正在研發代號星箭（Starship）的新一代重複使用火箭系統，計劃於年內進行首次飛行，目標直指建立永久性的火星基地。與備受矚目的霍桑總部和博卡奇卡星箭發射基地相比，德克薩斯州的麥格雷戈（McGregor）試驗基地陪伴SpaceX從創立走到現在，並一直支撐著可重複使用火箭的發展。
麥格雷戈基地位於德克薩斯州州府奧斯汀北部約100公里，占地4280英畝（25,981畝）。2003年，SpaceX 從麥格雷戈市租用了該設施[3]。過去二十年中，該基地一直是SpaceX公司梅林（Merlin）發動機和猛禽（Raptor）發動機最主要的試驗研發和測試場所，每台發動機都要在這裡進行測試。梅林發動機為SpaceX的獵鷹-9（Falcon-9）和獵鷹重型（Falcon Heavy）等可重複使用火箭提供主要推力，使用液氧-煤油作為推進劑；而猛禽系列發動機將為SpaceX在研的新一代可重複使用星箭（Starship）發射系統提供絕大部分動力，該發動機使用液氧-甲烷作為推進劑。
為滿足發動機對可重複使用性的驗證和科研需求，包括數台乃至數十台發動機多級並聯工作帶來的性能測試和驗收試驗量需求、短周期內新研型號快速疊代改型的研發需求，麥格雷戈基地進行了大量的發動機試驗測試。以梅林發動機為例，截止2015年3月，這裡總共進行了 4000 多次梅林發動機測試，其中包括約50次9台發動機並聯組合的一子級點火試驗。而猛禽發動機在開始三年半的研發過程中就在各類水平試驗台上完成了大約 5000秒的點火測試，並通過改造和新建垂直試驗台將可用試驗工位拓展到5個。SpaceX對發動機採用嚴格的測試方案，每台發動機都要首先經過單機驗收測試，然後再集成到芯級上並進行全周期靜態點火測試，測試正常後再運送到發射場，在發射前的幾天還要進行一子級數秒的短時靜態點火測試。
該基地甚至還曾進行低空飛行測試。2012~2013年間，獵鷹系列火箭垂直起降技術最早的原型驗證機「蚱蜢」在此進行了8次成功的試飛，在單台梅林發動機的驅動下完成最高744m的起飛、懸停和垂直著陸試驗。
麥格雷戈基地已知擁有至少16個試驗台。本文重點介紹服務於猛禽發動機和梅林發動機及其動力系統的試驗測試設施。各試驗台和試驗區在SpaceX內部的官方代號和命名未知，本文中使用的都是根據其特徵和功能的臨時命名。
動力系統試驗區
這個區域中的設施包括作為SpaceX在麥格雷戈地標建築的「三腳架」試驗台、獵鷹-9一子級半地下新試驗台、獵鷹-9半箭結構測試台。
2.1 「三腳架」垂直試驗台
「三腳架」（Tripod）垂直試驗台由 Beal Aerospace公司建造，SpaceX接管該設施後進行了數次改造，先後開展了獵鷹-9號一子級的發動機組合及半箭系統測試、獵鷹重型一子級單助推器測試和猛禽發動機垂直測試。
該試驗台為三足垂直試驗台，高82m，外觀形似一個超大的三腳架。該支架設計的可承受推力為獵鷹-9的3倍。SpaceX接手該設施後，在三腳架試驗台的頂部加裝了一個高塔，高塔上裝有可伸縮的懸臂式地板，以便工程師和工人靠近箭體進行作業；後來SpaceX又在三角架的底部增加了大型水冷式火焰導流槽，用於對一子級發動機的尾焰進行導流。獵鷹-9一子級動力系統測試時最初使用一個90英尺（27.4m）高的原型火箭來模擬其質量和尺寸，用大型螺栓和銷釘固定在三腳架試驗台上，公司內部將其戲稱為「run tank」。2008~2015年，該試驗台用於進行獵鷹9號一子級的9台梅林發動機多級並聯試驗，其中2008年的首次試驗為雙台發動機並聯點火，後續逐漸增加數量直至九台。測試項目包括模擬發射狀態的15s、30s的短時間點火測試、持續約170秒的全周期點火測試。另外還進行了各種「發動機停機」中止模式的模擬演示試驗，以驗證火箭從發動機故障中恢復並利用冗餘設計繼續工作的能力。
2015年底之後獵鷹系列一子級相關測試工作轉移到新一子級動力系統試驗台進行。
2019年，SpaceX對閒置數年的三角架試驗台進行了改造並用於猛禽發動機垂直測試。SpaceX拆除了以前用於對一子級進行作業的高塔，另外原來安裝在頂層甲板上的多條推進劑管線和高塔後面的大型貯箱也被移除。改造後的三腳架試驗台上增加了發動機安裝台架和兩個新的白色貯箱。據馬斯克介紹，垂直測試時，發動機狀態更接近其真實的使用狀態，也更有利於猛禽發動機在軸承磨損和排液等問題上進行設計優化。
2.2 新一子級動力系統試驗台
在SpaceX公司將獵鷹-9火箭版本從v1.1升級到v1.2的過程中，他們為一子級動力系統試驗建造了一個新的半地下試驗台，以取代高空作業的三腳架試驗台。新試驗台具備龐大的導流槽，能夠承載更大推力，具備過冷推進劑的加注能力。新試驗台連接到美國最高的水塔，該塔高 280 英尺（85米），可容納 500,000 加侖（1895立方米）的水，可通過 6 英尺（1.83米）寬的管道在 90 秒內排空。新試驗台致力於降低試驗噪聲問題，從這個新試驗台開始，麥格雷戈的大多數新建試驗台都會使用大規模的噴水系統以有效降低發動機工作產生的噪音。
新一子級動力系統試驗台建成後，獵鷹-9一子級的半箭試驗就轉移到該台進行。獵鷹-9一子級全階段動力系統熱點火試車的時間為150秒。試驗過程中，一子級的頂部配置了一個橙色的蓋子，可能是為了模擬二子級重量，為一子級的結構部件創建更真實的測試環境。此項測試不僅安排在獵鷹-9火箭出廠前，也會在回收後復飛前進行。
外界曾猜測該台最終會進行獵鷹重型的一子級3芯並聯試驗（27台梅林發動機），但最終這裡只進行單芯（9台發動機）動力系統試驗，完整的一子級測試在發射台進行。
2.3 結構測試台
獵鷹-9的一子級和二子級結構驗收測試均在該台上進行。
獵鷹-9一子級進行測試時，箭體與級間段相連作為一個測試整體。已知的最早一次驗收測試在2009年7月底，測試項目包括1.1倍最大預期工作壓力 (MEOP) 的驗證測試，以及1.4倍MEOP的爆破壓力驗證測試，測試方案包括150多個增壓循環。根據NASA的載人航天評級安全要求（human rating safety requirements），該項測試選擇的安全係數為1.4。另外還進行了結構彎曲測試、剛度測試、最大動壓負載和主發動機停機條件測試。測試條件的選擇始終根據設計預期值和極限載荷兩個標準進行。最後還進行了地面風力合格性測試，以保證火箭垂直安裝在發射台後的狀態。
該台的第一次獵鷹-9二子級驗收結構測試在2009年10月中下旬完成，也是與級間段聯合進行的。該台上還曾經進行過二子級和級間段之間的全尺寸分離功能測試。SpaceX將全尺寸的級間段安裝在結構試驗台上，並在頂部安裝一個大質量配重物體來模擬二子級。測試開始後，測試台上的夾頭鬆開釋放二子級模擬配重，推動器將其推向空中，完成功能測試過程。
梅林發動機試驗區
梅林發動機試驗區的主要設施包括一個用於海平面型梅林發動機試驗的雙艙垂直試驗台、一個用於真空型梅林發動機試驗的垂直試驗台以及初代的二子級動力系統試驗台。每個垂直台底部均可見典型的導流槽結構，其鋼管結構在試車期間用水淹沒該區域以進行火焰冷卻和噪音抑制。
3.1 海平面型梅林發動機雙艙垂直試驗台
梅林發動機（海平面型）在飛行前的單台研發和驗收測試主要在這裡進行。以梅林1D發動機為例，在第一次飛行前的28項測試中積累的總測試時間達到了1970 秒，相當於 10 多個完整的任務周期。其中有4次試驗時間達到或超過了185秒，這是梅林發動機在獵鷹-9號飛行時序中所需的最長持續工作時間。梅林發動機還在多種不同的推進劑供應和運行工況下進行了測試，這些條件完全滿足預期的飛行條件。在SpaceX的測試計劃中，關鍵發動機壽命參數（例如點火持續時間和重啟能力）與實際飛行時序對發動機要求的比率為 4:1。
3.2 真空型梅林發動機垂直試驗台
在目前可獲取的公開信息中，真空型梅林發動機的地面熱點火試驗主要是以短噴管形式進行，這或許是因為噴管冷卻方式簡單——輻射冷卻，且二子級尚未實現重複使用，對噴管使用壽命要求較低。對於用在獵鷹-9二子級上的梅林發動機，一次完整的全任務周期地面測試持續大約6分鐘，消耗約100,000磅（約45359kg）液氧和煤油推進劑。為研究發動機在較小推力工況下運行時的性能，SpaceX還進行了推進劑節流狀態下的發動機點火試驗，在該測試項目中發動機推力可減小至最大推力的60%左右。
3.3 二子級動力系統試驗台
獵鷹-9二子級使用單個真空型梅林發動機提供推力，二子級整體動力系統試車的全任務周期點火測試時間為329秒。該試驗台第一次點火試驗在2009年11月，持續40秒，2010年1月2日進行了第一次全周期測試。
新二子級動力系統試驗台
該試驗台為半地下試驗台，基本結構與新一子級動力系統試驗台相似。該台建設一直斷斷續續，施工於 2015 年開始，但在導流槽建成後就停止了。建設工作於 2017 年底恢復，不過進展緩慢，重新鋪設了試驗台貯罐到發動機支架的推進劑管線。據報導現已投入使用。
猛禽發動機新試驗區
SpaceX在研的新一代可重複使用星箭重型運載火箭，計劃安裝39台猛禽發動機（一子級33台），因此猛禽發動機的測試任務量空前巨大。為此，SpaceX在麥格雷戈基地開闢了猛禽發動機新試驗區，該試驗區有1個雙艙猛禽發動機水平試驗台以及1個雙艙猛禽發動機垂直試驗台。加上改造後的「三腳架」試驗台，目前共有5個試驗工位可以用於猛禽發動機的測試。此外該區域還有1個用於某些組件測試的獨立設施。
5.1 雙艙水平試驗台
猛禽發動機雙艙水平試驗台現有公開信息表明，這個雙艙試驗台是猛禽發動機最早的試驗台。SpaceX在2020年2月底表示，過去一年裡此試驗台測試了18台全尺寸猛禽發動機，積累了超過3200秒的試驗時間。加上從2016 年到2018年測試的小型樣機，猛禽發動機前三年半的開發過程中在各類水平試驗台上完成了大約 5000秒的點火測試。
5.2 雙艙垂直試驗台
雙艙垂直該試驗台2021年1月底開始建設，歷時僅4個月左右建成，6月上旬成功進行了第一次15秒的點火試驗。
小結
麥格雷戈試驗基地20年的發展建設成果，佐證了試驗測試工作在火箭發動機研製中不可替代的作用。SpaceX公司密集的商業發射日程、其動力系統動輒數台甚至數十台發動機並聯工作的設計特點，以及快速疊代改型的研發需求，使其對發動機試驗的頻次和總量的需求很大。在麥格雷戈試驗基地發展過程中，現有試驗台改造和新台建設並行推進，並儘量明確試驗功能區，以方便發動機、箭體和燃料的貯存運輸。其中新建動力系統試驗台以半地下台為主，在工程作業難度、尾焰導流和降噪方面具備明顯優勢。每個試驗區力求建設多個試驗工位，結構緊湊，也能充分利用試驗區的公共設施，滿足高頻次試驗需求。多工位試驗台使得不同工作的安裝和試驗準備工作可以交錯並行，縮短準備工作周期。每型發動機建立水平和垂直兩種試驗狀態，可以使發動機試驗狀態最大限度接近飛行過程。SpaceX可重複發動機試驗的關鍵壽命參數與飛行任務預期要求的比值選擇要大於傳統發動機試驗，並且需要依據實際飛行任務剖面和時序設計下的發動機的工作時長和狀態，以及多機並聯時各機的工作狀態，設計多樣的試驗測試項目。