В чем разница между стандартным двигателем Merlin и двигателем Merlin Vacuum?

Самая большая разница - это насадка . Для оптимальной работы в вакууме вам нужен гораздо больший.

Согласно Spaceflight 101 , давление в камере такое же, но коэффициент расширения (площадь горловины к площади конца сопла) в вакуумном варианте в 7 раз больше, что (если верно) подразумевает примерно 2,7-кратный диаметр сопла, если горло без изменений.

В описании 1С-вакуума в Википедии говорится, что длина расширительного сопла составляет 2,7 метра, в то время как общая длина 1С первой ступени составляет всего 2,9 метра — примерно половина этой длины приходится на сопло. Таким образом, длина сопла фактически удваивается. Предположительно связь между 1D и 1D вакуумом аналогична.

Говорят, что на этой картинке слева направо: Falcon 1 Merlin 1C, Falcon 9 1C (разное крепление) и Falcon 9 2nd stage 1C вакуум — без удлинительного сопла, так что это более короткое и толстое сопло, чем другие.

А вот как выглядит удлинительная насадка сама по себе:

Поскольку на второй ступени Falcon 9 установлен один двигатель в корпусе того же диаметра, что и на первой ступени (с группой из 9), для большого сопла достаточно места.

Эта ветка на Reddit включает некоторые безрезультатные дебаты о том, насколько на самом деле отличаются вакуумные двигатели. Конечно, есть различия в монтаже и компоновке (наиболее очевидно, что выпускное сопло газогенератора наклонено дальше, чтобы не сталкиваться с удлинителем сопла), но турбонасосы и т. д., по-видимому, одинаковы.

Согласно редакции руководства пользователя Falcon 9 от октября 2015 г. , 1D Vacuum имеет гораздо более глубокие возможности дросселирования, чем двигатель первой ступени, примерно до 40% максимальной тяги (360–934 кН). Неясно, в чем причина разницы в дросселировании; возможно, двигатель чувствителен к разделению потока выхлопных газов при низких настройках тяги на высокое давление окружающего воздуха.

Есть несколько причин глубокого дросселирования в вакуумном двигателе, но не в двигателе первой ступени.

(1) На первой ступени нельзя использовать большой компенсационный колпак, и не мог бы, даже если бы это позволяла механика, потому что выхлопной поток отделился бы от колпака. Это вызовет нестабильность потока/обратный поток/..., что, вероятно, разрушит или повредит колокол, или того хуже. Выходное давление любого ракетного колокола должно соответствовать атмосферному давлению окружающей среды для максимальной эффективности. (Это означает, что любое традиционное ракетное сопло с максимальной эффективностью на уровне моря менее эффективно на больших высотах.)

(2) На первой ступени нужно только немного снизить скорость ближе к концу горения, чтобы ограничить ускорение полезной нагрузки пятью или шестью g (забыл... 6, кажется). Даже без дросселирования это можно было бы сделать, выключив двигатели.

(3) На второй ступени дросселирование должно происходить намного раньше и раньше (в процентном отношении; горение значительно дольше), чтобы ограничить перегрузки полезной нагрузки. Для более легких полезных нагрузок он должен снижать скорость еще больше и раньше. Поскольку двигатель работает в пустом пространстве, нет никаких ограничений на размер сопла или на разделение потока.

Основная задача любого ракетного двигателя — дать высший импульс ракете. mv(ракета)=mv(топливо), поэтому для данной массы топлива вам нужна максимально возможная скорость. Больший раструб сопла позволяет лучше использовать вакуум для достижения максимально возможной скорости.