世界上最大推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
世界上最大推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
該用什么來代表逝去的那個(gè)蘇聯(lián)的航天科技水平呢?有人說用Спутник(斯普特尼克),人類發(fā)射的第一枚人造地球衛(wèi)星;有人說用暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī);而小編認(rèn)為,那些都已經(jīng)屬于過去了。不如用RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來體現(xiàn)那個(gè)曾經(jīng)的蘇聯(lián)在探索宇宙的過程中達(dá)到的一個(gè)技術(shù)高度。讓我們一起來了解下吧。
RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是人類有史以來研制的推力最大的多燃燒室液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這款擁有4個(gè)燃燒室,1臺(tái)渦輪泵和2個(gè)預(yù)燃室的發(fā)動(dòng)機(jī)的海平面最大推力為740噸。很多人想要比較土星5號(hào)火箭的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)F-1是世界上推力最強(qiáng)的單燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī),而RD-170則是世界上推力最強(qiáng)的多燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)。
RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的由來
每一款大型發(fā)動(dòng)機(jī)的背后,通常都會(huì)有一個(gè)巨大的項(xiàng)目需求,這個(gè)項(xiàng)目或是承載了一個(gè)國(guó)家的夢(mèng)想,或是準(zhǔn)備突破多年以來的技術(shù)局限。RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的背后,當(dāng)然也少不了大型項(xiàng)目的支撐。
沒有任何一個(gè)神奇的裝備不是由一項(xiàng)國(guó)家項(xiàng)目撐起來的,如果不夠的話,那就來兩個(gè)。
RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā),得益于兩個(gè)項(xiàng)目:天頂號(hào)火箭和能源號(hào)火箭。
蘇聯(lián)在1970年代開始了一個(gè)野心勃勃的大型運(yùn)載火箭系列計(jì)劃,準(zhǔn)備以同一款大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ),發(fā)展多種發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)和運(yùn)載火箭型號(hào)。這個(gè)計(jì)劃進(jìn)行地比較順利。實(shí)際上,天頂號(hào)火箭是蘇聯(lián)解體前發(fā)展出來的技術(shù)含量最高的一款火箭。上圖為正由軌道運(yùn)載器運(yùn)到發(fā)射臺(tái)的一枚天頂號(hào)火箭。注意,火箭尾部的四個(gè)大噴管屬于同一臺(tái)RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)。
負(fù)責(zé)這個(gè)火箭項(xiàng)目的設(shè)計(jì)局值得一說。天頂號(hào)是由導(dǎo)彈設(shè)計(jì)大師米哈伊爾·庫(kù)茲米奇·楊格爾牽頭成立的南方設(shè)計(jì)局的項(xiàng)目。雖然該設(shè)計(jì)局(蘇聯(lián)內(nèi)部代號(hào)586設(shè)計(jì)局,或者按某些地方的習(xí)慣,叫做586所)在接手天頂號(hào)火箭項(xiàng)目的時(shí)候,所長(zhǎng)楊格爾已經(jīng)去世5年了,但是他的副手完全有能力把設(shè)計(jì)局撐起來。
這個(gè)人便是楊格爾的學(xué)生、副手:弗拉基米爾·烏特金。他是包括SS-18撒旦洲際彈道導(dǎo)彈在內(nèi)的多款導(dǎo)彈的總設(shè)計(jì)師。其脫密后,被后人尊為蘇聯(lián)導(dǎo)彈“教父”。
烏特金提出了天頂號(hào)火箭的最大技術(shù)特點(diǎn):火箭具有環(huán)境友好性,且具備超強(qiáng)的載荷能力,還要讓發(fā)射工序?qū)崿F(xiàn)完全無人化?;鸺粰C(jī)械裝置自動(dòng)吊裝在發(fā)射臺(tái)上并連上地面控制管線,其后在發(fā)射準(zhǔn)備、點(diǎn)火或因發(fā)射任務(wù)取消而須從發(fā)射臺(tái)上撤下時(shí)都不需要進(jìn)行手動(dòng)操作,從而大大減少了因發(fā)射事故導(dǎo)致人員傷亡的可能性。此外,天頂號(hào)的發(fā)射臺(tái)不包含任何在發(fā)射時(shí)有可能被燒毀的設(shè)備,因此在一次發(fā)射完成5小時(shí)之后,就可以再次進(jìn)行發(fā)射。
而這樣的總體要求,需要一臺(tái)高可靠性、可多次重復(fù)啟動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)、使用液氧煤油燃料的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
由于屢次發(fā)射失敗和美國(guó)率先登月,蘇聯(lián)政府于1974年5月取消了原本為蘇聯(lián)登月計(jì)劃開發(fā)的N-1重型運(yùn)載火箭。作為替代品,蘇聯(lián)于取消N-1的同時(shí)開始了對(duì)能源號(hào)火箭的方案論證工作,以便為實(shí)現(xiàn)未來的空間開發(fā)計(jì)劃打下基礎(chǔ)。圖為搭載暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)模型的能源號(hào)運(yùn)載火箭模型。
當(dāng)時(shí)的計(jì)劃是,能源號(hào)運(yùn)載火箭的助推器采用4枚天頂號(hào)火箭的第一級(jí)火箭。(實(shí)際上,天頂號(hào)和能源號(hào)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)略有不同,用于能源號(hào)火箭的是RD-170原裝版本,用于天頂號(hào)火箭的是增設(shè)了雙向伺服機(jī)構(gòu)的版本,叫做RD-171。不過,除伺服機(jī)構(gòu)的作動(dòng)方向的區(qū)別外,兩款火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在其他地方是相同的。)上圖左側(cè)為能源號(hào)運(yùn)載火箭的助推器,右側(cè)為天頂號(hào)的第一級(jí)火箭。
RD-170的總體設(shè)計(jì)
RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)有4個(gè)燃燒室,1臺(tái)渦輪泵和2個(gè)預(yù)燃室。其中渦輪泵是單級(jí)的,整個(gè)渦輪泵系統(tǒng)還包括有1臺(tái)氧化劑泵,1臺(tái)兩級(jí)燃料泵,整個(gè)系統(tǒng)連接了低壓的燃料泵和氧化劑泵,并使推進(jìn)劑增壓,以防止渦輪泵形成空穴現(xiàn)象。
RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管路閥門系統(tǒng)示意圖。注意,淡黃色的為煤油管路,淡青色的為液氧管路。紅色的部分,表示滾燙滾燙的。
上圖中央的紅色罐罐中的黑色,為主渦輪軸。從上到下的4個(gè)黑色渦輪,依次為:主渦輪泵、氧化劑泵、主燃料泵和主啟動(dòng)泵。
中央的紅色罐罐兩側(cè)各自伸出一個(gè)耳朵,那就是RD-170的2個(gè)富氧預(yù)燃室了。一部分燃料在預(yù)燃室中進(jìn)行燃燒,帶動(dòng)渦輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)。而渦輪泵轉(zhuǎn)起來之后,燃料和氧化劑就能夠迅速流動(dòng)了。
如果整枚RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)是一顆心臟的話,這部分管路的作用就類似于冠狀動(dòng)脈。
為什么要用2個(gè)預(yù)燃室?用1個(gè)不是能夠減少不少重量么?
讓任意一名合格的火箭設(shè)計(jì)師來看,也是有這個(gè)愿望的。只是,RD-170的煤油燃料的秒流量為1.5噸。這么大的流量擠到一個(gè)小小的預(yù)燃室里,是會(huì)出問題的。他們只好采用2個(gè)預(yù)燃室。這是提高可靠性的一個(gè)設(shè)計(jì)。誰讓火箭總師烏特金一直強(qiáng)調(diào)可靠性呢。
RD-170的渦輪泵功率為25.7萬馬力,相當(dāng)于2.57個(gè)鐵臂阿童木。
25.7萬馬力換算成功率,約為192兆瓦。有這樣一艘叫做亞馬爾的破冰船,是核動(dòng)力的,排水量23455噸。上面有2座核反應(yīng)堆,驅(qū)動(dòng)2臺(tái)汽輪機(jī),帶動(dòng)6臺(tái)發(fā)電機(jī)。這些發(fā)電機(jī)的總輸出功率為55.3兆瓦。RD-170的一臺(tái)渦輪泵的功率相當(dāng)于這樣一艘核動(dòng)力破冰船的3.47倍。
從上世紀(jì)60年代開始,美國(guó)和蘇聯(lián)的工程師們都發(fā)現(xiàn),火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵如果一直依賴一個(gè)渦輪的話,很難再有性能上大幅提升的潛力了。于是他們各自發(fā)明了一些新的渦輪泵結(jié)構(gòu)。
比如,蘇聯(lián)的引射式的多噴嘴泵從60年代開始,就有了很好的效果。其實(shí),如果剖開現(xiàn)役的“質(zhì)子”火箭的話,依然能夠看到這種設(shè)計(jì)。
RD-170采用的則是更為先進(jìn)的葉片式預(yù)壓渦輪泵。預(yù)壓泵的應(yīng)用可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)降低對(duì)火箭貯箱的壓力要求。通過對(duì)渦輪葉柵和誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì),讓主渦輪泵在轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程和效率方面有更好的表現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)在以RD-170為代表的蘇聯(lián)風(fēng)格的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和以航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)上都能找到,可謂是殊途同歸。同時(shí),要注意到蘇聯(lián)人的設(shè)計(jì)不僅僅是傻大粗笨的,實(shí)際上是有不少精巧的地方的。從管路設(shè)計(jì)的角度來說,RD-170贏了F-1發(fā)動(dòng)機(jī)一局。
RD-170為什么要采用4個(gè)噴管,而不用1個(gè)大噴管?
這主要是當(dāng)初蘇聯(lián)對(duì)大噴管液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不穩(wěn)定性問題沒有十足的把握進(jìn)行解決。從這個(gè)角度上來看,美國(guó)人的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)扳回一局。(美國(guó)人在3年時(shí)間里,做了2000多次試驗(yàn),把炸藥放到燃燒室中,人為制造不穩(wěn)定,掌握了燃燒的部分規(guī)律,通過改進(jìn)噴注盤設(shè)計(jì)和其他結(jié)構(gòu),解決了燃燒不穩(wěn)定的問題。)
采用4個(gè)噴管,萬一推力啟動(dòng)不同步,大小不一致怎么辦?
這個(gè)問題的確存在。對(duì)于采用富氧補(bǔ)燃循環(huán)的RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)而言,煤油噴射進(jìn)入燃燒室的瞬間即為推力室點(diǎn)火時(shí)刻。讓4個(gè)燃燒室同步啟動(dòng)的關(guān)鍵在于讓煤油同時(shí)進(jìn)入這4個(gè)燃燒室。另外,大噴管外側(cè)的冷卻套的壓降的不同或者阻滯程度的不同會(huì)帶來額外的時(shí)間差,這個(gè)也要考慮在內(nèi)。
因此,RD-170的4個(gè)燃燒室的管路設(shè)計(jì)是很講究的,要盡量保證燃料的流經(jīng)距離一致(考驗(yàn)設(shè)計(jì)師立體幾何水平的時(shí)候到了)。另外,還要摸透管路內(nèi)對(duì)燃料的阻滯效應(yīng)的大小。
鑒于RD-170的彩色照片不多,小編特意用了些時(shí)間計(jì)算了RD-170噴管的內(nèi)流場(chǎng),算是增添一些色彩吧。
RD-170噴管內(nèi)速度場(chǎng)計(jì)算。(by 邢強(qiáng)博士 2016年5月25日至31日凌晨)。實(shí)際氣流速度比我算的這個(gè)要快一些,但分布情況類似。從軸向來說,離噴注盤越遠(yuǎn),氣流速度越快;從徑向來說,離對(duì)稱軸越近,氣流速度越快。
這噴管是不是很美?引用朱自清的話“像亭亭的舞女的裙”。
從圖中可以看到,RD-170漂亮的拉瓦爾噴管設(shè)計(jì)。藍(lán)色為亞聲速流,過了噴管的收斂頸部之后,就是一路超聲速了。
在這里說一下拉瓦爾噴管,這個(gè)瑞典工程師在1883年發(fā)明的管子為什么要先收斂后擴(kuò)張呢?
要想掌握火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的原理,或者能夠?qū)鸺捌浒l(fā)動(dòng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,不學(xué)習(xí)一點(diǎn)方程是不行的。這個(gè)方程是噴管內(nèi)流動(dòng)方程,是由歐拉方程、氣體狀態(tài)方程與連續(xù)性氣體假設(shè)得來的。
式子里面,c為氣體流動(dòng)速度,x為氣體到噴流起始點(diǎn)的距離,A為噴管截面積,M表示氣體流速馬赫數(shù)。
因?yàn)閏、x、A在這里恒為正值,所以氣體流動(dòng)速度的變化方向就只和馬赫數(shù)以及噴管形狀有關(guān)了。
當(dāng)氣流為亞聲速的時(shí)候,M<1,這時(shí)候,只有當(dāng) dA/dx小于0的時(shí)候,也就是噴管越來越窄的時(shí)候,氣流流過才會(huì)加速。
而當(dāng)氣流加速到超聲速的時(shí)候,M>1,此時(shí), 需要 dA/dx大于0,氣流的流速才能繼續(xù)增加。
這是一枚RD-107火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(用在傳說中的R-7火箭上),其中一個(gè)噴管被剖開了??梢钥吹絻?nèi)部的拉瓦爾噴管構(gòu)造。
為什么RD-170的比沖要比F-1的高?
眾所周知,比沖是衡量一款火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效率的重要指標(biāo)。比沖的定義為:火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量,或單位重量流量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的推力。RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的真空比沖比F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高11.2%。其主要原因是RD-170采用了先進(jìn)的補(bǔ)燃循環(huán)工作方式。在小火箭的微信公眾號(hào)文章《F-1:史上最強(qiáng)的單燃燒室液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)》中,我提到了F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式。這種方式使得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑組合密度較低,在產(chǎn)生大推力的同時(shí),幾乎不可避免地需要一個(gè)非常大的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸。如今,更好的大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式實(shí)際上是補(bǔ)燃循環(huán)。按照迄今為止,火箭工程師們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的了解,補(bǔ)燃循環(huán)的比沖比燃?xì)獍l(fā)生器的比沖要高10%左右。
另外,采用燃?xì)獍l(fā)生器的工作方式的發(fā)動(dòng)機(jī),會(huì)因渦輪廢氣的排放損失1%以上的比沖,而且這種情況會(huì)隨著燃燒室壓力的增加而越發(fā)明顯。采用了補(bǔ)燃循環(huán)的RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)則不用擔(dān)心這些,可以把室壓做得高高的,效率和性能提升明顯。在這一點(diǎn)上,RD-170又勝過了F-1。當(dāng)然,作為一款在1985年4月13日才首次實(shí)用的發(fā)動(dòng)機(jī)來說,RD-170比在上世紀(jì)60年代就推動(dòng)土星5號(hào)火箭的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)得晚,在技術(shù)上有所進(jìn)步是可以理解的。
為什么RD-170的室壓可以這么高?
RD-170的比沖比F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高11.2%可以理解,可是RD-170是怎樣把燃燒室壓力提升到了F-1火箭的3.5倍的水平的呢?蘇聯(lián)人在這方面的設(shè)計(jì)比美國(guó)人高明這么多么?
其實(shí)是美國(guó)人的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)把美國(guó)人自己給坑了。
翻閱上世紀(jì)60年代和70年代的美國(guó)人的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),里面赫然有這樣一條限制:采用液氧煤油燃料的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),其燃燒室壓力不得超過7MPa!
這是美國(guó)的工程技術(shù)人員從多年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中總結(jié)出來的一個(gè)結(jié)論,其中當(dāng)然不乏一些血的教訓(xùn)。美國(guó)人發(fā)現(xiàn),當(dāng)燃燒室的壓力過大時(shí),煤油很容易在燃燒室內(nèi)壁上結(jié)焦,之后便是不可逆轉(zhuǎn)、難以控制的噴管損毀和發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸的事故。
在這樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)限制下,推動(dòng)土星5號(hào)火箭的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室壓力被定為7MPa,這已經(jīng)是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的最高值了??梢哉f,F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格地遵守了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),而且同時(shí)做了提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的最大努力。
那么問題又來了,既然美國(guó)人自己限制了燃燒室的壓力以防止結(jié)焦現(xiàn)象的出現(xiàn)。那么,為什么蘇聯(lián)人的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有這么高的燃燒室壓力,卻極少出現(xiàn)結(jié)焦和爆炸的情況呢?
這個(gè)問題的答案,需要我們把目光從火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的試車臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室繪制圖紙的桌子上暫時(shí)挪開,到蘇聯(lián)廣袤的土地上去尋找了!
曾經(jīng)的蘇聯(lián)有著世界上最大的領(lǐng)土面積。
在這片土地下面,有著豐富的石油和天然氣儲(chǔ)存量。
而在里海西岸中部的那個(gè)向海里突出的尖尖角這里,有個(gè)叫做 阿塞拜疆 的地方。
早在公元前7世紀(jì),這里就是拜火教的圣地。實(shí)際上,阿塞拜疆巴庫(kù)油氣田附近的蘇拉汗尼神廟向來就是印度存放圣火之地。
1924年,阿塞拜疆比比海巴特港的人工島上,建起了世界上第一口離岸石油鉆井平臺(tái)。這口油井的產(chǎn)量當(dāng)年就達(dá)到了整個(gè)巴庫(kù)地區(qū)的10%。
到了1941年,阿塞拜疆的油井的鉆井深度就有了深達(dá)3400米的記錄。
二戰(zhàn)期間,希特勒制定了“藍(lán)色計(jì)劃”,試圖占領(lǐng)高加索的油田。為了保險(xiǎn)起見,蘇聯(lián)用灌注水泥的方式毀掉了大量油井,并炸毀了幾乎所有上規(guī)模的煉油廠。1萬多名煉油工程師被撤退到蘇聯(lián)后方。這片曾經(jīng)優(yōu)質(zhì)原油產(chǎn)量占全蘇聯(lián)70%的油田陷入了低谷。
上世紀(jì)60年代,阿塞拜疆石油產(chǎn)業(yè)迅速?gòu)?fù)興,尤其是里海石油的開采更是占到了阿塞拜疆的60%。以RD-170為代表的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃需要大量的煤油供應(yīng)。在一定程度上促進(jìn)了先進(jìn)煉油技術(shù)的發(fā)展。圖為攝于阿塞拜疆巴庫(kù)的油田場(chǎng)景。
這塊被拜火教信徒奉為圣地的地方,其出產(chǎn)的石油果然不同凡響。
蘇聯(lián)的高燃燒室壓力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火測(cè)試的過程中,極少出現(xiàn)結(jié)焦的現(xiàn)象。首先要感謝的就是這片土地提供的原油。當(dāng)然,蘇聯(lián)人包括美國(guó)人發(fā)現(xiàn)大型液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)焦居然與原油有關(guān)的事實(shí)已經(jīng)是很以后的事情了??梢哉f,蘇聯(lián)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師一直在享受著大自然給他們的恩賜。
阿塞拜疆的油辛烷值高,雜質(zhì)少,而對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的一點(diǎn)是:含硫量極低!
美國(guó)的煤油中,硫含量通常在50PPM,而蘇聯(lián)則盛產(chǎn)硫含量小于20PPM的高品質(zhì)萘基油。圖為阿塞拜疆油田向外輸出石油的管線。
另外,西伯利亞地區(qū)出產(chǎn)的原油也有著不錯(cuò)的品質(zhì)。純凈的煤油讓蘇聯(lián)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)即使在很高的燃燒室壓力下,也較少出現(xiàn)結(jié)焦的現(xiàn)象。他們當(dāng)然也就沒有什么燃燒室壓力不得超過7MPa的奇怪限制了。
后來,美國(guó)人發(fā)現(xiàn)了燃燒室煤油結(jié)焦的癥結(jié)所在,甚至摸清楚了硫化亞銅等燃燒室內(nèi)雜質(zhì)的生成機(jī)理。然而,這已經(jīng)為時(shí)已晚。上世紀(jì)70年代后,大部分美國(guó)的科研人員已經(jīng)徹底放棄了高燃燒室壓力的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制,轉(zhuǎn)而研發(fā)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)了。(不過,這從客觀上促進(jìn)了航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn),可謂是失之東隅,收之桑榆。)
英雄遲暮,RD-170差點(diǎn)隨著那個(gè)帝國(guó)離去
1985年4月13日,第一枚天頂號(hào)運(yùn)載火箭從拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射,雖然沒有把模擬的有效載荷送入軌道,但是RD-171發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常。問題出在第二級(jí)的RD-120發(fā)動(dòng)機(jī)上。1987年5月15日,蘇聯(lián)發(fā)射了第一枚能源號(hào)運(yùn)載火箭。然而,到了1988年11月15日,隨著能源號(hào)的最后一次發(fā)射,所有的大型航天項(xiàng)目都面臨著被終結(jié)的命運(yùn)。到了上世紀(jì)90年代初,這個(gè)紅色帝國(guó)倒下的時(shí)候,RD-170系列也終于和蘇聯(lián)的火箭暫時(shí)告別了。
但是,那時(shí)候,RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成功進(jìn)行了618次發(fā)射,在累計(jì)69579秒的燃燒時(shí)間內(nèi),她證明了自己的可靠性。并且一次又一次地展示了世界上推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的魅力。
后來,美國(guó)、俄羅斯、烏克蘭和挪威的四家公司共同投資的海上發(fā)射公司成立了。天頂號(hào)火箭帶著RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)一起,獲得了新生。注意,上圖的天頂號(hào)火箭的第一級(jí)的四個(gè)噴口,出自同一臺(tái)RD-171發(fā)動(dòng)機(jī)(RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)的伺服機(jī)構(gòu)增強(qiáng)版本。)這枚起飛重量462噸的火箭由1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)托起。注意,帶有濃厚的烏特金設(shè)計(jì)風(fēng)格的火箭發(fā)射裝置。
RD-180遠(yuǎn)渡重洋,為美國(guó)航天發(fā)射貢獻(xiàn)力量
美國(guó)過早放棄了高燃燒室壓力的大型液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究轉(zhuǎn)而開始琢磨大推力的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí),美國(guó)在冷戰(zhàn)時(shí)期儲(chǔ)備了大量的大推力固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)能,這使得即使沒有RD-170那樣的優(yōu)秀的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī),美國(guó)人也能夠靠液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)和大推力固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)把航天飛機(jī)送上太空。
不過,液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的這門課遲早是要補(bǔ)上的。只是,美國(guó)人找到了一個(gè)捷徑,那就是,買。
蘇聯(lián)解體后,普惠積極運(yùn)作,買來了RD-120液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。而美國(guó)航空噴氣公司則引進(jìn)了蘇聯(lián)登月計(jì)劃中設(shè)計(jì)的NK-33液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。洛克希德·馬丁公司看中了RD-170發(fā)動(dòng)機(jī),不過他們感覺用不上推力這么大的發(fā)動(dòng)機(jī),于是購(gòu)買了100多臺(tái)RD-180。雖然這有點(diǎn)趁火打劫的味道,不過至少讓RD-170/RD-180的研發(fā)團(tuán)隊(duì)保留了下來。圖為俄羅斯動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體的廠房?jī)?nèi),一名工程師正在檢查一臺(tái)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。注意,廠房的墻上,有R-7彈道導(dǎo)彈和SS-18撒旦洲際彈道導(dǎo)彈的照片,默默訴說著曾經(jīng)的那個(gè)帝國(guó)的榮耀。
RD-180是RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室減半版本。RD-170有4個(gè)燃燒室,去掉2個(gè)后,便成了RD-180的雛形。不過,RD-180把RD-170的25MPa的燃燒室壓力進(jìn)一步提升到了25.7MPa,這使得燃燒室數(shù)量減半的RD-180的推力不是RD-170的一半,而是390.35噸,約為RD-170推力的52.8%??梢哉f,如果能源號(hào)火箭的項(xiàng)目沒有戛然而止的話,RD-170,包括此后的RD-180的推力仍有進(jìn)一步提升的可能。然而,歷史是不容我們假設(shè)的。上圖為俄羅斯動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體的廠房外景。RD-170的靈魂在這里游蕩,注視著RD-180遠(yuǎn)渡重洋,為美國(guó)的火箭提供動(dòng)力。
俄羅斯動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體的工程師和技術(shù)工人正在為美國(guó)的宇宙神運(yùn)載火箭生產(chǎn)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。
RD-180主要用在美國(guó)宇宙神系列運(yùn)載火箭上。搭配不同的固體助推器,該系列火箭可以提供8噸到29噸的近地軌道運(yùn)載能力。上圖的火箭示意圖的底部視圖的中間部分的兩個(gè)圓圈,就是1臺(tái)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口。
1998年11月4日,一臺(tái)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)正在進(jìn)行測(cè)試。然而,這里并不是RD-170系列和RD-180系列發(fā)動(dòng)機(jī)所熟悉的老家:蘇聯(lián)航天工業(yè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的102號(hào)試驗(yàn)臺(tái)。而是美國(guó)NASA的馬歇爾航天中心試車臺(tái)。在這里,土星5號(hào)的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過測(cè)試,航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過測(cè)試,如今,來自曾經(jīng)的鐵幕的另一端的蘇聯(lián)RD-180火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正在進(jìn)行測(cè)試。熟悉的噴管外形,熟悉的火焰,只是,發(fā)動(dòng)機(jī)外殼上的CCCP和紅星,換成了洛克希德·馬丁的標(biāo)志。
這是一枚宇宙神III型運(yùn)載火箭。她本來的名字叫做宇宙神IIA-R。后面的R代表Russian,表示采用了俄羅斯生產(chǎn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。后來,為了淡化美國(guó)的這款火箭使用俄羅斯發(fā)動(dòng)機(jī)的這個(gè)事實(shí),火箭更名為宇宙神III。
RD-180在燃燒室壓力方面,仍有繼續(xù)提升的潛力。
蘇聯(lián)人能夠把壓力調(diào)得這么高,一方面的確是超低硫含量的煤油幫了大忙。不過,后來他們發(fā)現(xiàn)了繼續(xù)提升壓力的方法。小編將我能想到的燃燒室壓力提升的手段總結(jié)為5大因素,在這里寫出來,以便大家交流。
第一,蘇聯(lián)有得天獨(dú)厚的低硫含量的煤油。燃料好,結(jié)焦概率就會(huì)低。好的食材,對(duì)人和發(fā)動(dòng)機(jī),都很重要;
第二,蘇聯(lián)人的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)型面比美國(guó)人的粗糙。但是,這種粗糙是故意留下來的。想把內(nèi)型面磨得像鏡面一樣,蘇聯(lián)人能夠做到。但是,他們有幾個(gè)數(shù)學(xué)很好的科學(xué)家,建議保留內(nèi)型面一定的粗糙度。這樣,高溫氣流能夠在內(nèi)壁附近形成湍流,可以讓換熱效率提升3倍以上;
第三,RD-170有巧妙的冷卻環(huán)設(shè)計(jì),可以形成超臨界冷卻液膜。這個(gè)可以由耶夫列夫方法推導(dǎo)進(jìn)行驗(yàn)算;
第四,對(duì)高溫合金和耐高溫涂層的研究和成功應(yīng)用,使得燃燒室本身有著超高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和熱學(xué)性能;
第五,RD-170的加工工藝有獨(dú)到之處。RD-170的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分析了V-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(最大壓力1.5MPa)的燃燒室結(jié)構(gòu),摸透了雙層鋼板套層結(jié)構(gòu),并徹底摒棄了那種過時(shí)的設(shè)計(jì)。他們分析了美國(guó)大力神導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)和F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(最大壓力為7MPa)的雙錐管束加金屬絲纏繞的結(jié)構(gòu),同時(shí)也回顧總結(jié)了蘇聯(lián)以前設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)。取長(zhǎng)補(bǔ)短后,他們創(chuàng)造了升級(jí)版的銑槽加釬焊外壁的加工方法,使得燃燒室內(nèi)壁的導(dǎo)熱率大幅提升。
這些設(shè)計(jì)理念值得想要發(fā)展大推力液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行借鑒。而同時(shí),小火箭也不得不為那個(gè)戛然而止的RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)感到遺憾。
美國(guó)與蘇聯(lián)爭(zhēng)霸的那個(gè)時(shí)代已經(jīng)遠(yuǎn)去,留下來RD-170這個(gè)世界上推力最大的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的傳奇。而中國(guó),已經(jīng)擁有了自己的大推力液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。期待在今后的發(fā)展中,中國(guó)能夠創(chuàng)造大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新紀(jì)錄。