動(dòng)力強(qiáng)勁的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

謝非

運(yùn)載火箭是人類(lèi)擺脫地球引力的束縛，開(kāi)展“飛天”活動(dòng)的有力工具，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)則是其心臟?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)是一種自帶推進(jìn)劑而不利用外界空氣助燃的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，按推進(jìn)劑介質(zhì)性狀不同，通?？煞譃楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)。前者的優(yōu)點(diǎn)是推進(jìn)劑易于儲(chǔ)存、成本低、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。后者的優(yōu)點(diǎn)是比沖高，相同推力下需要的燃料更少，且發(fā)動(dòng)機(jī)通常支持節(jié)流和重啟功能。

隨著技術(shù)發(fā)展，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能越來(lái)越強(qiáng)，火箭的載荷等性能越來(lái)越強(qiáng)，距離拓展人類(lèi)生存空間的目標(biāo)也越來(lái)越近。下面，我們就一起盤(pán)點(diǎn)人類(lèi)曾經(jīng)制造過(guò)的幾款大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

RD-253

RD-253 是由莫斯科OKB-253 設(shè)計(jì)局（現(xiàn)為動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體）設(shè)計(jì)研發(fā)的一款液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用作運(yùn)載火箭的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，使用二甲基肼/ 四氧化二氮作為推進(jìn)劑。這種推進(jìn)劑最早用于導(dǎo)彈，后來(lái)也被用于運(yùn)載火箭。

需要說(shuō)明的是，這種推進(jìn)劑有劇毒。1975 年阿波羅- 聯(lián)盟號(hào)試驗(yàn)項(xiàng)目中的一次任務(wù)，宇航員因誤操作，在打開(kāi)換氣設(shè)備的同時(shí)打開(kāi)了推進(jìn)設(shè)備，致使燃燒后的煙霧進(jìn)入乘員艙。艙內(nèi)人員均不同程度中毒并患上了肺炎。不過(guò)，由于這種燃料可常溫儲(chǔ)存，且能自燃（兩種物質(zhì)接觸即可燃燒，無(wú)須額外點(diǎn)燃），因此曾被各國(guó)大量采用，現(xiàn)在逐漸被淘汰。

RD-253 發(fā)動(dòng)機(jī)1961 年立項(xiàng)，1963 年完成，主要服務(wù)質(zhì)子系列運(yùn)載火箭，是蘇聯(lián)及俄羅斯最可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)之一，曾參與執(zhí)行過(guò)月球計(jì)劃、金星計(jì)劃、火星計(jì)劃、和平號(hào)空間站發(fā)射等多項(xiàng)重要任務(wù)。

RD-253 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

收藏展覽的RD-253 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

F-1

F-1 是美國(guó)洛克達(dá)因公司20 世紀(jì)50年代研發(fā)的一款開(kāi)式循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其最初概念來(lái)自于美國(guó)空軍。起初，空軍需要研發(fā)一款大推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)可能出現(xiàn)的重型洲際彈道導(dǎo)彈。很快，當(dāng)時(shí)尚屬北美航空公司一個(gè)部門(mén)的洛克達(dá)因就交出了E-1 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。雖然在靜態(tài)測(cè)試中表現(xiàn)良好，但軍方最終還是停掉了有關(guān)E-1 的研發(fā)計(jì)劃，理由是導(dǎo)彈的質(zhì)量不高，完全用不上推力如此之大的發(fā)動(dòng)機(jī)。

不久，事件有了轉(zhuǎn)機(jī)。美國(guó)國(guó)家航空航天局成立后，急需一款大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，于是經(jīng)過(guò)改良的F-1 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)便誕生了。1959 年3 月靜態(tài)測(cè)試成功后，F(xiàn)-1 發(fā)動(dòng)機(jī)被送往馬歇爾航天中心開(kāi)展進(jìn)一步測(cè)試。沒(méi)想到卻逐漸暴露出燃燒不穩(wěn)定的情況，導(dǎo)致項(xiàng)目推進(jìn)十分緩慢。最終，經(jīng)過(guò)幾年測(cè)試后工程師們才想出解決辦法。

F-1 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用RP-1（航天級(jí)煤油）作為燃料，液氧作為助燃劑，是當(dāng)時(shí)人類(lèi)制造的推力最大的單燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)，主要裝載于土星五號(hào)火箭。RP-1 是一種高純度的煤油提取物，雖然比液氫的比沖低，但價(jià)格更便宜，可室溫存儲(chǔ)。缺點(diǎn)是有一定毒性，而且作為石油制品，其燃燒后會(huì)產(chǎn)生一定的沉淀物。

F-1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

高度提純的航天級(jí)煤油

肯尼迪航天中心展示的F-1 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

RD-180 點(diǎn)火測(cè)試

RD-180

RD-180 是動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體在20 世紀(jì)90 年代基于蘇聯(lián)時(shí)期的RD-170 發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)而成的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)與蘇聯(lián)間的太空爭(zhēng)霸進(jìn)入高潮，蘇聯(lián)雖然搶先一步發(fā)射了人類(lèi)第一顆人造衛(wèi)星，并完成了首次載人發(fā)射任務(wù)和首次太空漫步任務(wù)，但登月計(jì)劃的成功使美國(guó)在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得了決定性的勝利。不久后，蘇聯(lián)獲知美國(guó)開(kāi)始研發(fā)航天飛機(jī)，于是便決定對(duì)米格105 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化和測(cè)試。1984年后，蘇聯(lián)推出了搭載RD-170 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)，并進(jìn)行了無(wú)人近地軌道試飛活動(dòng)。

在這僅有的一次飛行活動(dòng)后，暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)計(jì)劃被迫終止。然而，其搭載的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)被證實(shí)為具有足夠的推力和不錯(cuò)的效率用于航天運(yùn)輸作業(yè)，于是改進(jìn)研發(fā)出了RD-180。這款發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙燃燒室、雙噴口設(shè)計(jì)，使用RP-1 和液氧作為助燃劑，曾是世界上推力、重量最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，大國(guó)間的交流越來(lái)越緊密，RD-180 發(fā)動(dòng)機(jī)也曾出口至美國(guó)，作為阿特拉斯Ⅲ型運(yùn)載火箭的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，并于2000年成功首飛。之后，其還被用于后續(xù)的阿特拉斯Ⅴ型運(yùn)載火箭。

RD-180 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

RS-25 發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)試

RS-25

RS-25 是美國(guó)洛克達(dá)因公司設(shè)計(jì)的一款低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，使用液氫和液氧作為助推劑，最早的研發(fā)歷史可追溯到1966 年。在阿波羅計(jì)劃中，除了一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外，洛克達(dá)因公司還研發(fā)了一款大推力的二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)HG-3，然而隨著阿波羅計(jì)劃的資金減少，后續(xù)開(kāi)發(fā)被迫擱置。1969 年，新的航天飛機(jī)計(jì)劃開(kāi)始，HG-3 發(fā)動(dòng)機(jī)又有了新用途。在其基礎(chǔ)上，按照美國(guó)航天局的要求，洛克達(dá)因公司開(kāi)發(fā)出了可重復(fù)使用、具有復(fù)雜工藝和先進(jìn)技術(shù)的RS 系列發(fā)動(dòng)機(jī)。

該火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是專(zhuān)為航天飛機(jī)設(shè)計(jì)的，采用三發(fā)并聯(lián)方式形成發(fā)動(dòng)機(jī)群，燃料艙則裝在航天飛機(jī)外部。為延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，與RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)搭配的還有2 個(gè)獨(dú)立的固體火箭推進(jìn)器，主要用于在發(fā)射前2 分鐘內(nèi)為航天飛機(jī)提供所需的85% 推力。

值得一提的是，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)助推器使用的是高氯酸銨和霧化鋁粉作為助推劑。前者屬于高聚合的氯化物，具有極強(qiáng)的氧化性，理論上只要同含有碳、氫等元素的物質(zhì)接觸就能快速產(chǎn)生反應(yīng)，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的白色煙霧。后來(lái)，為了使燃燒變得更加穩(wěn)定，加快燃燒速度，推進(jìn)劑中還加入了鋁粉。

在航天飛機(jī)計(jì)劃結(jié)束后，大部分RS 系列發(fā)動(dòng)機(jī)被由美國(guó)國(guó)家航空航天局保存，部分轉(zhuǎn)贈(zèng)給了博物館收藏。因該發(fā)動(dòng)機(jī)具有極高的發(fā)射可靠性，其后續(xù)改型方案被用于新一輪載人登月計(jì)劃運(yùn)載火箭之上。

RS-25 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)是SpaceX 公司專(zhuān)為超重型運(yùn)載火箭星艦研發(fā)的一款大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，也是目前世界上最先進(jìn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之一，采用了少見(jiàn)的甲烷/ 液氧作為助推劑。早在2009 年的公開(kāi)研討會(huì)上，SpaceX公司就曾表示要開(kāi)發(fā)一款用于火星計(jì)劃的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)時(shí)原本打算使用液氫/ 液氧助推劑。隨著美國(guó)國(guó)家航空航天局對(duì)火星資源的探索，2012 年馬斯克宣布將研發(fā)甲烷燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（甲烷是一種碳?xì)浠衔?，很容易在火星上通過(guò)化學(xué)反應(yīng)獲得）。相較于傳統(tǒng)的液氫和煤油，甲烷具有更大優(yōu)勢(shì)。首先，其密度約為氫的6 倍，使得同樣重量下的液體甲烷體積更小。其次，甲烷比沖比煤油更高，燃燒后產(chǎn)生的積碳更少。

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的初步測(cè)試在斯坦尼斯航天中心完成，經(jīng)驗(yàn)證液態(tài)甲烷和熱氣態(tài)甲烷的工作狀態(tài)良好。2016 年，第一艘搭載了完整功能猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭完成測(cè)試。除了使用甲烷作為燃料，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)還是首臺(tái)采用全流量分級(jí)燃燒的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，相比梅林系列發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅大量減少了燃燒廢棄物的產(chǎn)生，還增大了推力。

2019 年， 基于猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的猛禽2 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始測(cè)試，其優(yōu)化了約25%的零件結(jié)構(gòu)，改善了焊接工藝，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)推力。2023 年4 月20日，搭載猛禽2 發(fā)動(dòng)機(jī)的星艦發(fā)射，而增大腔室壓力的猛禽3 發(fā)動(dòng)機(jī)也已在測(cè)試當(dāng)中。

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

可回收的猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)

猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)第一次地面點(diǎn)火試驗(yàn)