RD—170世界上推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

鹿鳴

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（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)；面我認(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)在探索宇宙過程中達(dá)到的一個(gè)技術(shù)高度。

RD-170項(xiàng)目的由來

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)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的海平面最大推力為740噸。RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重16.8%。其海平面推力比F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)大8.8%，真空比沖高11.2%。從燃燒室壓力的角度來看，RD-170令F-1難以望其項(xiàng)背，RD-170的室壓是F-1的3.5倍。

每一款大型發(fā)動(dòng)機(jī)的背后，通常都有巨大的項(xiàng)目需求，這個(gè)項(xiàng)目或是承載了一個(gè)國家的夢想，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)行得比較順利。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。負(fù)責(zé)這個(gè)火箭項(xiàng)目的設(shè)計(jì)局值得—說?！疤祉敗碧?hào)是由導(dǎo)彈設(shè)計(jì)大師米哈伊爾·庫茲米奇·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)局在接手“天頂”號(hào)火箭項(xiàng)目的時(shí)候，所長楊格爾已經(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：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，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。火箭被機(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)在取消N-1的同時(shí)開始了對“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)。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，用于后者的是RD-170原裝版本，用于前者的是增設(shè)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)在其他地方相同。）

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。

在RD-170的2個(gè)富氧預(yù)燃室中，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。把RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵擁有的25.7萬馬力換算成功率，約為192兆瓦。有一艘叫做“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。

RD-170能夠產(chǎn)生如此強(qiáng)悍的推力，這與她的渦輪泵的巧妙設(shè)計(jì)有關(guān)。從上世紀(jì)60年代開始，美國和蘇聯(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“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)降低對火箭貯箱的壓力要求。通過對渦輪葉柵和誘導(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)際上有不少精巧的地方。從管路設(shè)計(jì)的角度，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？主要因?yàn)楫?dāng)初蘇聯(lián)對解決大噴管液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不穩(wěn)定性問題沒有十足的把握。從這個(gè)角度上來看，美國人的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)扳回一局。美國人在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)對燃料的阻滯效應(yīng)的大小。

比沖勝過F-1發(fā)動(dòng)機(jī)

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。像F-1那樣采用燃?xì)獍l(fā)生器工作方式的發(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日才首次使用的發(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。

得天獨(dú)厚的資源

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)比美國人高明這么多么？其實(shí)是美國人的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)把美國人自己給坑了。

翻閱上世紀(jì)60年代和70年代的美國人的火箭發(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7兆帕！這是美國的工程技術(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7兆帕，這已經(jīng)是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的最高值了。可以說，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！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。在里海西岸中部，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，阿塞拜疆巴庫油氣田附近的蘇拉汗尼神廟向來就是印度教存放圣火之地。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)是很久以后的事情了?？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)原油。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7兆帕的奇怪限制了。

后來，美國人發(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。

帝國離去 遠(yuǎn)渡重洋

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、俄羅斯、烏克蘭和挪威的4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。這枚起飛重量462噸的火箭由1臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)增強(qiáng)版本的RD-171發(fā)動(dòng)機(jī)（同屬RD-170系列）托起。

美國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。

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25兆帕的燃燒室壓力進(jìn)一步提升到了25.7兆帕，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。

RD-170系列發(fā)動(dòng)機(jī)的設(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。美國與蘇聯(lián)爭霸的那個(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，已經(jīng)擁有了自己的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。期待在今后的發(fā)展中，中國能夠創(chuàng)造大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新紀(jì)錄。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)