RD-170世界上推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

□ 邢強(qiáng)

RD-170世界上推力最大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

□ 邢強(qiáng)

“宇宙神”III型運(yùn)載火箭本來(lái)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(lái)，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。

該用什么來(lái)代表逝去的那個(gè)蘇聯(lián)的航天科技水平呢？有人說(shuō)用“斯普特尼克”，人類發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星，有人說(shuō)用“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)，而筆者認(rèn)為：那些都已經(jīng)屬于過(guò)去了，不如用RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)體現(xiàn)那個(gè)曾經(jīng)的蘇聯(lián)在探索宇宙的過(guò)程中達(dá)到的一個(gè)技術(shù)高度。

RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是人類有史以來(lái)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)。它們的主要性能的對(duì)比情況如左圖。

可見，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(lái)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。

左圖：RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)

右圖：RD-170噴管內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算

RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的由來(lái)

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(lái)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(lái)的，如果不夠的話，那就來(lái)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(lái)的技術(shù)含量最高的一款火箭。

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(lái)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“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(guò)，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。）

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有著強(qiáng)大的渦輪泵。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。

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。另外，還要摸透管路內(nèi)對(duì)燃料的阻滯效應(yīng)的大小。

不過(guò)，雖然RD-170的噴管尺寸比F-1的小很多，但是RD-170的噴管內(nèi)型面的設(shè)計(jì)是非常美的。

作者特意用了些時(shí)間計(jì)算了RD-170噴管的內(nèi)流場(chǎng)，算是給留存彩色照片不多的RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)增添一些色彩吧。

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。（F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)則采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式）。按照迄今為止，火箭工程師對(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(guò)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(lái)說(shuō)，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。

大部分關(guān)心火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的人都會(huì)有這個(gè)疑問(wèn)：

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(guò)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(lái)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(guò)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(shuō)，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(wèn)題又來(lái)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(wèn)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(lái)就是印度存放圣火之地。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(cè)試的過(guò)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)是很久以后的事情了?？梢哉f(shuō)，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。

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(guò)7MPa的奇怪限制了。后來(lái)，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(guò)，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。）

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(wèn)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)，它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。

“能源”號(hào)運(yùn)載火箭

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(guò)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。

RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)

RD-180是RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室減半版本

不過(guò)，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(lái)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)。洛馬公司看中了RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)，不過(guò)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(guò)至少讓RD-170/RD-180的研發(fā)團(tuán)隊(duì)保留了下來(lái)。

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(guò)，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%。

1998年11月4日，一臺(tái)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)迎來(lái)了新的測(cè)試。然而，測(cè)試地點(diǎn)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)航宇局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(guò)測(cè)試，航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)測(cè)試，如今，來(lái)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，換成了洛馬公司的標(biāo)志。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。“宇宙神”III型運(yùn)載火箭本來(lái)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(lái)，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。