從土星5號到SLS
——美國大型火箭發(fā)動機的演化

文/張雪松

2017年12月11日美國總統(tǒng)特朗普簽署航天政策一號令，宣布美國要重返月球，精心挑選的這一天是1972年最后一次登月45周年紀念日。美國當年登月使用土星5號火箭和阿波羅飛船，時過境遷現(xiàn)在要重返月球，很可能使用新的SLS重型火箭和獵戶座飛船。45年彈指一揮間，美國運載火箭尤其是發(fā)動機也有了明顯的變化。

土星5號發(fā)動機的躍進

土星5號火箭是美國阿波羅登月計劃的核心，NASA當年在阿波羅計劃上累計花了240億美元，其中高達93億美元用于研制土星5號火箭！用金子砸出來的土星5號設計和表現(xiàn)相當經典：土星5號發(fā)射中經受了雷擊的考驗，也出現(xiàn)過第二級J-2發(fā)動機關機的故障，但仍實現(xiàn)了100%的成功率，此外它的性能無論是運載能力還是運載系數在今天看來也相當驚人，土星5號火箭運載系數居然比50年后的SLS火箭還要高！

20世紀60年代人類剛剛步入航天時代不過10年，1967年首次發(fā)射的土星5號火箭就做到了如此的水平，也難怪陰謀論者甚至質疑它的存在了。土星5號的優(yōu)異絕非偶然，這不能不提它性能強大的液體火箭發(fā)動機和結構設計水平。土星5號第一級使用5臺F-1液氧煤油發(fā)動機，F(xiàn)-1發(fā)動機勝在約680噸的大推力，但發(fā)動機比沖并不高。不要說對比后世蘇聯(lián)的RD-170液氧煤油發(fā)動機，就是同時代蘇聯(lián)N-1重型火箭的NK-15發(fā)動機比沖也遠高于F-1發(fā)動機。事實上，F(xiàn)-1可以看作是土星1號火箭上90噸推力的H-1發(fā)動機放大的產物，這種燃氣發(fā)生器循環(huán)的液氧煤油發(fā)動機結構簡單，又進行了全面和完善的地面試車，可靠性達到了空前的水平。大推力和高可靠的F-1發(fā)動機為土星5號火箭的成功奠定了堅實的基礎。

美國在土星5號火箭第二級和第三級使用了高比沖的J-2液氧液氫發(fā)動機。J-2發(fā)動機在當時同樣是一個奇跡，從不到10噸的膨脹循環(huán)的RL-10發(fā)動機，跨越到百噸級的燃氣發(fā)生器循環(huán)的J-2發(fā)動機，技術跨度比F-1之于H-1只大不小?；蛟S正因為如此，J-2發(fā)動機并沒有使用分級燃燒等先進技術概念，其性能參數中規(guī)中矩，但其可靠性同樣相當出色。液氧煤油的F-1發(fā)動機比沖不高，液氧液氫的J-2發(fā)動機也不以比沖見長，它們在研制中偏重大推力和高可靠，土星5號做到如此高的性能，很大程度上是靠第二級和第三級的超輕結構。土星5號火箭第二級S-II使用共底儲箱設計，加注后92.4%的重量是推進劑，或者說質量比高達13.16！第三級S-IVB同樣使用共底儲箱設計，質量比也達到了10.45。根據齊奧爾科夫斯基公式，火箭高質量比同樣可以顯著提高火箭的運載能力。

總而言之，土星5號雖然是人類航天早期研制的重型火箭，但其性能在今天也是首屈一指的。雖然F-1和J-2發(fā)動機都不以比沖見長，但它們的推力比上一代火箭發(fā)動機提高了將近一個數量級，同時可靠性也得到了提升，火箭發(fā)動機的大躍進為土星5號的成功和高性能奠定了基礎。

航天飛機的夢想和妥協(xié)

阿波羅時代研制了土星5號火箭。那是NASA的黃金時代，美國國會如暴發(fā)戶一般“不差錢”，對NASA的預算申請有求必應，但這種按需分配的共產主義時代隨著登月競賽的勝利成為過去，NASA預算縮水，不得不精打細算，航天飛機就是這種環(huán)境變化的產物，它的動力系統(tǒng)也反映了這兩個時代的特征。

▲ 土星5號運載火箭發(fā)射升空

20世紀60年代土星5號發(fā)射成功，美國又開始考慮升級土星5號火箭，洛克達因公司在J-2發(fā)動機的基礎上研制HG-3發(fā)動機，HG-3真空比沖451秒，地面版也有280秒的比沖，它半途而廢但成為后來RS-25/ SSME發(fā)動機的基礎。1969年NASA授予洛克希德、通用動力、道格拉斯和北美公司合同，開始航天飛機的研制競標，1970年NASA確定了二級航天飛機的方案：可重復使用的軌道器加上有人駕駛可飛回的助推器。NASA計劃在軌道器上安裝3臺SSME，助推器上安裝12臺，為此SSME發(fā)動機推力水漲船高，從188噸增加到250噸，但預算壓力下這一高大上的方案胎死腹中，后來NASA選擇了推力輔助軌道器（TAOS）方案，也就是我們熟悉的軌道器、外置燃料箱和兩個助推器的設計。這樣一來只有軌道器安裝SSME發(fā)動機，相應的SSME真空推力也降低到213噸。SSME發(fā)動機性能十分出色，憑借高達20.7兆帕的高室壓，發(fā)動機以69的噴口面積比實現(xiàn)了366秒的海平面比沖和452秒的真空比沖，而發(fā)動機推重比卻高達73。這些指標不要說在20世紀70年代，即使在今天仍然是頂尖水平，歐洲的火神和日本的LE-7系列氫氧發(fā)動機性能無法望其項背。不過我們不要忘了，它實際上是預算壓力下性能縮水的產物。

航天飛機助推器的發(fā)動機更為悲劇，最早重復使用的助推器打算使用SSME發(fā)動機，性能差的J-2S氫氧發(fā)動機作為備選，但預算壓力下這種大型高性能液體助推器被迫放棄。接下來怎么辦呢，波音公司覺得自己勝券在握，波音是土星5號第一級S-IC的制造商，而當時看來只有S-IC有足夠的推力將全尺寸的航天飛機軌道器送入太空，這也能為土星5號火箭找到新的活路。NASA馬歇爾中心提出另一種方案：重復使用的擠壓循環(huán)液體助推器。所謂擠壓循環(huán)發(fā)動機，就是靠燃料儲箱壓力將燃料送入發(fā)動機燃燒室的方案，可想而知它的比沖性能絕對不高，不過勝在便宜可靠。擠壓循環(huán)發(fā)動機避免了研制新型大推力發(fā)動機，尤其是耗費時間和金錢研制大功率渦輪泵的障礙，的確是一個不錯的選擇。

▲ 土星5號第一級使用5臺F-1液氧煤油發(fā)動機

NASA評估認為，擠壓循環(huán)復用助推器比有翼的S-IC方案更省錢，不過這種傻大黑粗的方案也沒有活到最后，下一輪競爭中大推力固體助推器方案異軍突起。TAOS方案競爭中擠壓循環(huán)的液體助推器無力回天，只因為固體助推器方案最便宜！在航天飛機的發(fā)展史上，固體助推器其實是性能最差的方案，不要說SSME發(fā)動機有翼飛回式助推器，即使S-IC或是更差的擠壓循環(huán)助推器都比它性能更好。NASA當時正受到預算縮減的巨大壓力，固體助推器不僅研制費用最低，而且評估認為使用固體助推器，航天飛機研制階段年度峰值預算只有大約7.1億美元，比擠壓循環(huán)液體助推器的9.7億要低得多。諷刺的是評估也指出，固體助推器用起來反而更貴，航天飛機單次飛行費用是固體助推器的990萬美元對擠壓式液體助推器的820萬美元，這簡直是朝三暮四的耍猴游戲，但NASA為了保證航天飛機能立項過關，實在顧不得這么多了，于是固體助推器方案最后勝出。

土星5號研制階段美國國會對NASA有求必應，航天飛機研制時深受預算壓力的困擾，能保住SSME這個跨時代的液氧液氫發(fā)動機已經不易，助推器也只能選用研制費用最低但性能也最差的固體助推器。當然，SSME代表了液氧液氫發(fā)動機性能的巔峰，而固體助推器在推力上做到了極致，1300噸的四段式固體助推器始終保持了火箭發(fā)動機推力的記錄。

從SDLV到SLS火箭

航天飛機代表了人類追求廉價進入太空的努力，雖然SSME發(fā)動機水平很高，固體助推器推力冠絕天下，但航天飛機卻沒能實現(xiàn)預期的廉價化目標，同時隨著美國航天的發(fā)展，不時提出重型火箭的設想，它們多數都是基于航天飛機技術的重型火箭（SDLV）。

20世紀80年代美國曾提出Shuttle-C的重型火箭設想，它實際上就是航天飛機的一次性貨運版本，軌道器換成帶SSME發(fā)動機的貨艙，近地軌道運力可達70噸。NASA還研究過Magnum重型火箭方案，它同樣屬于SDLV類型，SSME發(fā)動機的芯級加上大推力固體/液體助推器，近地軌道運力約80噸，國家發(fā)射系統(tǒng)（NLS）也是類似的航天飛機衍生重型火箭。20世紀90年代NASA的月球前哨站（Outpost）提案中，還出現(xiàn)了彗星（Comet）重型火箭方案，彗星火箭捆綁了4個基于F-1A液氧煤油發(fā)動機的液體助推器，芯級自NLS重型火箭發(fā)展而來，使用高性能的STME發(fā)動機，所謂STME其實就是航天飛機SSME發(fā)動機的一次性版本，這種強大的火箭近地軌道運力突破了200噸！

▲ SLS火箭桔黃色的燃料貯箱

20世紀90年代美國運載火箭轉向強調“更快更好更便宜”，美國空軍以此為指引研制了漸進一次性運載火箭（EELV），NLS等重型火箭只能停留在繪圖板上。NLS火箭基于液氧液氫推進劑和發(fā)動機的思路，在德爾塔IV火箭上得到繼承。德爾塔IV火箭的RS-68液氧液氫發(fā)動機，某種意義上可以看作是從SSME到STME后進一步簡化的產物。RS-68強調降低研制和生產費用，其設計思想和J-2發(fā)動機暗合，它使用更簡單的燃氣發(fā)生器循環(huán)方式，雖然發(fā)動機比沖不高，不過推力進一步增加到300多噸，是一種相當成功的氫氧發(fā)動機。

▲ SLS火箭芯二級使用了RL-10氫氧發(fā)動機

2005年美國提出重返月球的星座計劃，其核心火箭同樣是一種SDLV，并得到戰(zhàn)神5號的名字。戰(zhàn)神5號火箭一方面是航天飛機發(fā)動機技術的延續(xù)，另一方面也有土星5號火箭的遺產。戰(zhàn)神5號使用推力進一步增加的RS-68B發(fā)動機作為芯一級動力，捆綁加長的5/5.5段固體助推器，芯二級使用了新研制的J-2X氫氧發(fā)動機。J-2X發(fā)動機著重強調真空性能，真空比沖高達448秒，僅比高性能的SSME低4秒。從設計思路上說，戰(zhàn)神5號和土星5號倒是異曲同工，它們不約而同地在起飛級使用大推力發(fā)動機，而上面級使用高比沖發(fā)動機。不同的是土星5號第一級使用F-1，二三級使用J-2，而戰(zhàn)神5號使用固體助推器加RS-68B的第一級，第二級是有那個J-2X而已。戰(zhàn)神5號越做越大，但隨著星座計劃的取消，它也出師未捷身先死。

接下來粉墨登場就是名為空間發(fā)射系統(tǒng)的SLS了，它有一個戲謔的外號：國會發(fā)射系統(tǒng)，縮寫也是SLS。當然，這并不是說SLS要把參議員打上太空，而是說它是美國國會部分資深參議員堅持的產物，或者不客氣地說，一份保就業(yè)的工程。明白了這一點，我們對SLS火箭的設計尤其是發(fā)動機的選擇就不會感到任何意外了。SLS也是航天飛機的衍生設計：SLS芯一級使用了退役航天飛機上拆下來回收的SSME發(fā)動機，未來用完了將生產一次性SSME發(fā)動機；助推器則是5段式固體助推器，競爭階段那些使用液體火箭發(fā)動機，其中包括洛克達因提出的F-1A發(fā)動機液體助推器全部落選；SLS芯二級使用了RL-10氫氧發(fā)動機，RL-10發(fā)動機比沖可達462秒，是目前世界上比沖最高的火箭發(fā)動機，同時也是目前宇宙神V和德爾塔 IV火箭的上面級發(fā)動機。

SLS火箭也不是全無亮點，它使用SSME做芯一級發(fā)動機，避免了戰(zhàn)神5號上RS-68B發(fā)動機燒蝕噴管的散熱問題，而使用高比沖的RL-10發(fā)動機做上面級，也有SLS火箭專注深空而不是近地軌道發(fā)射任務的考慮，這都是吸取了戰(zhàn)神5號火箭經驗教訓的結果。具體到火箭發(fā)動機研制上，從土星5號火箭的瘋狂躍進到航天飛機的痛苦妥協(xié)，美國大型火箭發(fā)動機都有了長足的進步，而SLS火箭則全部使用現(xiàn)成產品?！?/p>