從RS-25測(cè)試談美國的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

□ 松鼠

從RS-25測(cè)試談美國的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

□ 松鼠

根據(jù)美國宇航局的消息，8月30日美國宇航局又對(duì)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了500秒的點(diǎn)火熱測(cè)試，RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)使用了新的控制器，為太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）的研制積累了更多的經(jīng)驗(yàn)。RS-25實(shí)際上就是航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME），它的重新啟用對(duì)生產(chǎn)商洛克達(dá)因公司有著極為重要的意義。

洛克達(dá)因的誕生

RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)由洛克達(dá)因公司研制，洛克達(dá)因公司自誕生以來，就一直是美國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要的研制生產(chǎn)商之一。

洛克達(dá)因公司于1955年成立，它當(dāng)時(shí)是北美航空公司的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)分部。二戰(zhàn)后北美航空公司對(duì)德國V-2導(dǎo)彈進(jìn)行了研究，并為諾瓦霍超音速洲際巡航導(dǎo)彈研制了更大的發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性更好，取代了美國陸軍紅石彈道導(dǎo)彈上最早使用的發(fā)動(dòng)機(jī)。紅石導(dǎo)彈是美國獨(dú)立研制液體彈道導(dǎo)彈的開始，而它開始生產(chǎn)后，北美航空公司將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)部門分離出來，于是就有了洛克達(dá)因公司。

洛克達(dá)因公司此后還為“朱庇特”“雷神”和“宇宙神”等液體中程和洲際彈道導(dǎo)彈研制生產(chǎn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)?！爸毂犹亍焙屠咨駥?dǎo)彈的服役時(shí)間很短，即使是宇宙神洲際導(dǎo)彈也沒有服役多久，此后美國空軍的彈道導(dǎo)彈迅速轉(zhuǎn)向固體推進(jìn)劑，但雷神導(dǎo)彈發(fā)展出的德爾它火箭和宇宙神導(dǎo)彈發(fā)展而來的宇宙神火箭，卻成了美國航天發(fā)射的當(dāng)家主力，它們長(zhǎng)期使用洛克達(dá)因公司的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，洛克達(dá)因公司由此成為美國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的巨頭。

▲ 8月30日RS-25熱試車

▲ 宇宙神火箭的MA-5發(fā)動(dòng)機(jī)也是當(dāng)年洛克達(dá)因的產(chǎn)品

霸業(yè)初定

航空噴氣公司是洛克達(dá)因公司的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。航空噴氣公司研制了LR-87和LR-91液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，成為大力神液體洲際導(dǎo)彈和大力神運(yùn)載火箭的主發(fā)動(dòng)機(jī)，一時(shí)和洛克達(dá)因平分秋色。20世紀(jì)60年代美國實(shí)施了阿波羅載人登月計(jì)劃，洛克達(dá)因公司成功脫穎而出，在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

洛克達(dá)因公司為“朱庇特”和“雷神”研制了S-3D/LR-79發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)一步研制S-3X發(fā)動(dòng)機(jī)。新發(fā)動(dòng)機(jī)使用了新的閥門，還使用燃?xì)獍l(fā)生器來驅(qū)動(dòng)渦輪，這些改進(jìn)大大簡(jiǎn)化推進(jìn)劑的輸送設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)由于變動(dòng)較大也改稱X-1發(fā)動(dòng)機(jī)，最終定名為H-1發(fā)動(dòng)機(jī)。土星1號(hào)火箭使用了8臺(tái)洛克達(dá)因公司的H-1發(fā)動(dòng)機(jī)，土星1號(hào)B火箭第二級(jí)改用洛克達(dá)因公司的J-2液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一種百噸級(jí)推力的高比沖氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，使火箭近地軌道運(yùn)力增加到近20噸，可以發(fā)射正式版的阿波羅飛船。

土星1號(hào)上的成功僅僅是一個(gè)開始，在土星5號(hào)火箭上洛克達(dá)因公司更是大放異彩。土星5號(hào)火箭的F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、J-2液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)都由洛克達(dá)因公司研制，其中F-1從某種程度上可以看作是H-1的簡(jiǎn)單放大，但它的單室推力到現(xiàn)在也是最大的，它們奠定了土星5號(hào)和載人登月成功的基礎(chǔ)，也奠定了洛克達(dá)因公司的霸主地位，洛克達(dá)因從此超過了航空噴氣公司，成為美國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。

▲ 洛克達(dá)因的輝煌記憶：F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)

航天飛機(jī)時(shí)代

宇宙神火箭的半人馬座上面級(jí)和土星1號(hào)火箭第二級(jí)都使用了普惠公司的RL10液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，但洛克達(dá)因公司通過J-2液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研制后來居上，成為美國在大型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)技術(shù)最豐富的公司。航天飛機(jī)項(xiàng)目開始后，1971年洛克達(dá)因公司競(jìng)標(biāo)獲得了航天飛機(jī)軌道器主發(fā)動(dòng)機(jī)的研制合同。

1972年SSME / RS-25開始全面研制，洛克達(dá)因公司吸取了研制F-1尤其是J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)。SSME使用了全新的分級(jí)燃燒循環(huán)設(shè)計(jì)，采用兩個(gè)預(yù)燃室分別驅(qū)動(dòng)氫泵和氧泵，加上復(fù)雜的預(yù)壓泵的增壓效果，最終達(dá)到了很高的燃燒室壓強(qiáng)。預(yù)燃室的富氫燃?xì)庾詈笠才湃肴紵?，避免了燃料的浪費(fèi)，因此SSME不僅具有高達(dá)約200噸的推力，真空比沖更是達(dá)到了452秒，地面也有366秒，堪稱有史以來最先進(jìn)和最強(qiáng)大的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，也是洛克達(dá)因公司技術(shù)先進(jìn)性的杰出代表。SSME雖然性能極佳，但為了實(shí)現(xiàn)50次重復(fù)使用的能力，價(jià)格也高達(dá)5000多萬美元。

▲ SSME/RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)為航天飛機(jī)研制，現(xiàn)在又用于SLS火箭

盛極而衰

SSME發(fā)動(dòng)機(jī)使洛克達(dá)因公司達(dá)到了一個(gè)前所未有的高度，但福兮禍之所伏，美國航天飛機(jī)機(jī)隊(duì)需要生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)很少，好在每次維護(hù)還有一筆不多不少的收入。1986年挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)事故后，美國重啟一次性火箭生產(chǎn)，但大力神4火箭使用的航空噴氣公司的主發(fā)動(dòng)機(jī)，美國空軍推動(dòng)的漸進(jìn)一次性運(yùn)載火箭研制中，洛克達(dá)因公司憑借氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制的雄厚實(shí)力，獲得研制德爾它4火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)的合同，這就是RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)。

RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到了300多噸，但作為一種低成本氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，它改回J-2的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)以降低研制難度和生產(chǎn)成本，加上生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，最終價(jià)格僅有2000萬美元左右。洛克達(dá)因公司在研制過程中也極力降低成本，研制費(fèi)用也僅有4.7億美元。盡管如此，由于太久沒有研制過新的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，老伙伴宇宙神火箭的最新型號(hào)“宇宙神5”卻選擇了俄羅斯的RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，1996年洛克達(dá)因公司被轉(zhuǎn)手賣給了波音公司，更是一個(gè)不祥的預(yù)兆。

▲ RS-68代表了洛克達(dá)因發(fā)展低成本發(fā)動(dòng)機(jī)的努力，隨著未來德爾它4火箭的退役，它也將退出歷史舞臺(tái)

2005年洛克達(dá)因公司又被波音公司轉(zhuǎn)賣給聯(lián)合技術(shù)公司下屬的普惠公司，與它的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部分合并為普惠洛克達(dá)因公司，生產(chǎn)線上多了普惠的名作RL10發(fā)動(dòng)機(jī)。美國宇航局已經(jīng)提出轉(zhuǎn)向深空探索，星座計(jì)劃的戰(zhàn)神5號(hào)將使用普惠洛克達(dá)因公司的RS-68B發(fā)動(dòng)機(jī)，而戰(zhàn)神5號(hào)和戰(zhàn)神1號(hào)的上面級(jí)都將使用該公司的J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)，普惠洛克達(dá)因公司在此期間成為美國唯一的大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商，但是衰敗已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

▲ 洛克達(dá)因公司的RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)，性能高但未來前景也堪憂

日落西山

▲ SLS重型火箭目前使用RS-25和RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)，成了洛克達(dá)因的救命稻草

進(jìn)入21世紀(jì)以后，新興的航天公司對(duì)傳統(tǒng)公司開始構(gòu)成沖擊，如太空探索技術(shù)公司，它自己生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭飛船，并獲得了巨大的成功。藍(lán)色起源公司也是其中的杰出代表，同樣致力于自己生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和載具，而洛克達(dá)因公司作為一家專業(yè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商，對(duì)這樣的產(chǎn)業(yè)環(huán)境就極不適應(yīng)了。更糟糕的是，這些新興公司還在擠壓洛克達(dá)因公司的傳統(tǒng)市場(chǎng)，使洛克達(dá)因公司的處境雪上加霜。

普惠洛克達(dá)因公司曾刊登廣告諷刺太空探索技術(shù)公司，說“當(dāng)某些人在忙著高談闊論的時(shí)候，我們?cè)诿χl(fā)射”，但時(shí)過境遷不過兩年，太空探索技術(shù)公司通過梅林發(fā)動(dòng)機(jī)的批量生產(chǎn)成為美國最大的大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商，而普惠洛克達(dá)因公司卻被普惠轉(zhuǎn)賣給金庫普集團(tuán)，和該集團(tuán)下屬的航空噴氣公司合并為航空噴氣洛克達(dá)因公司。

▲ 洛克達(dá)因的AR-1可以直接替換RD-180，但聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟選擇了藍(lán)色起源的BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)

聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟正在研制新的一次性運(yùn)載火箭，但將和藍(lán)色起源公司合作研制BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是采購航空噴氣洛克達(dá)因公司推銷的AR-1發(fā)動(dòng)機(jī)，畢竟當(dāng)時(shí)AR-1發(fā)動(dòng)機(jī)還在紙面上，而BE-4已經(jīng)進(jìn)行渦輪泵和預(yù)燃室的測(cè)試。更重要的是BE-4有藍(lán)色起源承擔(dān)大部分研制經(jīng)費(fèi)，而AR-1卻要聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟出很多錢，盡管AR-1發(fā)動(dòng)機(jī)性能更強(qiáng)，但即使AR-1發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)度不落后，也很難贏得競(jìng)爭(zhēng)。

洛克達(dá)因公司現(xiàn)在的處境十分尷尬，它有先進(jìn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，但發(fā)動(dòng)機(jī)卻賣不出去。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟使用BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)的下一代火箭很可能徹底取代德爾它4和宇宙神5火箭，洛克達(dá)因公司的RS-68和RL10在不久的將來很可能英雄無用武之地。不幸中的萬幸，美國宇航局的SLS項(xiàng)目將使用SSME/RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)和RL10發(fā)動(dòng)機(jī)。從這個(gè)意義上說，RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)的再次測(cè)試，可以看作洛克達(dá)因公司的救命稻草，而老牌巨頭洛克達(dá)因公司的興衰，也讓我們看到了美國航天領(lǐng)域的雄厚實(shí)力和蓬勃活力。

責(zé)任編輯：陳彩連