□ 邢強(qiáng)

RD-170世界上推力最大的液體火箭發(fā)動機(jī)

□ 邢強(qiáng)

“宇宙神”III型運載火箭本來的名字叫做“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)動機(jī)。后來，為了淡化美國的這款火箭使用俄羅斯發(fā)動機(jī)的這個事實，火箭更名為“宇宙神”III。

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

RD-170火箭發(fā)動機(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)動機(jī)。這款擁有4個燃燒室，1臺渦輪泵和2個預(yù)燃室的發(fā)動機(jī)的海平面最大推力為740噸。很多人想要比較“土星”5號火箭的F-1火箭發(fā)動機(jī)。F-1是世界上推力最強(qiáng)的單燃燒室發(fā)動機(jī)，而RD-170則是世界上推力最強(qiáng)的多燃燒室發(fā)動機(jī)。它們的主要性能的對比情況如左圖。

可見，RD-170火箭發(fā)動機(jī)比F-1火箭發(fā)動機(jī)重16.8%。其海平面推力比F-1火箭發(fā)動機(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難以望其項背，RD-170的室壓是F-1的3.5倍。

左圖：RD-170發(fā)動機(jī)

右圖：RD-170噴管內(nèi)流場計算

RD-170發(fā)動機(jī)項目的由來

每一款大型發(fā)動機(jī)的背后，通常都會有一個巨大的項目需求，這個項目或是承載了一個國家的夢想，或是準(zhǔn)備突破多年以來的技術(shù)局限。RD-170火箭發(fā)動機(jī)的背后，當(dāng)然也少不了大型項目的支撐。

沒有任何一個神奇的裝備不是由一項國家項目撐起來的，如果不夠的話，那就來兩個。

RD-170火箭發(fā)動機(jī)的研發(fā)，得益于兩個項目：“天頂”號火箭和“能源”號火箭。

蘇聯(lián)在1970年代開始了一個野心勃勃的大型運載火箭系列計劃，準(zhǔn)備以同一款大推力火箭發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，發(fā)展多種發(fā)動機(jī)型號和運載火箭型號。這個計劃進(jìn)行得比較順利。實際上，“天頂”號火箭是蘇聯(lián)解體前發(fā)展出來的技術(shù)含量最高的一款火箭。

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)登月計劃開發(fā)的N-1重型運載火箭。作為替代品，蘇聯(lián)于取消N-1的同時開始了對“能源”號火箭的方案論證工作，以便為實現(xiàn)未來的空間開發(fā)計劃打下基礎(chǔ)。當(dāng)時的計劃是，“能源”號運載火箭的助推器采用4枚“天頂”號火箭的第一級火箭。（實際上，“天頂”號和“能源”號的火箭發(fā)動機(jī)略有不同，用于“能源”號火箭的是RD-170原裝版本，用于“天頂”號火箭的是增設(shè)了雙向伺服機(jī)構(gòu)的版本，叫做RD-171。不過，除伺服機(jī)構(gòu)的作動方向的區(qū)別外，兩款火箭發(fā)動機(jī)在其他地方是相同的。）

RD-170發(fā)動機(jī)有4個燃燒室，1臺渦輪泵和2個預(yù)燃室。其中渦輪泵是單級的，整個渦輪泵系統(tǒng)還包括有1臺氧化劑泵，1臺兩級燃料泵，整個系統(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，是核動力的，排水量23455噸。上面有2座核反應(yīng)堆，驅(qū)動2臺汽輪機(jī)，帶動6臺發(fā)電機(jī)。這些發(fā)電機(jī)的總輸出功率為55.3兆瓦。RD-170的一臺渦輪泵的功率相當(dāng)于這樣一艘核動力破冰船的3.47倍。

RD-170的4個燃燒室的管路設(shè)計是很講究的，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)對燃料的阻滯效應(yīng)的大小。

不過，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)計是非常美的。

作者特意用了些時間計算了RD-170噴管的內(nèi)流場，算是給留存彩色照片不多的RD-170發(fā)動機(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)動機(jī)效率的重要指標(biāo)。比沖的定義為：火箭發(fā)動機(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)動機(jī)的真空比沖比F-1火箭發(fā)動機(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，火箭工程師對發(fā)動機(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)動機(jī)，會因渦輪廢氣的排放損失1%以上的比沖，而且這種情況會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日才首次實用的發(fā)動機(jī)來說，RD-170比在上世紀(jì)60年代就推動“土星”5號火箭的F-1發(fā)動機(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)動機(jī)設(shè)計的人都會有這個疑問：

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)計比美國人高明這么多么？

其實是美國人的技術(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)動機(jī)，其燃燒室壓力不得超過7MPa！這是美國的工程技術(shù)人員從多年的試驗數(shù)據(jù)中總結(jié)出來的一個結(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，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)動機(jī)爆炸的事故。在這樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)限制下，推動“土星”5號火箭的F-1火箭發(fā)動機(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。可以說，F(xiàn)-1火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計人員嚴(yán)格地遵守了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而且同時做了提高發(fā)動機(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？

這個問題的答案，需要我們把目光從火箭發(fā)動機(jī)的試車臺和實驗室繪制圖紙的桌子上暫時挪開，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存量。而在里海西岸中部的那個向海里突出的尖尖角里，有個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)動機(jī)在點火測試的過程中，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)動機(jī)的結(jié)焦居然與原油有關(guān)的事實已經(jīng)是很久以后的事情了。可以說，蘇聯(lián)的火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計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)動機(jī)最關(guān)鍵的一點是：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)萘基油。

另外，西伯利亞地區(qū)出產(chǎn)的原油也有著不錯的品質(zhì)。純凈的煤油讓蘇聯(lián)的火箭發(fā)動機(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7MPa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)動機(jī)的研制，轉(zhuǎn)而研發(fā)液氫液氧發(fā)動機(jī)了。（不過，這從客觀上促進(jìn)了航天飛機(jī)主發(fā)動機(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”號運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)動機(jī)工作正常。問題出在第二級的RD-120發(fā)動機(jī)上。1987年5月15日，蘇聯(lián)發(fā)射了第一枚“能源”號運載火箭。然而，到了1988年11月15日，隨著“能源”號的最后一次發(fā)射，所有的大型航天項目都面臨著被終結(jié)的命運。到了上世紀(jì)90年代初，這個紅色帝國倒下的時候，RD-170系列也終于和蘇聯(lián)的火箭暫時告別了。但是，那時候，RD-170發(fā)動機(jī)已經(jīng)成功進(jìn)行了618次發(fā)射，在累計69579秒的燃燒時間內(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)動機(jī)的魅力。

“能源”號運載火箭

RD-180遠(yuǎn)渡重洋，為美國航天發(fā)射貢獻(xiàn)力量

美國過早放棄了高燃燒室壓力的大型液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)的研究轉(zhuǎn)而開始琢磨大推力的液氫液氧發(fā)動機(jī)。同時，美國在冷戰(zhàn)時期儲備了大量的大推力固體火箭發(fā)動機(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)動機(jī)，美國人也能夠靠液氫液氧發(fā)動機(jī)和大推力固體火箭發(fā)動機(jī)把航天飛機(jī)送上太空。

RD-180發(fā)動機(jī)

RD-180是RD-170火箭發(fā)動機(jī)的燃燒室減半版本

不過，液氧煤油發(fā)動機(jī)的這門課遲早是要補(bǔ)上的。只是，美國人找到了一個捷徑，那就是：買。

蘇聯(lián)解體后，普惠積極運作，買來了RD-120液氧煤油發(fā)動機(jī)。而美國航空噴氣公司則引進(jìn)了蘇聯(lián)登月計劃中設(shè)計的NK-33液氧煤油發(fā)動機(jī)。洛馬公司看中了RD-170發(fā)動機(jī)，不過他們感覺用不上推力這么大的發(fā)動機(jī)，于是購買了100多臺RD-180。雖然這有點趁火打劫的味道，不過至少讓RD-170/RD-180的研發(fā)團(tuán)隊保留了下來。

RD-180是RD-170火 箭發(fā)動機(jī)的燃燒室減半版本。RD-170有4個燃燒室，去掉2個后，便成了RD-180的雛形。 不 過，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RD-180發(fā)動機(jī)迎來了新的測試。然而，測試地點并不是RD-170系列和RD-180系列發(fā)動機(jī)所熟悉的老家蘇聯(lián)航天工業(yè)科學(xué)實驗中心的102號試驗臺，而是美國航宇局的馬歇爾航天中心試車臺。在這里，“土星”5號的F-1火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行過測試，航天飛機(jī)的主發(fā)動機(jī)進(jìn)行過測試，如今，來自曾經(jīng)的鐵幕的另一端的蘇聯(lián)RD-180火箭發(fā)動機(jī)正在進(jìn)行測試。熟悉的噴管外形，熟悉的火焰，只是，發(fā)動機(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“宇宙神”系列運載火箭上。搭配不同的固體助推器，該系列火箭可以提供8噸到29噸的近地軌道運載能力?！坝钪嫔瘛盜II型運載火箭本來的名字叫做“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)動機(jī)。后來，為了淡化美國的這款火箭使用俄羅斯發(fā)動機(jī)的這個事實，火箭更名為“宇宙神”III。