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动力强劲的大推力火箭发动机

2023-07-04谢非

航空世界 2023年5期
关键词:猛禽液氧航天飞机

谢非

运载火箭是人类摆脱地球引力的束缚,开展“飞天”活动的有力工具,火箭发动机则是其心脏。火箭发动机是一种自带推进剂而不利用外界空气助燃的喷气发动机,按推进剂介质性状不同,通常可分为固体火箭发动机和液体火箭发动机两大类。前者的优点是推进剂易于储存、成本低、发动机结构相对简单。后者的优点是比冲高,相同推力下需要的燃料更少,且发动机通常支持节流和重启功能。

随着技术发展,火箭发动机的性能越来越强,火箭的载荷等性能越来越强,距离拓展人类生存空间的目标也越来越近。下面,我们就一起盘点人类曾经制造过的几款大推力火箭发动机。

RD-253

RD-253 是由莫斯科OKB-253 设计局(现为动力机械科研生产联合体)设计研发的一款液体火箭发动机,主要用作运载火箭的一级发动机,使用二甲基肼/ 四氧化二氮作为推进剂。这种推进剂最早用于导弹,后来也被用于运载火箭。

需要说明的是,这种推进剂有剧毒。1975 年阿波罗- 联盟号试验项目中的一次任务,宇航员因误操作,在打开换气设备的同时打开了推进设备,致使燃烧后的烟雾进入乘员舱。舱内人员均不同程度中毒并患上了肺炎。不过,由于这种燃料可常温储存,且能自燃(两种物质接触即可燃烧,无须额外点燃),因此曾被各国大量采用,现在逐渐被淘汰。

RD-253 发动机1961 年立项,1963 年完成,主要服务质子系列运载火箭,是苏联及俄罗斯最可靠的发动机之一,曾参与执行过月球计划、金星计划、火星计划、和平号空间站发射等多项重要任务。

RD-253 发动机技术数据

收藏展览的RD-253 火箭发动机

F-1

F-1 是美国洛克达因公司20 世纪50年代研发的一款开式循环火箭发动机,其最初概念来自于美国空军。起初,空军需要研发一款大推力的火箭发动机,用于驱动可能出现的重型洲际弹道导弹。很快,当时尚属北美航空公司一个部门的洛克达因就交出了E-1 火箭发动机的设计方案。虽然在静态测试中表现良好,但军方最终还是停掉了有关E-1 的研发计划,理由是导弹的质量不高,完全用不上推力如此之大的发动机。

不久,事件有了转机。美国国家航空航天局成立后,急需一款大推力火箭发动机,于是经过改良的F-1 火箭发动机便诞生了。1959 年3 月静态测试成功后,F-1 发动机被送往马歇尔航天中心开展进一步测试。没想到却逐渐暴露出燃烧不稳定的情况,导致项目推进十分缓慢。最终,经过几年测试后工程师们才想出解决办法。

F-1 火箭发动机使用RP-1(航天级煤油)作为燃料,液氧作为助燃剂,是当时人类制造的推力最大的单燃烧室发动机,主要装载于土星五号火箭。RP-1 是一种高纯度的煤油提取物,虽然比液氢的比冲低,但价格更便宜,可室温存储。缺点是有一定毒性,而且作为石油制品,其燃烧后会产生一定的沉淀物。

F-1 发动机技术数据

高度提纯的航天级煤油

肯尼迪航天中心展示的F-1 火箭发动机

RD-180 点火测试

RD-180

RD-180 是动力机械科研生产联合体在20 世纪90 年代基于苏联时期的RD-170 发动机研发而成的液体火箭发动机。20 世纪70 年代,美国与苏联间的太空争霸进入高潮,苏联虽然抢先一步发射了人类第一颗人造卫星,并完成了首次载人发射任务和首次太空漫步任务,但登月计划的成功使美国在这场竞争中获得了决定性的胜利。不久后,苏联获知美国开始研发航天飛机,于是便决定对米格105 试验机进行优化和测试。1984年后,苏联推出了搭载RD-170 液体火箭发动机的暴风雪号航天飞机,并进行了无人近地轨道试飞活动。

在这仅有的一次飞行活动后,暴风雪号航天飞机计划被迫终止。然而,其搭载的火箭发动机被证实为具有足够的推力和不错的效率用于航天运输作业,于是改进研发出了RD-180。这款发动机采用双燃烧室、双喷口设计,使用RP-1 和液氧作为助燃剂,曾是世界上推力、重量最大的火箭发动机。随着冷战结束,大国间的交流越来越紧密,RD-180 发动机也曾出口至美国,作为阿特拉斯Ⅲ型运载火箭的一级发动机,并于2000年成功首飞。之后,其还被用于后续的阿特拉斯Ⅴ型运载火箭。

RD-180 发动机技术数据

RS-25 发动机准备进行测试

RS-25

RS-25 是美国洛克达因公司设计的一款低温液体火箭发动机,使用液氢和液氧作为助推剂,最早的研发历史可追溯到1966 年。在阿波罗计划中,除了一级火箭发动机外,洛克达因公司还研发了一款大推力的二级发动机HG-3,然而随着阿波罗计划的资金减少,后续开发被迫搁置。1969 年,新的航天飞机计划开始,HG-3 发动机又有了新用途。在其基础上,按照美国航天局的要求,洛克达因公司開发出了可重复使用、具有复杂工艺和先进技术的RS 系列发动机。

该火箭发动机是专为航天飞机设计的,采用三发并联方式形成发动机群,燃料舱则装在航天飞机外部。为延长发动机的使用寿命,与RS-25发动机搭配的还有2 个独立的固体火箭推进器,主要用于在发射前2 分钟内为航天飞机提供所需的85% 推力。

值得一提的是,固体火箭发动机助推器使用的是高氯酸铵和雾化铝粉作为助推剂。前者属于高聚合的氯化物,具有极强的氧化性,理论上只要同含有碳、氢等元素的物质接触就能快速产生反应,燃烧时会产生大量的白色烟雾。后来,为了使燃烧变得更加稳定,加快燃烧速度,推进剂中还加入了铝粉。

在航天飞机计划结束后,大部分RS 系列发动机被由美国国家航空航天局保存,部分转赠给了博物馆收藏。因该发动机具有极高的发射可靠性,其后续改型方案被用于新一轮载人登月计划运载火箭之上。

RS-25 发动机技术数据

猛禽发动机

猛禽发动机是SpaceX 公司专为超重型运载火箭星舰研发的一款大推力发动机,也是目前世界上最先进的火箭发动机之一,采用了少见的甲烷/ 液氧作为助推剂。早在2009 年的公开研讨会上,SpaceX公司就曾表示要开发一款用于火星计划的大推力发动机,当时原本打算使用液氢/ 液氧助推剂。随着美国国家航空航天局对火星资源的探索,2012 年马斯克宣布将研发甲烷燃料的火箭发动机(甲烷是一种碳氢化合物,很容易在火星上通过化学反应获得)。相较于传统的液氢和煤油,甲烷具有更大优势。首先,其密度约为氢的6 倍,使得同样重量下的液体甲烷体积更小。其次,甲烷比冲比煤油更高,燃烧后产生的积碳更少。

猛禽发动机的初步测试在斯坦尼斯航天中心完成,经验证液态甲烷和热气态甲烷的工作状态良好。2016 年,第一艘搭载了完整功能猛禽发动机的火箭完成测试。除了使用甲烷作为燃料,猛禽发动机还是首台采用全流量分级燃烧的新型发动机,相比梅林系列发动机,不仅大量减少了燃烧废弃物的产生,还增大了推力。

2019 年, 基于猛禽发动机开发的猛禽2 发动机开始测试,其优化了约25%的零件结构,改善了焊接工艺,增大了发动机推力。2023 年4 月20日,搭载猛禽2 发动机的星舰发射,而增大腔室压力的猛禽3 发动机也已在测试当中。

猛禽发动机技术数据

可回收的猛禽发动机

猛禽发动机第一次地面点火试验

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