世界上最大推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

　　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Спутник(斯普特尼克)，人類發(fā)射的第一枚人造地球衛(wèi)星;有人說(shuō)用暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī);而小編認(rèn)為，那些都已經(jīng)屬于過去了。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)在探索宇宙的過程中達(dá)到的一個(gè)技術(shù)高度。讓我們一起來(lái)了解下吧。

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)。

　　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)行地比較順利。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。上圖為正由軌道運(yùn)載器運(yùn)到發(fā)射臺(tái)的一枚天頂號(hào)火箭。注意，火箭尾部的四個(gè)大噴管屬于同一臺(tái)RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　負(fù)責(zé)這個(gè)火箭項(xiàng)目的設(shè)計(jì)局值得一說(shuō)。天頂號(hào)是由導(dǎo)彈設(shè)計(jì)大師米哈伊爾·庫(kù)茲米奇·楊格爾牽頭成立的南方設(shè)計(jì)局的項(xiàng)目。雖然該設(shè)計(jì)局(蘇聯(lián)內(nèi)部代號(hào)586設(shè)計(jì)局，或者按某些地方的習(xí)慣，叫做586所)在接手天頂號(hào)火箭項(xiàng)目的時(shí)候，所長(zhǎng)楊格爾已經(jīng)去世5年了，但是他的副手完全有能力把設(shè)計(jì)局撐起來(lái)。

　　這個(gè)人便是楊格爾的學(xué)生、副手：弗拉基米爾·烏特金。他是包括SS-18撒旦洲際彈道導(dǎo)彈在內(nèi)的多款導(dǎo)彈的總設(shè)計(jì)師。其脫密后，被后人尊為蘇聯(lián)導(dǎo)彈“教父”。

　　烏特金提出了天頂號(hào)火箭的最大技術(shù)特點(diǎn)：火箭具有環(huán)境友好性，且具備超強(qiáng)的載荷能力，還要讓發(fā)射工序?qū)崿F(xiàn)完全無(wú)人化?；鸺粰C(jī)械裝置自動(dòng)吊裝在發(fā)射臺(tái)上并連上地面控制管線，其后在發(fā)射準(zhǔn)備、點(diǎn)火或因發(fā)射任務(wù)取消而須從發(fā)射臺(tái)上撤下時(shí)都不需要進(jìn)行手動(dòng)操作，從而大大減少了因發(fā)射事故導(dǎo)致人員傷亡的可能性。此外，天頂號(hào)的發(fā)射臺(tái)不包含任何在發(fā)射時(shí)有可能被燒毀的設(shè)備，因此在一次發(fā)射完成5小時(shí)之后，就可以再次進(jìn)行發(fā)射。

　　而這樣的總體要求，需要一臺(tái)高可靠性、可多次重復(fù)啟動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)、使用液氧煤油燃料的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　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)。圖為搭載暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)模型的能源號(hào)運(yùn)載火箭模型。

　　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，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。)上圖左側(cè)為能源號(hào)運(yùn)載火箭的助推器，右側(cè)為天頂號(hào)的第一級(jí)火箭。

　　RD-170的總體設(shè)計(jì)

　　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火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管路閥門系統(tǒng)示意圖。注意，淡黃色的為煤油管路，淡青色的為液氧管路。紅色的部分，表示滾燙滾燙的。

　　上圖中央的紅色罐罐中的黑色，為主渦輪軸。從上到下的4個(gè)黑色渦輪，依次為：主渦輪泵、氧化劑泵、主燃料泵和主啟動(dòng)泵。

　　中央的紅色罐罐兩側(cè)各自伸出一個(gè)耳朵，那就是RD-170的2個(gè)富氧預(yù)燃室了。一部分燃料在預(yù)燃室中進(jìn)行燃燒，帶動(dòng)渦輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)。而渦輪泵轉(zhuǎn)起來(lái)之后，燃料和氧化劑就能夠迅速流動(dòng)了。

　　如果整枚RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)是一顆心臟的話，這部分管路的作用就類似于冠狀動(dòng)脈。

　　為什么要用2個(gè)預(yù)燃室?用1個(gè)不是能夠減少不少重量么?

　　讓任意一名合格的火箭設(shè)計(jì)師來(lái)看，也是有這個(gè)愿望的。只是，RD-170的煤油燃料的秒流量為1.5噸。這么大的流量擠到一個(gè)小小的預(yù)燃室里，是會(huì)出問題的。他們只好采用2個(gè)預(yù)燃室。這是提高可靠性的一個(gè)設(shè)計(jì)。誰(shuí)讓火箭總師烏特金一直強(qiáng)調(diào)可靠性呢。

　　RD-170的渦輪泵功率為25.7萬(wàn)馬力，相當(dāng)于2.57個(gè)鐵臂阿童木。

　　25.7萬(wàn)馬力換算成功率，約為192兆瓦。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。

　　從上世紀(jì)60年代開始，美國(guó)和蘇聯(lián)的工程師們都發(fā)現(xiàn)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵如果一直依賴一個(gè)渦輪的話，很難再有性能上大幅提升的潛力了。于是他們各自發(fā)明了一些新的渦輪泵結(jié)構(gòu)。

　　比如，蘇聯(lián)的引射式的多噴嘴泵從60年代開始，就有了很好的效果。其實(shí)，如果剖開現(xiàn)役的“質(zhì)子”火箭的話，依然能夠看到這種設(shè)計(jì)。

　　RD-170采用的則是更為先進(jìn)的葉片式預(yù)壓渦輪泵。預(yù)壓泵的應(yīng)用可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)降低對(duì)火箭貯箱的壓力要求。通過對(duì)渦輪葉柵和誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)，讓主渦輪泵在轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程和效率方面有更好的表現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)在以RD-170為代表的蘇聯(lián)風(fēng)格的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和以航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)上都能找到，可謂是殊途同歸。同時(shí)，要注意到蘇聯(lián)人的設(shè)計(jì)不僅僅是傻大粗笨的，實(shí)際上是有不少精巧的地方的。從管路設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，RD-170贏了F-1發(fā)動(dòng)機(jī)一局。

　　RD-170為什么要采用4個(gè)噴管，而不用1個(gè)大噴管?

　　這主要是當(dāng)初蘇聯(lián)對(duì)大噴管液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不穩(wěn)定性問題沒有十足的把握進(jìn)行解決。從這個(gè)角度上來(lái)看，美國(guó)人的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)扳回一局。(美國(guó)人在3年時(shí)間里，做了2000多次試驗(yàn)，把炸藥放到燃燒室中，人為制造不穩(wěn)定，掌握了燃燒的部分規(guī)律，通過改進(jìn)噴注盤設(shè)計(jì)和其他結(jié)構(gòu)，解決了燃燒不穩(wěn)定的問題。)

　　采用4個(gè)噴管，萬(wàn)一推力啟動(dòng)不同步，大小不一致怎么辦?

　　這個(gè)問題的確存在。對(duì)于采用富氧補(bǔ)燃循環(huán)的RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)而言，煤油噴射進(jìn)入燃燒室的瞬間即為推力室點(diǎn)火時(shí)刻。讓4個(gè)燃燒室同步啟動(dòng)的關(guān)鍵在于讓煤油同時(shí)進(jìn)入這4個(gè)燃燒室。另外，大噴管外側(cè)的冷卻套的壓降的不同或者阻滯程度的不同會(huì)帶來(lái)額外的時(shí)間差，這個(gè)也要考慮在內(nèi)。

　　因此，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(考驗(yàn)設(shè)計(jì)師立體幾何水平的時(shí)候到了)。另外，還要摸透管路內(nèi)對(duì)燃料的阻滯效應(yīng)的大小。

　　　鑒于RD-170的彩色照片不多，小編特意用了些時(shí)間計(jì)算了RD-170噴管的內(nèi)流場(chǎng)，算是增添一些色彩吧。

　　RD-170噴管內(nèi)速度場(chǎng)計(jì)算。(by 邢強(qiáng)博士 2016年5月25日至31日凌晨)。實(shí)際氣流速度比我算的這個(gè)要快一些，但分布情況類似。從軸向來(lái)說(shuō)，離噴注盤越遠(yuǎn)，氣流速度越快;從徑向來(lái)說(shuō)，離對(duì)稱軸越近，氣流速度越快。

　　這噴管是不是很美?引用朱自清的話“像亭亭的舞女的裙”。

　　從圖中可以看到，RD-170漂亮的拉瓦爾噴管設(shè)計(jì)。藍(lán)色為亞聲速流，過了噴管的收斂頸部之后，就是一路超聲速了。

　　在這里說(shuō)一下拉瓦爾噴管，這個(gè)瑞典工程師在1883年發(fā)明的管子為什么要先收斂后擴(kuò)張呢?

　　要想掌握火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的原理，或者能夠?qū)鸺捌浒l(fā)動(dòng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，不學(xué)習(xí)一點(diǎn)方程是不行的。這個(gè)方程是噴管內(nèi)流動(dòng)方程，是由歐拉方程、氣體狀態(tài)方程與連續(xù)性氣體假設(shè)得來(lái)的。

　　式子里面，c為氣體流動(dòng)速度，x為氣體到噴流起始點(diǎn)的距離，A為噴管截面積，M表示氣體流速馬赫數(shù)。

　　因?yàn)閏、x、A在這里恒為正值，所以氣體流動(dòng)速度的變化方向就只和馬赫數(shù)以及噴管形狀有關(guān)了。

　　當(dāng)氣流為亞聲速的時(shí)候，M<1，這時(shí)候，只有當(dāng) dA/dx小于0的時(shí)候，也就是噴管越來(lái)越窄的時(shí)候，氣流流過才會(huì)加速。

　　而當(dāng)氣流加速到超聲速的時(shí)候，M>1，此時(shí)， 需要 dA/dx大于0，氣流的流速才能繼續(xù)增加。

　　這是一枚RD-107火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(用在傳說(shuō)中的R-7火箭上)，其中一個(gè)噴管被剖開了?？梢钥吹絻?nèi)部的拉瓦爾噴管構(gòu)造。

　　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。在小火箭的微信公眾號(hào)文章《F-1:史上最強(qiáng)的單燃燒室液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)》中，我提到了F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式。這種方式使得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑組合密度較低，在產(chǎn)生大推力的同時(shí)，幾乎不可避免地需要一個(gè)非常大的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸。如今，更好的大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式實(shí)際上是補(bǔ)燃循環(huán)。按照迄今為止，火箭工程師們對(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。

　　為什么RD-170的室壓可以這么高?

　　RD-170的比沖比F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高11.2%可以理解，可是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。可以說(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這里，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。

　　1924年，阿塞拜疆比比海巴特港的人工島上，建起了世界上第一口離岸石油鉆井平臺(tái)。這口油井的產(chǎn)量當(dāng)年就達(dá)到了整個(gè)巴庫(kù)地區(qū)的10%。

　　到了1941年，阿塞拜疆的油井的鉆井深度就有了深達(dá)3400米的記錄。

　　二戰(zhàn)期間，希特勒制定了“藍(lán)色計(jì)劃”，試圖占領(lǐng)高加索的油田。為了保險(xiǎn)起見，蘇聯(lián)用灌注水泥的方式毀掉了大量油井，并炸毀了幾乎所有上規(guī)模的煉油廠。1萬(wàn)多名煉油工程師被撤退到蘇聯(lián)后方。這片曾經(jīng)優(yōu)質(zhì)原油產(chǎn)量占全蘇聯(lián)70%的油田陷入了低谷。

　　上世紀(jì)60年代，阿塞拜疆石油產(chǎn)業(yè)迅速?gòu)?fù)興，尤其是里海石油的開采更是占到了阿塞拜疆的60%。以RD-170為代表的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃需要大量的煤油供應(yīng)。在一定程度上促進(jìn)了先進(jìn)煉油技術(shù)的發(fā)展。圖為攝于阿塞拜疆巴庫(kù)的油田場(chǎng)景。

　　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。圖為阿塞拜疆油田向外輸出石油的管線。

　　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，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。)

　　英雄遲暮，RD-170差點(diǎn)隨著那個(gè)帝國(guó)離去

　　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)，她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。

　　后來(lái)，美國(guó)、俄羅斯、烏克蘭和挪威的四家公司共同投資的海上發(fā)射公司成立了。天頂號(hào)火箭帶著RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)一起，獲得了新生。注意，上圖的天頂號(hào)火箭的第一級(jí)的四個(gè)噴口，出自同一臺(tái)RD-171發(fā)動(dòng)機(jī)(RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)的伺服機(jī)構(gòu)增強(qiáng)版本。)這枚起飛重量462噸的火箭由1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)托起。注意，帶有濃厚的烏特金設(shè)計(jì)風(fēng)格的火箭發(fā)射裝置。

　　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。

　　不過，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)。洛克希德·馬丁公司看中了RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)，不過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，不過至少讓RD-170/RD-180的研發(fā)團(tuán)隊(duì)保留了下來(lái)。圖為俄羅斯動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體的廠房?jī)?nèi)，一名工程師正在檢查一臺(tái)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。注意，廠房的墻上，有R-7彈道導(dǎo)彈和SS-18撒旦洲際彈道導(dǎo)彈的照片，默默訴說(shuō)著曾經(jīng)的那個(gè)帝國(guó)的榮耀。

　　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，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%?？梢哉f(shuō)，如果能源號(hào)火箭的項(xiàng)目沒有戛然而止的話，RD-170，包括此后的RD-180的推力仍有進(jìn)一步提升的可能。然而，歷史是不容我們假設(shè)的。上圖為俄羅斯動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體的廠房外景。RD-170的靈魂在這里游蕩，注視著RD-180遠(yuǎn)渡重洋，為美國(guó)的火箭提供動(dòng)力。

　　俄羅斯動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體的工程師和技術(shù)工人正在為美國(guó)的宇宙神運(yùn)載火箭生產(chǎn)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　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。上圖的火箭示意圖的底部視圖的中間部分的兩個(gè)圓圈，就是1臺(tái)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口。

　　1998年11月4日，一臺(tái)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)正在進(jìn)行測(cè)試。然而，這里并不是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)NASA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)行過測(cè)試，航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過測(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，換成了洛克希德·馬丁的標(biāo)志。

　　這是一枚宇宙神III型運(yùn)載火箭。她本來(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。

　　RD-180在燃燒室壓力方面，仍有繼續(xù)提升的潛力。

　　蘇聯(lián)人能夠把壓力調(diào)得這么高，一方面的確是超低硫含量的煤油幫了大忙。不過，后來(lái)他們發(fā)現(xiàn)了繼續(xù)提升壓力的方法。小編將我能想到的燃燒室壓力提升的手段總結(jié)為5大因素，在這里寫出來(lái)，以便大家交流。

　　第一，蘇聯(lián)有得天獨(dú)厚的低硫含量的煤油。燃料好，結(jié)焦概率就會(huì)低。好的食材，對(duì)人和發(fā)動(dòng)機(jī)，都很重要;

　　第二，蘇聯(lián)人的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)型面比美國(guó)人的粗糙。但是，這種粗糙是故意留下來(lái)的。想把內(nèi)型面磨得像鏡面一樣，蘇聯(lián)人能夠做到。但是，他們有幾個(gè)數(shù)學(xué)很好的科學(xué)家，建議保留內(nèi)型面一定的粗糙度。這樣，高溫氣流能夠在內(nèi)壁附近形成湍流，可以讓換熱效率提升3倍以上;

　　第三，RD-170有巧妙的冷卻環(huán)設(shè)計(jì)，可以形成超臨界冷卻液膜。這個(gè)可以由耶夫列夫方法推導(dǎo)進(jìn)行驗(yàn)算;

　　第四，對(duì)高溫合金和耐高溫涂層的研究和成功應(yīng)用，使得燃燒室本身有著超高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和熱學(xué)性能;

　　第五，RD-170的加工工藝有獨(dú)到之處。RD-170的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分析了V-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(最大壓力1.5MPa)的燃燒室結(jié)構(gòu)，摸透了雙層鋼板套層結(jié)構(gòu)，并徹底摒棄了那種過時(shí)的設(shè)計(jì)。他們分析了美國(guó)大力神導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)和F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(最大壓力為7MPa)的雙錐管束加金屬絲纏繞的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也回顧總結(jié)了蘇聯(lián)以前設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)。取長(zhǎng)補(bǔ)短后，他們創(chuàng)造了升級(jí)版的銑槽加釬焊外壁的加工方法，使得燃燒室內(nèi)壁的導(dǎo)熱率大幅提升。

　　這些設(shè)計(jì)理念值得想要發(fā)展大推力液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行借鑒。而同時(shí)，小火箭也不得不為那個(gè)戛然而止的RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)感到遺憾。

　　美國(guó)與蘇聯(lián)爭(zhēng)霸的那個(gè)時(shí)代已經(jīng)遠(yuǎn)去，留下來(lái)RD-170這個(gè)世界上推力最大的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的傳奇。而中國(guó)，已經(jīng)擁有了自己的大推力液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。期待在今后的發(fā)展中，中國(guó)能夠創(chuàng)造大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新紀(jì)錄。