航天水平技術(shù)在一定的程度上也代表了國(guó)家軍事方面的發(fā)展力，從上個(gè)世紀(jì)開始，許多國(guó)家都在大力發(fā)展航天事業(yè)，那么世界上最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是什么呢?下面是學(xué)習(xí)啦小編推薦的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)內(nèi)容，歡迎閱讀參考!

　　世界上最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

　　RD-170火箭發(fā)動(dòng)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(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)(有關(guān)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，詳見小火箭微信公眾號(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)》)與蘇聯(lián)的RD-170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)。它們的主要性能的對(duì)比情況如下：

　　可見，RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重16.8%。其海平面推力比F-1火箭發(fā)動(dòng)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(xiàng)背，RD-170的室壓是F-1的3.5倍。關(guān)于燃燒室壓力的問題，小火箭在下文將會(huì)詳細(xì)論述。

　　RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的由來

　　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)目撐起來的，如果不夠的話，那就來兩個(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。天頂號(hào)是由導(dǎo)彈設(shè)計(jì)大師米哈伊爾·庫茲米奇·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。

　　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)完全無人化。火箭被機(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)。誰讓火箭總師烏特金一直強(qiáng)調(diào)可靠性呢。

　　小火箭覺得，沒個(gè)參照物好像沒法說明RD-170的動(dòng)力有多強(qiáng)勁。還是用參照物來對(duì)比一下吧。且不說RD-170噴口的那740噸的力量了，只說渦輪泵吧。

　　RD-170的渦輪泵功率為25.7萬馬力，相當(dāng)于2.57個(gè)鐵臂阿童木。

　　25.7萬馬力換算成功率，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。

　　說到渦輪泵，小火箭一定要多說幾句。RD-170能夠產(chǎn)生如此強(qiáng)悍的推力，這與她的渦輪泵的巧妙設(shè)計(jì)非常有關(guān)系。

　　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)的角度來說，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。)

　　我們可以通過噴注盤的設(shè)計(jì)來看，美國(guó)風(fēng)格和蘇聯(lián)風(fēng)格的不同：

　　這是F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴注盤。如果你把這個(gè)噴注器看做是一個(gè)靶標(biāo)的話，不看靶心部分，最靠近靶心部分的有孔的那一圈，鉆了18個(gè)孔，用來噴射煤油。往外一圈，可以看到兩兩一組，共9組的18個(gè)孔，用來噴射液態(tài)氧。再往外，能看到兩兩一組，共9組的18個(gè)孔，用來噴射煤油。以此類推，噴注盤的每一圈孔都是煤油噴射孔和液氧噴射孔交替排布的。小孔的直徑比例經(jīng)過2000多次試驗(yàn)后，有了明確的規(guī)格：最內(nèi)圈的若定義為標(biāo)準(zhǔn)1的話，往外一圈為1.627，再往外一圈為2.217，再往外一圈為2.739。詳見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)》。

　　這是RD-170火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴注盤。其設(shè)計(jì)風(fēng)格與F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同。首先，從噴注孔直徑上來看，沒有像F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)那樣有大小不同的分布。其次，從噴注孔的平面布局上，較為簡(jiǎn)單。除中心孔外，內(nèi)圈6孔，然后是12孔，依次類推。外環(huán)分為5圈，并被高出的隔板平均分為6個(gè)大區(qū)。每個(gè)大區(qū)由內(nèi)向外的孔數(shù)為4、5、6、7、8。

　　采用4個(gè)噴管，萬一推力啟動(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。

　　不過，雖然RD-170的噴管尺寸比F-1的小很多(想要看5臺(tái)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組成的土星5號(hào)火箭的大小，詳見小火箭的微信公眾號(hào)文章《土星5號(hào)：最高最重推力最大的火箭》)，但是小火箭始終認(rèn)為RD-170的噴管內(nèi)型面的設(shè)計(jì)是非常美的。

　　鑒于RD-170的彩色照片不多，小火箭特意用了些時(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。從軸向來說，離噴注盤越遠(yuǎn)，氣流速度越快;從徑向來說，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”。

　　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)(用在傳說中的R-7火箭上)，其中一個(gè)噴管被剖開了。可以看到內(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)來說，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。

　　大部分關(guān)心火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的人都會(huì)有這個(gè)疑問：

　　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，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，阿塞拜疆巴庫油氣田附近的蘇拉汗尼神廟向來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。

　　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。可以說，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，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，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&middot;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。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，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&middot;馬丁的標(biāo)志。

　　這是一枚宇宙神III型運(yùn)載火箭。她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(dòng)機(jī)。后來，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。

　　快到文章末尾了，小火箭覺得有必要再說一下燃燒室壓力的問題。

　　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，后來他們發(fā)現(xiàn)了繼續(xù)提升壓力的方法。小火箭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，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。