RD-170世界上推力最大的液體火箭發動機

□ 邢強

RD-170世界上推力最大的液體火箭發動機

□ 邢強

“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的火箭發動機。后來，為了淡化美國的這款火箭使用俄羅斯發動機的這個事實，火箭更名為“宇宙神”III。

該用什么來代表逝去的那個蘇聯的航天科技水平呢？有人說用“斯普特尼克”，人類發射的第一顆人造地球衛星，有人說用“暴風雪”號航天飛機，而筆者認為：那些都已經屬于過去了，不如用RD-170火箭發動機來體現那個曾經的蘇聯在探索宇宙的過程中達到的一個技術高度。

RD-170火箭發動機是人類有史以來研制的推力最大的多燃燒室液體火箭發動機。這款擁有4個燃燒室，1臺渦輪泵和2個預燃室的發動機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火箭發動機。F-1是世界上推力最強的單燃燒室發動機，而RD-170則是世界上推力最強的多燃燒室發動機。它們的主要性能的對比情況如左圖。

可見，RD-170火箭發動機比F-1火箭發動機重16.8%。其海平面推力比F-1火箭發動機大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發動機

右圖：RD-170噴管內流場計算

RD-170發動機項目的由來

每一款大型發動機的背后，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，或是準備突破多年以來的技術局限。RD-170火箭發動機的背后，當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火箭發動機的研發，得益于兩個項目：“天頂”號火箭和“能源”號火箭。

蘇聯在1970年代開始了一個野心勃勃的大型運載火箭系列計劃，準備以同一款大推力火箭發動機為基礎，發展多種發動機型號和運載火箭型號。這個計劃進行得比較順利。實際上，“天頂”號火箭是蘇聯解體前發展出來的技術含量最高的一款火箭。

由于屢次發射失敗和美國率先登月，蘇聯政府于1974年5月取消了原本為蘇聯登月計劃開發的N-1重型運載火箭。作為替代品，蘇聯于取消N-1的同時開始了對“能源”號火箭的方案論證工作，以便為實現未來的空間開發計劃打下基礎。當時的計劃是，“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”號的火箭發動機略有不同，用于“能源”號火箭的是RD-170原裝版本，用于“天頂”號火箭的是增設了雙向伺服機構的版本，叫做RD-171。不過，除伺服機構的作動方向的區別外，兩款火箭發動機在其他地方是相同的。）

RD-170發動機有4個燃燒室，1臺渦輪泵和2個預燃室。其中渦輪泵是單級的，整個渦輪泵系統還包括有1臺氧化劑泵，1臺兩級燃料泵，整個系統連接了低壓的燃料泵和氧化劑泵，并使推進劑增壓，以防止渦輪泵形成空穴現象。

RD-170有著強大的渦輪泵。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座核反應堆，驅動2臺汽輪機，帶動6臺發電機。這些發電機的總輸出功率為55.3兆瓦。RD-170的一臺渦輪泵的功率相當于這樣一艘核動力破冰船的3.47倍。

RD-170的4個燃燒室的管路設計是很講究的，要盡量保證燃料的流經距離一致。另外，還要摸透管路內對燃料的阻滯效應的大小。

不過，雖然RD-170的噴管尺寸比F-1的小很多，但是RD-170的噴管內型面的設計是非常美的。

作者特意用了些時間計算了RD-170噴管的內流場，算是給留存彩色照片不多的RD-170發動機增添一些色彩吧。

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動機效率的重要指標。比沖的定義為：火箭發動機單位重量推進劑產生的沖量，或單位重量流量的推進劑產生的推力。RD-170火箭發動機的真空比沖比F-1火箭發動機高11.2%。其主要原因是RD-170采用了先進的補燃循環工作方式。（F-1火箭發動機則采用燃氣發生器循環方式）。按照迄今為止，火箭工程師對發動機的了解，補燃循環的比沖比燃氣發生器的比沖要高10%左右。

另外，采用燃氣發生器的工作方式的發動機，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明顯。采用了補燃循環的RD-170發動機則不用擔心這些，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。當然，作為一款在1985年4月13日才首次實用的發動機來說，RD-170比在上世紀60年代就推動“土星”5號火箭的F-1發動機出現得晚，在技術上有所進步是可以理解的。

大部分關心火箭發動機設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？蘇聯人在這方面的設計比美國人高明這么多么？

其實是美國人的技術標準把美國人自己給坑了。翻閱上世紀60年代和70年代的美國人的火箭發動機技術標準，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動機，其燃燒室壓力不得超過7MPa！這是美國的工程技術人員從多年的試驗數據中總結出來的一個結論，其中當然不乏一些血的教訓。美國人發現，當燃燒室的壓力過大時，煤油很容易在燃燒室內壁上結焦，之后便是不可逆轉、難以控制的噴管損毀和發動機爆炸的事故。在這樣的技術標準限制下，推動“土星”5號火箭的F-1火箭發動機的燃燒室壓力被定為7MPa，這已經是技術標準內的最高值了。可以說，F-1火箭發動機的設計人員嚴格地遵守了技術標準，而且同時做了提高發動機性能的最大努力。

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焦現象的出現。那么，為什么蘇聯人的火箭發動機有這么高的燃燒室壓力，卻極少出現結焦和爆炸的情況呢？

這個問題的答案，需要我們把目光從火箭發動機的試車臺和實驗室繪制圖紙的桌子上暫時挪開，到蘇聯廣袤的土地上去尋找了！

曾經的蘇聯有著世界上最大的領土面積。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，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，其出產的石油果然不同凡響。蘇聯的高燃燒室壓力的火箭發動機在點火測試的過程中，極少出現結焦的現象，首先要感謝的就是這片土地提供的原油。當然，蘇聯人包括美國人發現大型液氧煤油火箭發動機的結焦居然與原油有關的事實已經是很久以后的事情了。可以說，蘇聯的火箭發動機設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，雜質少，而對于火箭發動機最關鍵的一點是：含硫量極低！美國的煤油中，硫含量通常在50PPM，而蘇聯則盛產硫含量小于20PPM的高品質萘基油。

另外，西伯利亞地區出產的原油也有著不錯的品質。純凈的煤油讓蘇聯的火箭發動機即使在很高的燃燒室壓力下，也較少出現結焦的現象。他們當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，美國人發現了燃燒室煤油結焦的癥結所在，甚至摸清楚了硫化亞銅等燃燒室內雜質的生成機理。然而，這已經為時已晚。上世紀70年代后，大部分美國的科研人員已經徹底放棄了高燃燒室壓力的液氧煤油火箭發動機的研制，轉而研發液氫液氧發動機了。（不過，這從客觀上促進了航天飛機主發動機的出現，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射場發射，雖然沒有把模擬的有效載荷送入軌道，但是RD-171發動機工作正常。問題出在第二級的RD-120發動機上。1987年5月15日，蘇聯發射了第一枚“能源”號運載火箭。然而，到了1988年11月15日，隨著“能源”號的最后一次發射，所有的大型航天項目都面臨著被終結的命運。到了上世紀90年代初，這個紅色帝國倒下的時候，RD-170系列也終于和蘇聯的火箭暫時告別了。但是，那時候，RD-170發動機已經成功進行了618次發射，在累計69579秒的燃燒時間內，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動機的魅力。

“能源”號運載火箭

RD-180遠渡重洋，為美國航天發射貢獻力量

美國過早放棄了高燃燒室壓力的大型液氧煤油火箭發動機的研究轉而開始琢磨大推力的液氫液氧發動機。同時，美國在冷戰時期儲備了大量的大推力固體火箭發動機的產能，這使得即使沒有RD-170那樣的優秀的液氧煤油火箭發動機，美國人也能夠靠液氫液氧發動機和大推力固體火箭發動機把航天飛機送上太空。

RD-180發動機

RD-180是RD-170火箭發動機的燃燒室減半版本

不過，液氧煤油發動機的這門課遲早是要補上的。只是，美國人找到了一個捷徑，那就是：買。

蘇聯解體后，普惠積極運作，買來了RD-120液氧煤油發動機。而美國航空噴氣公司則引進了蘇聯登月計劃中設計的NK-33液氧煤油發動機。洛馬公司看中了RD-170發動機，不過他們感覺用不上推力這么大的發動機，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的研發團隊保留了下來。

RD-180是RD-170火 箭發動機的燃燒室減半版本。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的燃燒室壓力進一步提升到 了25.7MPa，這使得燃燒室數量減半的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發動機迎來了新的測試。然而，測試地點并不是RD-170系列和RD-180系列發動機所熟悉的老家蘇聯航天工業科學實驗中心的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火箭發動機進行過測試，航天飛機的主發動機進行過測試，如今，來自曾經的鐵幕的另一端的蘇聯RD-180火箭發動機正在進行測試。熟悉的噴管外形，熟悉的火焰，只是，發動機外殼上的CCCP和紅星，換成了洛馬公司的標志。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。“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的火箭發動機。后來，為了淡化美國的這款火箭使用俄羅斯發動機的這個事實，火箭更名為“宇宙神”III。