從RS-25測試談美國的液體火箭發動機

□ 松鼠

從RS-25測試談美國的液體火箭發動機

□ 松鼠

根據美國宇航局的消息，8月30日美國宇航局又對RS-25發動機進行了500秒的點火熱測試，RS-25發動機使用了新的控制器，為太空發射系統（SLS）的研制積累了更多的經驗。RS-25實際上就是航天飛機主發動機（SSME），它的重新啟用對生產商洛克達因公司有著極為重要的意義。

洛克達因的誕生

RS-25發動機由洛克達因公司研制，洛克達因公司自誕生以來，就一直是美國液體火箭發動機主要的研制生產商之一。

洛克達因公司于1955年成立，它當時是北美航空公司的火箭發動機分部。二戰后北美航空公司對德國V-2導彈進行了研究，并為諾瓦霍超音速洲際巡航導彈研制了更大的發動機，這些發動機可靠性更好，取代了美國陸軍紅石彈道導彈上最早使用的發動機。紅石導彈是美國獨立研制液體彈道導彈的開始，而它開始生產后，北美航空公司將火箭發動機生產部門分離出來，于是就有了洛克達因公司。

洛克達因公司此后還為“朱庇特”“雷神”和“宇宙神”等液體中程和洲際彈道導彈研制生產了液體火箭發動機。“朱庇特”和雷神導彈的服役時間很短，即使是宇宙神洲際導彈也沒有服役多久，此后美國空軍的彈道導彈迅速轉向固體推進劑，但雷神導彈發展出的德爾它火箭和宇宙神導彈發展而來的宇宙神火箭，卻成了美國航天發射的當家主力，它們長期使用洛克達因公司的液體火箭發動機，洛克達因公司由此成為美國液體火箭發動機領域的巨頭。

▲ 8月30日RS-25熱試車

▲ 宇宙神火箭的MA-5發動機也是當年洛克達因的產品

霸業初定

航空噴氣公司是洛克達因公司的主要競爭對手。航空噴氣公司研制了LR-87和LR-91液體火箭發動機，成為大力神液體洲際導彈和大力神運載火箭的主發動機，一時和洛克達因平分秋色。20世紀60年代美國實施了阿波羅載人登月計劃，洛克達因公司成功脫穎而出，在競爭中占據優勢。

洛克達因公司為“朱庇特”和“雷神”研制了S-3D/LR-79發動機，并進一步研制S-3X發動機。新發動機使用了新的閥門，還使用燃氣發生器來驅動渦輪，這些改進大大簡化推進劑的輸送設計，發動機由于變動較大也改稱X-1發動機，最終定名為H-1發動機。土星1號火箭使用了8臺洛克達因公司的H-1發動機，土星1號B火箭第二級改用洛克達因公司的J-2液氧液氫發動機，這是一種百噸級推力的高比沖氫氧發動機，使火箭近地軌道運力增加到近20噸，可以發射正式版的阿波羅飛船。

土星1號上的成功僅僅是一個開始，在土星5號火箭上洛克達因公司更是大放異彩。土星5號火箭的F-1液氧煤油發動機、J-2液氧液氫發動機都由洛克達因公司研制，其中F-1從某種程度上可以看作是H-1的簡單放大，但它的單室推力到現在也是最大的，它們奠定了土星5號和載人登月成功的基礎，也奠定了洛克達因公司的霸主地位，洛克達因從此超過了航空噴氣公司，成為美國液體火箭發動機領域的領頭羊。

▲ 洛克達因的輝煌記憶：F-1液氧煤油發動機

航天飛機時代

宇宙神火箭的半人馬座上面級和土星1號火箭第二級都使用了普惠公司的RL10液氧液氫發動機，但洛克達因公司通過J-2液氧液氫發動機的研制后來居上，成為美國在大型氫氧發動機領域經驗技術最豐富的公司。航天飛機項目開始后，1971年洛克達因公司競標獲得了航天飛機軌道器主發動機的研制合同。

1972年SSME / RS-25開始全面研制，洛克達因公司吸取了研制F-1尤其是J-2發動機的經驗和設計。SSME使用了全新的分級燃燒循環設計，采用兩個預燃室分別驅動氫泵和氧泵，加上復雜的預壓泵的增壓效果，最終達到了很高的燃燒室壓強。預燃室的富氫燃氣最后也排入燃燒室，避免了燃料的浪費，因此SSME不僅具有高達約200噸的推力，真空比沖更是達到了452秒，地面也有366秒，堪稱有史以來最先進和最強大的氫氧發動機，也是洛克達因公司技術先進性的杰出代表。SSME雖然性能極佳，但為了實現50次重復使用的能力，價格也高達5000多萬美元。

▲ SSME/RS-25發動機為航天飛機研制，現在又用于SLS火箭

盛極而衰

SSME發動機使洛克達因公司達到了一個前所未有的高度，但福兮禍之所伏，美國航天飛機機隊需要生產的發動機很少，好在每次維護還有一筆不多不少的收入。1986年挑戰者號航天飛機事故后，美國重啟一次性火箭生產，但大力神4火箭使用的航空噴氣公司的主發動機，美國空軍推動的漸進一次性運載火箭研制中，洛克達因公司憑借氫氧發動機研制的雄厚實力，獲得研制德爾它4火箭主發動機的合同，這就是RS-68發動機。

RS-68發動機推力達到了300多噸，但作為一種低成本氫氧發動機，它改回J-2的燃氣發生器循環以降低研制難度和生產成本，加上生產工藝的改進，最終價格僅有2000萬美元左右。洛克達因公司在研制過程中也極力降低成本，研制費用也僅有4.7億美元。盡管如此，由于太久沒有研制過新的液氧煤油發動機，老伙伴宇宙神火箭的最新型號“宇宙神5”卻選擇了俄羅斯的RD-180發動機，1996年洛克達因公司被轉手賣給了波音公司，更是一個不祥的預兆。

▲ RS-68代表了洛克達因發展低成本發動機的努力，隨著未來德爾它4火箭的退役，它也將退出歷史舞臺

2005年洛克達因公司又被波音公司轉賣給聯合技術公司下屬的普惠公司，與它的火箭發動機部分合并為普惠洛克達因公司，生產線上多了普惠的名作RL10發動機。美國宇航局已經提出轉向深空探索，星座計劃的戰神5號將使用普惠洛克達因公司的RS-68B發動機，而戰神5號和戰神1號的上面級都將使用該公司的J-2X發動機，普惠洛克達因公司在此期間成為美國唯一的大型液體火箭發動機生產商，但是衰敗已經不遠了。

▲ 洛克達因公司的RL-10發動機，性能高但未來前景也堪憂

日落西山

▲ SLS重型火箭目前使用RS-25和RL-10發動機，成了洛克達因的救命稻草

進入21世紀以后，新興的航天公司對傳統公司開始構成沖擊，如太空探索技術公司，它自己生產發動機和火箭飛船，并獲得了巨大的成功。藍色起源公司也是其中的杰出代表，同樣致力于自己生產發動機和載具，而洛克達因公司作為一家專業火箭發動機生產商，對這樣的產業環境就極不適應了。更糟糕的是，這些新興公司還在擠壓洛克達因公司的傳統市場，使洛克達因公司的處境雪上加霜。

普惠洛克達因公司曾刊登廣告諷刺太空探索技術公司，說“當某些人在忙著高談闊論的時候，我們在忙著發射”，但時過境遷不過兩年，太空探索技術公司通過梅林發動機的批量生產成為美國最大的大型液體火箭發動機生產商，而普惠洛克達因公司卻被普惠轉賣給金庫普集團，和該集團下屬的航空噴氣公司合并為航空噴氣洛克達因公司。

▲ 洛克達因的AR-1可以直接替換RD-180，但聯合發射聯盟選擇了藍色起源的BE-4發動機

聯合發射聯盟正在研制新的一次性運載火箭，但將和藍色起源公司合作研制BE-4發動機，而不是采購航空噴氣洛克達因公司推銷的AR-1發動機，畢竟當時AR-1發動機還在紙面上，而BE-4已經進行渦輪泵和預燃室的測試。更重要的是BE-4有藍色起源承擔大部分研制經費，而AR-1卻要聯合發射聯盟出很多錢，盡管AR-1發動機性能更強，但即使AR-1發動機進度不落后，也很難贏得競爭。

洛克達因公司現在的處境十分尷尬，它有先進的火箭發動機技術，但發動機卻賣不出去。聯合發射聯盟使用BE-4發動機的下一代火箭很可能徹底取代德爾它4和宇宙神5火箭，洛克達因公司的RS-68和RL10在不久的將來很可能英雄無用武之地。不幸中的萬幸，美國宇航局的SLS項目將使用SSME/RS-25發動機和RL10發動機。從這個意義上說，RS-25發動機的再次測試，可以看作洛克達因公司的救命稻草，而老牌巨頭洛克達因公司的興衰，也讓我們看到了美國航天領域的雄厚實力和蓬勃活力。

責任編輯：陳彩連