低溫發(fā)動機原型仍然助力航天探測、防御及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展

在手機和汽車功能短短幾年就更新的時代，任何技術(shù)歷經(jīng)幾十年仍然保持不變似乎是不可能的。但是，世界上第一個低溫燃料火箭發(fā)動機，也就是美國國家航空航天局（NASA）技術(shù)的衍生產(chǎn)品，在其誕生50多年后，仍然是美國應(yīng)用最廣泛的上面級火箭發(fā)動機。RL10火箭發(fā)動機于1963年首次成功飛行，其對NASA的空間探索至關(guān)重要，已成功將成百上千個商用和軍用有效載荷送入軌道，實現(xiàn)衛(wèi)星通信和衛(wèi)星防御作戰(zhàn)。更重要的是，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，僅有少數(shù)幾個國家擁有液氫和液氧火箭燃料技術(shù)。

RL10火箭發(fā)動機的成熟依賴于NASA劉易斯研究中心（現(xiàn)格倫研究中心）與普拉特·惠特尼公司（Pratt& Whitney）分支機構(gòu)（現(xiàn)隸屬于洛克達因公司）簽訂的合同，這兩家公司之前獨立研究過該技術(shù)。20世紀40年代，當(dāng)時NASA前身——國家航空咨詢委員會（NACA）的劉易斯研究中心對包括液氫在內(nèi)的高能液體火箭推進劑進行了廣泛的測試。如今，尖端推進和低溫處理技術(shù)仍然是該中心特有的技術(shù)。普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）于20世紀50年代開始研究液氫。當(dāng)時，洛克希德公司與該公司簽訂了分包合同，研發(fā)以液氫燃料為動力的飛機發(fā)動機，這曾是美國國防部的絕密項目。普拉特·惠特尼公司（Pratt& Whitney）在佛羅里達州西棕櫚灘附近的大片土地上成立了一個試驗機構(gòu)，為高噪聲發(fā)動機提供試驗場地，洛克達因公司如今仍然在此地建造RL10火箭發(fā)動機。

這個被稱為“曬斑”（SUNTAN）的項目最終被廢棄，是因為項目組認為液氫不適用于飛機發(fā)動機，至少在現(xiàn)有的低溫處理技術(shù)下不利于使用。但是，在SUNTAN項目中，投資較少的液氫發(fā)動機試驗項目（被稱作Bee項目）得以在劉易斯中心確立。Bee項目大獲成功，使得該中心作為處理液氫推進劑的專業(yè)機構(gòu)而聲名大噪。

1958年，第一艘低溫發(fā)動機火箭建造項目，也就是“半人馬座”火箭的上面級啟動。同年，NASA成立。該項目最初是美國國防部的項目，旨在將重型有效載荷運至軌道。但一年后美國宇航局接管了該項目，將其移至馬歇爾太空飛行中心，并由普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）設(shè)計和制造用于發(fā)射該項目的RL10火箭發(fā)動機。1962年，“半人馬座”火箭在第一次測試發(fā)射爆炸后，馬歇爾太空飛行中心的高管打算“槍斃”該項目。但是，劉易斯研究中心主管Abe Silverstein說服了NASA總部將該項目移至劉易斯研究中心。劉易斯中心有關(guān)Bee項目的多年試驗數(shù)據(jù)和設(shè)計方案深刻地影響了“半人馬座”火箭和SUNTAN團隊。

Bill Goette是其中一名參與了劉易斯研究中心早期低溫發(fā)動機研究工作的工程師，其負責(zé)在NACA領(lǐng)導(dǎo)下的劉易斯研究中心研究不同混合推進劑的噴注器，其傾注了10年心血推進RL10發(fā)動機項目。在劉易斯研究中心早期研究取得的成果中，普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）最終選擇了該中心的同軸式噴注器設(shè)計。 “所有工作都是基于研究，而從來沒有考慮過特定最終用途，”Goette談及早先在NACA工作時說道。“那就是NACA的本職工作，開展基礎(chǔ)研究、剔除風(fēng)險,并成為各公司行事效仿的模范。”

即使“半人馬座”火箭項目遷至劉易斯研究中心，發(fā)動機研究工作最初還是留在了馬歇爾太空飛行中心。原因是RL10也擬用于“土星”1號運載火箭的上面級；“土星”1號火箭是用于啟動阿波羅計劃的“土星”5號的前身。不過，Goette和劉易斯研究中心的其他人員及承包商美國通用動力公司一直致力于確保發(fā)動機滿足“半人馬座”火箭項目的需求。1963年，這項工作取得了成效，“半人馬座”火箭及擎天神助推火箭發(fā)射，標(biāo)志著低溫火箭發(fā)動機首次成功飛行。幾年后，NASA決定改變阿波羅上面級火箭的研發(fā)方向，但“半人馬座”火箭項目和RL10發(fā)動機項目仍然保留在劉易斯研究中心，由Goette負責(zé)發(fā)動機項目。“在項目來到劉易斯研究中心之前，他們研發(fā)和測試了許多發(fā)動機，修復(fù)了很多問題。”他說。他聲稱，這個發(fā)動機效率非常顯著。液氫燃料和液氧氧化劑高效結(jié)合產(chǎn)生的每單位燃料推力大于任何其他混合推進劑產(chǎn)生的推力。這意味著火箭可以攜帶更少的燃料，從而減輕重量，以便于將更多的有效載荷運送至軌道。不過，RL10發(fā)動機的膨脹機循環(huán)在燃料效率和簡約方面更進了一步，不需要通過燃燒燃料的方式來轉(zhuǎn)動驅(qū)動燃油泵的渦輪機。相反，低溫液態(tài)氫用于冷卻燃燒室和噴嘴，利用在此處獲得的熱量轉(zhuǎn)化為氫氣。氫氣的這種膨脹使渦輪機轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動泵。Goette稱：“與使用汽車發(fā)動機產(chǎn)生的熱量使內(nèi)部升溫的方法相比，發(fā)動機的膨脹機循環(huán)基本上可以被稱為自由能。我認為其他任何人均沒有用這種循環(huán)研發(fā)發(fā)動機。”

伴隨著“半人馬座”火箭項目的成功，在RL10項目中研發(fā)的液氫推進技術(shù)也用于研發(fā)“土星”5號的J-2上面級發(fā)動機，從而使美國實現(xiàn)宇航員登月。噴注器設(shè)計、減輕燃燒不穩(wěn)定性的技術(shù)、抑制推進劑晃動的技術(shù)與氫氣排空技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)和知識對“土星”5號的成功至關(guān)重要。最終，液氫和液氧成為美國火箭助推器及上面級（包括航天飛機主發(fā)動機和空軍“大力神”系列運載火箭“泰坦”4號）的首選燃料。液氫被指定為NASA擬定太空發(fā)射系統(tǒng)的核心級和上面級用燃料。如今，“半人馬座”火箭繼續(xù)作為“擎天神”5號的上面級飛行，RL10發(fā)動機也作為“德爾塔”4型重型火箭的一部分飛行。

▲NASA工程師檢測劉易斯研究中心（現(xiàn)格倫研究中心）推進系統(tǒng)實驗室的早期RL10火箭發(fā)動機

項目移至劉易斯研究中心后仍然存在的一個挑戰(zhàn)是發(fā)動機需要在太空中多次啟動以滿足任務(wù)需求。但是，由于軌道中沒有重力，剩余燃料易在燃料儲箱中隨意飄浮。“半人馬座”火箭已經(jīng)使用了微型過氧化氫推進器控制其方向。Goette稱，在燃料儲箱后部增設(shè)幾個推進器可以產(chǎn)生足夠的向前推力來解決問題，使液體推進劑穩(wěn)定在發(fā)動機進氣口所在的儲箱底部。其他變化包括加長發(fā)動機噴嘴和縮小推力室喉部，以提高功率和效率。在劉易斯研究中心監(jiān)管“半人馬座”火箭項目近30年的時間里，火箭的設(shè)計和RL10發(fā)動機都在不斷變化和改進。

普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）最終接管了發(fā)動機。此時，移到劉易斯研究中心、存在重啟問題的發(fā)動機已經(jīng)全面更新?lián)Q代了好幾次。“在劉易斯研究中心的監(jiān)管下開發(fā)和成熟的20世紀60年代早期版本的RL10發(fā)動機是革命性的樣機。但是將早期模型發(fā)展為20世紀70年成熟的可靠的主力發(fā)動機RL10A-3-3進行了大量額外工作”，洛克達因（Rocketdyne）公司的RL10演變主管（曾受雇于普拉特·惠特尼公司）Jeff Breen說道。“從那以后，我們對RL10A-3-3機型又進行了6次改進，實現(xiàn)了更高的效率和更好的耐用性。但是，我認為目前的RL10C-1機型保留的大部分特點，得益于劉易斯研究中心與普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）的開發(fā)合作關(guān)系。”

▲“半人馬座”上面級火箭一般由1個或2個RL10發(fā)動機驅(qū)動，自其第一次飛行后，是半個多世紀以來在美國使用最廣泛的上面級

從20世紀60年代晚期至90年代早期，“半人馬座”火箭和RL10發(fā)動機風(fēng)靡一時，使美國一度成為商業(yè)太空發(fā)射領(lǐng)域的霸主。Breen估計，在那期間，RL10發(fā)動機推動發(fā)射了大概90%的大型商用衛(wèi)星。如今，RL10發(fā)動機仍然是運送美國軍方和其他高性能要求的民用有效載荷的首選上面級發(fā)動機。許多GPS衛(wèi)星，在工業(yè)和日常生活中扮演著重要作用的空軍項目，都是由RL10發(fā)動機送至軌道的。NASA利用“半人馬座”火箭完成了無數(shù)次探月和星際探測任務(wù)，從“勘測者”1號（第一個成功登月的航天器）到“海盜號”（第一批探測火星表面的航天器），再到探測木星、土星、天王星和海王星，以及如今成為進入星際空間第一批探測衛(wèi)星的“旅行者”1號和2號。目前由RL10發(fā)動機助力的發(fā)射任務(wù)包括“朱諾號”木星探測器、“好奇號”火星探測器、環(huán)繞土星的“卡西尼號”探測器和飛越冥王星系統(tǒng)，以及即將進入柯伊伯帶的“新視野”號。

RL10發(fā)動機普遍應(yīng)用的主要原因是其與日俱增、不同凡響的性能。推力與推進劑質(zhì)量流速之比稱作“比沖”。該發(fā)動機最初的工作時間為424s，如今已增加至約465s。當(dāng)時第一個機型產(chǎn)生的推力為66.72kN，如今的機型已經(jīng)達到111.21kN。發(fā)動機獨特的泵送方式及其他設(shè)計元素也賦予其可靠性。Breen稱，“它已證明自己是迄今為止最可靠的發(fā)動機。在其飛行歷史中，發(fā)動機僅造成過一次失敗。”

Goette說，這是因為在計算機設(shè)計工具出現(xiàn)之前的年代，普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）的方法是想出一種保守的設(shè)計，“然后測試、測試、再測試，如果失敗，就將其修正。”例如，在測試過程中，發(fā)動機的飛行距離是其需要在太空中飛行距離的10倍；發(fā)動機閥的循環(huán)次數(shù)比飛行時高許多倍。Goette說：“發(fā)動機的設(shè)計余量充足，測試了無數(shù)次，消除了任何可能存在的缺陷點”，考慮到大多數(shù)火箭有效載荷的成本和重要性，不管是衛(wèi)星，還是宇航員，可靠性是最值得考慮的，Breen稱。“每次發(fā)射會投入大量資金。客戶們知道發(fā)動機能夠達到要求的性能，并能可靠地將有效載荷運至正確的軌道，因此才會找我們。RL10發(fā)動機給予了客戶發(fā)射任務(wù)會成功的信心。”

發(fā)動機在太空中進行多次啟動可以提高性能并能實現(xiàn)更長的發(fā)射窗口，這種多次啟動的能力也是其一大優(yōu)點。Breen說，在阿拉斯加冬天的夜里很難啟動汽車，而在凍結(jié)的空間重啟發(fā)動機就更難。雖然還有其他火箭有這種能力，但RL10發(fā)動機是唯一一種在單次任務(wù)中重啟7次的發(fā)動機。所有這些使RL10發(fā)動機及由其驅(qū)動的“半人馬座”火箭分別成為了美國火箭研究領(lǐng)域的最佳上面級發(fā)動機和最常用的上面級火箭。2009年，人們見證了由RL10發(fā)動機驅(qū)動的第400次飛行。

處理液氫的能力使美國民用航天項目得以誕生，同時，這一能力在商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)及軍事方面使美國具有其他國家無法媲美的獨特優(yōu)勢。其最新的軍事用途包括發(fā)射海軍移動用戶目標(biāo)系統(tǒng)衛(wèi)星星座和空軍X-37試驗機。從商業(yè)的角度而言，在太空時代的前幾十年，美國幾乎所有的衛(wèi)星電視、無線電廣播和手機應(yīng)用，以及一些氣象衛(wèi)星、地球觀測衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星均得益于RL10發(fā)動機的推動。

盡管該發(fā)動機可謂功勛卓著，但其從未用于載人航天飛行。這一點是時候改變了。波音的CST-100星際客機和內(nèi)華達山脈股份公司的“追夢者”太空飛機均計劃使用雙發(fā)動機“半人馬座”上面級將宇航員送入太空。NASA的太空發(fā)射系統(tǒng)將在EUS4個RL10發(fā)動機的幫助下執(zhí)行載人飛行任務(wù)。Breen說：“我們非常期待最終載人飛行，希望能在載人航天飛行的里程碑上留下RL10發(fā)動機濃墨重彩的一筆。”盡管仍然是基于20世紀60年代在劉易斯研究中心成熟的相同設(shè)計，不過，發(fā)動機在21世紀已經(jīng)更新?lián)Q代了。Breen稱，RL10 A發(fā)動機和B系列已經(jīng)淘汰，取而代之的是RL10 C-1。RL10 C-1發(fā)動機于2014年定型，包含了早先機型的所有優(yōu)點。

▲計劃采用4個RL10發(fā)動機推動遠征上面級；由遠征上面級（EUS）搭載NASA“獵戶座”太空艙首次載人發(fā)射。RL10發(fā)動機的發(fā)展史可以說是很傳奇的，但RL10發(fā)動機尚未用于載人航天飛行

2016年春季，Aerojet Rocketdyne成功試射了一臺帶有利用3D打印技術(shù)制造的核心主噴注器的RL10發(fā)動機，將零件成本和生產(chǎn)時間都減少了大概一半。2019年之前，Breen預(yù)計大概95%的發(fā)動機復(fù)雜幾何零件將采用3D打印技術(shù)制造。與此同時，空軍項目及格倫研究中心也會提供幫助。“3D打印技術(shù)是一種新的制造技術(shù)；但在升級的同時還會保留RL10發(fā)動機的核心——膨脹機循環(huán)的完整性。因此，我們既保留了使發(fā)動機可靠的性能及其簡約設(shè)計，又使其生產(chǎn)成本明顯降低了”，Breen說道。這種升級更新可以確保世界上第一款低溫發(fā)動機不會很快淘汰。Goette稱：“也就是其改進的空間很小。”