動力強勁的大推力火箭發動機

謝非

運載火箭是人類擺脫地球引力的束縛，開展“飛天”活動的有力工具，火箭發動機則是其心臟。火箭發動機是一種自帶推進劑而不利用外界空氣助燃的噴氣發動機，按推進劑介質性狀不同，通?？煞譃楣腆w火箭發動機和液體火箭發動機兩大類。前者的優點是推進劑易于儲存、成本低、發動機結構相對簡單。后者的優點是比沖高，相同推力下需要的燃料更少，且發動機通常支持節流和重啟功能。

隨著技術發展，火箭發動機的性能越來越強，火箭的載荷等性能越來越強，距離拓展人類生存空間的目標也越來越近。下面，我們就一起盤點人類曾經制造過的幾款大推力火箭發動機。

RD-253

RD-253 是由莫斯科OKB-253 設計局（現為動力機械科研生產聯合體）設計研發的一款液體火箭發動機，主要用作運載火箭的一級發動機，使用二甲基肼/ 四氧化二氮作為推進劑。這種推進劑最早用于導彈，后來也被用于運載火箭。

需要說明的是，這種推進劑有劇毒。1975 年阿波羅- 聯盟號試驗項目中的一次任務，宇航員因誤操作，在打開換氣設備的同時打開了推進設備，致使燃燒后的煙霧進入乘員艙。艙內人員均不同程度中毒并患上了肺炎。不過，由于這種燃料可常溫儲存，且能自燃（兩種物質接觸即可燃燒，無須額外點燃），因此曾被各國大量采用，現在逐漸被淘汰。

RD-253 發動機1961 年立項，1963 年完成，主要服務質子系列運載火箭，是蘇聯及俄羅斯最可靠的發動機之一，曾參與執行過月球計劃、金星計劃、火星計劃、和平號空間站發射等多項重要任務。

RD-253 發動機技術數據

收藏展覽的RD-253 火箭發動機

F-1

F-1 是美國洛克達因公司20 世紀50年代研發的一款開式循環火箭發動機，其最初概念來自于美國空軍。起初，空軍需要研發一款大推力的火箭發動機，用于驅動可能出現的重型洲際彈道導彈。很快，當時尚屬北美航空公司一個部門的洛克達因就交出了E-1 火箭發動機的設計方案。雖然在靜態測試中表現良好，但軍方最終還是停掉了有關E-1 的研發計劃，理由是導彈的質量不高，完全用不上推力如此之大的發動機。

不久，事件有了轉機。美國國家航空航天局成立后，急需一款大推力火箭發動機，于是經過改良的F-1 火箭發動機便誕生了。1959 年3 月靜態測試成功后，F-1 發動機被送往馬歇爾航天中心開展進一步測試。沒想到卻逐漸暴露出燃燒不穩定的情況，導致項目推進十分緩慢。最終，經過幾年測試后工程師們才想出解決辦法。

F-1 火箭發動機使用RP-1（航天級煤油）作為燃料，液氧作為助燃劑，是當時人類制造的推力最大的單燃燒室發動機，主要裝載于土星五號火箭。RP-1 是一種高純度的煤油提取物，雖然比液氫的比沖低，但價格更便宜，可室溫存儲。缺點是有一定毒性，而且作為石油制品，其燃燒后會產生一定的沉淀物。

F-1 發動機技術數據

高度提純的航天級煤油

肯尼迪航天中心展示的F-1 火箭發動機

RD-180 點火測試

RD-180

RD-180 是動力機械科研生產聯合體在20 世紀90 年代基于蘇聯時期的RD-170 發動機研發而成的液體火箭發動機。20 世紀70 年代，美國與蘇聯間的太空爭霸進入高潮，蘇聯雖然搶先一步發射了人類第一顆人造衛星，并完成了首次載人發射任務和首次太空漫步任務，但登月計劃的成功使美國在這場競爭中獲得了決定性的勝利。不久后，蘇聯獲知美國開始研發航天飛機，于是便決定對米格105 試驗機進行優化和測試。1984年后，蘇聯推出了搭載RD-170 液體火箭發動機的暴風雪號航天飛機，并進行了無人近地軌道試飛活動。

在這僅有的一次飛行活動后，暴風雪號航天飛機計劃被迫終止。然而，其搭載的火箭發動機被證實為具有足夠的推力和不錯的效率用于航天運輸作業，于是改進研發出了RD-180。這款發動機采用雙燃燒室、雙噴口設計，使用RP-1 和液氧作為助燃劑，曾是世界上推力、重量最大的火箭發動機。隨著冷戰結束，大國間的交流越來越緊密，RD-180 發動機也曾出口至美國，作為阿特拉斯Ⅲ型運載火箭的一級發動機，并于2000年成功首飛。之后，其還被用于后續的阿特拉斯Ⅴ型運載火箭。

RD-180 發動機技術數據

RS-25 發動機準備進行測試

RS-25

RS-25 是美國洛克達因公司設計的一款低溫液體火箭發動機，使用液氫和液氧作為助推劑，最早的研發歷史可追溯到1966 年。在阿波羅計劃中，除了一級火箭發動機外，洛克達因公司還研發了一款大推力的二級發動機HG-3，然而隨著阿波羅計劃的資金減少，后續開發被迫擱置。1969 年，新的航天飛機計劃開始，HG-3 發動機又有了新用途。在其基礎上，按照美國航天局的要求，洛克達因公司開發出了可重復使用、具有復雜工藝和先進技術的RS 系列發動機。

該火箭發動機是專為航天飛機設計的，采用三發并聯方式形成發動機群，燃料艙則裝在航天飛機外部。為延長發動機的使用壽命，與RS-25發動機搭配的還有2 個獨立的固體火箭推進器，主要用于在發射前2 分鐘內為航天飛機提供所需的85% 推力。

值得一提的是，固體火箭發動機助推器使用的是高氯酸銨和霧化鋁粉作為助推劑。前者屬于高聚合的氯化物，具有極強的氧化性，理論上只要同含有碳、氫等元素的物質接觸就能快速產生反應，燃燒時會產生大量的白色煙霧。后來，為了使燃燒變得更加穩定，加快燃燒速度，推進劑中還加入了鋁粉。

在航天飛機計劃結束后，大部分RS 系列發動機被由美國國家航空航天局保存，部分轉贈給了博物館收藏。因該發動機具有極高的發射可靠性，其后續改型方案被用于新一輪載人登月計劃運載火箭之上。

RS-25 發動機技術數據

猛禽發動機

猛禽發動機是SpaceX 公司專為超重型運載火箭星艦研發的一款大推力發動機，也是目前世界上最先進的火箭發動機之一，采用了少見的甲烷/ 液氧作為助推劑。早在2009 年的公開研討會上，SpaceX公司就曾表示要開發一款用于火星計劃的大推力發動機，當時原本打算使用液氫/ 液氧助推劑。隨著美國國家航空航天局對火星資源的探索，2012 年馬斯克宣布將研發甲烷燃料的火箭發動機（甲烷是一種碳氫化合物，很容易在火星上通過化學反應獲得）。相較于傳統的液氫和煤油，甲烷具有更大優勢。首先，其密度約為氫的6 倍，使得同樣重量下的液體甲烷體積更小。其次，甲烷比沖比煤油更高，燃燒后產生的積碳更少。

猛禽發動機的初步測試在斯坦尼斯航天中心完成，經驗證液態甲烷和熱氣態甲烷的工作狀態良好。2016 年，第一艘搭載了完整功能猛禽發動機的火箭完成測試。除了使用甲烷作為燃料，猛禽發動機還是首臺采用全流量分級燃燒的新型發動機，相比梅林系列發動機，不僅大量減少了燃燒廢棄物的產生，還增大了推力。

2019 年， 基于猛禽發動機開發的猛禽2 發動機開始測試，其優化了約25%的零件結構，改善了焊接工藝，增大了發動機推力。2023 年4 月20日，搭載猛禽2 發動機的星艦發射，而增大腔室壓力的猛禽3 發動機也已在測試當中。

猛禽發動機技術數據

可回收的猛禽發動機

猛禽發動機第一次地面點火試驗