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從RS-25測試談美國的液體火箭發(fā)動機

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根據美國宇航局的消息，8月30日美國宇航局又對RS-25發(fā)動機進行了500秒的點火熱測試，RS-25發(fā)動機使用了新的控制器，為太空發(fā)射系統(tǒng)（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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動機分部。二戰(zhàn)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(fā)動機，這些發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動機?！爸毂犹亍焙屠咨駥椀姆蹠r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(fā)展出的德爾它火箭和宇宙神導彈發(fā)展而來的宇宙神火箭，卻成了美國航天發(fā)射的當家主力，它們長期使用洛克達因公司的液體火箭發(fā)動機，洛克達因公司由此成為美國液體火箭發(fā)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(fā)動機也是當年洛克達因的產品

霸業(yè)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(fā)動機，成為大力神液體洲際導彈和大力神運載火箭的主發(fā)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(yōu)勢。

洛克達因公司為“朱庇特”和“雷神”研制了S-3D/LR-79發(fā)動機，并進一步研制S-3X發(fā)動機。新發(fā)動機使用了新的閥門，還使用燃氣發(fā)生器來驅動渦輪，這些改進大大簡化推進劑的輸送設計，發(fā)動機由于變動較大也改稱X-1發(fā)動機，最終定名為H-1發(fā)動機。土星1號火箭使用了8臺洛克達因公司的H-1發(fā)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(fā)動機，這是一種百噸級推力的高比沖氫氧發(fā)動機，使火箭近地軌道運力增加到近20噸，可以發(fā)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(fā)動機、J-2液氧液氫發(fā)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(fā)動機領域的領頭羊。

▲ 洛克達因的輝煌記憶：F-1液氧煤油發(fā)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(fā)動機，但洛克達因公司通過J-2液氧液氫發(fā)動機的研制后來居上，成為美國在大型氫氧發(fā)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(fā)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(fā)動機的經驗和設計。SSME使用了全新的分級燃燒循環(huán)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(fā)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(fā)動機為航天飛機研制，現在又用于SLS火箭

盛極而衰

SSME發(fā)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(fā)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(zhàn)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(fā)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(fā)動機研制的雄厚實力，獲得研制德爾它4火箭主發(fā)動機的合同，這就是RS-68發(fā)動機。

RS-68發(fā)動機推力達到了300多噸，但作為一種低成本氫氧發(fā)動機，它改回J-2的燃氣發(fā)生器循環(huán)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(fā)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(fā)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(fā)展低成本發(fā)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(fā)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(fā)動機。美國宇航局已經提出轉向深空探索，星座計劃的戰(zhàn)神5號將使用普惠洛克達因公司的RS-68B發(fā)動機，而戰(zhàn)神5號和戰(zhàn)神1號的上面級都將使用該公司的J-2X發(fā)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(fā)動機生產商，但是衰敗已經不遠了。

▲ 洛克達因公司的RL-10發(fā)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(fā)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(tǒng)公司開始構成沖擊，如太空探索技術公司，它自己生產發(fā)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(fā)動機和載具，而洛克達因公司作為一家專業(yè)火箭發(fā)動機生產商，對這樣的產業(yè)環(huán)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(tǒng)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(fā)射”，但時過境遷不過兩年，太空探索技術公司通過梅林發(fā)動機的批量生產成為美國最大的大型液體火箭發(fā)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(fā)射聯盟選擇了藍色起源的BE-4發(fā)動機

聯合發(fā)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(fā)動機，而不是采購航空噴氣洛克達因公司推銷的AR-1發(fā)動機，畢竟當時AR-1發(fā)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(fā)射聯盟出很多錢，盡管AR-1發(fā)動機性能更強，但即使AR-1發(fā)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(fā)動機技術，但發(fā)動機卻賣不出去。聯合發(fā)射聯盟使用BE-4發(fā)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(fā)動機和RL10發(fā)動機。從這個意義上說，RS-25發(fā)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