文/ 李晨風

在德爾它4 重型火箭最近連續(xù)兩次中止發(fā)射事件中，主角都是RS-68 型發(fā)動機，它采用液氫液氧燃料，是現(xiàn)役推力最大的火箭發(fā)動機。按照研制方波音公司的說法，它是世界上第一種“費用作為獨立變量”（CAIV）的液體火箭推進系統(tǒng)。這個概念的主要目的，是控制型號研制生產(chǎn)的成本。因為費用控制得力，RS-68 發(fā)動機的研制成本還不如吉列手動剃須刀高。

RS-68 發(fā)動機也是自從航天飛機主發(fā)動機問世之后，美國第一種通過認證、可以投入業(yè)務運行的新型火箭發(fā)動機。

▲ 測試中的RS-68 發(fā)動機

始于“空間運輸主發(fā)動機”

RS-68 發(fā)動機的概念研究始于美國宇航局1988 年開始的 “空間運輸主發(fā)動機”（STME）項目。在該項目中，美國宇航局和美國所有主要的火箭發(fā)動機承包商在推進劑、周期、尺寸和經(jīng)驗教訓方面進行了綜合平衡研究，重點是降低美國開發(fā)新一代多用途發(fā)動機的成本。

STME 的研究集中在成本和性能之間的平衡。但到1994 年該項目取消時，一個新的發(fā)動機開發(fā)成本預測已經(jīng)擺在桌面上：需要投入11 億美元，耗時8年半。作為美國主要發(fā)動機研制企業(yè)的洛克達因公司意識到，這個周期和成本是美國政府不能接受的。因此，該公司決定自籌資金，并且對內(nèi)部組織文化、流程和工具進行大規(guī)模改造，從而實現(xiàn)大大超過STME 計劃預期的效能。

到了1995 年，美國空軍決定啟動“演進型一次性運載火箭”，試圖把航天發(fā)射費用降低25%～50%。因此，洛克達因公司的母公司羅克韋爾國際公司決定與麥克唐納·道格拉斯合作，研制一種新的“德爾它”系列火箭，參與EELV 競標。而“德爾它4”所選擇的動力，就是衍生自STME 計劃的型號，命名為RS-68。波音公司收購羅克韋爾公司和麥道公司之后，形成了自籌資金研制這種新型火箭發(fā)動機的決策。

1997 年，RS-68 發(fā)動機開始研制，于2001 年完成了在“德爾它4”上使用的認證。這個型號在兩點上超出了STME 計劃的要求。首先，這個型號的研制過程中僅僅制造了8臺新發(fā)動機，外加4臺翻新發(fā)動機，累計測試183次，運行時間18945 秒。其中5 臺發(fā)動機的運行時間超過了最大任務工作循環(huán)續(xù)航系數(shù)限制，3 臺發(fā)動機運行時間超過了最大飛行循環(huán)的3 倍，達到了設計推力的105%，驗證了其重復使用的潛力。

結(jié)構(gòu)設計有創(chuàng)意

RS-68 發(fā)動機用于德爾它4 火箭的通用火箭芯級（CBC）。CBC 加上各種固體燃料捆綁助推器，提供了不同等級的有效載荷能力。而德爾它4 重型版并聯(lián)了3 枚使用RS-68 發(fā)動機的CBC。在飛行的各種標準任務剖面中，有用101%或58%兩種推力設置，燃燒持續(xù)時間在250 到350 秒之間。兩個推力級別的設置簡化了控制和組件的復雜性，從而有助于降低成本。

與此同時，RS-68 發(fā)動機的所有性能和可靠性目標都得到了滿足，有效載荷能力還比設計要求增加了2%。新的RS-68 發(fā)動機能夠根據(jù)火箭的指令在全功率級和最小功率級之間運行和轉(zhuǎn)換。它還通過推力室總成和燃料渦輪機排氣滾轉(zhuǎn)控制噴管的運動，向推進劑儲箱以及推力姿態(tài)控制系統(tǒng)提供加壓氣體。

渦輪泵是帶有直接驅(qū)動渦輪的單軸泵，不需要增壓泵。來自燃氣發(fā)生器的高壓氣體與采用整體機加工輪盤（整體葉盤）的渦輪機并聯(lián)。推力室/噴管組件由燃燒室和低成本噴管組成；兩者均采用成熟技術。

RS-68 發(fā)動機的主燃料噴注器在概念上與土星5 號的J-2 發(fā)動機、航天飛機主發(fā)動機相似，但得到了大大簡化。這是通過降低噴注器元件密度和使用較少的非通用零件來實現(xiàn)的。高壓管道將燃燒劑和液氧輸送至噴注器/燃燒室總成，用液壓作動器的球閥進行控制。

發(fā)動機在火箭上的具體安裝方式，采用了洛克達因公司RS-27 發(fā)動機在德爾它2 火箭上的成熟設計。RS-68 發(fā)動機的上部嵌套在一個四邊形框架中，框架一端以萬向節(jié)軸承為中心，另一端安裝到燃燒室和噴管。連接到燃燒室的支腿與推力室總成在發(fā)動機運行期間通過萬向節(jié)固定。發(fā)動機啟動、穩(wěn)態(tài)運行、節(jié)流和切斷都由安裝在發(fā)動機上的控制器控制。萬向節(jié)風管（兩個）使用柔性連接段，而不是波紋柔性管。

▲ 單芯級的德爾它4 火箭起飛

▲ 三個芯級捆綁形成的德爾它4 一級火箭

“TFF 負擔得起”

歷史上，大約75%的發(fā)動機開發(fā)總成本花在了“測試-失敗-改進”（TFF）的循環(huán)當中。因此，RS-68 計劃在發(fā)動機試車開始前就降低典型風險水平，以此來降低與TFF 有關成本。團隊建立了“TFF 可承受性目標”，并參考了波音公司的發(fā)動機試驗歷史數(shù)據(jù)庫，以估算發(fā)動機開發(fā)過程中可能需要的糾正措施大致數(shù)量。在這個數(shù)據(jù)庫的幫助下，研發(fā)團隊還測算出了允許的風險因素水平。因此，項目啟動風險因素和“TFF負擔得起”風險因素之間的差異，確定了每個組件以及發(fā)動機系統(tǒng)的風險緩解工作的規(guī)模，清楚地定義了在進入發(fā)動機試車之前，必須采取風險緩解措施的具體領域。

早期風險緩解活動包括增量設計評審、制造過程演示、組件和子系統(tǒng)驗證測試以及多個發(fā)動機測試設施的活動。在初始設計階段，進行了小比例和全尺寸噴注器的熱試車，以驗證性能、穩(wěn)定性和燃燒室兼容性，對關鍵的主燃燒室和渦輪泵制造工藝也進行了演示。

研制過程中，還進行了氣體發(fā)生器、閥門和渦輪泵部件試驗，以及電源組（屬于氣體發(fā)生器和渦輪泵子組件）試驗，降低風險并評估設計平衡措施。這些測試，連同使用三維模型的虛擬設計和分析評估，逐步降低了風險因素，為發(fā)動機實體測試做好了準備。

隨著項目的進展，已經(jīng)識別出來的風險被逐步消除。當然，作為新型號，還是遇到了一些先前不可預見的風險。但是由于風險識別清晰，都能很快確定風險原因，制定了緩解計劃并成功執(zhí)行。

▲ 水平測試的RS-68

▲ 以RS-68 為核心的芯級

▲ RS-68 總裝

虛擬設計成效顯著

從某種意義上說，RS-68 發(fā)動機在制造之前就已經(jīng)被“制造”出來了。計算機三維建模和各種各樣的分析、設計工具，讓設計師們具備了航天飛機主發(fā)動機研制時根本不敢想象的優(yōu)越條件。RS-68 發(fā)動機團隊在新技術的基礎上采用了新的合作方式，在并行集成產(chǎn)品開發(fā)（IPD）環(huán)境中實現(xiàn)了成員之間廣泛的信息共享。

團隊共享每個組件的通用三維模型，因此，整個團隊都工作在同一個模型下，大大提高了工作效率。例如，將三維非定常分析用于渦輪泵的評估，從而更好地量化了動態(tài)環(huán)境，并在設計早期就噴管構(gòu)型和阻尼特性做出了決定。這個分析隨后延續(xù)到制造階段，直接用于加工。又例如，在渦輪泵軸設計的早期，直接制造了三維模型，并提供給鑄件供應商。供應商通過使用三維模型，可以優(yōu)化澆口，以提高鑄造質(zhì)量。很明顯，通過使用鑄造工藝將多個零件集成為一個，提供相同甚至更高的功能，都可以顯著降低成本。

但是采用這種方式有一個前提，要提前確定關鍵供應商，把它們作為設計團隊成員吸納到項目早期階段的決策中，而不是等到詳細設計接近完成再尋找供應商。

新的制造方法

在采用新設計方法的同時，RS-68發(fā)動機還采用新的制造工藝。從航天飛機時代到21 世紀初，基礎工業(yè)領域有了重大進步，為航天制造的更新提供了很好的條件。通過采用新工藝，RS-68發(fā)動機大幅減少了零件數(shù)量，也減少了制造和裝配這些零件所需的直接接觸勞動力。例如，RS-68 發(fā)動機的焊接工作量比航天飛機主發(fā)動機減少了85%。

例如大型鑄件快速成型技術。洛克達因公司為每個鑄件生成了三維模型數(shù)據(jù)庫，然后使用立體光刻（SLA）工藝為每個模型制造了軟質(zhì)材料工具。SLA 工藝的制造速度極快，還可以實時開發(fā)和修改工具。最后，用SLA 工藝生產(chǎn)模具來制造金屬鑄件。每一個鑄件內(nèi)部都集成了工作流體和冷卻介質(zhì)的內(nèi)部流道。

噴管是發(fā)動機當中尺寸最大的硬件，主要部件包括熱氣襯管、喉管支架、結(jié)構(gòu)導管架和管路組合。采取了全新工藝對釬焊表面施加均勻的壓力，可獲得高質(zhì)量的連接部件，且硬件處理時間最短。

在發(fā)動機制造中采用了燒蝕周期短、成本低的關鍵技術。這種方法允許大多數(shù)開發(fā)測試在沒有噴管的情況下進行。

▲ RS-68 發(fā)動機的尺寸

RS-68 發(fā)動機的渦輪泵選擇了整體輪盤設計。兩個渦輪泵一個用于燃料（液氫），一個用于氧化劑（液氧）。所采用的是電化學加工（ECM）工藝，從整體盤鍛件上加工出一個一個葉片。

▲ RS-68 發(fā)動機和游機協(xié)同工作

并行測試省時間

隨著設計概念固化為硬件，RS-68發(fā)動機進入了測試階段。燃燒室引注器在米歇爾航天飛行中心進行測試，氣體發(fā)生器在圣蘇珊娜野外實驗室進行測試?？哲娧芯繉嶒炇遥ˋFRL）的1A 試驗臺負責對渦輪泵樣機（TPTA）電源組進行排氣和熱試車試驗。TPTA 拆除后，安裝并測試了第一臺RS-68 原型發(fā)動機。

在斯坦尼斯航天中心（SSC）的B測試工位改裝為波音專用。B1 工位配備了兩個發(fā)動機安裝臺架，用固定設施提供液氫和液氧。在多個試驗場同時進行火箭鑒定試驗，大大縮短了試驗周期。RS-68 發(fā)動機的開發(fā)和認證時間是開發(fā)和認證以前火箭發(fā)動機所需周期的一半。

RS-68 發(fā)動機僅僅實施了27 次全推力試驗，是先前發(fā)動機開發(fā)計劃所需試驗次數(shù)的五分之一，僅僅用了近一年的時間。但波音公司認為，如果提前準備有關硬件設備，這一目標將在不到100 天內(nèi)實現(xiàn)。

由于前期工作得力，在發(fā)動機試驗階段發(fā)現(xiàn)的問題比以前的大型發(fā)動機開發(fā)項目減少了一個數(shù)量級。故障修復周期成本占整個項目的百分比從75%降低到30%，節(jié)省了10 多億美元。試驗中發(fā)現(xiàn)的最嚴重問題是推力不足，只有設計指標的85%。這主要是由于低于預期的渦輪機械效率和較高的系統(tǒng)阻力造成的。

2000 年4 月，團隊制定了一個設計變更方案，以實現(xiàn)20%的推力提升。改進設計后的推力超出了目標。

研制中還解決了渦輪整體葉盤疲勞壽命和阻尼問題、氧化劑渦輪驅(qū)動導管中的疲勞裂紋問題、高于預期的噴管燒蝕率問題。所有這些問題都屬于無法預期的類別。

與航天飛機主發(fā)動機相比，RS-68發(fā)動機的零件減少了80%，直接參與生產(chǎn)的勞動力減少了92%。再加上供應商的相對集中，RS-68 發(fā)動機的經(jīng)常性成本是航天飛機主發(fā)動機的十四分之一。應該說，這個型號的研制是成功的，到目前為止所發(fā)生的故障和事故概率也相當?shù)?。然而作為一種重型火箭動力，RS-68 發(fā)動機的任何微小故障都會導致嚴重后果，可謂是舉足輕重。

▲ RS-68 發(fā)動機的工作原理

▲ RS-68 發(fā)動機的組成

▲ RS-68 發(fā)動機用四根吊桿支撐