性能怪兽 | 带您一起去看看世界上最牛的火箭发动机

摘要: 120吨级的推力在世界范围内看,水平如何?世界上推力最大的火箭发动机又是谁呢?且看小编慢慢道来。

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来源:航空知识,李国栋

全文共 3749字,阅读需要 8 分钟



今年7月2号,我国长征五号火箭搭载“实践十八号技术试验卫星”从海南文昌卫星发射中心升空,虽然这次发射未获得成功,但却激起了许多人对于航天事业发展的兴趣和关注,长征五号是我国自主研制的大型低温液体捆绑式火箭,采取了众多新技术,芯级直径达到5米,携带四个助推器,每个助推器配置有两台YF-100液氧煤油发动机,单台推力120吨,实现了我国航天历史上的新突破。


可能有人会问,120吨级的推力在世界范围内看,水平如何?世界上推力最大的火箭发动机又是谁呢?且看小编慢慢道来。


∧长征5号矗立在文昌发射场


在当今世界的火箭发动机界,俄罗斯的RD-170液氧煤油发动机敢说第二,没人敢说第一。对,你没有看错,火箭发动机推力排行榜的第一名,迄今为止,仍被上个世纪70-80年代间研发的火箭发动机牢牢占据着。

∧刚刚下线的RD-170


项目缘起


谈到对过去苏联航天科技的印象,恐怕大部分人还停留在当年苏联与美国进行“太空竞赛”的阶段,那段岁月里,两个超级大国想尽一切办法,不惜一切代价,都想成为第一个登上月球的国家。


“土星5号”与“N-1”的较量最终以“土星5号”完胜“N-1”而告终,苏联的科学技术人员咽不下这口气啊,同为世界“德比”,凭什么“土星5号”首次发射即告成功,而“N-1”前前后后发射了4次,回回都以爆炸尴尬收场,且每次爆炸都发生在火箭第一级与第二级分离之前。这也意味着这款举全国之力打造的怪兽级火箭,压根儿就没有飞出过大气层。


造成“N-1”四次失利的因素有很多,未经过严格检测就出厂的“N-1”,发射场地设在拜科努尔,经过长途火车运输,抵达发射场,再现场组装,这样的发射前流程给“N-1”的技术状态带来了不少隐患,而真正关键的问题在于NK-15发动机单台推力太小,加之科罗廖夫同志与杨格尔,切洛梅(外加格鲁什科,这四位大师并称“苏联航天事业的四大元老”)的政治斗争问题,使得“N-1”火箭的第一级并联了30台NK-15发动机,这么多发动机要实现同时协调的工作,控制难度可想而知。

∧世界“德比”“N-1”(上)与“土星5号”(下)

∧“N-1”的30台NK-15发动机(上),看着就让人揪心,相较之下,“土星5号”(下)的底部就显得简洁的多,5台F-1发动机给人以特殊的机械美感

 

1972年11月23日,“N-1”火箭的最后一次发射以爆炸告终以后,苏联的科研人员打算研制更大推力的发动机,起初提议研制RD-123和RD-150两款大推力发动机,计划中的RD-123发动机,推力要达到800吨,RD-150发动机的推力则要达到1 500吨。(提出这个指标,估计当时负责发动机研发工作的科研人员内心都是崩溃的)


事实上RD-123和RD-150发动机根本达不到预定的设计要求,设计中的RD-123发动机的推力勉强只能达到125吨左右,同样处于初始设计状态的RD-150发动机的理论推力最高只能达到1 003吨。事实上,即使是在那个不计成本投入火箭发动机研发的年代,要实现单台1500吨的推力也是天方夜谭,这也反映出当时苏联科研体制存在着严重问题。

∧莫斯科航展上的RD-170


1974年到1980年年间,苏联科研人员对4燃烧室的大推力发动机进行了测试,项目起初还不叫RD-170,而被称为11D168,代号UK,只是一种基于20世纪早期的RD-268发动机技术的测试模型。RD-268发动机是一款100吨级的发动机,燃料为偏二甲肼和四氧化二氮,这也是我国长征2号系列火箭的主力推进剂,当时的研究认为肼燃料和煤油燃料并没有很大区别,因此并没有特别要求使用煤油和液氧作为燃料,后来才改用煤油和液氧。

∧偏二甲肼的化学分子式

∧固态的偏二甲肼

∧长征2号发射现场,两边的橘黄色烟雾含有大量的四氧化二氮,有剧毒

PS:偏二甲肼与四氧化二氮的组合,是常用的火箭发动机燃料之一,这两种物质互相接触即可猛烈燃烧,释放出巨大的能量,无需点火,使用方便,技术要求较低,制备也比较容易。二者均具是剧毒的化学产物,四氧化二氮还具有强腐蚀性,储运比较麻烦。反应后放出的烟尘有剧毒,对环境很不友好,因此,使用偏二甲肼的火箭又被称为“毒火箭”

RD-170的研发过程经历了UK——6UK,统共6个阶段的测试模型,最后一种测试模型叫做6UK,本质上已经和RD-170发动机没有太大差别了,但是没有燃烧室,主要目的是测试涡轮泵。此模型从1978年到1980年总共测试了31次,到20世纪80年代中期,期待已久的全尺寸的RD-170完成了点火测试。

 

1980年8月25日,动力机械制造科研生产联合体对RD-170发动机进行了点火测试,但是仅仅持续了4.4秒。这是RD-170发动机第一次受到挫折。随后又进行了15次测试,测试结果还不是很满意,随后科研人员对发动机进行了彻底的检查和改进,至1981年9月,RD-170已经接近成功并准备定型,然而,好事多磨,在最后一次测试中,科研人员发现涡轮泵的转动叶片已经被一些小颗粒损坏,而这些小颗粒是如何进入的涡轮泵的竟无一人知晓。

 

没办法,发动机是火箭的心脏,容不得半点马虎,在历经长时间的测试,检查之后,科研人员们终于发现这些小个儿的铝颗粒是从推进剂箱中进入涡轮泵的。动力机械制造科研生产联合体的工程师们采取了一系列措施,安装了过滤装置来保护涡轮泵,避免铝颗粒进入,还加强了涡轮泵的某些部件。

∧长征5号的YF-100发动机,单台RD-170发动机的推力相当于6台YF-100发动机的推力总和,中国航天事业要走的路还很长


改进后RD-170发动机在1983年5月31日完成了740吨推力的测试任务,总共燃烧了142秒。这相当于6台 YF-100发动机的推力总和,这次测试被看作是成败关键,决定着RD-170发动机的命运。在随后几个月,发动机工作得越来越好,之后委员会决定继续RD-170项目。

∧发动机展示车间中的RD-170,后面架子上排列的照片都是苏联发动机研制工程的功勋人物


1984年的12月1日,天顶号运载火箭装载RD-171发动机的第一级在化工机械科学研究所的IS-102测试台测试成功,随后,在同一个月里的测试也达到令人满意的性能。 动力机械制造科研生产联合体在1985年初进行了进一步的测试,这为天顶号运载火箭的第一次发射铺平了道路。1985年4月13日和6月22日,天顶号运载火箭从拜科努尔航天发射场发射,发射部分失败,虽然没有把模拟有效载荷送入轨道,但是RD-171发动机正常工作,火箭发射失利与RD-171无关,这也标志着“发动机怪兽”RD-170正式投入使用(这里并不是笔者失误,欲知RD-170与RD-171的区别,请接着往下看)。

∧RD-171发动机,它是RD-170的同胞兄弟


技术特点


RD-170发动机有4个燃烧室,一台涡轮泵和2个预燃室。其中涡轮泵是单级的,整个涡轮泵系统还包括有一台氧化剂泵,一台两级型的燃料泵,整个系统连接了低压的燃料泵和氧化剂泵,并使推进剂增压,防止涡轮泵形成空穴现象,从而防止燃烧不稳定现象的出现。


涡轮泵由2个富氧预燃室燃烧后形成的高压气体来驱动,苏联的工程师原本打算只用一个预燃室,这样每秒种要燃烧掉1.5吨的推进剂,流量太大了,为了保证发动机的安全,故设置了两个预燃室。

∧RD-170的涡轮泵及其管路系统


上图中,淡黄色的为煤油管路,淡青色的为液氧管路。管中红色的部分,表示高温燃气。图中央的从上而下贯穿整个管路的黑色T型装置,是RD-170的主涡轮轴。从上到下的4个黑色涡轮,依次为:主涡轮泵、氧化剂泵、主燃料泵和主启动泵。


主涡轮泵两侧两侧各自伸出一个耳朵,那就是RD-170的2个富氧预燃室了,一部分燃料在预燃室中进行燃烧,带动涡轮泵转动。涡轮泵启动,带动整个涡轮轴转动,下面的氧化剂泵和燃料泵就都工作起来了,燃料和氧化剂就能够迅速流动了。


说到RD-170发动机,就不得不提RD-170的涡轮泵,这台涡轮泵体格小巧,却能产生大约257 000匹马力的动力。

∧RD-170的涡轮泵,设计精巧,产生的能量让人叹为观止


这么说可能没什么概念。我们还是通过对比来看看这个小小的装置有多大的能量。美国“尼米兹”级航空母舰“亚伯拉罕-林肯”号是一艘满载排水量超过十万吨的大型航母,其动力装置为2座A4W核反应堆,可提供约26万马力,将十万吨的航母加速到35节。这个涡轮泵输出的功率与2座A4W反应堆基本相当,令人叹为观止。创造出这样的机械怪兽,人类的力量太伟大了!!!

∧RD-170发动机涡轮产生的能量与“林肯”号航母的动力装置相当,二者体积相差悬殊


应用部署


RD-170发动机计划应用于“天顶号”火箭与“能源号”火箭。能源号火箭的助推器使用RD-170,而天顶号火箭则使用RD-171;二者的区别在于,RD-170的推力矢量喷管只能沿一个方向轴摆动,RD-171的喷管则可以沿两个方向轴摆动,仅此而已,二者的核心部分完全相同,由于推力巨大,天顶号火箭的第一级只需安装一台发动机。RD-171第一次完全成功发射是在1985年10月22日。 将天顶号和它搭载的“宇宙1697”电子侦察卫星成功送入太空,天顶号火箭发射后,RD-170发动机还在继续测试。 

∧发射准备中的天顶号火箭,注意其底部的四个发动机喷口,属于一台RD-171

PS:天顶号火箭是苏联解体前发展出来的技术含量最高的一款火箭,苏联设计部提出的设计指标:火箭要具有环境友好性,具备超强的载荷能力,还要求发射工序完全无人化,在当时看来,妥妥的黑科技。

1987年5月15日,前苏联发射了第一枚能源号运载火箭,携带了“极地”号斯泰基-DM型试验飞船。发射未获成功,后来调查发现,发射后期,箭载RD-120发动机提前停止燃烧,导致载荷未能进入预定轨道,一级的RD-170运行良好。

∧能源号火箭发射中,注意其负载的暴风雪号无人航天飞机

 

1988年11月15日,第一次能源号运载火箭发射,此次发射成功的将“暴风雪”号航天飞机送入预定轨道。

 

1991年苏联解体,1993年暴风雪号太空航天飞机项目被取消后,RD-170没有了用武之地,但是它繁多的衍生型号仍在世界上众多火箭上服役。延续着世界上最大推力火箭发动机的传奇!

∧RD-170发动机及其衍生发动机服役状况一览表

∧美国宇宙神5号火箭,搭载RD-180

∧已被废弃的俄罗斯RUS-M运载火箭,计划搭载RD-180 

∧俄罗斯安加拉火箭,搭载RD-191

∧韩国罗老号火箭,搭载RD-191

∧俄罗斯 联盟-2火箭,搭载RD-193


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航空航天史上的今天


1982年8月27日,世界上第二位女航天员结束首次天空飞行。苏联女航天员萨维茨卡娅参加由指令长波波夫、随船工程师谢列布罗夫组成的宇航成员组,于1982年8月19日乘联盟T-7号飞船升空,第一次参加太空飞行。第二天与礼炮7号空间站对接,3人进入空间站。萨维茨卡娅负责医学生物学实验。

早   安


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