文/張雪松

2017年12月11日美國(guó)總統(tǒng)特朗普簽署航天政策一號(hào)令，宣布美國(guó)要重返月球，精心挑選的這一天是1972年最后一次登月45周年紀(jì)念日。美國(guó)當(dāng)年登月使用土星5號(hào)火箭和阿波羅飛船，時(shí)過境遷現(xiàn)在要重返月球，很可能使用新的SLS重型火箭和獵戶座飛船。45年彈指一揮間，美國(guó)運(yùn)載火箭尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)也有了明顯的變化。

土星5號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的躍進(jìn)

土星5號(hào)火箭是美國(guó)阿波羅登月計(jì)劃的核心，NASA當(dāng)年在阿波羅計(jì)劃上累計(jì)花了240億美元，其中高達(dá)93億美元用于研制土星5號(hào)火箭！用金子砸出來的土星5號(hào)設(shè)計(jì)和表現(xiàn)相當(dāng)經(jīng)典：土星5號(hào)發(fā)射中經(jīng)受了雷擊的考驗(yàn)，也出現(xiàn)過第二級(jí)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的故障，但仍實(shí)現(xiàn)了100%的成功率，此外它的性能無論是運(yùn)載能力還是運(yùn)載系數(shù)在今天看來也相當(dāng)驚人，土星5號(hào)火箭運(yùn)載系數(shù)居然比50年后的SLS火箭還要高！

20世紀(jì)60年代人類剛剛步入航天時(shí)代不過10年，1967年首次發(fā)射的土星5號(hào)火箭就做到了如此的水平，也難怪陰謀論者甚至質(zhì)疑它的存在了。土星5號(hào)的優(yōu)異絕非偶然，這不能不提它性能強(qiáng)大的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。土星5號(hào)第一級(jí)使用5臺(tái)F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)-1發(fā)動(dòng)機(jī)勝在約680噸的大推力，但發(fā)動(dòng)機(jī)比沖并不高。不要說對(duì)比后世蘇聯(lián)的RD-170液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，就是同時(shí)代蘇聯(lián)N-1重型火箭的NK-15發(fā)動(dòng)機(jī)比沖也遠(yuǎn)高于F-1發(fā)動(dòng)機(jī)。事實(shí)上，F(xiàn)-1可以看作是土星1號(hào)火箭上90噸推力的H-1發(fā)動(dòng)機(jī)放大的產(chǎn)物，這種燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又進(jìn)行了全面和完善的地面試車，可靠性達(dá)到了空前的水平。大推力和高可靠的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)為土星5號(hào)火箭的成功奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

美國(guó)在土星5號(hào)火箭第二級(jí)和第三級(jí)使用了高比沖的J-2液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)。J-2發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)時(shí)同樣是一個(gè)奇跡，從不到10噸的膨脹循環(huán)的RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)，跨越到百噸級(jí)的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，技術(shù)跨度比F-1之于H-1只大不小?；蛟S正因?yàn)槿绱耍琂-2發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有使用分級(jí)燃燒等先進(jìn)技術(shù)概念，其性能參數(shù)中規(guī)中矩，但其可靠性同樣相當(dāng)出色。液氧煤油的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)比沖不高，液氧液氫的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)也不以比沖見長(zhǎng)，它們?cè)谘兄浦衅卮笸屏透呖煽?，土?號(hào)做到如此高的性能，很大程度上是靠第二級(jí)和第三級(jí)的超輕結(jié)構(gòu)。土星5號(hào)火箭第二級(jí)S-II使用共底儲(chǔ)箱設(shè)計(jì)，加注后92.4%的重量是推進(jìn)劑，或者說質(zhì)量比高達(dá)13.16！第三級(jí)S-IVB同樣使用共底儲(chǔ)箱設(shè)計(jì)，質(zhì)量比也達(dá)到了10.45。根據(jù)齊奧爾科夫斯基公式，火箭高質(zhì)量比同樣可以顯著提高火箭的運(yùn)載能力。

總而言之，土星5號(hào)雖然是人類航天早期研制的重型火箭，但其性能在今天也是首屈一指的。雖然F-1和J-2發(fā)動(dòng)機(jī)都不以比沖見長(zhǎng)，但它們的推力比上一代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提高了將近一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)可靠性也得到了提升，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的大躍進(jìn)為土星5號(hào)的成功和高性能奠定了基礎(chǔ)。

航天飛機(jī)的夢(mèng)想和妥協(xié)

阿波羅時(shí)代研制了土星5號(hào)火箭。那是NASA的黃金時(shí)代，美國(guó)國(guó)會(huì)如暴發(fā)戶一般“不差錢”，對(duì)NASA的預(yù)算申請(qǐng)有求必應(yīng)，但這種按需分配的共產(chǎn)主義時(shí)代隨著登月競(jìng)賽的勝利成為過去，NASA預(yù)算縮水，不得不精打細(xì)算，航天飛機(jī)就是這種環(huán)境變化的產(chǎn)物，它的動(dòng)力系統(tǒng)也反映了這兩個(gè)時(shí)代的特征。

▲ 土星5號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空

20世紀(jì)60年代土星5號(hào)發(fā)射成功，美國(guó)又開始考慮升級(jí)土星5號(hào)火箭，洛克達(dá)因公司在J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研制HG-3發(fā)動(dòng)機(jī)，HG-3真空比沖451秒，地面版也有280秒的比沖，它半途而廢但成為后來RS-25/ SSME發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)。1969年NASA授予洛克希德、通用動(dòng)力、道格拉斯和北美公司合同，開始航天飛機(jī)的研制競(jìng)標(biāo)，1970年NASA確定了二級(jí)航天飛機(jī)的方案：可重復(fù)使用的軌道器加上有人駕駛可飛回的助推器。NASA計(jì)劃在軌道器上安裝3臺(tái)SSME，助推器上安裝12臺(tái)，為此SSME發(fā)動(dòng)機(jī)推力水漲船高，從188噸增加到250噸，但預(yù)算壓力下這一高大上的方案胎死腹中，后來NASA選擇了推力輔助軌道器（TAOS）方案，也就是我們熟悉的軌道器、外置燃料箱和兩個(gè)助推器的設(shè)計(jì)。這樣一來只有軌道器安裝SSME發(fā)動(dòng)機(jī)，相應(yīng)的SSME真空推力也降低到213噸。SSME發(fā)動(dòng)機(jī)性能十分出色，憑借高達(dá)20.7兆帕的高室壓，發(fā)動(dòng)機(jī)以69的噴口面積比實(shí)現(xiàn)了366秒的海平面比沖和452秒的真空比沖，而發(fā)動(dòng)機(jī)推重比卻高達(dá)73。這些指標(biāo)不要說在20世紀(jì)70年代，即使在今天仍然是頂尖水平，歐洲的火神和日本的LE-7系列氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)性能無法望其項(xiàng)背。不過我們不要忘了，它實(shí)際上是預(yù)算壓力下性能縮水的產(chǎn)物。

航天飛機(jī)助推器的發(fā)動(dòng)機(jī)更為悲劇，最早重復(fù)使用的助推器打算使用SSME發(fā)動(dòng)機(jī)，性能差的J-2S氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)作為備選，但預(yù)算壓力下這種大型高性能液體助推器被迫放棄。接下來怎么辦呢，波音公司覺得自己勝券在握，波音是土星5號(hào)第一級(jí)S-IC的制造商，而當(dāng)時(shí)看來只有S-IC有足夠的推力將全尺寸的航天飛機(jī)軌道器送入太空，這也能為土星5號(hào)火箭找到新的活路。NASA馬歇爾中心提出另一種方案：重復(fù)使用的擠壓循環(huán)液體助推器。所謂擠壓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，就是靠燃料儲(chǔ)箱壓力將燃料送入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的方案，可想而知它的比沖性能絕對(duì)不高，不過勝在便宜可靠。擠壓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)避免了研制新型大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是耗費(fèi)時(shí)間和金錢研制大功率渦輪泵的障礙，的確是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

▲ 土星5號(hào)第一級(jí)使用5臺(tái)F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)

NASA評(píng)估認(rèn)為，擠壓循環(huán)復(fù)用助推器比有翼的S-IC方案更省錢，不過這種傻大黑粗的方案也沒有活到最后，下一輪競(jìng)爭(zhēng)中大推力固體助推器方案異軍突起。TAOS方案競(jìng)爭(zhēng)中擠壓循環(huán)的液體助推器無力回天，只因?yàn)楣腆w助推器方案最便宜！在航天飛機(jī)的發(fā)展史上，固體助推器其實(shí)是性能最差的方案，不要說SSME發(fā)動(dòng)機(jī)有翼飛回式助推器，即使S-IC或是更差的擠壓循環(huán)助推器都比它性能更好。NASA當(dāng)時(shí)正受到預(yù)算縮減的巨大壓力，固體助推器不僅研制費(fèi)用最低，而且評(píng)估認(rèn)為使用固體助推器，航天飛機(jī)研制階段年度峰值預(yù)算只有大約7.1億美元，比擠壓循環(huán)液體助推器的9.7億要低得多。諷刺的是評(píng)估也指出，固體助推器用起來反而更貴，航天飛機(jī)單次飛行費(fèi)用是固體助推器的990萬美元對(duì)擠壓式液體助推器的820萬美元，這簡(jiǎn)直是朝三暮四的耍猴游戲，但NASA為了保證航天飛機(jī)能立項(xiàng)過關(guān)，實(shí)在顧不得這么多了，于是固體助推器方案最后勝出。

土星5號(hào)研制階段美國(guó)國(guó)會(huì)對(duì)NASA有求必應(yīng)，航天飛機(jī)研制時(shí)深受預(yù)算壓力的困擾，能保住SSME這個(gè)跨時(shí)代的液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)不易，助推器也只能選用研制費(fèi)用最低但性能也最差的固體助推器。當(dāng)然，SSME代表了液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)性能的巔峰，而固體助推器在推力上做到了極致，1300噸的四段式固體助推器始終保持了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力的記錄。

從SDLV到SLS火箭

航天飛機(jī)代表了人類追求廉價(jià)進(jìn)入太空的努力，雖然SSME發(fā)動(dòng)機(jī)水平很高，固體助推器推力冠絕天下，但航天飛機(jī)卻沒能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的廉價(jià)化目標(biāo)，同時(shí)隨著美國(guó)航天的發(fā)展，不時(shí)提出重型火箭的設(shè)想，它們多數(shù)都是基于航天飛機(jī)技術(shù)的重型火箭（SDLV）。

20世紀(jì)80年代美國(guó)曾提出Shuttle-C的重型火箭設(shè)想，它實(shí)際上就是航天飛機(jī)的一次性貨運(yùn)版本，軌道器換成帶SSME發(fā)動(dòng)機(jī)的貨艙，近地軌道運(yùn)力可達(dá)70噸。NASA還研究過Magnum重型火箭方案，它同樣屬于SDLV類型，SSME發(fā)動(dòng)機(jī)的芯級(jí)加上大推力固體/液體助推器，近地軌道運(yùn)力約80噸，國(guó)家發(fā)射系統(tǒng)（NLS）也是類似的航天飛機(jī)衍生重型火箭。20世紀(jì)90年代NASA的月球前哨站（Outpost）提案中，還出現(xiàn)了彗星（Comet）重型火箭方案，彗星火箭捆綁了4個(gè)基于F-1A液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的液體助推器，芯級(jí)自NLS重型火箭發(fā)展而來，使用高性能的STME發(fā)動(dòng)機(jī)，所謂STME其實(shí)就是航天飛機(jī)SSME發(fā)動(dòng)機(jī)的一次性版本，這種強(qiáng)大的火箭近地軌道運(yùn)力突破了200噸！

▲ SLS火箭桔黃色的燃料貯箱

20世紀(jì)90年代美國(guó)運(yùn)載火箭轉(zhuǎn)向強(qiáng)調(diào)“更快更好更便宜”，美國(guó)空軍以此為指引研制了漸進(jìn)一次性運(yùn)載火箭（EELV），NLS等重型火箭只能停留在繪圖板上。NLS火箭基于液氧液氫推進(jìn)劑和發(fā)動(dòng)機(jī)的思路，在德爾塔IV火箭上得到繼承。德爾塔IV火箭的RS-68液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，某種意義上可以看作是從SSME到STME后進(jìn)一步簡(jiǎn)化的產(chǎn)物。RS-68強(qiáng)調(diào)降低研制和生產(chǎn)費(fèi)用，其設(shè)計(jì)思想和J-2發(fā)動(dòng)機(jī)暗合，它使用更簡(jiǎn)單的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)比沖不高，不過推力進(jìn)一步增加到300多噸，是一種相當(dāng)成功的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。

▲ SLS火箭芯二級(jí)使用了RL-10氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)

2005年美國(guó)提出重返月球的星座計(jì)劃，其核心火箭同樣是一種SDLV，并得到戰(zhàn)神5號(hào)的名字。戰(zhàn)神5號(hào)火箭一方面是航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的延續(xù)，另一方面也有土星5號(hào)火箭的遺產(chǎn)。戰(zhàn)神5號(hào)使用推力進(jìn)一步增加的RS-68B發(fā)動(dòng)機(jī)作為芯一級(jí)動(dòng)力，捆綁加長(zhǎng)的5/5.5段固體助推器，芯二級(jí)使用了新研制的J-2X氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)著重強(qiáng)調(diào)真空性能，真空比沖高達(dá)448秒，僅比高性能的SSME低4秒。從設(shè)計(jì)思路上說，戰(zhàn)神5號(hào)和土星5號(hào)倒是異曲同工，它們不約而同地在起飛級(jí)使用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，而上面級(jí)使用高比沖發(fā)動(dòng)機(jī)。不同的是土星5號(hào)第一級(jí)使用F-1，二三級(jí)使用J-2，而戰(zhàn)神5號(hào)使用固體助推器加RS-68B的第一級(jí)，第二級(jí)是有那個(gè)J-2X而已。戰(zhàn)神5號(hào)越做越大，但隨著星座計(jì)劃的取消，它也出師未捷身先死。

接下來粉墨登場(chǎng)就是名為空間發(fā)射系統(tǒng)的SLS了，它有一個(gè)戲謔的外號(hào)：國(guó)會(huì)發(fā)射系統(tǒng)，縮寫也是SLS。當(dāng)然，這并不是說SLS要把參議員打上太空，而是說它是美國(guó)國(guó)會(huì)部分資深參議員堅(jiān)持的產(chǎn)物，或者不客氣地說，一份保就業(yè)的工程。明白了這一點(diǎn)，我們對(duì)SLS火箭的設(shè)計(jì)尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇就不會(huì)感到任何意外了。SLS也是航天飛機(jī)的衍生設(shè)計(jì)：SLS芯一級(jí)使用了退役航天飛機(jī)上拆下來回收的SSME發(fā)動(dòng)機(jī)，未來用完了將生產(chǎn)一次性SSME發(fā)動(dòng)機(jī)；助推器則是5段式固體助推器，競(jìng)爭(zhēng)階段那些使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其中包括洛克達(dá)因提出的F-1A發(fā)動(dòng)機(jī)液體助推器全部落選；SLS芯二級(jí)使用了RL-10氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)比沖可達(dá)462秒，是目前世界上比沖最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)也是目前宇宙神V和德爾塔 IV火箭的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。

SLS火箭也不是全無亮點(diǎn)，它使用SSME做芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，避免了戰(zhàn)神5號(hào)上RS-68B發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕噴管的散熱問題，而使用高比沖的RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)做上面級(jí)，也有SLS火箭專注深空而不是近地軌道發(fā)射任務(wù)的考慮，這都是吸取了戰(zhàn)神5號(hào)火箭經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的結(jié)果。具體到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制上，從土星5號(hào)火箭的瘋狂躍進(jìn)到航天飛機(jī)的痛苦妥協(xié)，美國(guó)大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而SLS火箭則全部使用現(xiàn)成產(chǎn)品。★