謝非

運(yùn)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(fā)動機(jī)則是其心臟?；鸺l(fā)動機(jī)是一種自帶推進(jìn)劑而不利用外界空氣助燃的噴氣發(fā)動機(jī)，按推進(jìn)劑介質(zhì)性狀不同，通?？煞譃楣腆w火箭發(fā)動機(jī)和液體火箭發(fā)動機(jī)兩大類。前者的優(yōu)點(diǎn)是推進(jìn)劑易于儲存、成本低、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單。后者的優(yōu)點(diǎn)是比沖高，相同推力下需要的燃料更少，且發(fā)動機(jī)通常支持節(jié)流和重啟功能。

隨著技術(shù)發(fā)展，火箭發(fā)動機(jī)的性能越來越強(qiáng)，火箭的載荷等性能越來越強(qiáng)，距離拓展人類生存空間的目標(biāo)也越來越近。下面，我們就一起盤點(diǎn)人類曾經(jīng)制造過的幾款大推力火箭發(fā)動機(jī)。

RD-253

RD-253 是由莫斯科OKB-253 設(shè)計局（現(xiàn)為動力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體）設(shè)計研發(fā)的一款液體火箭發(fā)動機(jī)，主要用作運(yùn)載火箭的一級發(fā)動機(jī)，使用二甲基肼/ 四氧化二氮作為推進(jìn)劑。這種推進(jìn)劑最早用于導(dǎo)彈，后來也被用于運(yùn)載火箭。

需要說明的是，這種推進(jìn)劑有劇毒。1975 年阿波羅- 聯(lián)盟號試驗項目中的一次任務(wù)，宇航員因誤操作，在打開換氣設(shè)備的同時打開了推進(jìn)設(shè)備，致使燃燒后的煙霧進(jìn)入乘員艙。艙內(nèi)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(zhì)接觸即可燃燒，無須額外點(diǎn)燃），因此曾被各國大量采用，現(xiàn)在逐漸被淘汰。

RD-253 發(fā)動機(jī)1961 年立項，1963 年完成，主要服務(wù)質(zhì)子系列運(yùn)載火箭，是蘇聯(lián)及俄羅斯最可靠的發(fā)動機(jī)之一，曾參與執(zhí)行過月球計劃、金星計劃、火星計劃、和平號空間站發(fā)射等多項重要任務(wù)。

RD-253 發(fā)動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

收藏展覽的RD-253 火箭發(fā)動機(jī)

F-1

F-1 是美國洛克達(dá)因公司20 世紀(jì)50年代研發(fā)的一款開式循環(huán)火箭發(fā)動機(jī)，其最初概念來自于美國空軍。起初，空軍需要研發(fā)一款大推力的火箭發(fā)動機(jī)，用于驅(qū)動可能出現(xiàn)的重型洲際彈道導(dǎo)彈。很快，當(dāng)時尚屬北美航空公司一個部門的洛克達(dá)因就交出了E-1 火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計方案。雖然在靜態(tài)測試中表現(xiàn)良好，但軍方最終還是停掉了有關(guān)E-1 的研發(fā)計劃，理由是導(dǎo)彈的質(zhì)量不高，完全用不上推力如此之大的發(fā)動機(jī)。

不久，事件有了轉(zhuǎn)機(jī)。美國國家航空航天局成立后，急需一款大推力火箭發(fā)動機(jī)，于是經(jīng)過改良的F-1 火箭發(fā)動機(jī)便誕生了。1959 年3 月靜態(tài)測試成功后，F(xiàn)-1 發(fā)動機(jī)被送往馬歇爾航天中心開展進(jìn)一步測試。沒想到卻逐漸暴露出燃燒不穩(wěn)定的情況，導(dǎo)致項目推進(jìn)十分緩慢。最終，經(jīng)過幾年測試后工程師們才想出解決辦法。

F-1 火箭發(fā)動機(jī)使用RP-1（航天級煤油）作為燃料，液氧作為助燃劑，是當(dāng)時人類制造的推力最大的單燃燒室發(fā)動機(jī)，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(diǎn)是有一定毒性，而且作為石油制品，其燃燒后會產(chǎn)生一定的沉淀物。

F-1 發(fā)動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

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(fā)動機(jī)

RD-180 點(diǎn)火測試

RD-180

RD-180 是動力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體在20 世紀(jì)90 年代基于蘇聯(lián)時期的RD-170 發(fā)動機(jī)研發(fā)而成的液體火箭發(fā)動機(jī)。20 世紀(jì)70 年代，美國與蘇聯(lián)間的太空爭霸進(jìn)入高潮，蘇聯(lián)雖然搶先一步發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星，并完成了首次載人發(fā)射任務(wù)和首次太空漫步任務(wù)，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(lián)獲知美國開始研發(fā)航天飛機(jī)，于是便決定對米格105 試驗機(jī)進(jìn)行優(yōu)化和測試。1984年后，蘇聯(lián)推出了搭載RD-170 液體火箭發(fā)動機(jī)的暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)，并進(jìn)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(fēng)雪號航天飛機(jī)計劃被迫終止。然而，其搭載的火箭發(fā)動機(jī)被證實為具有足夠的推力和不錯的效率用于航天運(yùn)輸作業(yè)，于是改進(jìn)研發(fā)出了RD-180。這款發(fā)動機(jī)采用雙燃燒室、雙噴口設(shè)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(fā)動機(jī)。隨著冷戰(zhàn)結(jié)束，大國間的交流越來越緊密，RD-180 發(fā)動機(jī)也曾出口至美國，作為阿特拉斯Ⅲ型運(yùn)載火箭的一級發(fā)動機(jī)，并于2000年成功首飛。之后，其還被用于后續(xù)的阿特拉斯Ⅴ型運(yùn)載火箭。

RD-180 發(fā)動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

RS-25 發(fā)動機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)行測試

RS-25

RS-25 是美國洛克達(dá)因公司設(shè)計的一款低溫液體火箭發(fā)動機(jī)，使用液氫和液氧作為助推劑，最早的研發(fā)歷史可追溯到1966 年。在阿波羅計劃中，除了一級火箭發(fā)動機(jī)外，洛克達(dá)因公司還研發(fā)了一款大推力的二級發(fā)動機(jī)HG-3，然而隨著阿波羅計劃的資金減少，后續(xù)開發(fā)被迫擱置。1969 年，新的航天飛機(jī)計劃開始，HG-3 發(fā)動機(jī)又有了新用途。在其基礎(chǔ)上，按照美國航天局的要求，洛克達(dá)因公司開發(fā)出了可重復(fù)使用、具有復(fù)雜工藝和先進(jìn)技術(shù)的RS 系列發(fā)動機(jī)。

該火箭發(fā)動機(jī)是專為航天飛機(jī)設(shè)計的，采用三發(fā)并聯(lián)方式形成發(fā)動機(jī)群，燃料艙則裝在航天飛機(jī)外部。為延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，與RS-25發(fā)動機(jī)搭配的還有2 個獨(dú)立的固體火箭推進(jìn)器，主要用于在發(fā)射前2 分鐘內(nèi)為航天飛機(jī)提供所需的85% 推力。

值得一提的是，固體火箭發(fā)動機(jī)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(qiáng)的氧化性，理論上只要同含有碳、氫等元素的物質(zhì)接觸就能快速產(chǎn)生反應(yīng)，燃燒時會產(chǎn)生大量的白色煙霧。后來，為了使燃燒變得更加穩(wěn)定，加快燃燒速度，推進(jìn)劑中還加入了鋁粉。

在航天飛機(jī)計劃結(jié)束后，大部分RS 系列發(fā)動機(jī)被由美國國家航空航天局保存，部分轉(zhuǎn)贈給了博物館收藏。因該發(fā)動機(jī)具有極高的發(fā)射可靠性，其后續(xù)改型方案被用于新一輪載人登月計劃運(yùn)載火箭之上。

RS-25 發(fā)動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

猛禽發(fā)動機(jī)

猛禽發(fā)動機(jī)是SpaceX 公司專為超重型運(yùn)載火箭星艦研發(fā)的一款大推力發(fā)動機(jī)，也是目前世界上最先進(jìn)的火箭發(fā)動機(jī)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(fā)一款用于火星計劃的大推力發(fā)動機(jī)，當(dāng)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(fā)甲烷燃料的火箭發(fā)動機(jī)（甲烷是一種碳?xì)浠衔?，很容易在火星上通過化學(xué)反應(yīng)獲得）。相較于傳統(tǒng)的液氫和煤油，甲烷具有更大優(yōu)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(chǎn)生的積碳更少。

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

2019 年， 基于猛禽發(fā)動機(jī)開發(fā)的猛禽2 發(fā)動機(jī)開始測試，其優(yōu)化了約25%的零件結(jié)構(gòu)，改善了焊接工藝，增大了發(fā)動機(jī)推力。2023 年4 月20日，搭載猛禽2 發(fā)動機(jī)的星艦發(fā)射，而增大腔室壓力的猛禽3 發(fā)動機(jī)也已在測試當(dāng)中。

猛禽發(fā)動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

可回收的猛禽發(fā)動機(jī)

猛禽發(fā)動機(jī)第一次地面點(diǎn)火試驗