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美国火箭俄国心——EELV火箭王牌发动机RD-180的前世今生(下)

发表时间:2020-09-27 17:31:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【
前言:都知道美国和北极熊是冤家,不过美国军事和国家安全发射的主力――宇宙神5火箭却戏剧性用上了苏联基因的RD-180发动机!然而近来美国又试图摒弃这款发动机,这究竟是怎么回事?本集就来谈一谈RD-180的故事。

本文上期:


三、虎父无犬子――性能称霸的RD-180

RD-170是高性能、可操作、可重复使用的发功机,能重复使用10次,飞行勤务,飞行准备是自动操作的,其可操作性使天顶号火箭不到一周即可发射一次,具有先进、实用的健康监疗诊断和寿命预计系统,发动机质量控制系统和规范要求严格,与美国的标准接近。通用动力空间系统部门因此而垂青RD-170,但RD-170推力明显过大,这时候格鲁什科坚持的模块化设计发挥了作用。4个设计出色的推力室具有嵌入基因的巨大改造潜力和旺盛生命力,拆开重组可以分化成各种不同推力等级的型号,打个不恰当的比喻,就像一条蚯蚓,一刀两段是两台RD-180,两刀四段是4台安加拉火箭用的RD-191(或安塔瑞斯使用的RD-181)等等,下为家谱明细。

图14.RD-170全家福

因此以现有的四推力室RD-170火箭发动机为基础,开发新型双推力室发动机完全可行。1995年通用动力空间系统部门辗转被并入洛克希德·马丁公司(下简称洛马),新公司继续计划打算升级宇宙神火箭,前来投标的有三个单位,一是动力机械科研生产联合体(NPO Energomash)RD-180,二是俄罗斯倒爷阿罗杰特(Aerojet)稍加改造的NK-33,以及洛克达因(Rocketdyne)的MA-5A。

虽然RD-180还在设计阶段,但背水一战的俄罗斯对其给予强有力的支持。1995年10月俄罗斯航天局和国防部甚至联合致信洛马公司力挺RD 180。相比之下,NK33虽然价格实惠,但娘胎里留有病根,而且推力偏低,双机并联方式可靠性差,性能处于劣势。而洛克达提交的MA-5A,老方一贴,自然不会入眼,其因心不在焉的原因留到以后讲。


(一)40个月创造的奇迹

洛马公司于1996年1月最终选择了RD-180作为宇宙神2AR(后改名为宇宙神3)火箭的发动机,该协议对于苏联解体后困境中的动力机械科研生产联合体的生存至关重要。在6月普惠与动力机械科研生产联合体签订了研制生产协议,各出资50%成立的RD AMROSS公司,负责生产和在美国销售RD-180。整个生产研发团队全力以赴!

RD-180充分保留了RD-170的设计,有70%的部件与之通用,最大程度的降低了研发工作量。根据RD-180的具体推力要求,对原先RD-170的设计,作了推力室减半、预燃室减半,并把开发任务集中在缩比设计新的主涡轮泵单元,包括主轴、泵叶轮以及配套的液氧和煤油泵及预压泵;另外全新设计发动机的燃料泵前阀,满足与宇宙神运载火箭的必要接口。

图15.单个预燃室驱动缩比设计的涡轮泵

为缩短研发周期,尽快度过难关,研发团队甚至把RD-170四通道的燃气导管封上两个口直接用于两推力室RD-180发动机的测试。两台预研发动机,型号指定为DP-170在1996年11月至1997年3月期间进行了12次试验和1610秒运行时间的测试,在各种推力和混合比水平下运行,验证主涡轮泵单元缩比设计的可行性和功率水平,同时连续工作时间超过了宇宙神3发射任务工作时长。

得益于一个好底子,俄罗斯航天专家的绝地发力进一步提升发动机的性能,RD-180的涡轮泵转速在RD-170的13870rpm基础上进一步提升到16811rpm,燃气温度由773K上升到785K,泵功率为10.35万千瓦,每秒燃气流量为911.6公斤,室压也随之达到了前所未有的25.7MPa,真空比冲创下液氧/煤油机337.8秒的纪录,节流范围进一步放大到47%~100%(极限可以达到40%),最大真空推力达到4150千牛,青出于蓝而胜于蓝! 

图16. 电火花加工技术生产的整体式涡轮泵叶轮

在极其成功的测试系列之后,第一批8台RD-180发动机被组装进行了58次测试,点火时间为8986秒,迅速纠正了一些小纰漏。1998年7月,其中第三台RD-180被送到马歇尔太空飞行中心,在模拟的宇宙神3综合试车台上进行了4次测试,持续131秒,论证和测试了关键的运载火箭接口和控制系统逻辑。

RD-180顺利的合作进展也让空军动了心,由于对商业发射市场的乐观,两个发射系统中标明显会比一个来的可靠,而且可以通过形成的竞争关系便于政府操盘。1998年10月,空军并未根据原计划选择一家公司来承接EELV项目,而是授予洛马和波音公司两家各5亿美元的EELV研发项目合同,开发各自的运载火箭和发射基础设施,合计28次发射服务,总价值20亿美元,每次发射仅7200万美元。

在测试全部通过之后,动力机械科研生产联合体在1999年1月2日正式交付首台发动机,被用于宇宙神3A火箭。由于RD-180推力巨大,取代了2台MA-5A液氧/煤油发动机和4台固体助推器,一个顶六个!由于避免了固体火箭分离带来的故障隐患,火箭整体可靠性从0.9876显著提升增加到0.9955。

2000年5月24日第一枚由俄罗斯火箭发动机提供动力的美国火箭――宇宙神3A成功发射,将Eutelsat W4卫星送入GTO轨道。宇宙神3火箭凭借强有力可大幅节流的一级发动机,可以对不同载荷和飞行任务需要做优化。事后的遥测数据分析表明,火箭以及发动机的表现完美无瑕,这在火箭首飞历史上极为罕见。

整个合作过程中,RD-180的研制时间仅耗时40个月,研制成本仅为美国同类发动机的零头,洛马公司称这个决定让他在EELV系统研发中节省了大约10亿美元和5~6年的开发成本。


(二)“双摆”推力室释放运能潜力

由于性能优异,RD-180继续用于EELV金牌火箭――宇宙神5。这款火箭不再使用“不锈钢气球”贮箱设计,在贮箱不加压时依旧保持结构稳定,直径从3.05米增加到3.81米,增加了发射能力,而且可通过捆绑不同数量的固体助推火箭,满足不同质量载荷的发射需求。别小看助推火箭的能耐,宇宙神5最小的401(第一位表示整流罩尺寸,第二位表示助推火箭数量,第三位表示上面级发动机数量)配置,LEO筹载能力为9,072千克,GTO为4,750千克,相比之下,宇宙神5最大的551配置能力翻倍,LEO达到18,814千克,GTO甚至达到8,900千克。

但由于火箭箭体侧面有一个电子设备舱和一条液氧输送管,因此只能安排5个非对称的固体火箭助推器捆绑点,下图为各个不同构型的助推器“偏心”安装方式,这往往让人担心非对称安装的助推火箭在工作时产生的俯仰力矩。

图17.各个不同构型的助推火箭“偏心”安装方式

不过RD-180继承了摆角达到8度的“泵后双摆”推力室设计,足以克服助推火箭“偏心”安装引起的力矩以及助推火箭鸭嘴形状整流罩引发的气动阻力,该火箭于2002年8月21日首飞成功。

图18.两个军绿色作动器能使RD-180的喷管在两个平面内摆动


(三)大幅节流带来的出色潜能

2002年RD-180也参与了宇宙神升级换代三部曲的最后一部分――HLV重型运载火箭项目并进行了测试认证,这款火箭采用了芯级降推力的工作模式提升运能。要求芯级发动机在点火后先保持100%推力水平满足起飞时较大的火箭质量,在T+60秒随着推进剂的消耗,芯级节流至47%,减少火箭最大动压影响和加速度,T+236秒两个助推分离,而芯级继续在47%的节流水平工作至T+320秒,最后芯级全推力10秒后逐渐减小推力直至T+374.5秒分离。测试中单台发动机进行了5次测试,累计持续1,521秒,甚至在47%的功率水平下持续时间超过350秒。

图19. 宇宙神火箭升级换代三部曲之重型宇宙神5芯级和助推级发动机节流过程

HLV重型运载火箭LEO、GTO运能分别达到29.4吨和13吨,可惜的是这款火箭由于缺少商业订单后续夭折。截至2002年4月1日,RD-180累计进行了161次点火测试,总点火时长达到29385秒。

由于RD-170是为可重复使用设计,材料、结构在设计上都留有了充分的余量,让RD-180发动机具有完美的安全记录:到目前为止的85次发射,包括宇宙神3A/3B/5三种型号,发射任务全部成功,RD-180仅在2016年3月23日发射天鹅座-5货运飞船时,由于混合比调节阀问题导致提前关机5.6秒,后续通过上面级延长点火时间挽回。正因为高可靠性,宇宙神5是目前唯一获得NASA认证的可发射含放射性核燃料载荷的火箭,利用RTG等核能供电部件的深空探测器只能靠她发射。

而RD-180实惠的价格,初期单台1000万美元出头,哪怕2014年价格暴涨至2340万美元,宇宙神5的性价比依旧比波音的德尔他4要高不少,因此不差钱的美国空军也多半选择ULA的宇宙神5发射。


(四)太空探索公司以赶超RD-180为荣

RD-180成为高性能液体火箭发动机的标杆,RD-170/180的高室压记录保持了近40年,时间到了2019年2月10日,这一纪录才被SpaceX的猛禽发动机打破,马斯克以赶超RD-180为荣,高兴的在推上高兴的告诉大家“…猛禽发动机今天达到了268.9巴的室压,超过了令人敬畏的俄罗斯RD-180的记录…。”(原文:Raptor reached 268.9 bar today, exceeding prior record held by the awesome Russian RD-180. Great work by @SpaceX engine/test team!”)

图20.马斯克在推特上的附图

作为回应,动力机械科研生产联合体现任首席设计师列沃奇金(Pyotr Lyovochkin),礼节性的赞扬了美国工程师研发的 猛禽发动机创了新的纪录,然而一个大转弯,自信的表示:拿液氧/煤油机和液氧/甲烷机作比较,就像柴油机和汽油机比参数,况且RD-180还留了10%的余量,达到280个大气压以上完全没问题!再说推力指标也是明摆着你猛禽追不上的。言外之意,哥就是一个传奇。 


四、迟迟未实现美国造,终将隐退

美俄两国的合作取得了巨大的成功,动力机械科研生产联合体通过这个经典的合作项目,留住了航天人才,渡过了难关;从美国政府的角度看,美国不再闹火箭荒,部分填补了航天飞机退役留下的空白,而且EELV项目也取得了巨大的成功,政府仅投入12亿,两个中标的公司――波音和洛马承担了大头,40亿的研发资金。但是,航天也有发展的波浪理论,技术、商业、政治等因素让RD-180前途未卜......

(一)第一波商业航天浪潮退去后,国产化RD-180不再坚持

但到了2002年,随着铱星、全球星的破产,低轨星座泡沫破灭,商业发射订单骤减,这让曾经期待能在这个市场收回投资的波音和洛马苦不堪言,在经历四年的威胁退出市场以及统购统销的闹剧之后,美国政府“被”成为EELV项目的主要客户并不得不对发射费用兜底。这也撮合波音和洛马共同组建了当代被戏谑为黑店的ULA――联合发射联盟公司,即便各种反对的声音此起彼伏。

按照1995年国防部政策备忘录要求,涉及国家安全的航天发射任务中使用的运载火箭中使用的苏联技术,必须在4年内完成“国产化”。事实上RD-180项目运作过程中,动力机械科研生产联合体按照协议已经在2003年9月向普惠交付了全套设计、制造、测试文件,以便于普惠公司在美国制造RD-180硬件,包括涡轮、预燃室制造并组装。普惠公司也曾声称,宇宙神5火箭赢得军用火箭采购合同后,他们将在36个月内在佛罗里达州启动RD-180的本土生产线。

但在美国生产RD-180仅生产设施的建设就需要5亿~8亿美元,最后还不是政府兜底。这事情一拖再拖,时间到了2007年6月,EELV计划的成本控制和低成本发射的最初目标已被放弃,政府同意维持继续采购俄罗斯生产的RD-180发动机并维持一定的库存,而不再坚持国产化。

图21.俄罗斯生产的发动机,空运至科罗拉多州丹佛市


(二)美俄新一轮冷战开启,RD-180终将隐退?

冷战结束后俄罗斯一直希望与美国建立平等的伙伴关系并共建新世界秩序,9·11事件后主动配合美国的反恐行动,默许美国在中亚建立军事基地,但俄罗斯的热情并没有得到相应的回报。美国政府以冷战的胜利者自居,奉行单边主义政策,渐渐不把俄罗斯放在眼里,执意坚持北约东扩和在东欧部署新的导弹防御系统,美俄在各种领域的合作陷入困局。自2014年乌克兰危机爆发以来,美国和欧盟以俄罗斯“干预”乌克兰局势为由,对俄实施了数轮制裁。俄罗斯政府多名官员遭遇签证禁令及资产冻结,其中包括主管军工、航天、科技等领域的副总理德米特里·罗戈津。

美国的所作所为彻底寒了俄罗斯的心,俗话说,分久必合,合久必分。罗戈津同年5月回应称,俄罗斯将拒绝美国此前所提2020年后继续维持国际空间站运行的提议,特定情况下还可能停止向美国销售RD-180等火箭发动机。

RD-180发动机可能的断货成为美国军事和安全航天发射的心腹之患,继续使用是引鸩止渴。为了应对与俄罗斯日益紧张的关系,国会、空军和太空发射行业都朝着结束使用RD-180的方向在推进。空军于2014年初委托进行了一项替换RD-180研究,该研究指出实施RD-180的国产化需要大约10亿美元和5年时间,而且仍需要俄罗斯提供部分关键零部件,不会改善目前情况,建议开发新的发动机。因此奥巴马总统在2014年12月19日签署的禁止国防部在2019年后使用RD-180火箭发动机。

然而即便从2014年以来投入大量资金自主研发火箭发动机,预计研发过程仍需耗时5至7年,而且替换一种火箭发动机比直接设计一种发动机要更困难!因此上述禁令在次年年底就被取消。

如何妥善平稳兼顾成本和风险的完成RD-180的替换过渡?美国进而采取了较为务实的倒逼替换方案,在尽快更换RD-180的过渡期间严格限制RD-180的使用数量,这项措施妥协写入了2017财年NDAA(国防授权法案)的第1602部分,并于2016年12月13日签署成为法律,它允许总共18个俄罗斯发动机可以在2022年底使用,这相当于给RD-180判了死刑,即便后续俄罗斯和美国关系稍有松动,也只不过延后几年执行罢了


(三)后RD-180时代,SpaceX异军突起

ULA开始努力考虑给宇宙神5换“心”,2014年9月ULA宣布与蓝色起源(Blue Origin)建立战略合作伙伴关系,共同致力于开发BE-4液氧/甲烷发动机。BE-4发动机是分级燃烧液氧/甲烷发动机,单台推力为2446kN,2017年10月对BE-4进行了首次热试车,后续进展相对而言比较顺利。但液体甲烷的密度只有426千克/立方米,比煤油要小一半,这势必要对宇宙神5的箭体做重大改动,这无异于重新研发一枚火箭。

ULA又提出了换“箭”的方案,2015年3月ULA宣布启动火神(Vulcan)火箭开发项目,并计划在2018年之前逐步淘汰除重型德尔他4之外的低性价比德尔他4,这个计划一石二鸟,一是作为应对咄咄逼人、性价比突出的太空探索公司(SpaceX)的猎鹰9火箭的积极探索;二是在新火箭研发进度不理想、得不到政府支持的情况下,寻求放宽RD-180禁令的各种可能,因此现在观赏中型德尔他4的发射,真的是看一次少一次。

图22.火神火箭采用两台BE-4发动机并联的方式

火神火箭发动机首选BE-4,备选阿罗杰特·洛克达因(Aerojet Rocketdyne)公司的AR-1,后者是2200kN推力分级燃烧液氧/煤油火箭发动机,还得到了美国空军的资助而AR-1发动机也因为开发进度严重滞后,阿罗杰特·洛克达因目前已经停止资金投入,和空军重新签订的协议约定在2019年12月完成最基本的设计、构建和组装单个原型引擎的目标目前几无可能达成。背后的原因,根源上还是在于洛克达因在富氧分级燃烧技术上缺少研发经验。

图23.AR-1发动机由于推进剂和RD-180一致,曾被认为是宇宙神5换心最靠谱的方案

2018年9月ULA宣布正式选择BE-4作为火神火箭芯一级发动机,不过该项目目前的进度缓慢,原因还是被“心病”所拖累,BE-4发动机满功率测试推迟到2019年8月2日才得以首次完成,离实战还有相当距离。

ULA各种折腾的同时,SpaceX却是越战越猛,猎鹰9依靠回收复用技术揽获大量的商业发射订单的同时,已经通过了空军认证并发射了GPS-3导航卫星、X37B空天飞机等载荷,成为中型宇宙神5和中型德尔他4的有力替补。而且重型猎鹰(Falcon Heavy)2019年6月25日刚刚完成了任务代号为STP-2(Space Test Program-2)的第三次认证飞行,包括美国空军载荷在内的24颗卫星成功上天,这是重型猎鹰成为美国空军认证发射服务提供商的里程碑。而且太空探索公司和RUAG签订了5.4米直径整流罩的购买合同,一旦Falcon Heavy获得认证通过,该运载火箭将能够基本涵盖宇宙神5 、德尔他4目前提供的发射能力。极具戏剧性的,事实上商业航天企业SpaceX才真正达到了EELV项目的终极目标:降本增效、可靠安全。


结束语:

EELV项目依靠冷战后美俄合作,RD-180出色发挥,成功的让美国渡过火箭荒。然而,涉及国家军事安全的航天发射却使用了他国的技术,这从一开始就给整个项目埋下了祸根。幸好太空探索公司,初生牛犊不怕虎,将可以弥补运载火箭空缺,商业航天的价值和定位值得深思。


(全文完)


我,一个孤独的行者( 新浪微博ID:超超级Loveovergold),原文写于2019年8月,刊登在《海陆空天惯性世界》杂志2020年第3期,本文大家不用打赏,请多多支持《海陆空天惯性世界》杂志!


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责任编辑:蔡学森