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      美國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展史(下)

      2016年12月19日 9:43 6293次瀏覽 來(lái)源:   分類(lèi): 新材料前沿   作者:

      美國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的黃金時(shí)期
      當(dāng)Atlas在1960年部署時(shí),作為當(dāng)時(shí)的武器它被列于廢棄名單中,但在與上級(jí)聯(lián)合使用時(shí),它卻再被證明是一種優(yōu)秀的衛(wèi)星運(yùn)載火箭。改進(jìn)Atlas包括使用更強(qiáng)大的MA-5推進(jìn)系統(tǒng),在起飛時(shí)產(chǎn)生1869千牛頓推力。Thor也被改進(jìn),以更好地作為一個(gè)運(yùn)載火箭,這種改進(jìn)包括它從1960年起作為三角洲的第一階段最出色的角色。像所有基于Thor的運(yùn)載火箭,三角洲將在下一個(gè)14年內(nèi)繼續(xù)使用MB-3。

      雖然Jupiter在20世紀(jì)60年代初被逐漸淘汰為武器和運(yùn)載火箭,但是它的S-3D發(fā)動(dòng)機(jī)被Rocketdyne工程師在1959年大幅簡(jiǎn)化以生產(chǎn)H-1。一組8個(gè)H-1引擎,經(jīng)過(guò)一系列長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)改進(jìn),最終總共可產(chǎn)生7300千牛頓的推力,用于Saturn I和IB,它們開(kāi)啟了第一個(gè)阿波羅任務(wù)并送入預(yù)定軌道。后來(lái)Rocketdyne的經(jīng)驗(yàn)被用來(lái)制造由美國(guó)飛行史上最強(qiáng)大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī):F-1。在1967,每個(gè)能產(chǎn)生6675千牛頓推力的F-1發(fā)動(dòng)機(jī),使用5個(gè)一組作為Saturn V的第一階段。
      雖然更強(qiáng)大的第一階段發(fā)動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)化為更大的有效載荷,但上級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能會(huì)受到很大的影響。目前使用的最終推進(jìn)劑組合是液體氫和LOX,其幾乎是大多數(shù)常規(guī)推進(jìn)劑的質(zhì)量的兩倍。使用這種強(qiáng)大的低溫組合的第一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)是Pratt&Whitney(在與Rocketdyne在2005年合并后,現(xiàn)在也是Aerojet Rocketdyne的一部分)建造的RL-10。
      基于1957年劉易斯實(shí)驗(yàn)室(現(xiàn)在的NASA的Glenn研究中心)成功測(cè)試設(shè)計(jì),在高性能Centaur階段使用了一對(duì)能產(chǎn)生約67千牛頓推力的RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)。1963年第一次成功地和阿特拉斯一起飛行,Centaur的性能超過(guò)任何其他進(jìn)入高地球軌道或超越的上級(jí)階段。
      美國(guó)宇航局在1964年開(kāi)始的Saturn I的第二階段也采用了6個(gè)RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)的集群。盡管它們的性能優(yōu)異,但是RL-10由于太小還是不能實(shí)際用于大型火箭。NASA給了Rocketdyne一個(gè)合同,要求建造更強(qiáng)大的890千牛頓推力J-2發(fā)動(dòng)機(jī)。在1966年第一次飛行的土星IB的改進(jìn)的第二階段中使用單個(gè)J-2。同樣的階段也用作土星V的第三階段,在其第二階段采用5個(gè)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的集群。在Saturn V的高級(jí)階段使用高性能J-2有助于給這個(gè)火箭提供前所未有的有效載荷能力。
      在這個(gè)時(shí)代的低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的最終成就是Rocketdyne的航天飛機(jī)主機(jī)或SSME(今天被稱(chēng)為RS-25)。1971年開(kāi)始發(fā)展,SSME在比任何其他發(fā)動(dòng)機(jī)在更高的溫度和壓力下運(yùn)行得更好,以使其成為最有效的發(fā)動(dòng)機(jī)。每個(gè)能夠節(jié)流和生產(chǎn)2278千牛頓,這些發(fā)動(dòng)機(jī)的三個(gè)引擎現(xiàn)在被退休的航天飛機(jī)使用。雖然一對(duì)可恢復(fù)的固體火箭助推器做了大部分的工作以使航天飛機(jī)離開(kāi)發(fā)射臺(tái),但是SSME確提供了大部分的有效能量支持其軌道運(yùn)行。
      美國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展停滯階段
      美國(guó)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)通常與發(fā)展特定火箭有關(guān)。由于在20世紀(jì)60年代中期建立的穩(wěn)定的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì),空間規(guī)劃者更傾向于逐步改進(jìn)以提高性能,而不是從頭設(shè)計(jì)新的火箭。在許多基于Thor的運(yùn)載火箭中,特別是Delta,越來(lái)越強(qiáng)大的固體火箭助推器與拉伸的上級(jí)階段結(jié)合的更大集群被用于逐步提高性能。
      在Titan火箭系列中固體助推器的使用達(dá)到極致。在1965年,一對(duì)120英寸的固體火箭助推器被連接到一個(gè)改進(jìn)的Titan II核心上,產(chǎn)生第一個(gè)Titan IIIC,具有四倍于Titan II軌道有效負(fù)載的能力。(見(jiàn)《“泰坦IIIC的第一次使命”》)。
      在接下來(lái)的30年中,Titan核心被拉伸,并且更長(zhǎng)的助推器被連接以緩慢地提高其系列產(chǎn)品Titan III和Titan IV的性能,甚至Centaur被改裝為泰坦IIIE和最終的泰坦IV,進(jìn)一步提高其有效載荷能力。
      但是在20世紀(jì)70年代和80年代期間,只對(duì)Atlas,Delta和Titan使用的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了微小的改動(dòng),以提高其性能、可靠性和可制造性。在1974年,Rocketdyne推出了RS-27來(lái)代替三角洲老化的發(fā)動(dòng)機(jī)MB-3。結(jié)合了傳統(tǒng)MB-3和H-1設(shè)計(jì)的組件,RS-27只是一個(gè)僅使用20年的具有相同基本設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化版本。但是,由于在20世紀(jì)80年代計(jì)劃使用航天飛機(jī)替代所有消耗性運(yùn)載火箭(ELV),開(kāi)發(fā)新發(fā)動(dòng)機(jī)的需求不大。
      1986年Challenger事故后,終于證實(shí)了完全依靠航天飛機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)射服務(wù)的的想法是多么的愚蠢。因此,美國(guó)開(kāi)始更多的從事現(xiàn)有運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì),以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以為其提供動(dòng)力。Delta II和III(今天仍在飛行)使用就是改進(jìn)的RS-27A發(fā)動(dòng)機(jī)。從1991年開(kāi)始,Atlas II使用升級(jí)的MA-5A,其中MA-5的原始YLR89增壓器被一對(duì)RS-27推力室代替。
      俄羅斯發(fā)動(dòng)機(jī)制造商Energomash與Pratt&Whitney合作開(kāi)發(fā)了RD-180(衍生自俄羅斯RD-170,為Zenit和退役的Energia助推器提供動(dòng)力),在2000年使用取代Atlas III中的MA-5A。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒煤油和LOX,并具有節(jié)流功能,且雙腔RD-180可以產(chǎn)生高達(dá)3800千牛頓的推力。這種發(fā)動(dòng)機(jī)目前仍然在A(yíng)tlas V中使用,并且成為近年來(lái)爭(zhēng)議不斷的源頭。
      自SSME以來(lái),開(kāi)發(fā)的第一個(gè)全新的大型液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是Rocketdyne的RS-68。燃燒液態(tài)氫和LOX可產(chǎn)生高達(dá)3314千牛頓的推力,該發(fā)動(dòng)機(jī)從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)成用最小化制造成本。RS-68的零件比SSME少93%,并且被宣傳為能提供比任何其他火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更大的單位推力。自從2003年推出以來(lái),RS-68已經(jīng)用于Delta IV系列運(yùn)載火箭的第一階段。
      由于 Centaur甚至在航天飛機(jī)都具有劃時(shí)代的意義,普惠公司繼續(xù)升級(jí)RL-10以滿(mǎn)足今年來(lái)的新需求。 最新版本的Centaur使用單個(gè)RL-10A4-2發(fā)動(dòng)機(jī)作為Atlas V的上級(jí)階段。更新的版本,使用RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生110千牛頓的推力,這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)于1998年首次用于現(xiàn)在已退役的Delta III的第二階段,目前用于Delta IV的第二階段。RL-10也被改進(jìn)用作他用:在20世紀(jì)90年代中期在DC-X實(shí)驗(yàn)火箭上使用了四個(gè)可調(diào)節(jié)的65千牛頓推力RL-10A-5發(fā)動(dòng)機(jī)。
      雖然在過(guò)去幾十年中已經(jīng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試了用于各種重型運(yùn)載火箭概念的發(fā)動(dòng)機(jī),但趨勢(shì)是采用舊發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)化升級(jí)(如用于SLS的RS-25/ SSME) 或廉價(jià)的俄羅斯運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī),如前面提到的Atlas V和軌道科學(xué)的Antares。
      在這種趨勢(shì)和過(guò)去10年中的一系列公司兼并之間,將原來(lái)的三個(gè)美國(guó)主要的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造商合并成一個(gè)單一的公司Aerojet Rocketdyne,以及一個(gè)大型運(yùn)載火箭的單一主要制造商,“聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟(ULA)”。新發(fā)動(dòng)機(jī)和運(yùn)載火箭的幾十年的發(fā)展希望能緩慢地實(shí)現(xiàn)。
      在航天飛機(jī)退役后,繼續(xù)存在不確定性和缺乏足夠的資金用于重型起重機(jī)火箭的發(fā)展,這只會(huì)使現(xiàn)存問(wèn)題更加復(fù)雜。這使美國(guó)在與俄羅斯的關(guān)系日益緊張的時(shí)候還要依賴(lài)俄羅斯。
      而唯一的例外還是SpaceX使用的廉價(jià)Merlin系列發(fā)動(dòng)機(jī),用于可負(fù)擔(dān)得起的Falcon發(fā)射車(chē)系列和正被考慮用于未來(lái)的運(yùn)載火箭的Blue Origin的BE系列發(fā)動(dòng)機(jī)。只有時(shí)間會(huì)告訴美國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展能否恢復(fù),即使這曾經(jīng)是這個(gè)國(guó)家的驕傲。

      責(zé)任編輯:于璐

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