RD—170世界上推力最大的液体火箭发动机

鹿鸣

该用什么来代表逝去的那个苏联的航天科技水平呢？有人说用（斯普特尼克），人类发射的第一枚人造地球卫星；有人说用“暴风雪”号航天飞机；面我认为，那些都已经属于过去了。不如用RD-170火箭发动机来体现那个曾经的苏联在探索宇宙过程中达到的一个技术高度。

RD-170项目的由来

RD-170火箭发动机是人类有史以来研制的推力最大的多燃烧室液体火箭发动机。这款发动机的海平面最大推力为740吨。RD-170火箭发动机比F-1火箭发动机重16.8%。其海平面推力比F-1火箭发动机大8.8%，真空比冲高11.2%。从燃烧室压力的角度来看，RD-170令F-1难以望其项背，RD-170的室压是F-1的3.5倍。

每一款大型发动机的背后，通常都有巨大的项目需求，这个项目或是承载了一个国家的梦想，或是准备突破多年以来的技术局限。RD-170火箭发动机的研发，得益于两个项目：“天顶”号火箭和“能源”号火箭。苏联在1970年代开始了一个野心勃勃的大型运载火箭系列计划，准备以同一款大推力火箭发动机为基础，发展多种发动机型号和运载火箭型号。这个计划进行得比较顺利。实际上，“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。负责这个火箭项目的设计局值得—说。“天顶”号是由导弹设计大师米哈伊尔·库兹米奇·杨格尔牵头成立的南方设计局的项目。虽然该设计局在接手“天顶”号火箭项目的时候，所长杨格尔已经去世5年了，但是他的副手完全有能力把设计局撑起来。

这个人便是杨格尔的学生：弗拉基米尔·乌特金。他是包括SS-18“撒旦”洲际弹道导弹在内的多款导弹的总设计师，被后人尊为苏联导弹“教父”。乌特金提出了“天顶”号火箭的最大技术特点：火箭具有环境友好性，且具备超强的载荷能力，还要让发射工序实现完全无人化。火箭被机械装置自动吊装在发射台上并连上地面控制管线，其后在发射准备、点火或因发射任务取消而须从发射台上撤下时都不需要进行手动操作，从而大大减少了因发射事故导致人员伤亡的可能性。此外，“天顶”号的发射台不包含任何在发射时有可能被烧毁的设备，因此在一次发射完成5小时之后，就可以再次进行发射。

而这样的总体要求，需要一台高可靠性、可多次重复启动进行试验、使用液氧煤油燃料的大推力火箭发动机。由于屡次发射失败和美国率先登月，苏联政府于1974年5月取消了原本为苏联登月计划开发的N-1重型运载火箭。作为替代品，苏联在取消N-1的同时开始了对“能源”号火箭的方案论证工作，以便为实现未来的空间开发计划打下基础。当时的计划是，“能源”号运载火箭的助推器采用4枚“天顶”号火箭的第一级火箭。（实际上，“天顶”号和“能源”号的火箭发动机略有不同，用于后者的是RD-170原装版本，用于前者的是增设双向伺服机构的版本，叫做RD-171。不过，除伺服机构的作动方向的区别外，两款火箭发动机在其他地方相同。）

RD-170的总体设计

RD-170发动机有4个燃烧室，1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1台氧化剂泵，1台两级燃料泵，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，以防止涡轮泵形成空穴现象。

在RD-170的2个富氧预燃室中，一部分燃料在预燃室中进行燃烧，带动涡轮泵转动。而涡轮泵转起来之后，燃料和氧化剂就能够迅速流动了。如果整枚RD-170发动机是一颗心脏的话，这部分管路的作用就类似于冠状动脉。把RD-170火箭发动机的涡轮泵拥有的25.7万马力换算成功率，约为192兆瓦。有一艘叫做“亚马尔”的破冰船，是核动力的，排水量23455吨，上面有2座核反应堆，驱动2台汽轮机，带动6台发电机。这些发电机的总输出功率为55.3兆瓦。RD-170的一台涡轮泵的功率相当于这样一艘核动力破冰船的3.47倍。

RD-170能够产生如此强悍的推力，这与她的涡轮泵的巧妙设计有关。从上世纪60年代开始，美国和苏联的工程师们都发现，火箭发动机的涡轮泵如果一直依赖一个涡轮的话，很难再有性能上大幅提升的潜力了。于是他们各自发明了一些新的涡轮泵结构。比如，苏联的引射式的多喷嘴泵从60年代开始，就有了很好的效果。其实，如果剖开现役“质子”火箭的话，依然能够看到这种设计。RD-170采用的则是更为先进的叶片式预压涡轮泵。预压泵的应用可以让发动机降低对火箭贮箱的压力要求。通过对涡轮叶栅和诱导轮的设计，让主涡轮泵在转速、扬程和效率方面有更好的表现。这种设计在以RD-170为代表的苏联风格的液氧煤油发动机和以航天飞机主发动机为代表的液氢液氧发动机上都能找到，可谓是殊途同归。同时，要注意到苏联人的设计不仅仅是傻大粗笨的，实际上有不少精巧的地方。从管路设计的角度，RD-170赢了F-1发动机一局。

RD-170为什么要采用4个喷管，而不用1个大喷管？主要因为当初苏联对解决大喷管液氧煤油发动机的燃烧不稳定性问题没有十足的把握。从这个角度上来看，美国人的F-1火箭发动机扳回一局。美国人在3年时间里，做了2000多次试验，把炸药放到燃烧室中，人为制造不稳定，掌握了燃烧的部分规律，通过改进喷注盘设计和其他结构，解决了燃烧不稳定的问题。

采用4个喷管，万一推力启动不同步，大小不一致怎么办？这个问题的确存在。对于采用富氧补燃循环的RD-170发动机而言，煤油喷射进入燃烧室的瞬间即为推力室点火时刻。让4个燃烧室同步启动的关键在于让煤油同时进入这4个燃烧室。另外，大喷管外侧的冷却套的压降的不同或者阻滞程度的不同会带来额外的时间差，这个也要考虑在内。因此，RD-170的4个燃烧室的管路设计是很讲究的，要尽量保证燃料的流经距离一致（考验设计师立体几何水平的时候到了）。另外，还要摸透管路内对燃料的阻滞效应的大小。

比冲胜过F-1发动机

众所周知，比冲是衡量一款火箭发动机效率的重要指标。比冲的定义为：火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量，或单位重量流量的推进剂产生的推力。RD-170火箭发动机的真空比冲比F-1火箭发动机高11.2%。其主要原因是RD-170采用了先进的补燃循环工作方式。像F-1那样采用燃气发生器工作方式的发动机，会因涡轮废气的排放损失1%以上的比冲，而且这种情况会随着燃烧室压力的增加而越发明显。采用了补燃循环的RD-170发动机则不用担心这些，可以把室压做得高高的，效率和性能提升明显。在这一点上，RD-170又胜过了F-1。当然，作为一款在1985年4月13日才首次使用的发动机来说，RD-170比在上世纪60年代就推动土星5号火箭的F-1发动机出现得晚，在技术上有所进步是可以理解的。

得天独厚的资源

RD-170的比冲比F-1火箭发动机高11.2%可以理解，可是RD-170是怎样把燃烧室压力提升到了F-1火箭的3.5倍的水平的呢？苏联人在这方面的设计比美国人高明这么多么？其实是美国人的技术标准把美国人自己给坑了。

翻阅上世纪60年代和70年代的美国人的火箭发动机技术标准，里面赫然有这样一条限制：采用液氧煤油燃料的液体火箭发动机，其燃烧室压力不得超过7兆帕！这是美国的工程技术人员从多年的试验数据中总结出来的一个结论，其中当然不乏一些血的教训。美国人发现，当燃烧室的压力过大时，煤油很容易在燃烧室内壁上结焦，之后便是不可逆转、难以控制的喷管损毁和发动机爆炸的事故。在这样的技术标准限制下，推动土星5号火箭的F-1火箭发动机的燃烧室压力被定为7兆帕，这已经是技术标准内的最高值了。可以说，F-1火箭发动机的设计人员严格地遵守了技术标准，而且同时做了提高发动机性能的最大努力。

那么问题又来了，既然美国人自己限制了燃烧室的压力以防止结焦现象的出现。那么，为什么苏联人的火箭发动机有这么高的燃烧室压力，却极少出现结焦和爆炸的情况呢？这个问题的答案，需要我们把目光从火箭发动机的试车台和实验室绘制图纸的桌子上暂时挪开，到苏联广袤的土地上去寻找！曾经的苏联有着世界上最大的领土面积。在这片土地下面，有着丰富的石油和天然气储存量。在里海西岸中部，有个叫做阿塞拜疆的地方。早在公元前7世纪，这里就是拜火教的圣地。实际上，阿塞拜疆巴库油气田附近的苏拉汗尼神庙向来就是印度教存放圣火之地。这块被拜火教信徒奉为圣地的地方，其出产的石油果然不同凡响。

苏联的高燃烧室压力的火箭发动机在点火测试的过程中，极少出现结焦的现象。首先要感谢的就是这片土地提供的原油。当然，苏联人包括美国人发现大型液氧煤油火箭发动机的结焦居然与原油有关的事实已经是很久以后的事情了。可以说，苏联的火箭发动机设计师一直在享受着大自然给他们的恩赐。阿塞拜疆的油辛烷值高，杂质少，而对于火箭发动机最关键的一点是：含硫量极低！美国的煤油中，硫含量通常在50PPM，而苏联则盛产硫含量小于20PPM的高品质原油。纯净的煤油让苏联的火箭发动机即使在很高的燃烧室压力下，也较少出现结焦的现象。他们当然也就没有什么燃烧室压力不得超过7兆帕的奇怪限制了。

后来，美国人发现了燃烧室煤油结焦的症结所在，甚至摸清楚了硫化亚铜等燃烧室内杂质的生成机理。然而，这已经为时已晚。上世纪70年代后，大部分美国的科研人员已经彻底放弃了高燃烧室压力的液氧煤油火箭发动机的研制，转而研发液氢液氧发动机了。不过，这从客观上促进了航天飞机主发动机的出现，可谓是失之东隅，收之桑榆。

帝国离去 远渡重洋

1985年4月13日，第一枚“天顶”号运载火箭从拜科努尔航天发射场发射，虽然没有把模拟的有效载荷送入轨道，但是RD-171发动机工作正常。问题出在第二级的RD-120发动机上。1987年5月15日，苏联发射了第一枚“能源”号运载火箭。然而，到了1988年11月15日，随着“能源”号的最后一次发射，所有的大型航天项目都面临着被终结的命运。到了上世纪90年代初，这个红色帝国倒下的时候，RD-170系列也终于和苏联的火箭暂时告别了。但是，那时候，RD-170发动机已经成功进行了618次发射，在累计69579秒的燃烧时间内，她证明了自己的可靠性。并且一次又一次地展示了世界上推力最大的液体火箭发动机的魅力。

后来，美国、俄罗斯、乌克兰和挪威的4家公司共同投资的海上发射公司成立了。“天顶”号火箭带着RD-170发动机一起，获得了新生。这枚起飞重量462吨的火箭由1台伺服机构增强版本的RD-171发动机（同属RD-170系列）托起。

美国过早放弃了高燃烧室压力的大型液氧煤油火箭发动机的研究转而开始琢磨大推力的液氢液氧发动机。同时，美国在冷战时期储备了大量的大推力固体火箭发动机的产能，这使得即使没有RD-170那样的优秀的液氧煤油火箭发动机，美国人也能够靠液氢液氧发动机和大推力固体火箭发动机把航天飞机送上太空。不过，液氧煤油发动机的这门课迟早是要补上的。只是，美国人找到了一个捷径，那就是：买。

苏联解体后，普惠积极运作，买来了RD-120液氧煤油发动机。而美国航空喷气公司则引进了苏联登月计划中设计的NK-33液氧煤油发动机。洛克希德·马丁公司看中了RD-170发动机，不过他们感觉用不上推力这么大的发动机，于是购买了100多台RD-180。虽然这有点趁火打劫的味道，不过至少让RD-170/RD-180的研发团队保留了下来。

RD-180是RD-170火箭发动机的燃烧室减半版本。RD-170有4个燃烧室，去掉2个后，便成了RD-180的雏形。不过，RD-180把RD-170的25兆帕的燃烧室压力进一步提升到了25.7兆帕，这使得燃烧室数量减半的RD-180的推力不是RD-170的一半，而是390.35吨，约为RD-170推力的52.8%。可以说，如果“能源”号火箭的项目没有戛然而止的话，RD-170，包括此后的RD-180的推力仍有进一步提升的可能。然而，历史是不容我们假设的。

RD-170系列发动机的设计理念值得想要发展大推力液氧煤油火箭发动机的团队进行借鉴。美国与苏联争霸的那个时代已经远去，留下来RD-170这个世界上推力最大的液氧煤油火箭发动机的传奇。而中国，已经拥有了自己的液氧煤油火箭发动机。期待在今后的发展中，中国能够创造大推力火箭发动机的新纪录。

责任编辑：邢强