低温发动机原型仍然助力航天探测、防御及工业应用领域的发展

在手机和汽车功能短短几年就更新的时代，任何技术历经几十年仍然保持不变似乎是不可能的。但是，世界上第一个低温燃料火箭发动机，也就是美国国家航空航天局（NASA）技术的衍生产品，在其诞生50多年后，仍然是美国应用最广泛的上面级火箭发动机。RL10火箭发动机于1963年首次成功飞行，其对NASA的空间探索至关重要，已成功将成百上千个商用和军用有效载荷送入轨道，实现卫星通信和卫星防御作战。更重要的是，经过半个多世纪的发展，仅有少数几个国家拥有液氢和液氧火箭燃料技术。

RL10火箭发动机的成熟依赖于NASA刘易斯研究中心（现格伦研究中心）与普拉特·惠特尼公司（Pratt& Whitney）分支机构（现隶属于洛克达因公司）签订的合同，这两家公司之前独立研究过该技术。20世纪40年代，当时NASA前身——国家航空咨询委员会（NACA）的刘易斯研究中心对包括液氢在内的高能液体火箭推进剂进行了广泛的测试。如今，尖端推进和低温处理技术仍然是该中心特有的技术。普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）于20世纪50年代开始研究液氢。当时，洛克希德公司与该公司签订了分包合同，研发以液氢燃料为动力的飞机发动机，这曾是美国国防部的绝密项目。普拉特·惠特尼公司（Pratt& Whitney）在佛罗里达州西棕榈滩附近的大片土地上成立了一个试验机构，为高噪声发动机提供试验场地，洛克达因公司如今仍然在此地建造RL10火箭发动机。

这个被称为“晒斑”（SUNTAN）的项目最终被废弃，是因为项目组认为液氢不适用于飞机发动机，至少在现有的低温处理技术下不利于使用。但是，在SUNTAN项目中，投资较少的液氢发动机试验项目（被称作Bee项目）得以在刘易斯中心确立。Bee项目大获成功，使得该中心作为处理液氢推进剂的专业机构而声名大噪。

1958年，第一艘低温发动机火箭建造项目，也就是“半人马座”火箭的上面级启动。同年，NASA成立。该项目最初是美国国防部的项目，旨在将重型有效载荷运至轨道。但一年后美国宇航局接管了该项目，将其移至马歇尔太空飞行中心，并由普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）设计和制造用于发射该项目的RL10火箭发动机。1962年，“半人马座”火箭在第一次测试发射爆炸后，马歇尔太空飞行中心的高管打算“枪毙”该项目。但是，刘易斯研究中心主管Abe Silverstein说服了NASA总部将该项目移至刘易斯研究中心。刘易斯中心有关Bee项目的多年试验数据和设计方案深刻地影响了“半人马座”火箭和SUNTAN团队。

Bill Goette是其中一名参与了刘易斯研究中心早期低温发动机研究工作的工程师，其负责在NACA领导下的刘易斯研究中心研究不同混合推进剂的喷注器，其倾注了10年心血推进RL10发动机项目。在刘易斯研究中心早期研究取得的成果中，普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）最终选择了该中心的同轴式喷注器设计。 “所有工作都是基于研究，而从来没有考虑过特定最终用途，”Goette谈及早先在NACA工作时说道。“那就是NACA的本职工作，开展基础研究、剔除风险,并成为各公司行事效仿的模范。”

即使“半人马座”火箭项目迁至刘易斯研究中心，发动机研究工作最初还是留在了马歇尔太空飞行中心。原因是RL10也拟用于“土星”1号运载火箭的上面级；“土星”1号火箭是用于启动阿波罗计划的“土星”5号的前身。不过，Goette和刘易斯研究中心的其他人员及承包商美国通用动力公司一直致力于确保发动机满足“半人马座”火箭项目的需求。1963年，这项工作取得了成效，“半人马座”火箭及擎天神助推火箭发射，标志着低温火箭发动机首次成功飞行。几年后，NASA决定改变阿波罗上面级火箭的研发方向，但“半人马座”火箭项目和RL10发动机项目仍然保留在刘易斯研究中心，由Goette负责发动机项目。“在项目来到刘易斯研究中心之前，他们研发和测试了许多发动机，修复了很多问题。”他说。他声称，这个发动机效率非常显著。液氢燃料和液氧氧化剂高效结合产生的每单位燃料推力大于任何其他混合推进剂产生的推力。这意味着火箭可以携带更少的燃料，从而减轻重量，以便于将更多的有效载荷运送至轨道。不过，RL10发动机的膨胀机循环在燃料效率和简约方面更进了一步，不需要通过燃烧燃料的方式来转动驱动燃油泵的涡轮机。相反，低温液态氢用于冷却燃烧室和喷嘴，利用在此处获得的热量转化为氢气。氢气的这种膨胀使涡轮机转动，从而驱动泵。Goette称：“与使用汽车发动机产生的热量使内部升温的方法相比，发动机的膨胀机循环基本上可以被称为自由能。我认为其他任何人均没有用这种循环研发发动机。”

伴随着“半人马座”火箭项目的成功，在RL10项目中研发的液氢推进技术也用于研发“土星”5号的J-2上面级发动机，从而使美国实现宇航员登月。喷注器设计、减轻燃烧不稳定性的技术、抑制推进剂晃动的技术与氢气排空技术等关键技术和知识对“土星”5号的成功至关重要。最终，液氢和液氧成为美国火箭助推器及上面级（包括航天飞机主发动机和空军“大力神”系列运载火箭“泰坦”4号）的首选燃料。液氢被指定为NASA拟定太空发射系统的核心级和上面级用燃料。如今，“半人马座”火箭继续作为“擎天神”5号的上面级飞行，RL10发动机也作为“德尔塔”4型重型火箭的一部分飞行。

▲NASA工程师检测刘易斯研究中心（现格伦研究中心）推进系统实验室的早期RL10火箭发动机

项目移至刘易斯研究中心后仍然存在的一个挑战是发动机需要在太空中多次启动以满足任务需求。但是，由于轨道中没有重力，剩余燃料易在燃料储箱中随意飘浮。“半人马座”火箭已经使用了微型过氧化氢推进器控制其方向。Goette称，在燃料储箱后部增设几个推进器可以产生足够的向前推力来解决问题，使液体推进剂稳定在发动机进气口所在的储箱底部。其他变化包括加长发动机喷嘴和缩小推力室喉部，以提高功率和效率。在刘易斯研究中心监管“半人马座”火箭项目近30年的时间里，火箭的设计和RL10发动机都在不断变化和改进。

普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）最终接管了发动机。此时，移到刘易斯研究中心、存在重启问题的发动机已经全面更新换代了好几次。“在刘易斯研究中心的监管下开发和成熟的20世纪60年代早期版本的RL10发动机是革命性的样机。但是将早期模型发展为20世纪70年成熟的可靠的主力发动机RL10A-3-3进行了大量额外工作”，洛克达因（Rocketdyne）公司的RL10演变主管（曾受雇于普拉特·惠特尼公司）Jeff Breen说道。“从那以后，我们对RL10A-3-3机型又进行了6次改进，实现了更高的效率和更好的耐用性。但是，我认为目前的RL10C-1机型保留的大部分特点，得益于刘易斯研究中心与普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）的开发合作关系。”

▲“半人马座”上面级火箭一般由1个或2个RL10发动机驱动，自其第一次飞行后，是半个多世纪以来在美国使用最广泛的上面级

从20世纪60年代晚期至90年代早期，“半人马座”火箭和RL10发动机风靡一时，使美国一度成为商业太空发射领域的霸主。Breen估计，在那期间，RL10发动机推动发射了大概90%的大型商用卫星。如今，RL10发动机仍然是运送美国军方和其他高性能要求的民用有效载荷的首选上面级发动机。许多GPS卫星，在工业和日常生活中扮演着重要作用的空军项目，都是由RL10发动机送至轨道的。NASA利用“半人马座”火箭完成了无数次探月和星际探测任务，从“勘测者”1号（第一个成功登月的航天器）到“海盗号”（第一批探测火星表面的航天器），再到探测木星、土星、天王星和海王星，以及如今成为进入星际空间第一批探测卫星的“旅行者”1号和2号。目前由RL10发动机助力的发射任务包括“朱诺号”木星探测器、“好奇号”火星探测器、环绕土星的“卡西尼号”探测器和飞越冥王星系统，以及即将进入柯伊伯带的“新视野”号。

RL10发动机普遍应用的主要原因是其与日俱增、不同凡响的性能。推力与推进剂质量流速之比称作“比冲”。该发动机最初的工作时间为424s，如今已增加至约465s。当时第一个机型产生的推力为66.72kN，如今的机型已经达到111.21kN。发动机独特的泵送方式及其他设计元素也赋予其可靠性。Breen称，“它已证明自己是迄今为止最可靠的发动机。在其飞行历史中，发动机仅造成过一次失败。”

Goette说，这是因为在计算机设计工具出现之前的年代，普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）的方法是想出一种保守的设计，“然后测试、测试、再测试，如果失败，就将其修正。”例如，在测试过程中，发动机的飞行距离是其需要在太空中飞行距离的10倍；发动机阀的循环次数比飞行时高许多倍。Goette说：“发动机的设计余量充足，测试了无数次，消除了任何可能存在的缺陷点”，考虑到大多数火箭有效载荷的成本和重要性，不管是卫星，还是宇航员，可靠性是最值得考虑的，Breen称。“每次发射会投入大量资金。客户们知道发动机能够达到要求的性能，并能可靠地将有效载荷运至正确的轨道，因此才会找我们。RL10发动机给予了客户发射任务会成功的信心。”

发动机在太空中进行多次启动可以提高性能并能实现更长的发射窗口，这种多次启动的能力也是其一大优点。Breen说，在阿拉斯加冬天的夜里很难启动汽车，而在冻结的空间重启发动机就更难。虽然还有其他火箭有这种能力，但RL10发动机是唯一一种在单次任务中重启7次的发动机。所有这些使RL10发动机及由其驱动的“半人马座”火箭分别成为了美国火箭研究领域的最佳上面级发动机和最常用的上面级火箭。2009年，人们见证了由RL10发动机驱动的第400次飞行。

处理液氢的能力使美国民用航天项目得以诞生，同时，这一能力在商业航天产业及军事方面使美国具有其他国家无法媲美的独特优势。其最新的军事用途包括发射海军移动用户目标系统卫星星座和空军X-37试验机。从商业的角度而言，在太空时代的前几十年，美国几乎所有的卫星电视、无线电广播和手机应用，以及一些气象卫星、地球观测卫星和导航卫星均得益于RL10发动机的推动。

尽管该发动机可谓功勋卓著，但其从未用于载人航天飞行。这一点是时候改变了。波音的CST-100星际客机和内华达山脉股份公司的“追梦者”太空飞机均计划使用双发动机“半人马座”上面级将宇航员送入太空。NASA的太空发射系统将在EUS4个RL10发动机的帮助下执行载人飞行任务。Breen说：“我们非常期待最终载人飞行，希望能在载人航天飞行的里程碑上留下RL10发动机浓墨重彩的一笔。”尽管仍然是基于20世纪60年代在刘易斯研究中心成熟的相同设计，不过，发动机在21世纪已经更新换代了。Breen称，RL10 A发动机和B系列已经淘汰，取而代之的是RL10 C-1。RL10 C-1发动机于2014年定型，包含了早先机型的所有优点。

▲计划采用4个RL10发动机推动远征上面级；由远征上面级（EUS）搭载NASA“猎户座”太空舱首次载人发射。RL10发动机的发展史可以说是很传奇的，但RL10发动机尚未用于载人航天飞行

2016年春季，Aerojet Rocketdyne成功试射了一台带有利用3D打印技术制造的核心主喷注器的RL10发动机，将零件成本和生产时间都减少了大概一半。2019年之前，Breen预计大概95%的发动机复杂几何零件将采用3D打印技术制造。与此同时，空军项目及格伦研究中心也会提供帮助。“3D打印技术是一种新的制造技术；但在升级的同时还会保留RL10发动机的核心——膨胀机循环的完整性。因此，我们既保留了使发动机可靠的性能及其简约设计，又使其生产成本明显降低了”，Breen说道。这种升级更新可以确保世界上第一款低温发动机不会很快淘汰。Goette称：“也就是其改进的空间很小。”