RD-170世界上推力最大的液体火箭发动机

□ 邢强

RD-170世界上推力最大的液体火箭发动机

□ 邢强

“宇宙神”III型运载火箭本来的名字叫做“宇宙神”IIA-R。后面的R代表Russian，表示采用了俄罗斯生产的火箭发动机。后来，为了淡化美国的这款火箭使用俄罗斯发动机的这个事实，火箭更名为“宇宙神”III。

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”，人类发射的第一颗人造地球卫星，有人说用“暴风雪”号航天飞机，而笔者认为：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的过程中达到的一个技术高度。

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。这款拥有4个燃烧室，1台涡轮泵和2个预燃室的发动机的海平面最大推力为740吨。很多人想要比较“土星”5号火箭的F-1火箭发动机。F-1是世界上推力最强的单燃烧室发动机，而RD-170则是世界上推力最强的多燃烧室发动机。它们的主要性能的对比情况如左图。

可见，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。

左图：RD-170发动机

右图：RD-170喷管内流场计算

RD-170发动机项目的由来

每一款大型发动机的背后，通常都会有一个巨大的项目需求，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火箭发动机的背后，当然也少不了大型项目的支撑。

没有任何一个神奇的装备不是由一项国家项目撑起来的，如果不够的话，那就来两个。

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。

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，苏联于取消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“能源”号火箭的是RD-170原装版本，用于“天顶”号火箭的是增设了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是相同的。）

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。

RD-170有着强大的涡轮泵。有这样一艘叫做“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。另外，还要摸透管路内对燃料的阻滞效应的大小。

不过，虽然RD-170的喷管尺寸比F-1的小很多，但是RD-170的喷管内型面的设计是非常美的。

作者特意用了些时间计算了RD-170喷管的内流场，算是给留存彩色照片不多的RD-170发动机增添一些色彩吧。

为什么RD-170的比冲要比F-1的高？

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。（F-1火箭发动机则采用燃气发生器循环方式）。按照迄今为止，火箭工程师对发动机的了解，补燃循环的比冲比燃气发生器的比冲要高10%左右。

另外，采用燃气发生器的工作方式的发动机，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日才首次实用的发动机来说，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。

大部分关心火箭发动机设计的人都会有这个疑问：

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7MPa！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7MPa，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了！

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。而在里海西岸中部的那个向海里突出的尖尖角里，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的高品质萘基油。

另外，西伯利亚地区出产的原油也有着不错的品质。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7MPa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。）

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，它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。

“能源”号运载火箭

RD-180远渡重洋，为美国航天发射贡献力量

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。

RD-180发动机

RD-180是RD-170火箭发动机的燃烧室减半版本

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。洛马公司看中了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25MPa的燃烧室压力进一步提升到 了25.7MPa，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%。

1998年11月4日，一台RD-180发动机迎来了新的测试。然而，测试地点并不是RD-170系列和RD-180系列发动机所熟悉的老家苏联航天工业科学实验中心的102号试验台，而是美国航宇局的马歇尔航天中心试车台。在这里，“土星”5号的F-1火箭发动机进行过测试，航天飞机的主发动机进行过测试，如今，来自曾经的铁幕的另一端的苏联RD-180火箭发动机正在进行测试。熟悉的喷管外形，熟悉的火焰，只是，发动机外壳上的CCCP和红星，换成了洛马公司的标志。RD-180主要用在美国“宇宙神”系列运载火箭上。搭配不同的固体助推器，该系列火箭可以提供8吨到29吨的近地轨道运载能力。“宇宙神”III型运载火箭本来的名字叫做“宇宙神”IIA-R，后面的R代表Russian，表示采用了俄罗斯生产的火箭发动机。后来，为了淡化美国的这款火箭使用俄罗斯发动机的这个事实，火箭更名为“宇宙神”III。