美苏火箭技术PK

美苏火箭技术PK 从苏联解体前的火箭水平来看，苏联基本和美国一个档次： 美国和苏联的火箭思路是完全的两条路径—— 首先是60年代，美国在土星5号第一级上应用的F-1发动机是当时最大推力的发动机，也是有史以来造出来的推力最大的单燃烧室发动机，单台推力就接7000KN；而此时的苏联由于大推力发动机无法攻克，为了保证总推力，当年的N-1火箭是第一级绑了多达30个NK-15发动机，知道控制论的人都知道，你的结构越复杂，那么变量就越多，实际越不可能有效按照原定计划进行—N-1就是个很明显的例子，30个发动机中只要有1个没有顺利点火，那么就是完全的杯具，而保证30个发动机全部平稳工作自然比土星5号保证5台发动机的工作要困难的多，所以说N-1的杯具并不是科罗廖夫的能力问题，而是苏联的工业不能为神奇的科罗廖夫提供必要的成功条件——优秀的大推力发动机，如果是冯.布劳恩用30个NK-15作第一级的话，他估计也会吐血的。 这里要说明的是，虽然N-1是个彻头彻尾的大茶几，但是不代表NK-15不是个好发动机，这点还是要明确的，在70年代由NK-15发展而来的NK-33/43被称为史上最经典中推火箭发动机，也是至少目前来看空前绝后的高推重比发动机——真空推重比136.7：1。所以说，NK-15只是个用错了地方的神器，如果它不是用来推动重达3000吨的巨型N-1火箭，它可能就成为上一代的经典了。 苏联用于登月的N1火箭，由于单台发动机推力不够，采取了多台发动机，图中可见可怕的发动机群。 美国用于登月的土星五号火箭，图中可见发动机之大，当时是单台推力最大的发动机， 还有一件事情就是美国在土星5号之后其实是有数个非常疯狂的计划的，比如核动力版本的土星5号，后续的疯狂计划最著名的一个就是Nova（新星）火箭，新星可以看做是一个超级巨大版的土星5号，用真空推力9000KN的史上最大推力发动机F-1A推动，虽然Nova没有进行下去，但是变态的F-1A却造出了实机，它也是规模空前，而且目前都未有对手的史上最大推力发动机（没有之一） 但是随着美帝在越战的泥潭越陷越深，特别是70年代的石油危机对美国经济的沉重打击，美国不得不缩减航天部门的经费，休养生息。这点从下面可以看的出来~F-1虽然是非常巨大并且极高推力的发动机，但是它的原理并不先进，效率不高，而效率高的发动机是利用废气补燃和富氧燃烧的煤油发动机，废气补燃技术和飞机发动机上的涡轮废气增压其实很相像，富氧燃烧是指利用高浓度的氧气实现高的性能，看似原理很简单，但实际实现起来却非常复杂，因为你氧气一高，没有现有的金属可以实现在高温下与极高浓度氧气的惰性，那么肯定会变性。而这个问题的解决需要新一代的氧惰性合金的研发制。 美国在70年代本身科研经费大为缩减，所以在富氧燃烧和废气补燃技术上迟迟不能突破，最后不得不选择了另一条第一级发动机的路子——固体火箭发动机方案，说到固体推进器，其实原理要比液体推进器简单的多，实现起来也相对来说容易一些，固体火箭只有药柱截面和尾收敛段-喉管-喷管，没有液体火箭复杂的管道和真空泵，当然了，付出的代价是相比于液体火箭，固体火箭的比冲是很低的，所谓比冲，是火箭发动机性能最重要的一个指标，甚至可以说，比冲就直接代表了火箭发动机的技术水平。比冲的定义是单位流量推进剂产生的推力，液体发动机可以调节流量，固体发动机只能用药柱截面预定燃烧速度，没法调节，所以只能用总冲量除以药剂总消耗量计算。而固体火箭的特色就是比冲很低，举个例子，现在最先进的固体火箭——美国的三叉戟 D5的比冲也不过是269s左右，而最先进的液体火箭的比冲可以达到500s以上。 但是固体火箭也不是一无是处的，首先，固体火箭最大的好处就是不用加注，可以保存N年，而战时这个特点是非常重要的（战时难道你会跟敌人说：抱歉，我的导弹燃料还没加注好，可不可以给我一点时间）所以现代的弹道导弹基本全部都往固体燃剂发展。另外就是固体火箭由于药柱可以做的很粗，所以总推力可以达到非常惊人的程度，即液体火箭目前远远无法企及的推力，举个例子，美国航天飞机的SRB固体推进器是有史以来最大推力的人造装置，真空推力接近15000KN，比上面提到的F-1A还要高出N多。简单来说，固体推进器是效率不行，用蛮力补，也能起到相似的效果~言归正传，美国在迟迟无法攻克富氧燃烧和废气补燃煤油发动机的情况下，开始专注于固体推进+液氢推进的组合式推进方案，其实液氢发动机一直都是有的，只是在上面级罢了，这玩意太贵，一般第一级不会应用，比如土星5号第二和第三级的J-2液氢发动机。换句话说，美国是用固体推进器代替了性能更好，但推力稍逊的煤油发动机，美国在固体推进器上的最高成果就是有史以来最大推力的人造发动机——航天飞机的SRB固体推进器——航天飞机旁边两条白色棍子，燃烧完后回收。 美国的航天飞机，其两侧的白色“棍子”是固体助推火箭，中间的大圆柱是主燃料储存箱。 最大推力的液体火箭发动机——900吨级的F-1A，本打算用作土星5号改进型和新星火箭~而苏联也在同时期开始投入大量经费研制富氧燃烧和废气补燃技术，也是迟迟没有出成果。不过正所谓不飞则已，一飞冲天；不鸣则已，一鸣惊人。苏联在80年代中期左右终于攻克了花重金的富氧燃烧和废气补燃技术，特别是 惰性合金的研制，成果就是有史以来正式装备火箭的最大推力发动机——RD-170/171。RD-170/171可以称之为划时代的超级发动机，其不仅达到了7500KN的真空推力（超过土星5号的F-1），而且利用了富氧燃烧和废气补燃技术，大大提高了比冲，换句话来说，RD-170/171看似不比F-1推力大多少，但是效率高的多，同样的燃料可以飞的远的多。（F-1的真空比冲为264.72s，RD-170/171到惊人的338s）当然了，RD-170/171并不是没有缺点的，其一个发动机采用了四个独立的燃烧室，不仅提高了重量，而且提高了结构的复杂程度。不过瑕不掩瑜，RD-170/171的确是火箭发动机的皇帝，凭借着极高的性能藐视一切所在。 能源火箭是一种模块化的巨型火箭，只有芯级一级+助推段，能源火箭的助推级就是采用2-8个RD-171发动机，采用8个RD-171助推的最变态能源即是著名的Vunlcan（祝融神），可以将180-200吨的载荷送入LEO近地轨道（土星5号也不过是118吨） 不过可惜的是，祝融神没有实际试射过，这也是永远的遗憾了。 苏联的能源号火箭 超巨型的祝融神火箭，只可惜从来没有试射过~ 然后说说火箭的液氢发动机，液氢发动机的特点就是极高的比冲，不过所谓一分钱一分货，NB的性能必然会带来NB的价格，液氢发动机就是典型的例子一般极少液氢发动机直接用在第一级火箭上，因为液氢发动机推力比较低，关键是价格比较离谱，用在第一级上相当不划算不过第二和第三级就不存在这个问题了，而且高比冲高效率的推进器可以使火箭达到更远的航程，这是非常重要的。美国在50年代就开始液氢发动机的研制，60年代研制出一型非常出色的液氢发动机，这就是土星5号第二和第三级的著名的J-2发动机，真空环境比冲高达421s。需要说明的是，J-2可谓是火箭发动机中的长寿之星，土星5号用的是J-2， 预计的改进型土星5号打算使用的还是J-2（不过当然是经过增推大改的J-2S/T了），而美国2018年用于重返月球的战神5号的第二级还是用的改进增推型号J-2X。所以就这个来看，J-2被称为史上最成功液氢发动机也是不无道理的 J-2X液氢发动机 另外就是同样是非常成功的一型液氢小推力发动机RL-10 RL-10是美国最早的液氢发动机，甚至比J-2还要早，其最早应用是土星5号的试验型号土星1号的第二级和第三级，分别采用了6台RL-10和2台RL-10， 半人马座火箭的第二级也采用了该型发动机。该型发动机也是非常成功与长寿的，美国空军军用德尔塔4型火箭的第二级便采用了其的改进型号RL-10B2，真空比冲高达465.5s，甚至高过了俄国的 RD-0120，推力为110KN（可以看出其的推力的确是十分小的，只有中推J-2X的1/10还不到，在美国那么多重型发动机（比如变态的15000KN推力的SRB）面前的确是小弟弟）猎户座飞船的减速火箭将采用RL-10B2，目前的RL-10B2只能将推力降至自己 最大推力的20%，未来目标是降至10%以内，以方便猎户座飞船缓步下落~下一代飞船——猎户座飞船，很像拍扁了的阿波罗飞船~ 虽然J-2非常长寿而且性能优异，但是美利坚的最高水准远不止于此，在70年代，美国不惜重金打造了一款不惜工本的超级火箭发动机，制造商为洛克达因公司（现并入普惠），这就是著名的航天飞机主发动机SSME（公司内部代号RS-24） 液氢发动机单用于第一级的是比较少的，但是还是有例子的，典型的比如航天飞机，其的第一级就是液氢发动机，能源的第一级和战神5号的第一级以及德尔塔火箭和天顶号的助推级都是液氢发动机~单就比冲来看，其480s的无敌比冲可谓是独步天下，罕有敌手，这也是公认的史上最高指标液氢发动机~在RS-24之后，美国人又研制了RS-68发动机，与RS-24不同，RS-68不追求极限性能，更加追求成本的可承受性和大推力，其的真空比冲只有410s，在液氢发动机中实在不算什么，不过其是史上最大推力的液氢发动机，推力高达3370KN，这也是其的特色。（SSME只有1817.4KN） RS-68由于其的低成本被广泛应用，不仅应用在美国军用的德尔塔火箭上，而且将会在战神5号的第一级上应用~ SSME发动机，航天飞机的第一级发动机~ 然后说说苏联，苏联对煤油的发动机研究的比较深入，液氢发动机的研制比美国人稍晚一些，不过并不代表苏联人就不能做出好的液氢发动机。毛子在液氢发动机前曾经走过弯路，比如质子号和切洛梅UR500/700超级火箭计划，是采用剧毒的偏二甲肼推进剂，这种燃料一泄漏对环境的破坏是相当巨大的，并且比冲并不高（一般只有300s出头，比如美国航天飞机的OME第二级推进器） 苏联在70年代末终于意识到剧毒的偏二甲肼推进器是没有前途的，开始专注于发展液氢推进器，最终的成果就是可堪与SSME比肩的苏联最强液氢发动机RD-0120（真空比冲455s，推力1961KN）。当然了，RD-0120的性能相比于SSME还是略差一些的，这是因为苏联在液氢火箭发动机之前曾经走过一段弯路。 不过总体来看，虽说有SSME这个变态，但是RD-0120还是稳坐了液氢发动机 的第二把交椅。RD-0120是为能源火箭开发的，应用在能源的芯级（能源只有一级芯级+一级助推级）~ RD-0120，目前性能世界第二的液氢中推~仅次于SSME 比土星5号还大的多的切洛梅设计局UR700 可以与美国猎户座和新星、英国戴达罗斯并列的冷战超级疯狂计划，采用剧毒的偏二甲肼推进剂~ 冷战最疯狂计划——比土星5号大10倍的美国核动力猎户座火箭~ 总体来说，苏联解体前与美国的火箭技术基本处于同样的水平线上美国在大推力固体发动机上独领风骚，SRB也是目前推力唯一过10000KN的超级人造发动机，相比于其他如日本或者印度等国造个2000KN固体推进器都要沾沾自喜的情况来看，美国70年代15000KN级的SRB绝对是妖孽级别~但是苏联在制造富氧以及废气补燃技术的煤油火箭发动机方面未有敌手，天下无双，RD-170/171也稳坐最大推力以及最先进煤油火箭发动机的位置。其虽然推力远不及SRB，但胜在高比冲高效率，因此实际性能相比SRB也是不遑多让，能源凭借着RD-171(加装矢量喷管）也靠着比土星5号轻600吨的质量载重略次于土星5号~而液氢发动机方面，美国由于弯路小，因此处于领先状态，但苏联也紧随其后，两者的氢氧发动机制造技术水平在苏联解体前差距在5年以内。 苏联解体之后，军队都缺乏经费，更不用说航天部门了，而对于这个曾经的大对手，美国NASA也是保持着相当程度的敬畏。 前面说了，美国一直没有攻克煤油火箭发动机的补燃技术和富氧燃烧技术，而此后专攻固推，所以煤油火箭发动机基本落下了，而苏联的解体提供了一个契机，使美国能够一窥神秘的RD-170/171背后的秘密，了解苏联是怎么攻克相关技术的。 因此NASA以及洛马和通用动力共同找到了解体后成立的俄罗斯动力机械科研生产联合体，要求购买RD-170和衍生型号RD-180的技术专利(前面已经说了，RD-170是四个燃烧室，RD-180减为两个，结构不变，推力自然减少一半左右），俄罗斯当时设计局连工资都发不出，咬到这条大鱼自然是满口答应。 因此，美国的宇宙神火箭采用了许可在美国国内生产版本的RD-180发动机。当然了，永远不要低估美国人的野心，美国的确是对富氧燃烧和补燃技术很感兴趣，但更想完全掌握相关技术，继而在火箭技术的所有领域获得绝对的霸主地位。所以在90年代末期，美国开展了一个雄心勃勃的计划——研究下一代的超级火箭发动机，备选方案主要有富氧补燃的煤油发动机RS-84和比SSME性能更优良，推力达到5000KN级别的超级液氢发动机RS-83。其中RS-84除沿用富氧燃烧技术和补燃技术外，还采用了结构更简单的单燃烧室设计，可谓是相比于RD-170/180更加的青出于蓝而胜于蓝了。RS-83/84另外一个变态之处是要求可回收，大家知道，一般只有固体火箭发动机是可回收的（比如航天飞机的SRB），而液体火箭发动机一般是直接抛掉，成本非常高，美国雄心勃勃的SLI计划试图将液态火箭也一并回收，并 且在90年代中期首次回收了一枚德尔塔1型火箭，开创了液体火箭回收的先。然而测试是一回事，回收稳定性又是另一回事。随着美国伊战的爆发和经济形势的吃紧，美国最终不得不放弃了堪称史上最强的RS-83/84计划，但是两者其实都已经造出样机，转入技术储备，并非没有成果，所以取消还是比较可惜的~ 俄罗斯在RD-170的基础上发展出了RD-190，其中掺入了部分液氢，使得液氢、煤油和液氧稳定复合燃烧，进一步提升了RD-170的性能，在RS-84取消后，RD-190/191是当之无愧的最强煤油发动机~由于能源火箭发射价格过于昂贵，目前已经不继续采用，转为使用便宜的质子火箭或者新式的天顶火箭（就是能源的助推级），其采用了一级RD-171或者RD-191作为动力~ 除了对巨大的RD-170/180有非常浓厚的兴趣之外，对于中等推力的NK-33/43美国也有相当程度的兴趣。前面说了，NK-33/43都是从N-1火箭的NK-15煤油发动机发展而来的，但是它们虽然推力小（只有1500/1700KN左右），但是仍然采用了富氧燃烧和分级补燃技术，并且在火箭发动机中有着最高的推重比（133.7：1）这也是美国人对此感兴趣的原因。在苏联解体后，美国迅速通过向仓管人员行贿的手段弄到了1台NK-33回国研究，美国的轨道科学公司也对此很有兴趣，并且购买了NK-43用于推动自己的民用探空火箭——金牛座2号波音RS-84