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连美国都在用的俄罗斯火箭发动机究竟牛在哪儿?

时间:2017-07-18  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  说起俄罗斯的火箭发动机不得不提的就是该国的动力机械科研生产联合体(NPO Energomash)。NPO Energomash是俄罗斯一家专门从事液体推进剂火箭设计生产的公司。其创建者是苏联20世纪20年代就开始从事火箭发动机研究的瓦朗坦·格鲁什科。

 

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  格鲁什科领导设计局长达30多年,给当时的苏联提供了许多性能最好的发动机。看看人家的座右铭“Without an engine even the most perfect rocket is dead”——没有发动机即使是最完美的火箭也是无法上天的,是句大实话,但是人家就是愣是做到了不用我的发动机你们的火箭就没法好好飞的地步。

 

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  公司曾成功设计了RD-107和RD-108发动机,驱动R-7火箭将卫星号人造卫星送入太空。1957—1966年期间,经对R-7发动机、结构和其上面级的改进,一个可靠的、通用的运载火箭系列诞生了,并支持了苏联/俄罗斯航天计划50年。包括为“质子号”火箭设计了RD-253发动机,给“能源号”设计了RD-170,给“天顶号”设计了RD-171和RD-120,给“宇宙神”和“安加拉”设计了RD-180和RD-191,给“第聂伯”设计了RD-264,给“旋风号”设计了RD-261等。 可以说离开了NPO Energomash,也就没有俄罗斯辉煌的航天成就了。

 

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  与美国结缘的火箭发动机

 

  1976-1986年,由格鲁什科领导的设计团队研制了供“能源号”与“天顶号”使用的RD-170/RD-171型高压补燃液氧煤油发动机。“能源号”火箭的助推器使用RD-170,而“天顶号”火箭则使用RD-171。二者的区别在于,RD-170的推力矢量喷管可以沿2个方向轴摆动,RD-171的喷管则只能沿1个方向轴摆动。RD-170/RD-171是迄今为止世界上推力最大的液体火箭发动机,其真空推力高达7,903kN。由于威力强大,“天顶号”火箭的第一级只需安装一台发动机。

 

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RD-170、RD-171和RD-171M火箭发动机

 

  RD-180是俄罗斯动力机械制造科研生产联合体于1994—1995年开始在RD-170和RD-171发动机的基础上研制的一款双燃烧室双喷嘴的火箭发动机。RD-180有70%左右的组件都与RD-170相同,显著降低了研制新型发动机的成本,缩短了研制周期。RD-180发动机有两个推力室,由一个富氧燃烧预燃器驱动公用涡轮泵。由于RD-170发动机已经过了1,000,000多秒的热试车,因此RD-180发动机的研制风险较低。

 

  1996年,RD-180被洛克希德·马丁公司选定用于“宇宙神3”运载火箭,后来主要是用于20世纪90年代开发改进型一次性运载火箭(EELV)和“宇宙神5”运载火箭。考虑到这些火箭既要满足军用,又要用于商业发射,因此普惠公司也加入发动机合作项目。发动机的生产全部在俄罗斯进行,而负责出售的是发动机生产商动力机械科研生产联合体和普惠公司组成的合资公司。

 

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The RD-180 engine powers ULA's workhorse Atlas 5 rocket.

 

  RD-180以煤油和液氧为推进剂,使用高压分级燃烧循环。RD-180继承了先驱RD-170的富氧预燃室设计,使发动机效率更高。喷嘴的活动由四个液压缸支持。RD-180首先被使用在“宇宙神2A-R”火箭上,也就是“宇宙神2A”加字母R。(R代表俄罗斯,因为火箭采用了俄罗斯的主发动机)这款火箭后来被命名为“宇宙神3号”。目前美国现役的“宇宙神5号”火箭也沿用了RD-180。

 

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RD-180与Merlin 1D发动机参数比较

 

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  1997年,NPO Energomash与美国签订合作协议,要求2018年底,共向美国交付101台RD-180火箭发动机。到2013年后期,动力机械科研生产联合体已向美国供应了70多台RD-180火箭发动机,每台价值1000万美元,据评估,其盈利已达到该企业收益的三分之一。可以说美国大量购买RD-180火箭发动机,帮助NPO Energomash这个俄罗斯发动机制造企业度过了20世纪90年代至21世纪初这段最艰难的岁月。

 

  美国的火箭发动机替代计划进展

 

  美国之所以购买俄罗斯RD-180液氧煤油发动机作为“宇宙神”5火箭的芯一级,主要出于两方面考虑:

 

  美国液氧煤油发动机的研制水平落后于俄罗斯,俄制RD-180发动机成本较低、性价比较高;

 

  美国为防止大规模杀伤性武器扩散,希望通过购买俄罗斯过剩的液氧煤油发动机研制能力,防止其将产品出口至所谓“流氓”国家,用于制造远程导弹等大规模杀伤性武器。

 

  此后,美国虽然对自行研制液氧煤油发动机进行评估,但最终由于成本过高而放弃。20多年来,“宇宙神”5火箭作为美国空军发射重要安全载荷的主力火箭之一,持续使用RD-180,对俄罗斯依赖严重,使得美国运载火箭工业产业链不完整,安全进入空间的能力存在风险。

 

  2014年乌克兰危机导致美俄关系紧张,美国为维护国家安全,立即启动RD-180替代计划。为尽快获得替代俄罗斯制造的RD-180 火箭发动机,五角大楼2016年2月29日宣布,美国空军分别向航空喷气洛克达因公司和联合发射联盟公司(ULA)授予了发动机研制合同。前者利用合同经费研制AR1 发动机,后者研制Vulcan火箭使用的BE-4 发动机样机以及被称为下一代先进改进低温上面级发动机(ACES)。其中AR1发动机由于利用3D打印、低成本钎焊与成形等,每个发动机的价格在2000~2500万美元。采购RD-180的单价为2500万美元。

 

  然而,美国空军预计的替换RD-180的期限为2022年左右。空军认为,仅仅研制一款新型发动机直接替换“宇宙神”5火箭的RD-180是不现实的,因为每一枚火箭的研制都深受发动机的影响,按照新型发动机改造运载火箭仍然需要大量资金,如果没有政府投资,火箭供应商不愿意重新设计运载火箭。真正实现摆脱对俄火箭发动机的依赖还要寄希望于新型运载的研发。

 

  中国重型火箭发动机研发对俄的冲击

 

  其实几年前中国也曾与俄罗斯接洽国购买RD-180发动机,毕竟RD-180发动机用煤油和液氧作为氧化剂,无毒、风险小,并且该款发动机的推力大。我国火箭发动机过去主要采用的燃料是庚基燃料,庚基是有毒物质。中国前几年宣布使用煤油和液氧作为火箭燃料,但中国自己的大推力发动机现在大约只能达到RD180的三分之一强,虽然中国的长征五号通过使用两台自己的大推力发动机勉强可以,但远不如俄罗斯的这款发动机推力大,购买俄罗斯的这款RD180发动机可以一定程度加快中国航空航天的发展进程。

 

  最后中俄之间并没有达成协议。对俄罗斯来说,中国本身就是航天大国,学习消化技术能力太强,把技术给中国很快可能就会抢了能给俄罗斯带来巨大利润的重型火箭发动机市场,俄罗斯一直担心这一点。2017年,我国首台泵后摆火箭发动机试车圆满成功,这意味着中国成为世界上继俄罗斯之后第二个掌握泵后摆核心技术的国家,为研制更大推力液体火箭发动机奠定了坚实的基础。看来俄罗斯的担心可能会成真。

 

  俄罗斯超重型火箭发动机研制规划

 

  虽然有着一系列经典的火箭发动机产品,俄罗斯航天工业却在面临着缓慢衰退,从业人员日益老化,俄罗斯需要展开一项较大的航天工程来全面带动航天工业的发展和完善。面对美国紧锣密鼓展开的深空探测计划,俄罗斯一直希望能够展开超重型火箭的研制计划。因为超重型火箭研制难度大,它的研制将产生更具实力的研制队伍,推动俄罗斯航天工业的长远发展;从政治上说,超重型火箭的研制成功,将让俄罗斯在载人深空探测上和美国齐驱并驾,继续保持航天超级大国地位。

 

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  然而由于俄罗斯的经济状况复苏缓慢,在《2016~2025年航天规划》中,俄罗斯政府拨给航天领域的资金只有1500 亿人民币,比原来预计要少很多。航天规划的草案提到,2022年后可能补充拨付138亿人民币,但俄罗斯航天局2015年初的评估认为,超重型火箭研制可能需要750亿人民币的拨款,这些可能的补充拨款对研制超重型火箭来说仍然是杯水车薪,即使俄罗斯经济复苏加快,也不可能在2025年研制出超重型火箭。

 

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