美国火箭发动机的发展史(下)

2016年12月19日 9:43 6342次浏览 来源:   分类: 新材料前沿   作者:

美国火箭发动机发展的黄金时期
当Atlas在1960年部署时,作为当时的武器它被列于废弃名单中,但在与上级联合使用时,它却再被证明是一种优秀的卫星运载火箭。改进Atlas包括使用更强大的MA-5推进系统,在起飞时产生1869千牛顿推力。Thor也被改进,以更好地作为一个运载火箭,这种改进包括它从1960年起作为三角洲的第一阶段最出色的角色。像所有基于Thor的运载火箭,三角洲将在下一个14年内继续使用MB-3。

虽然Jupiter在20世纪60年代初被逐渐淘汰为武器和运载火箭,但是它的S-3D发动机被Rocketdyne工程师在1959年大幅简化以生产H-1。一组8个H-1引擎,经过一系列长期的设计改进,最终总共可产生7300千牛顿的推力,用于Saturn I和IB,它们开启了第一个阿波罗任务并送入预定轨道。后来Rocketdyne的经验被用来制造由美国飞行史上最强大的火箭发动机:F-1。在1967,每个能产生6675千牛顿推力的F-1发动机,使用5个一组作为Saturn V的第一阶段。
虽然更强大的第一阶段发动机可以转化为更大的有效载荷,但上级发动机的性能会受到很大的影响。目前使用的最终推进剂组合是液体氢和LOX,其几乎是大多数常规推进剂的质量的两倍。使用这种强大的低温组合的第一台发动机是Pratt&Whitney(在与Rocketdyne在2005年合并后,现在也是Aerojet Rocketdyne的一部分)建造的RL-10。
基于1957年刘易斯实验室(现在的NASA的Glenn研究中心)成功测试设计,在高性能Centaur阶段使用了一对能产生约67千牛顿推力的RL-10发动机。1963年第一次成功地和阿特拉斯一起飞行,Centaur的性能超过任何其他进入高地球轨道或超越的上级阶段。
美国宇航局在1964年开始的Saturn I的第二阶段也采用了6个RL-10发动机的集群。尽管它们的性能优异,但是RL-10由于太小还是不能实际用于大型火箭。NASA给了Rocketdyne一个合同,要求建造更强大的890千牛顿推力J-2发动机。在1966年第一次飞行的土星IB的改进的第二阶段中使用单个J-2。同样的阶段也用作土星V的第三阶段,在其第二阶段采用5个J-2发动机的集群。在Saturn V的高级阶段使用高性能J-2有助于给这个火箭提供前所未有的有效载荷能力。
在这个时代的低温火箭发动机开发的最终成就是Rocketdyne的航天飞机主机或SSME(今天被称为RS-25)。1971年开始发展,SSME在比任何其他发动机在更高的温度和压力下运行得更好,以使其成为最有效的发动机。每个能够节流和生产2278千牛顿,这些发动机的三个引擎现在被退休的航天飞机使用。虽然一对可恢复的固体火箭助推器做了大部分的工作以使航天飞机离开发射台,但是SSME确提供了大部分的有效能量支持其轨道运行。
美国火箭发动机发展停滞阶段
美国的火箭发动机的开发通常与发展特定火箭有关。由于在20世纪60年代中期建立的稳定的运载火箭设计,空间规划者更倾向于逐步改进以提高性能,而不是从头设计新的火箭。在许多基于Thor的运载火箭中,特别是Delta,越来越强大的固体火箭助推器与拉伸的上级阶段结合的更大集群被用于逐步提高性能。
在Titan火箭系列中固体助推器的使用达到极致。在1965年,一对120英寸的固体火箭助推器被连接到一个改进的Titan II核心上,产生第一个Titan IIIC,具有四倍于Titan II轨道有效负载的能力。(见《“泰坦IIIC的第一次使命”》)。
在接下来的30年中,Titan核心被拉伸,并且更长的助推器被连接以缓慢地提高其系列产品Titan III和Titan IV的性能,甚至Centaur被改装为泰坦IIIE和最终的泰坦IV,进一步提高其有效载荷能力。
但是在20世纪70年代和80年代期间,只对Atlas,Delta和Titan使用的液体火箭发动机进行了微小的改动,以提高其性能、可靠性和可制造性。在1974年,Rocketdyne推出了RS-27来代替三角洲老化的发动机MB-3。结合了传统MB-3和H-1设计的组件,RS-27只是一个仅使用20年的具有相同基本设计的现代化版本。但是,由于在20世纪80年代计划使用航天飞机替代所有消耗性运载火箭(ELV),开发新发动机的需求不大。
1986年Challenger事故后,终于证实了完全依靠航天飞机实现发射服务的的想法是多么的愚蠢。因此,美国开始更多的从事现有运载火箭的设计,以及火箭发动机以为其提供动力。Delta II和III(今天仍在飞行)使用就是改进的RS-27A发动机。从1991年开始,Atlas II使用升级的MA-5A,其中MA-5的原始YLR89增压器被一对RS-27推力室代替。
俄罗斯发动机制造商Energomash与Pratt&Whitney合作开发了RD-180(衍生自俄罗斯RD-170,为Zenit和退役的Energia助推器提供动力),在2000年使用取代Atlas III中的MA-5A。这个发动机燃烧煤油和LOX,并具有节流功能,且双腔RD-180可以产生高达3800千牛顿的推力。这种发动机目前仍然在Atlas V中使用,并且成为近年来争议不断的源头。
自SSME以来,开发的第一个全新的大型液体推进剂火箭发动机是Rocketdyne的RS-68。燃烧液态氢和LOX可产生高达3314千牛顿的推力,该发动机从一开始就设计成用最小化制造成本。RS-68的零件比SSME少93%,并且被宣传为能提供比任何其他火箭发动机更大的单位推力。自从2003年推出以来,RS-68已经用于Delta IV系列运载火箭的第一阶段。
由于 Centaur甚至在航天飞机都具有划时代的意义,普惠公司继续升级RL-10以满足今年来的新需求。 最新版本的Centaur使用单个RL-10A4-2发动机作为Atlas V的上级阶段。更新的版本,使用RL-10B-2发动机能产生110千牛顿的推力,这个发动机于1998年首次用于现在已退役的Delta III的第二阶段,目前用于Delta IV的第二阶段。RL-10也被改进用作他用:在20世纪90年代中期在DC-X实验火箭上使用了四个可调节的65千牛顿推力RL-10A-5发动机。
虽然在过去几十年中已经开发和测试了用于各种重型运载火箭概念的发动机,但趋势是采用旧发动机的进化升级(如用于SLS的RS-25/ SSME) 或廉价的俄罗斯运载火箭的发动机,如前面提到的Atlas V和轨道科学的Antares。
在这种趋势和过去10年中的一系列公司兼并之间,将原来的三个美国主要的火箭发动机制造商合并成一个单一的公司Aerojet Rocketdyne,以及一个大型运载火箭的单一主要制造商,“联合发射联盟(ULA)”。新发动机和运载火箭的几十年的发展希望能缓慢地实现。
在航天飞机退役后,继续存在不确定性和缺乏足够的资金用于重型起重机火箭的发展,这只会使现存问题更加复杂。这使美国在与俄罗斯的关系日益紧张的时候还要依赖俄罗斯。
而唯一的例外还是SpaceX使用的廉价Merlin系列发动机,用于可负担得起的Falcon发射车系列和正被考虑用于未来的运载火箭的Blue Origin的BE系列发动机。只有时间会告诉美国火箭发动机的发展能否恢复,即使这曾经是这个国家的骄傲。

责任编辑:于璐

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