為什麼俄羅斯的火箭發動機推力始終相對領先呢?

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眾所周知,美國是一個實力強大的航空航天技術大國,美國洛克達因公司製造的F-1火箭發動機,平均海平面推力可達大約691噸,是世界上推力最大的單燃燒室液體火箭發動機。不過,作為一款液體火箭發動機,F-1火箭發動機略遜色於俄羅斯的RD-170發動機。而且,在發射阿特拉斯-5型運載火箭的過程中,美國仍然需要使用俄羅斯的RD-180發動機來提供動力輸出。從這一點看,俄羅斯的火箭發動機技術確實有領先之處。

RD-180發動機其實就是RD-170系列發動機的一個型號,RD-170系列發動機設計了多個版本,推力範疇在190噸至1000噸之間,RD-180發動機的真空推力為423.4噸,該級發動機的直徑約為3.15 米,長度為3.56 米,重量在5.0噸以上。普惠公司和動力機械科研生產聯合體合作開發了RD-180發動機,不過生產RD-180發動機的工作全部在俄羅斯完成,所以美國需要從俄羅斯進口發動機。

美國在1997年和俄羅斯簽署協議,動力機械科研生產聯合體向美國提供101臺RD-180火箭發動機,按照當時的計劃供貨工作持續到2018年。美國的阿特拉斯-5型運載火箭使用RD-180發動機作為第一節動力引擎,第二節動力引擎是半人馬座火箭。阿特拉斯-5型運載火箭的長度達到58.3米,直徑為3.81米,其重量接近550噸,有效載荷可達數噸,能用於發射各類衛星探測器,今後還有繼續改裝升級的餘地。

美國其實並不打算繼續使用俄羅斯的RD-180發動機,美國甚至希望在2019年就擺脫對於RD-180發動機的依賴,但是由於美國自己的替代型號尚未投入使用,所以美國只好將擺脫依賴的目標時間節點推延至2022年。而俄羅斯動力機械科研生產聯合體也仍然繼續向美國交付RD-180發動機。事實上,俄羅斯還有另一個火箭發動機型號也出口給美國,即RD-181發動機。而美國也承認,即使美俄兩國關係不佳,也仍需要在航天技術領域保持合作伙伴的關係。


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問題不準確哈,火箭發動機中推力最大的應該是美國的固體發動機,航天飛機用的是1400噸推力的,最新的sls用的五段固推1633噸推力。

如果限定液體發動機,也分很多種。

液體發動機裡推力最大的是煤油發動機,單燃燒室煤油發動機中推力最大的仍然還是美國土星五號的f1發動機,推力680噸;俄羅斯的rd170雖然推力達到800噸,但也多達4個燃燒室(噴口),蘇俄對大直徑噴口的燃燒穩定性沒有把握,所以只能裝多個噴口,rd170的單室版本rd190也只有200噸推力。rd170雖然比f1效率高很多,但是也晚了20多年才服役,它的對手f1早已功成名就退役十幾年了,而沒多久蘇聯就解體了,rd170沒派上多大的用場(能源號2射1敗就退役了),後來是烏克蘭的天頂系列火箭在用,發射成功率只有85%。俄羅斯自己並不使用這些大推力發動機,它的衍生型號rd180和rd190只用來出口,本尊170則掛在PPT火箭葉尼塞和頓河上。rd170對美國來說也沒有誘惑力,美國本來就可以購買或者授權本土生產該發動機,但是洛馬還是選擇在rd170的基礎上重新開發推力只有一半但更適合自己的rd180,美國運載能力最強的幾款火箭也不使用俄羅斯發動機。而俄羅斯自己喪失了再次擁有超重型火箭的可能性,最近又重提rd170應該還是想秀給中印看看,期待有人接盤。

俄羅斯的煤油發動機一枝獨秀主要是美國自己停止發展煤油發動機了,原因之一是美國的煤油含硫量過高,品質沒有蘇聯的好,轉而研發性能更高的氫氧發動機,之後spacex和洛馬出於成本的考慮又重新撿起煤油發動機,NASA的主承包商波音則使用全氫氧火箭。

另外液體發動機除了肼燃料、煤油,還有氫氧發動機和甲烷發動機,都是美國的推力比較大,rs68那300多噸的推力甚至直接當做主發動機使用,其他國家的氫氧機只有幾十噸到一百多噸,需要配合助推器使用。

最後,火箭發動機不是隻看推力的,即使推力非常大但如果體積過大或者比衝低也是白搭。不同燃料的發動機適合不同的場合使用:起飛階段用煤油機性價比高,進入真空就是氫氧發動機的天下,著陸器等需要長期保存快速響應的燃料時又會用上肼燃料,深空探測器和微型衛星則需要離子發動機。而一些特殊技能則需要特別的指標,比如垂直回收需要深度節流,推力大反而不適合;又比如開發火星需要能就地生產燃料,甲烷的優勢就出來了。

圖1是登月土星五號的f1發動機,圖上只能看到四臺發動機

圖2是能源號的rd170,圖上四個噴口屬於一臺發動機




老祖宗還沒起床呢


要想在數量上增大還是比較簡單的,只要造大一點就可以了。當然也有極限存在。

但是推力大的發動機,推重比不一定大,推進效果不一定就比推力小、推重比高的發動機好。俄羅斯(蘇聯)恰恰就是這樣發展發動機的。不過俄羅斯的火箭發動機比美國自己造的要便宜一些。火箭發動機工作時間短,對技術精密程度要求低。美國客機斷然不會採用俄羅斯渦輪發動機的。

俄羅斯的火箭不是技術領先,而是簡單的實用性比較好。就像炊事班做飯的大鍋,不如家用電飯煲技術含量高,但是做出來的飯菜數量多。做一個同樣容量的電飯煲,成本太高了!如果做一次飯菜就不再用了,當然是選擇大鐵鍋。


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