低溫發(fā)動(dòng)機(jī)原型仍然助力航天探測(cè)、防御及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展

在手機(jī)和汽車功能短短幾年就更新的時(shí)代，任何技術(shù)歷經(jīng)幾十年仍然保持不變似乎是不可能的。但是，世界上第一個(gè)低溫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）技術(shù)的衍生產(chǎn)品，在其誕生50多年后，仍然是美國(guó)應(yīng)用最廣泛的上面級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)于1963年首次成功飛行，其對(duì)NASA的空間探索至關(guān)重要，已成功將成百上千個(gè)商用和軍用有效載荷送入軌道，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信和衛(wèi)星防御作戰(zhàn)。更重要的是，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家擁有液氫和液氧火箭燃料技術(shù)。

RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟依賴于NASA劉易斯研究中心（現(xiàn)格倫研究中心）與普拉特·惠特尼公司（Pratt& Whitney）分支機(jī)構(gòu)（現(xiàn)隸屬于洛克達(dá)因公司）簽訂的合同，這兩家公司之前獨(dú)立研究過該技術(shù)。20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)NASA前身——國(guó)家航空咨詢委員會(huì)（NACA）的劉易斯研究中心對(duì)包括液氫在內(nèi)的高能液體火箭推進(jìn)劑進(jìn)行了廣泛的測(cè)試。如今，尖端推進(jìn)和低溫處理技術(shù)仍然是該中心特有的技術(shù)。普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）于20世紀(jì)50年代開始研究液氫。當(dāng)時(shí)，洛克希德公司與該公司簽訂了分包合同，研發(fā)以液氫燃料為動(dòng)力的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，這曾是美國(guó)國(guó)防部的絕密項(xiàng)目。普拉特·惠特尼公司（Pratt& Whitney）在佛羅里達(dá)州西棕櫚灘附近的大片土地上成立了一個(gè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，為高噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)提供試驗(yàn)場(chǎng)地，洛克達(dá)因公司如今仍然在此地建造RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

這個(gè)被稱為“曬斑”（SUNTAN）的項(xiàng)目最終被廢棄，是因?yàn)轫?xiàng)目組認(rèn)為液氫不適用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，至少在現(xiàn)有的低溫處理技術(shù)下不利于使用。但是，在SUNTAN項(xiàng)目中，投資較少的液氫發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目（被稱作Bee項(xiàng)目）得以在劉易斯中心確立。Bee項(xiàng)目大獲成功，使得該中心作為處理液氫推進(jìn)劑的專業(yè)機(jī)構(gòu)而聲名大噪。

1958年，第一艘低溫發(fā)動(dòng)機(jī)火箭建造項(xiàng)目，也就是“半人馬座”火箭的上面級(jí)啟動(dòng)。同年，NASA成立。該項(xiàng)目最初是美國(guó)國(guó)防部的項(xiàng)目，旨在將重型有效載荷運(yùn)至軌道。但一年后美國(guó)宇航局接管了該項(xiàng)目，將其移至馬歇爾太空飛行中心，并由普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）設(shè)計(jì)和制造用于發(fā)射該項(xiàng)目的RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。1962年，“半人馬座”火箭在第一次測(cè)試發(fā)射爆炸后，馬歇爾太空飛行中心的高管打算“槍斃”該項(xiàng)目。但是，劉易斯研究中心主管Abe Silverstein說服了NASA總部將該項(xiàng)目移至劉易斯研究中心。劉易斯中心有關(guān)Bee項(xiàng)目的多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方案深刻地影響了“半人馬座”火箭和SUNTAN團(tuán)隊(duì)。

Bill Goette是其中一名參與了劉易斯研究中心早期低溫發(fā)動(dòng)機(jī)研究工作的工程師，其負(fù)責(zé)在NACA領(lǐng)導(dǎo)下的劉易斯研究中心研究不同混合推進(jìn)劑的噴注器，其傾注了10年心血推進(jìn)RL10發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。在劉易斯研究中心早期研究取得的成果中，普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）最終選擇了該中心的同軸式噴注器設(shè)計(jì)。 “所有工作都是基于研究，而從來沒有考慮過特定最終用途，”Goette談及早先在NACA工作時(shí)說道。“那就是NACA的本職工作，開展基礎(chǔ)研究、剔除風(fēng)險(xiǎn),并成為各公司行事效仿的模范。”

即使“半人馬座”火箭項(xiàng)目遷至劉易斯研究中心，發(fā)動(dòng)機(jī)研究工作最初還是留在了馬歇爾太空飛行中心。原因是RL10也擬用于“土星”1號(hào)運(yùn)載火箭的上面級(jí)；“土星”1號(hào)火箭是用于啟動(dòng)阿波羅計(jì)劃的“土星”5號(hào)的前身。不過，Goette和劉易斯研究中心的其他人員及承包商美國(guó)通用動(dòng)力公司一直致力于確保發(fā)動(dòng)機(jī)滿足“半人馬座”火箭項(xiàng)目的需求。1963年，這項(xiàng)工作取得了成效，“半人馬座”火箭及擎天神助推火箭發(fā)射，標(biāo)志著低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)首次成功飛行。幾年后，NASA決定改變阿波羅上面級(jí)火箭的研發(fā)方向，但“半人馬座”火箭項(xiàng)目和RL10發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目仍然保留在劉易斯研究中心，由Goette負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。“在項(xiàng)目來到劉易斯研究中心之前，他們研發(fā)和測(cè)試了許多發(fā)動(dòng)機(jī)，修復(fù)了很多問題。”他說。他聲稱，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)效率非常顯著。液氫燃料和液氧氧化劑高效結(jié)合產(chǎn)生的每單位燃料推力大于任何其他混合推進(jìn)劑產(chǎn)生的推力。這意味著火箭可以攜帶更少的燃料，從而減輕重量，以便于將更多的有效載荷運(yùn)送至軌道。不過，RL10發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹機(jī)循環(huán)在燃料效率和簡(jiǎn)約方面更進(jìn)了一步，不需要通過燃燒燃料的方式來轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)燃油泵的渦輪機(jī)。相反，低溫液態(tài)氫用于冷卻燃燒室和噴嘴，利用在此處獲得的熱量轉(zhuǎn)化為氫氣。氫氣的這種膨脹使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)泵。Goette稱：“與使用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量使內(nèi)部升溫的方法相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹機(jī)循環(huán)基本上可以被稱為自由能。我認(rèn)為其他任何人均沒有用這種循環(huán)研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)。”

伴隨著“半人馬座”火箭項(xiàng)目的成功，在RL10項(xiàng)目中研發(fā)的液氫推進(jìn)技術(shù)也用于研發(fā)“土星”5號(hào)的J-2上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而使美國(guó)實(shí)現(xiàn)宇航員登月。噴注器設(shè)計(jì)、減輕燃燒不穩(wěn)定性的技術(shù)、抑制推進(jìn)劑晃動(dòng)的技術(shù)與氫氣排空技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)和知識(shí)對(duì)“土星”5號(hào)的成功至關(guān)重要。最終，液氫和液氧成為美國(guó)火箭助推器及上面級(jí)（包括航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)和空軍“大力神”系列運(yùn)載火箭“泰坦”4號(hào)）的首選燃料。液氫被指定為NASA擬定太空發(fā)射系統(tǒng)的核心級(jí)和上面級(jí)用燃料。如今，“半人馬座”火箭繼續(xù)作為“擎天神”5號(hào)的上面級(jí)飛行，RL10發(fā)動(dòng)機(jī)也作為“德爾塔”4型重型火箭的一部分飛行。

▲NASA工程師檢測(cè)劉易斯研究中心（現(xiàn)格倫研究中心）推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的早期RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

項(xiàng)目移至劉易斯研究中心后仍然存在的一個(gè)挑戰(zhàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)需要在太空中多次啟動(dòng)以滿足任務(wù)需求。但是，由于軌道中沒有重力，剩余燃料易在燃料儲(chǔ)箱中隨意飄浮。“半人馬座”火箭已經(jīng)使用了微型過氧化氫推進(jìn)器控制其方向。Goette稱，在燃料儲(chǔ)箱后部增設(shè)幾個(gè)推進(jìn)器可以產(chǎn)生足夠的向前推力來解決問題，使液體推進(jìn)劑穩(wěn)定在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口所在的儲(chǔ)箱底部。其他變化包括加長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴和縮小推力室喉部，以提高功率和效率。在劉易斯研究中心監(jiān)管“半人馬座”火箭項(xiàng)目近30年的時(shí)間里，火箭的設(shè)計(jì)和RL10發(fā)動(dòng)機(jī)都在不斷變化和改進(jìn)。

普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）最終接管了發(fā)動(dòng)機(jī)。此時(shí)，移到劉易斯研究中心、存在重啟問題的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)全面更新?lián)Q代了好幾次。“在劉易斯研究中心的監(jiān)管下開發(fā)和成熟的20世紀(jì)60年代早期版本的RL10發(fā)動(dòng)機(jī)是革命性的樣機(jī)。但是將早期模型發(fā)展為20世紀(jì)70年成熟的可靠的主力發(fā)動(dòng)機(jī)RL10A-3-3進(jìn)行了大量額外工作”，洛克達(dá)因（Rocketdyne）公司的RL10演變主管（曾受雇于普拉特·惠特尼公司）Jeff Breen說道。“從那以后，我們對(duì)RL10A-3-3機(jī)型又進(jìn)行了6次改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了更高的效率和更好的耐用性。但是，我認(rèn)為目前的RL10C-1機(jī)型保留的大部分特點(diǎn)，得益于劉易斯研究中心與普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）的開發(fā)合作關(guān)系。”

▲“半人馬座”上面級(jí)火箭一般由1個(gè)或2個(gè)RL10發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，自其第一次飛行后，是半個(gè)多世紀(jì)以來在美國(guó)使用最廣泛的上面級(jí)

從20世紀(jì)60年代晚期至90年代早期，“半人馬座”火箭和RL10發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)靡一時(shí)，使美國(guó)一度成為商業(yè)太空發(fā)射領(lǐng)域的霸主。Breen估計(jì)，在那期間，RL10發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)發(fā)射了大概90%的大型商用衛(wèi)星。如今，RL10發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是運(yùn)送美國(guó)軍方和其他高性能要求的民用有效載荷的首選上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。許多GPS衛(wèi)星，在工業(yè)和日常生活中扮演著重要作用的空軍項(xiàng)目，都是由RL10發(fā)動(dòng)機(jī)送至軌道的。NASA利用“半人馬座”火箭完成了無數(shù)次探月和星際探測(cè)任務(wù)，從“勘測(cè)者”1號(hào)（第一個(gè)成功登月的航天器）到“海盜號(hào)”（第一批探測(cè)火星表面的航天器），再到探測(cè)木星、土星、天王星和海王星，以及如今成為進(jìn)入星際空間第一批探測(cè)衛(wèi)星的“旅行者”1號(hào)和2號(hào)。目前由RL10發(fā)動(dòng)機(jī)助力的發(fā)射任務(wù)包括“朱諾號(hào)”木星探測(cè)器、“好奇號(hào)”火星探測(cè)器、環(huán)繞土星的“卡西尼號(hào)”探測(cè)器和飛越冥王星系統(tǒng)，以及即將進(jìn)入柯伊伯帶的“新視野”號(hào)。

RL10發(fā)動(dòng)機(jī)普遍應(yīng)用的主要原因是其與日俱增、不同凡響的性能。推力與推進(jìn)劑質(zhì)量流速之比稱作“比沖”。該發(fā)動(dòng)機(jī)最初的工作時(shí)間為424s，如今已增加至約465s。當(dāng)時(shí)第一個(gè)機(jī)型產(chǎn)生的推力為66.72kN，如今的機(jī)型已經(jīng)達(dá)到111.21kN。發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)特的泵送方式及其他設(shè)計(jì)元素也賦予其可靠性。Breen稱，“它已證明自己是迄今為止最可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)。在其飛行歷史中，發(fā)動(dòng)機(jī)僅造成過一次失敗。”

Goette說，這是因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具出現(xiàn)之前的年代，普拉特·惠特尼公司（Pratt & Whitney）的方法是想出一種保守的設(shè)計(jì)，“然后測(cè)試、測(cè)試、再測(cè)試，如果失敗，就將其修正。”例如，在測(cè)試過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行距離是其需要在太空中飛行距離的10倍；發(fā)動(dòng)機(jī)閥的循環(huán)次數(shù)比飛行時(shí)高許多倍。Goette說：“發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)余量充足，測(cè)試了無數(shù)次，消除了任何可能存在的缺陷點(diǎn)”，考慮到大多數(shù)火箭有效載荷的成本和重要性，不管是衛(wèi)星，還是宇航員，可靠性是最值得考慮的，Breen稱。“每次發(fā)射會(huì)投入大量資金。客戶們知道發(fā)動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到要求的性能，并能可靠地將有效載荷運(yùn)至正確的軌道，因此才會(huì)找我們。RL10發(fā)動(dòng)機(jī)給予了客戶發(fā)射任務(wù)會(huì)成功的信心。”

發(fā)動(dòng)機(jī)在太空中進(jìn)行多次啟動(dòng)可以提高性能并能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的發(fā)射窗口，這種多次啟動(dòng)的能力也是其一大優(yōu)點(diǎn)。Breen說，在阿拉斯加冬天的夜里很難啟動(dòng)汽車，而在凍結(jié)的空間重啟發(fā)動(dòng)機(jī)就更難。雖然還有其他火箭有這種能力，但RL10發(fā)動(dòng)機(jī)是唯一一種在單次任務(wù)中重啟7次的發(fā)動(dòng)機(jī)。所有這些使RL10發(fā)動(dòng)機(jī)及由其驅(qū)動(dòng)的“半人馬座”火箭分別成為了美國(guó)火箭研究領(lǐng)域的最佳上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和最常用的上面級(jí)火箭。2009年，人們見證了由RL10發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的第400次飛行。

處理液氫的能力使美國(guó)民用航天項(xiàng)目得以誕生，同時(shí)，這一能力在商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)及軍事方面使美國(guó)具有其他國(guó)家無法媲美的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其最新的軍事用途包括發(fā)射海軍移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)衛(wèi)星星座和空軍X-37試驗(yàn)機(jī)。從商業(yè)的角度而言，在太空時(shí)代的前幾十年，美國(guó)幾乎所有的衛(wèi)星電視、無線電廣播和手機(jī)應(yīng)用，以及一些氣象衛(wèi)星、地球觀測(cè)衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星均得益于RL10發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)。

盡管該發(fā)動(dòng)機(jī)可謂功勛卓著，但其從未用于載人航天飛行。這一點(diǎn)是時(shí)候改變了。波音的CST-100星際客機(jī)和內(nèi)華達(dá)山脈股份公司的“追夢(mèng)者”太空飛機(jī)均計(jì)劃使用雙發(fā)動(dòng)機(jī)“半人馬座”上面級(jí)將宇航員送入太空。NASA的太空發(fā)射系統(tǒng)將在EUS4個(gè)RL10發(fā)動(dòng)機(jī)的幫助下執(zhí)行載人飛行任務(wù)。Breen說：“我們非常期待最終載人飛行，希望能在載人航天飛行的里程碑上留下RL10發(fā)動(dòng)機(jī)濃墨重彩的一筆。”盡管仍然是基于20世紀(jì)60年代在劉易斯研究中心成熟的相同設(shè)計(jì)，不過，發(fā)動(dòng)機(jī)在21世紀(jì)已經(jīng)更新?lián)Q代了。Breen稱，RL10 A發(fā)動(dòng)機(jī)和B系列已經(jīng)淘汰，取而代之的是RL10 C-1。RL10 C-1發(fā)動(dòng)機(jī)于2014年定型，包含了早先機(jī)型的所有優(yōu)點(diǎn)。

▲計(jì)劃采用4個(gè)RL10發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)遠(yuǎn)征上面級(jí)；由遠(yuǎn)征上面級(jí)（EUS）搭載NASA“獵戶座”太空艙首次載人發(fā)射。RL10發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展史可以說是很傳奇的，但RL10發(fā)動(dòng)機(jī)尚未用于載人航天飛行

2016年春季，Aerojet Rocketdyne成功試射了一臺(tái)帶有利用3D打印技術(shù)制造的核心主噴注器的RL10發(fā)動(dòng)機(jī)，將零件成本和生產(chǎn)時(shí)間都減少了大概一半。2019年之前，Breen預(yù)計(jì)大概95%的發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜幾何零件將采用3D打印技術(shù)制造。與此同時(shí)，空軍項(xiàng)目及格倫研究中心也會(huì)提供幫助。“3D打印技術(shù)是一種新的制造技術(shù)；但在升級(jí)的同時(shí)還會(huì)保留RL10發(fā)動(dòng)機(jī)的核心——膨脹機(jī)循環(huán)的完整性。因此，我們既保留了使發(fā)動(dòng)機(jī)可靠的性能及其簡(jiǎn)約設(shè)計(jì)，又使其生產(chǎn)成本明顯降低了”，Breen說道。這種升級(jí)更新可以確保世界上第一款低溫發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)很快淘汰。Goette稱：“也就是其改進(jìn)的空間很小。”