發射中止主角：RS-68 發動機

文/ 李晨風

在德爾它4 重型火箭最近連續兩次中止發射事件中，主角都是RS-68 型發動機，它采用液氫液氧燃料，是現役推力最大的火箭發動機。按照研制方波音公司的說法，它是世界上第一種“費用作為獨立變量”（CAIV）的液體火箭推進系統。這個概念的主要目的，是控制型號研制生產的成本。因為費用控制得力，RS-68 發動機的研制成本還不如吉列手動剃須刀高。

RS-68 發動機也是自從航天飛機主發動機問世之后，美國第一種通過認證、可以投入業務運行的新型火箭發動機。

▲ 測試中的RS-68 發動機

始于“空間運輸主發動機”

RS-68 發動機的概念研究始于美國宇航局1988 年開始的 “空間運輸主發動機”（STME）項目。在該項目中，美國宇航局和美國所有主要的火箭發動機承包商在推進劑、周期、尺寸和經驗教訓方面進行了綜合平衡研究，重點是降低美國開發新一代多用途發動機的成本。

STME 的研究集中在成本和性能之間的平衡。但到1994 年該項目取消時，一個新的發動機開發成本預測已經擺在桌面上：需要投入11 億美元，耗時8年半。作為美國主要發動機研制企業的洛克達因公司意識到，這個周期和成本是美國政府不能接受的。因此，該公司決定自籌資金，并且對內部組織文化、流程和工具進行大規模改造，從而實現大大超過STME 計劃預期的效能。

到了1995 年，美國空軍決定啟動“演進型一次性運載火箭”，試圖把航天發射費用降低25%～50%。因此，洛克達因公司的母公司羅克韋爾國際公司決定與麥克唐納·道格拉斯合作，研制一種新的“德爾它”系列火箭，參與EELV 競標。而“德爾它4”所選擇的動力，就是衍生自STME 計劃的型號，命名為RS-68。波音公司收購羅克韋爾公司和麥道公司之后，形成了自籌資金研制這種新型火箭發動機的決策。

1997 年，RS-68 發動機開始研制，于2001 年完成了在“德爾它4”上使用的認證。這個型號在兩點上超出了STME 計劃的要求。首先，這個型號的研制過程中僅僅制造了8臺新發動機，外加4臺翻新發動機，累計測試183次，運行時間18945 秒。其中5 臺發動機的運行時間超過了最大任務工作循環續航系數限制，3 臺發動機運行時間超過了最大飛行循環的3 倍，達到了設計推力的105%，驗證了其重復使用的潛力。

結構設計有創意

RS-68 發動機用于德爾它4 火箭的通用火箭芯級（CBC）。CBC 加上各種固體燃料捆綁助推器，提供了不同等級的有效載荷能力。而德爾它4 重型版并聯了3 枚使用RS-68 發動機的CBC。在飛行的各種標準任務剖面中，有用101%或58%兩種推力設置，燃燒持續時間在250 到350 秒之間。兩個推力級別的設置簡化了控制和組件的復雜性，從而有助于降低成本。

與此同時，RS-68 發動機的所有性能和可靠性目標都得到了滿足，有效載荷能力還比設計要求增加了2%。新的RS-68 發動機能夠根據火箭的指令在全功率級和最小功率級之間運行和轉換。它還通過推力室總成和燃料渦輪機排氣滾轉控制噴管的運動，向推進劑儲箱以及推力姿態控制系統提供加壓氣體。

渦輪泵是帶有直接驅動渦輪的單軸泵，不需要增壓泵。來自燃氣發生器的高壓氣體與采用整體機加工輪盤（整體葉盤）的渦輪機并聯。推力室/噴管組件由燃燒室和低成本噴管組成；兩者均采用成熟技術。

RS-68 發動機的主燃料噴注器在概念上與土星5 號的J-2 發動機、航天飛機主發動機相似，但得到了大大簡化。這是通過降低噴注器元件密度和使用較少的非通用零件來實現的。高壓管道將燃燒劑和液氧輸送至噴注器/燃燒室總成，用液壓作動器的球閥進行控制。

發動機在火箭上的具體安裝方式，采用了洛克達因公司RS-27 發動機在德爾它2 火箭上的成熟設計。RS-68 發動機的上部嵌套在一個四邊形框架中，框架一端以萬向節軸承為中心，另一端安裝到燃燒室和噴管。連接到燃燒室的支腿與推力室總成在發動機運行期間通過萬向節固定。發動機啟動、穩態運行、節流和切斷都由安裝在發動機上的控制器控制。萬向節風管（兩個）使用柔性連接段，而不是波紋柔性管。

▲ 單芯級的德爾它4 火箭起飛

▲ 三個芯級捆綁形成的德爾它4 一級火箭

“TFF 負擔得起”

歷史上，大約75%的發動機開發總成本花在了“測試-失敗-改進”（TFF）的循環當中。因此，RS-68 計劃在發動機試車開始前就降低典型風險水平，以此來降低與TFF 有關成本。團隊建立了“TFF 可承受性目標”，并參考了波音公司的發動機試驗歷史數據庫，以估算發動機開發過程中可能需要的糾正措施大致數量。在這個數據庫的幫助下，研發團隊還測算出了允許的風險因素水平。因此，項目啟動風險因素和“TFF負擔得起”風險因素之間的差異，確定了每個組件以及發動機系統的風險緩解工作的規模，清楚地定義了在進入發動機試車之前，必須采取風險緩解措施的具體領域。

早期風險緩解活動包括增量設計評審、制造過程演示、組件和子系統驗證測試以及多個發動機測試設施的活動。在初始設計階段，進行了小比例和全尺寸噴注器的熱試車，以驗證性能、穩定性和燃燒室兼容性，對關鍵的主燃燒室和渦輪泵制造工藝也進行了演示。

研制過程中，還進行了氣體發生器、閥門和渦輪泵部件試驗，以及電源組（屬于氣體發生器和渦輪泵子組件）試驗，降低風險并評估設計平衡措施。這些測試，連同使用三維模型的虛擬設計和分析評估，逐步降低了風險因素，為發動機實體測試做好了準備。

隨著項目的進展，已經識別出來的風險被逐步消除。當然，作為新型號，還是遇到了一些先前不可預見的風險。但是由于風險識別清晰，都能很快確定風險原因，制定了緩解計劃并成功執行。

▲ 水平測試的RS-68

▲ 以RS-68 為核心的芯級

▲ RS-68 總裝

虛擬設計成效顯著

從某種意義上說，RS-68 發動機在制造之前就已經被“制造”出來了。計算機三維建模和各種各樣的分析、設計工具，讓設計師們具備了航天飛機主發動機研制時根本不敢想象的優越條件。RS-68 發動機團隊在新技術的基礎上采用了新的合作方式，在并行集成產品開發（IPD）環境中實現了成員之間廣泛的信息共享。

團隊共享每個組件的通用三維模型，因此，整個團隊都工作在同一個模型下，大大提高了工作效率。例如，將三維非定常分析用于渦輪泵的評估，從而更好地量化了動態環境，并在設計早期就噴管構型和阻尼特性做出了決定。這個分析隨后延續到制造階段，直接用于加工。又例如，在渦輪泵軸設計的早期，直接制造了三維模型，并提供給鑄件供應商。供應商通過使用三維模型，可以優化澆口，以提高鑄造質量。很明顯，通過使用鑄造工藝將多個零件集成為一個，提供相同甚至更高的功能，都可以顯著降低成本。

但是采用這種方式有一個前提，要提前確定關鍵供應商，把它們作為設計團隊成員吸納到項目早期階段的決策中，而不是等到詳細設計接近完成再尋找供應商。

新的制造方法

在采用新設計方法的同時，RS-68發動機還采用新的制造工藝。從航天飛機時代到21 世紀初，基礎工業領域有了重大進步，為航天制造的更新提供了很好的條件。通過采用新工藝，RS-68發動機大幅減少了零件數量，也減少了制造和裝配這些零件所需的直接接觸勞動力。例如，RS-68 發動機的焊接工作量比航天飛機主發動機減少了85%。

例如大型鑄件快速成型技術。洛克達因公司為每個鑄件生成了三維模型數據庫，然后使用立體光刻（SLA）工藝為每個模型制造了軟質材料工具。SLA 工藝的制造速度極快，還可以實時開發和修改工具。最后，用SLA 工藝生產模具來制造金屬鑄件。每一個鑄件內部都集成了工作流體和冷卻介質的內部流道。

噴管是發動機當中尺寸最大的硬件，主要部件包括熱氣襯管、喉管支架、結構導管架和管路組合。采取了全新工藝對釬焊表面施加均勻的壓力，可獲得高質量的連接部件，且硬件處理時間最短。

在發動機制造中采用了燒蝕周期短、成本低的關鍵技術。這種方法允許大多數開發測試在沒有噴管的情況下進行。

▲ RS-68 發動機的尺寸

RS-68 發動機的渦輪泵選擇了整體輪盤設計。兩個渦輪泵一個用于燃料（液氫），一個用于氧化劑（液氧）。所采用的是電化學加工（ECM）工藝，從整體盤鍛件上加工出一個一個葉片。

▲ RS-68 發動機和游機協同工作

并行測試省時間

隨著設計概念固化為硬件，RS-68發動機進入了測試階段。燃燒室引注器在米歇爾航天飛行中心進行測試，氣體發生器在圣蘇珊娜野外實驗室進行測試。空軍研究實驗室（AFRL）的1A 試驗臺負責對渦輪泵樣機（TPTA）電源組進行排氣和熱試車試驗。TPTA 拆除后，安裝并測試了第一臺RS-68 原型發動機。

在斯坦尼斯航天中心（SSC）的B測試工位改裝為波音專用。B1 工位配備了兩個發動機安裝臺架，用固定設施提供液氫和液氧。在多個試驗場同時進行火箭鑒定試驗，大大縮短了試驗周期。RS-68 發動機的開發和認證時間是開發和認證以前火箭發動機所需周期的一半。

RS-68 發動機僅僅實施了27 次全推力試驗，是先前發動機開發計劃所需試驗次數的五分之一，僅僅用了近一年的時間。但波音公司認為，如果提前準備有關硬件設備，這一目標將在不到100 天內實現。

由于前期工作得力，在發動機試驗階段發現的問題比以前的大型發動機開發項目減少了一個數量級。故障修復周期成本占整個項目的百分比從75%降低到30%，節省了10 多億美元。試驗中發現的最嚴重問題是推力不足，只有設計指標的85%。這主要是由于低于預期的渦輪機械效率和較高的系統阻力造成的。

2000 年4 月，團隊制定了一個設計變更方案，以實現20%的推力提升。改進設計后的推力超出了目標。

研制中還解決了渦輪整體葉盤疲勞壽命和阻尼問題、氧化劑渦輪驅動導管中的疲勞裂紋問題、高于預期的噴管燒蝕率問題。所有這些問題都屬于無法預期的類別。

與航天飛機主發動機相比，RS-68發動機的零件減少了80%，直接參與生產的勞動力減少了92%。再加上供應商的相對集中，RS-68 發動機的經常性成本是航天飛機主發動機的十四分之一。應該說，這個型號的研制是成功的，到目前為止所發生的故障和事故概率也相當低。然而作為一種重型火箭動力，RS-68 發動機的任何微小故障都會導致嚴重后果，可謂是舉足輕重。

▲ RS-68 發動機的工作原理

▲ RS-68 發動機的組成

▲ RS-68 發動機用四根吊桿支撐