火箭发念头，人类玩火的极致（五）——RD-170火箭发念头

前面已经讨论了美国先进的氢氧火箭发念头，美国人使用其先进的工艺实现了膨胀循环方案，可是苏联则在分级燃烧循环方面大放异彩，后者研制的高压补燃煤油发念头与前者研制的氢氧发念头孰优孰劣，一直备受争论。由于美国在20世纪90年月初引进苏联的RD-180高压补燃煤油机，而苏联也研制出自己的RD-0120氢氧发念头，所以关于苏联的液体火箭技术是否真的领先美国，争议不停。不外，如果抛开技术那么争论就无从谈起。

美国人虽然研制出来氢氧发念头，可是在庞大的分级燃烧发念头技术上一直踟蹰不前。相反，以目的为导向的苏联人，使用其系统工程优点，乐成地突破分级燃烧循环技术，生长出基于此技术的多种型号发念头。

分级燃烧循环发念头到现在为止仍然是一项很是先进的技术，但其历史已经很是长了。苏联功勋火箭发念头设计师阿列克谢﹒米哈伊洛维奇﹒伊萨耶夫在1949年首次提出了这种循环方式，而其时的苏联甚至没有搞定燃气发生器循环，提出观点和原理容易，可是工程实现就要难题的多。格鲁什科（这位苏联的大佬级人物就不用过多先容了）最初在120吨的RD-110发念头举行了分级燃烧试验，该发念头是R-3火箭（前文已经先容苏联的R系列火箭）的动力。只管R-3不算乐成，可是基于R-3的捆绑火箭方案最终成为了R-7。

RD-110火箭发念头，相比RD-100与RD-101,其推力室外形设计改动很大，而且喷管设计越发雅观RD-110发念头是在R-1火箭的RD-100和R-2火箭的RD-101基础上研制的，此三种发念头可以算作是德国V-2火箭发念头的直系子女。RD-110发念头保留了双氧水涡轮泵（在先容德国V-2一文中已经先容双氧水涡轮泵），但其接纳液氧/煤油推进剂。为什么可以将RD-110归类为分级燃烧循环？因为已有的资料显示，其时格鲁什科很可能接纳单组元剖析补氧方案，也就是将双氧水催化剖析气体发生器革新成“预燃室”（没有燃烧历程，实际上是双氧水剖析），而关键是将“预燃室”双氧水剖析后的氧气补入推力室，没有直接排放。

所以，RD-110可以明白为三种推进剂，两种氧化剂（双氧水和液氧）和一种燃料（煤油）。分级燃烧循环方案火箭推力室（燃烧室+喷管）的室压是火箭性能的一个重要参考指标，在涡轮废气排放的情况下，如果推力室接纳液—液燃烧（燃料和氧化剂都是液体），室压最大只能做到80-5个大气压。

如果将涡轮废气导入推力室中增补推进剂举行二次燃烧，则有可能将室压提高到230-250个大气压。因为涡轮废气已经是气态，推力室内可以形成高效的气—液燃烧，如果推进剂注入推力室前能够充实汽化，形成气—气燃烧，效果更好。这就是分级燃烧的基本原理，即燃气发生器酿成了“预燃室”举行一次燃烧，涡轮后废气补入推进剂后举行二次燃烧。

分级燃烧循环既可以做成补燃方案，也可以做成补氧方案，这组成了分级燃烧的两大基本门户。前者是将部门燃料和全部氧气引入预燃室举行富氧燃烧（氧气富足），之后废气驱动涡轮，在全部注入燃烧室。后者将是全部的燃料和部门氧气引入预燃室（燃料富足），废气驱动涡轮后，再注入燃烧室。

蓝色为燃料贮箱，绿色为液氧贮箱 左图补氧方案，右图补燃方案无论是补燃的方案还是补氧方案，推力室内都至少是气—液燃烧，其中气就是指预燃室的燃气（废气），这正是实现推力室高压事情的关键所在。如果接纳液氢为燃料，只要液氢在火箭发念头推力室外壁吸热汽化，再注入推力室，还可以形成气—气燃烧。分级燃烧循环中另有一种更为庞大的方案设计，即全流量分级燃烧循环，接纳这种方案是将富燃和富氧两种预燃室集成在一台发念头上。

两种预燃室都只有部门燃料和氧化剂通过，发生的两股燃气划分驱动燃料泵和氧化剂泵，最后全部引入推力室举行二次燃烧，形成更为猛烈的气—气燃烧。这种发念头的氧化剂泵和燃料泵划分由单独的预燃室驱动，这降低了密封要求。而在单独的富氧补燃或富燃补氧的机型上就要接纳特殊的密封技术，防止燃料和氧气在涡轮中接触爆炸。全流量分级燃烧循环，富燃预燃室的燃气驱动燃料泵，富氧预燃室的燃气驱动氧化剂泵，两股燃气最终注入推力室接纳煤油作为燃料，富氧补燃方案（预燃室氧气富足）要优于富燃补氧方案（预燃室燃料太多），因为预燃室氧气充实，燃气充实燃烧，含碳量可以控制在很是少的水平上，这样就最大水平上制止了积碳问题。

不外如果以液氢为燃料就不存在积碳问题（燃料中没有碳物质），两种方案都可以接纳，但接纳富燃补氧可以控制预燃室的事情温度，因为氢多氧少，多余的氢自己温度低，可以给预燃室降温。倔强的质子运载火箭 研发之初问题频发在RD-110开展试验险些十年之后的20世纪50年月末，苏联的这一庞大循环发念头才开始集中泛起。

尤其在苏联的“质子号”、“N-1”、以及“能源号”运载火箭上，其基础级动力都接纳以分级燃烧循环的火箭发念头。在上个世纪50年月末，质子号险些与R-7同时提出，都是计划用于洲际导弹的运载器，在设计之初质子号并没有计划当做运载火箭来研发，可是最终还是没有竞争过R-7。可是苏联人没有放弃质子号火箭，虽然一直问题频发，直到1977年才委曲通过验收。质子系列火箭的第一级接纳6台RD-253发念头，该发念头以偏二甲肼（剧毒）/四氧化二氮为推进剂，是第一种乐成的大单室富氧分级燃烧发念头。

RD-253实际上有三个燃气发生器，其中一个当做预燃室使用，其排气驱动涡轮后要注入推力室中。另外两个燃气发生器划分生成富氧燃气和富燃燃气，划分用于燃料贮箱和氧化剂贮箱的增压，从而满足涡轮泵入口压力的要求，消除主泵前后压差过大而发生气蚀（高空中，推进剂被增压后沉底，压入主泵）。

RD-253火箭发念头质子火箭第一级四周兴起来的是6个偏二甲肼（UDMH）贮箱，“芯级”部门是一个庞大的四氧化二氮（N2O4）贮箱根据RD-253的设计逻辑，如果将富氧燃气发生器和富燃燃气发生器中的排气驱动涡轮，之后再将废气注入燃烧室，就可以替代原来的单预燃室，这不就是全流量分级燃烧循环的观点吗？RD-270就是基于此观点设计的，可是研制事情由于种种原因，还是中途而废。“N-1”运载火箭的失败 苏联人心中永远的痛“N-1”火箭是苏联人心中的伤痛，原来背负着苏联人的“登月梦想”，可是没能如愿。“N-1”火箭刚提出来的时候计划使用RD-270发念头作为动力，可是被科罗廖夫拒绝（固然有资料显示，由于内部矛盾，科罗廖夫这样的选择掺杂了小我私家主观情绪）。因为RD-270虽然推力强大，可是使用其使用偏二甲肼/四氧化二氮作为推进剂，虽然这种常温推进剂能够可靠事情，可是偏二甲肼是剧毒燃料，从未来更大推力火箭发念头的需求看，液氧/煤油发念头才是趋势。

科罗廖夫转而向库茨涅佐夫设计局寻求资助，在“N-1”火箭第一级安装多达30台NK-15发念头，该发念头引入分级燃烧的循环方式。不外，如此多的发念头组合在一起致使“N-1”的可靠性很是低，虽然NK-15的设计在60年月属于很是先进的水平，可是推力还是不够。

NK-15也存在设计缺陷，例如涡轮的震动问题。人类有史以来最大的多燃烧室发念头RD-170降生苏联人的登月计划失败，“N-1”重型运载火箭下马，不外新立项的“能源号”重型运载火箭成为了苏联工程师又一个奋斗的偏向。同时，其时的苏联人希望研制一款大推力火箭发念头，使用液氧/煤油作为推进剂，可以多次重复启动，并以此能生长多种发念头类型和运载火箭型号。

RD-170作为人类有史以来研制的推力最大的多燃烧室火箭发念头也就此降生，为“能源号”运载火箭提供动力。RD-170火箭发念头，接纳富氧补燃方案RD-170拥有四个燃烧室，一台涡轮泵和两个预燃室，海平面推力740吨。

在其时的技术条件下，苏联人对大喷管液氧煤油发念头的燃烧不稳定问题没能很好解决，所以RD-170接纳了四个喷管，而不是一个大喷管。接纳四个喷管，需要解决推力启动同步问题。

对于富氧补燃循环的RD-170发念头而言，煤油注入燃烧室瞬间焚烧，让四个燃烧室同步启动，关键在于煤油同时进入燃烧室，因此，RD-170的四个燃烧室的管路设计很讲求，只管保证燃料流经管线的距离一致。固然，分级燃烧循环中的全部燃料或液氧进入预燃室，这意味着预燃室需要较大的体积，为了简化设计，可以将单个预燃室拆开成几个，RD-170系列就接纳了这一设计，设置了两个预燃室。竣事语RD-170是苏联高压补燃煤油机最具代表性作品，只管它接纳四推力室设计，可是总推力凌驾了“土星V”的F-1发念头，成为有史以来投入使用推力最大的发念头。

世事难料，苏联解体后，美国人直接从俄罗斯购置了大推力高压补燃液氧煤油发念头，举行了大量的技术测试，补上自己的技术缺陷。而基于RD-170演化出的RD-180也远渡重洋，成为了美国宇宙神系列火箭的动力。

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