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从SLS火箭芯级试车谈美国的液体火箭发动机

2021-03-19 15:54

来源：澎湃新闻·澎湃号·媒体

原创中国航天报中国航天报

北京时间3月19日4时37分，美国宇航局在斯坦尼斯航天中心，对太空发射系统(SLS)重型运载火箭的核芯级发动机成功进行了点火测试。测试中，四台RS-25发动机持续点火499.6秒，产生了160万磅推力，这是SLS火箭走向进行首次飞行试验的重要一步。

洛克达因的诞生

RS-25发动机由洛克达因公司研制，洛克达因公司自诞生以来，就一直是美国液体火箭发动机主要的研制生产商之一。

四台RS-25发动机持续点火499.6秒，产生了160万磅推力

洛克达因公司于1955年成立，它当时是北美航空公司的火箭发动机分部。二战后北美航空公司对德国V-2导弹进行了研究，并为诺瓦霍超音速洲际巡航导弹研制了更大的发动机，这些发动机可靠性更好，取代了美国陆军红石弹道导弹上最早使用的发动机。红石导弹是美国独立研制液体弹道导弹的开始，而它开始生产后，北美航空公司将火箭发动机生产部门分离出来，于是就有了洛克达因公司。

洛克达因公司此后还为“朱庇特”“雷神”和“宇宙神”等液体中程和洲际弹道导弹研制生产了液体火箭发动机。“朱庇特”和雷神导弹的服役时间很短，即使是宇宙神洲际导弹也没有服役多久，此后美国空军的弹道导弹迅速转向固体推进剂，但雷神导弹发展出的德尔它火箭和宇宙神导弹发展而来的宇宙神火箭，却成了美国航天发射的当家主力，它们长期使用洛克达因公司的液体火箭发动机，洛克达因公司由此成为美国液体火箭发动机领域的巨头。

宇宙神火箭的MA-5 发动机也是当年洛克达因的产品

霸业初定

航空喷气公司是洛克达因公司的主要竞争对手。航空喷气公司研制了LR-87和LR-91液体火箭发动机，成为大力神液体洲际导弹和大力神运载火箭的主发动机，一时和洛克达因平分秋色。20世纪60年代美国实施了阿波罗载人登月计划，洛克达因公司成功脱颖而出，在竞争中占据优势。

洛克达因公司为“朱庇特”和“雷神”研制了S-3D/LR-79发动机，并进一步研制S-3X发动机。新发动机使用了新的阀门，还使用燃气发生器来驱动涡轮，这些改进大大简化推进剂的输送设计，发动机由于变动较大也改称X-1发动机，最终定名为H-1发动机。土星1号火箭使用了8台洛克达因公司的H-1发动机，土星1号B火箭第二级改用洛克达因公司的J-2液氧液氢发动机，这是一种百吨级推力的高比冲氢氧发动机，使火箭近地轨道运力增加到近20吨，可以发射正式版的阿波罗飞船。

土星1号上的成功仅仅是一个开始，在土星5号火箭上洛克达因公司更是大放异彩。土星5号火箭的F-1液氧煤油发动机、J-2液氧液氢发动机都由洛克达因公司研制，其中F-1从某种程度上可以看作是H-1的简单放大，但它的单室推力到现在也是最大的，它们奠定了土星5号和载人登月成功的基础，也奠定了洛克达因公司的霸主地位，洛克达因从此超过了航空喷气公司，成为美国液体火箭发动机领域的领头羊。

F-1液氧煤油发动机

航天飞机时代

宇宙神火箭的半人马座上面级和土星1号火箭第二级都使用了普惠公司的RL10液氧液氢发动机，但洛克达因公司通过J-2液氧液氢发动机的研制后来居上，成为美国在大型氢氧发动机领域经验技术最丰富的公司。航天飞机项目开始后，1971年洛克达因公司竞标获得了航天飞机轨道器主发动机的研制合同。

1972年SSME/RS-25开始全面研制，洛克达因公司吸取了研制F-1尤其是J-2发动机的经验和设计。SSME使用了全新的分级燃烧循环设计，采用两个预燃室分别驱动氢泵和氧泵，加上复杂的预压泵的增压效果，最终达到了很高的燃烧室压强。预燃室的富氢燃气最后也排入燃烧室，避免了燃料的浪费，因此SSME不仅具有高达约200吨的推力，真空比冲更是达到了452秒，地面也有366秒，堪称有史以来最先进和最强大的氢氧发动机，也是洛克达因公司技术先进性的杰出代表。SSME虽然性能极佳，但为了实现50次重复使用的能力，价格也高达5000多万美元。

SSME/RS-25 发动机为航天飞机研制，现在又用于SLS 火箭

盛极而衰

SSME发动机使洛克达因公司达到了一个前所未有的高度，但福兮祸之所伏，美国航天飞机机队需要生产的发动机很少，好在每次维护还有一笔不多不少的收入。1986年挑战者号航天飞机事故后，美国重启一次性火箭生产，但大力神4火箭使用的航空喷气公司的主发动机，美国空军推动的渐进一次性运载火箭研制中，洛克达因公司凭借氢氧发动机研制的雄厚实力，获得研制德尔它4火箭主发动机的合同，这就是RS-68发动机。

RS-68发动机推力达到了300多吨

RS-68发动机推力达到了300多吨，但作为一种低成本氢氧发动机，它改回J-2的燃气发生器循环以降低研制难度和生产成本，加上生产工艺的改进，最终价格仅有2000万美元左右。洛克达因公司在研制过程中也极力降低成本，研制费用也仅有4.7亿美元。尽管如此，由于太久没有研制过新的液氧煤油发动机，老伙伴宇宙神火箭的最新型号“宇宙神5”却选择了俄罗斯的RD-180发动机，1996年洛克达因公司被转手卖给了波音公司，更是一个不祥的预兆。

2005年洛克达因公司又被波音公司转卖给联合技术公司下属的普惠公司，与它的火箭发动机部分合并为普惠洛克达因公司，生产线上多了普惠的名作RL10发动机。美国宇航局已经提出转向深空探索，星座计划的战神5号将使用普惠洛克达因公司的RS-68B发动机，而战神5号和战神1号的上面级都将使用该公司的J-2X发动机，普惠洛克达因公司在此期间成为美国唯一的大型液体火箭发动机生产商，但是衰败已经不远了。

日落西山

进入21世纪以后，新兴的航天公司对传统公司开始构成冲击，如太空探索技术公司，它自己生产发动机和火箭飞船，并获得了巨大的成功。蓝色起源公司也是其中的杰出代表，同样致力于自己生产发动机和载具，而洛克达因公司作为一家专业火箭发动机生产商，对这样的产业环境就极不适应了。更糟糕的是，这些新兴公司还在挤压洛克达因公司的传统市场，使洛克达因公司的处境雪上加霜。

普惠洛克达因公司曾刊登广告讽刺太空探索技术公司，说“当某些人在忙着高谈阔论的时候，我们在忙着发射”，但不过两年，太空探索技术公司通过梅林发动机的批量生产成为美国最大的大型液体火箭发动机生产商，而普惠洛克达因公司却被普惠转卖给金库普集团，和该集团下属的航空喷气公司合并为航空喷气洛克达因公司。

洛克达因公司的处境十分尴尬，它有先进的火箭发动机技术，但发动机却卖不出去。联合发射联盟使用BE-4发动机的下一代火箭很可能彻底取代德尔它4和宇宙神5火箭，洛克达因公司的RS-68和RL10很可能英雄无用武之地。