单台推力超300吨，轻松举起5节火车厢，最大火箭发动机被NASA放弃

在SLS火箭的发动机定型上，为什么美国要放弃世界上推力最大的RS-68氢氧火箭发动机？为什么不选择RD-180这样的煤油-液氧发动机呢？

出品：太空伊卡洛斯

在火箭发动机的研发上，美俄是两个有着强大技术积累的国家，俄罗斯的RD-180大家都很熟悉，一度被传闻要进入中国，最终没有实现。RD-180单台推力可达到300多吨，在这个级别中，美国的RS-68发动机也能够实现，只不过两种发动机的燃料不同。RD-180是煤油-液氧发动机，而RS-68属于世界上最大的氢-氧火箭发动机。在SLS火箭的发动机定型上，为什么美国要放弃世界上推力最大的RS-68氢氧火箭发动机？为什么不选择RD-180这样的煤油-液氧发动机呢？

图注：从俄罗斯RD-180火箭发动机，属于煤油-液氧发动机

图注：RS-68属于世界上最大的氢-氧火箭发动机

煤油-液氧发动机不合适

煤油-液氧发动机技术状态过时，且不是未来主流。SpaceX和蓝色起源都是使用液态甲烷作为发动机推进器的燃料，RS-25使用的是液态氢，RD-180则使用一种名为RP-1的煤油混合物，这些材料相似的一点就是，它们都需要液态氧的存在才能燃烧。氢作为世界上已知的密度最小的气体，是一种可清洁燃料，并且它在燃烧时释放的能量是最多的，还可以被重复的使用。RP-1密度较高、释放的能量较少，但正因为它的高密度，所以它所需要的容器更小，在海平面时，它产生的推力比预计的要高。它的优势在于低成本，以及不需要像氢一样的过冷处理方式。

氢和RP-1各有优缺点，所以无法进行比较。需求不同，采用的推进剂也不同：火箭在进入轨道时最好的选择是氢，在爬升轨道时最好的选择则是RP-1。对于SLS火箭来说，最佳选择为液态氢，而阿特拉斯火箭、猎鹰9号和土星五号则更适合RP-1。

图注：胎死腹中的战神系列火箭就是使用RS-68火箭发动机

我们可以从比冲lps的秒数中计算出火箭发动机的效率。使用RP-1作为推进剂的RD-180在海平面上为311 lps，而使用液态氢作为推进剂的RS-25能够达到366 lps，这可以说明RS-25发动机的效率更高。而在液态氢和RP-1中还有一个选项，那就是甲烷。据数据显示，甲烷的比冲比RP-1多了大概十秒钟。甲烷和RP-1一样都不需要过冷处理方式，但是相比较RP-1，甲烷也是一种清洁燃料，这对于可重复使用的发动机来说是更好的选择。在接下来，蓝色起源公司的BE-4以及SpaceX的猛禽号都将采用甲烷作为推进剂的材料，同时都采用了像RS-25的闭环设计从而提高发动机的性能。

图注：RD-180使用煤油-液氧喷射出的火焰

多发并联可能爆炸

《2010年美国宇航局授权法案》中，该法案明确地表示SLS火箭的制造需要建立在航天飞机衍生技术的基础上，以及在制造过程中，需要使用到航天飞机计划下留存的劳动力和装备。这项法案以304票的赞成碾压118票的反对，国会成功通过这项法案，并在奥巴马时期签署下成为正式法案。这项法案的通过限制了发动机的选择，所以在2011年，SLS火箭发动机的最好选择就是来自洛克达因公司的RS-68发动机，RS-68发动机还差点在SLS火箭的上一代：战神五号火箭中得到使用。如果选择RS-68发动机，那么安全性不佳，RS-68发动机的喷嘴不适合在多发环境中使用，会导致引擎效率降低，并且引发衍生事故，比如爆炸。

图注：Delta IV 重型火箭上使用3台RS-68发动机，注意这是3枚同样的第一级，喷嘴之间隔开距离

如果NASA重新研发火箭发动机，那么成本和时间则无法控制，且受到法案的限制，以及法案规定美国宇航局要在2016年底将SLS投入运营，所以美国宇航局只能选择RS-25作为SLS火箭的发动机。考虑到发动机的安全性以及可靠性，美国宇航局和洛克达因公司都放弃了这个想法，从而去使用安全性和可靠性较高的RS-25发动机。

图注：单发RS-68发动机外加两个小助推器，安全性才比较高

成本上的考量

虽然SLS和猎鹰9号是完全不一样的火箭，但巧合的是，美国宇航局为RS-25发动机翻新支付了6000万美元，而这价格与SpaceX公司在猎鹰9号身上投入的资金差不了多少，所以现在并没有任何证据可以表明SLS火箭是现有火箭中成本最高的。洛克达因公司表示在接下来制造Rs-25发动机的过程中，通过现代科学技术的进步以及40年来的经验，他们能够将RS-25的制造成本降低33%。他们还提到通过增材制造（3D打印）的技术也能够达到节约成本的效果，目前该公司正在研究如何将增材制造技术应用于火箭发动机。事实上，降低33%的成本还是有可能做到的，因为在火箭发动机的升级更新中，需要充分的考虑到所有新部件的可靠性，而在部件可靠性有了保障之下，并不会经常的对火箭发动机进行升级更新。在这种情况下，NASA就可以达到节约成本的目的。

图注：RS-25发动机综合性能最高

综上，RS-25发动机是现在已知的发动机中综合性能最高的，并且它的推力和可靠性也都是一流的存在。RS-25发动机的储量也够，在航天飞机时代飞行次数也不多，这一切都可以证明美国宇航局做了一个正确的决定。在SLS火箭进入运营后的这五年时间，美国宇航局将会在两种火箭系统中实现载人，分别为搭载SpaceX的载人版龙飞船与猎鹰9号火箭，以及搭载波音CST-100载人飞船的阿特拉斯火箭。

根据SpaceX的说法，载人版龙飞船不久之后将发射进入轨道，重型猎鹰在载荷达到54吨，可运送更重的货物进入轨道。虽然NASA研发出了SLS火箭，使得RS-25成为同类发动机中的最佳选择，但这只是一个中庸的法案。今年还会有两台RS-25发动机在斯坦尼斯中心接受检测，而在明年，SLS火箭核心级将开始全面接受试验和检测。RS-25发动机无疑是最佳的选项。