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技不如人?美SLS火箭:用了20年前二手发动机,居然还比我们先进

 星辰大海种花家 2022-11-17 发表于浙江

北京时间2022年11月16日14时48分,美国航天局NASA新一代登月火箭“太空发射系统 (SLS) ”携带“阿尔忒弥斯1号”无人绕月飞行任务的猎户座载人飞船,在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射升空。

2分12秒后,助推器被抛弃;8分15秒后,火箭与上面级+猎户座飞船分离,进入30 x 1808千米,倾角为34°的临时轨道;50分钟后上面级点火,将近地点调整为180千米,起飞80分钟后上面级第二次点火,持续18分钟,上面级分离,猎户座飞船成功进入地月转移轨道。

美SLS火箭:耗资300亿美元却用了二手发动机

SLS火箭现在是发射成功了,NASA总算是松了一口气,这是重返月球的阿尔忒弥斯计划中的最关键的“第一炮”,SLS火箭成功的意义不是一般的大,因此这次成功可算是让NASA可以嘚瑟一番了,因为在此前,这枚众望所归的火箭,居然推迟了18次,怎么洗地都觉得NASA实在是过分了。

因为了解的SLS火箭的朋友都知道,这枚火箭中的关键发动机全部都是二手或者现成的,完全不需要重新开发,说的简单就是利用现有的零件组装起来的,就这样一枚“拼装货”,NASA居然搞了那么久:

1、一级火箭发动机RS-25:航天飞机的主发动机;

2、二级火箭发动机RL-10:登月时代开发的(有改进);

3、助推器:航天飞机时代的固体助推器改进版;

RS-25是在1970年代专门为航天飞机计划专门研制的,当时的想法就是研制一种可以重复使用的飞行器,来回于地球与近地轨道。航天飞机计划中,除了中间那个橙色的巨型燃料箱,固体助推器和航天飞机都是可以回收利用的。

航天飞机尾部有三台RS-25火箭发动机,起飞时固体助推器和三台RS-25主发动机一起将航天飞机送往近地轨道,123秒和固体助推器分离,7分30秒,外储箱分离,航天飞机将继续飞往预定轨道。

助推器会打开降落伞溅落于大西洋,之后会被拖船回收,而RS-25则随着航天飞机返回地面,检修后等待下次利用。

而RL-10最早是在1962年首飞的,不过它一直在改进,直到SLS火箭选择了这种发动机作为上面级,不得不说,美国人这么多年的积累真是不少,一款重返月球的火箭,居然直接可以用上次登月和航天飞机时代的产品,家底真厚!

用了二手货:却一点都没省钱

你要说SLS火箭是台拼装货也得认,尽管火箭的结构与气动等都要重新研发设计,但发动机都是现成的这是事实,但各位知道SLS开发花了多少钱吗?列出来真的让人目瞪口呆:

从2011至2021财年,SLS计划资金投入的总额高达230.11亿美元,另外还有上面级(芯二级)火箭开发的15亿美元,以及为SLS组装、集成、准备和发射 SLS 及其有效载荷的成本由Exploration Ground Systems单独资助的,这个费用约为每年6亿美元。

这个SLS开发到现在已经花了快300亿美元了,这火箭老鼻子贵了,都能造好几艘福特号航母了,但更让人晕菜的是SLS火箭不仅贵,而且还一直放鸽子,从最早计划2016年首飞到2022年11月16日才真正“首发”成功,中间是18次延迟,今年下半年各位就连续看到了三次,要你是美国的纳税人,是不是也会很生气?

从登月时代的NASA到SLS时代的NASA已经不一样了,当年是NASA掌握了关键技术分包给承包商,而现在却已经成了养肥承包商过来要挟NASA,变着法子向美国政府要钱,每年的大把预算,被承包商A去了大部分,这个从军工企业玩出来的套路已经蔓延到了航天,NASA用在深空探索上的资金,反而没以前多了。

不过NASA总算还是把SLS火箭给发射出去了,花了大价钱办成了事也算是好事,重返月球对全球月球探索也是一个刺激,未来中国的载人月球登陆也会更有动力!

20年前二手发动机,居然还比我们先进?

确实流传了这样一个说法,中国的大推力氢氧火箭发动机,还不如SLS二十年前的老古董!答案是真的,SLS真用了二十年前航天飞机曾用过的发动机,而且比中国现有的氢氧发动机还要先进!

SLS的芯一级火箭有四台发动机,全都是航天飞机上“拆下来”的,比如在8月29日发射时因为冷却问题被中止发射的3号发动机就是曾在发现号航天飞机上服役,总共使用过6次:

左下角为2058号发动机,使用次数:6次

各位一定发现了右上角编号为2045的发动机,使用次数竟然达到了12次,上文已经说明航天飞机是重复使用的,这也不让人意外,SLS的第一次发射的四台发动机编号和历次使用记录如下:

  • 2060: 127, 131, 135

  • 2058: 116, 120, 124, 119, 129, 133

  • 2045: 89, 95, 92, 102, 105, 110, 113, 121, 118, 127, 131, 135

  • 2056: 78, 81, 85, 90, 88, 104, 109, 114, 121

其中时间次数最多2045和使用时间最早的2056发动机真是让人目瞪口呆啊,2045的最早记录实在STS-89任务中,这是1998年1月23日 – 1998年1月31日的奋进号航天飞机、执行的是前往和平号空间站的任务,你没看错啊,是俄罗斯的和平号空间站!

还有2056号发动机,最早是哥伦比亚号航天飞机在1996年6月20日 – 1996年7月7日执行的STS-78任务,这次任务还测试了哈勃太空望远镜的某块主板。这四台发动机的著名任务列表如下:

最古老的RS-25发动机居然是26年以前的,可能比很多朋友的年龄都要大,笔者当年也是在上中学,这到底是种怎样的发动机?

RS-25:来自1970年代的分级燃烧循环氢氧机

RS-25是Rocketdyne(洛克达因)为航天飞机设计制造的一种低温火箭发动机,其最早历史可以追溯至1960年代,不过其真正的设计制造开始于1970年代,1981年4月12日在STS-1上实现了首飞,此后经过不断改进,最新版为RS-25D(2001年首飞),这种发动机的基本参数如下(RS-25D数据):

  • 循环:分级燃烧循环(富燃双轴分级燃烧)

  • 推力:2279千牛(约230吨)

  • 比冲:366秒(海平面)452.3秒(真空)

  • 室压:20.5MPa

  • 流量:469千克/秒

这几个指数即使放到现在也不低,比如著名的阿丽亚娜-5火箭的一级发动机Vulcain 2,它的级别相差还是比较大的:

  • 循环:燃气发生器循环

  • 推力:1140千牛(约115吨)

  • 比冲:310秒(海平面)432秒(真空)

  • 室压:10MPa

另外还有日本的H2A的一级火箭发动机LE-7A:

  • 循环:分级燃烧循环

  • 推力:1,074千牛(约110吨)

  • 比冲:338秒(海平面)440秒(真空)

  • 室压:12MPa

甚至也不低于后来研发的前苏联的“能源号”运载火箭的发动机RD-0120,这是苏联版“航天飞机”的主发动机,其主要参数如下:

  • 循环:分级燃烧循环(富燃双轴分级燃烧)

  • 推力:1961千牛(约200吨)

  • 比冲:359秒(海平面)455秒(真空)

  • 室压:20.6MPa

  • 流量:417.1千克/秒

虽然这几台发动机的推力不一样,但技术性能还是可以做一些对比,比如循环就决定了这些发动机的技术级别,分级燃烧循环技术(高压补燃或者闭式循环)技术要比燃气发生器循环(开式循环)要好得多。

这是将燃料和氧化剂从储箱泵入燃烧室的技术,压力越大表示技术越好,燃烧室的压力基本就能看出发动机技术的高低,燃气发生器室压比较低,一般就十多兆帕,分级燃烧比较高,全流量,基本能达到20兆帕左右,全流量分级燃烧最高,能达30兆帕级别(1兆帕约为10个大气压),压力越高也在另有一个方面反映了比冲更高,不过推力却不一定,这个和流量有关。

RS-25的原理图

从这些发动机的对比中可以了解到RS-25的技术不低,甚至与我国在研的发动机相比,也不会差到哪里去,比如我国规划中的YF-90发动机,其基本参数如下:

循环:分级燃烧循环
推力:2200千牛(约220吨)
比冲:316.7秒(海平面)453秒(真空)
室压:18.3MPa
总流量:516.3千克/秒

YF-90的氢氧机室压略低于RS-95和RD-0120,但真空比冲和两者并无二致,这表示YF-90在其他方面的技术上弥补了不足,据介绍,YF-90的燃烧室效率极高,达到了99.7%以上,另外在高效补燃喷注器、大流量推力室稳定燃烧、大热流身部热防护、高效率喷管造型、大尺寸高效再生冷却喷管、大尺寸单壁气膜/辐射冷却喷管等六项关键子技术都有相当的突破,这也是YF-90能达到如此高比冲的原因。

目前关键技术已经通过验证,研制工作进展顺利,不过到现在为止尚未进行全尺寸发动机试车,因此以上技术参数暂时还停留在在工程技术阶段。我国暂时还没有能和RS-25匹敌的发动机,最接近的YF-77参数差别还是不小:

循环:燃气发生器循环(开式循环)
推力:7000千牛(约70吨)
比冲:428秒(真空)
室压:10.1MPa

这里简单说明下开式循环为什么技术差距比较大,这种循环是将预燃室的氧和氢在高温涡轮侧燃烧后推动涡轮泵(单轴双涡轮)给燃烧室和发动机供给燃料,一般情况下氢氧在高温涡轮内燃烧温度很高,因此科学家就想出了一个好办法,注入过多的氢让其工作在富燃状态(不完全燃烧),排出的“废气”中含有大量可燃的氢,而开式循环就是将其直接排出到外界,因此非常浪费。

开式循环比较简单,涡轮工作压力也比较低,当然开式循环也不是一无是处,有的还将开式循环喷出的“废气”用来摆动控制姿态,但有一点是没法改变的,浪费了燃料,室压也不高,导致比冲比较低,分级燃烧循环则是将这些废气送入燃烧室再烧一次,增加了利用率,提高了发动机的比冲。

SpaceX的默林发动机为开式循环

所以YF-77虽然性能也不错,但让它和分级燃烧的发动机去比技术性能确实有点勉强了,因此就目前而言,我们还真没有能和RS-25匹敌的发动机,只有未来的YF-90造出来才能让双方站到同一条起跑线上。

RS-25

不得不承认,我们在氢氧机上确实落后了,原因是多种的,氢氧机也很少拿来做一级火箭的主发动机,早期我们用的是肼类燃料的发动机,这种燃料有毒,所以被称为毒发。后来我们开始涉足液氧煤油发动机,最新的YF-130参数已经进入了全球顶级液氧煤油机的行列。

未来的YF-90氢氧机也将让我们跻身全球顶级氢氧机俱乐部,氢氧燃烧之后的废物是水,而且有大量的太阳能制氢能力可以发掘,前途无量!我们认识到不足,我们砥砺前行,我们的目标是星辰大海!

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