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F-1是单涡轮泵单推力室的标准发动机

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俄罗斯RD-180火箭发动机,是一款双燃烧室、双喷嘴的火箭发动机。该发动机由RD-170系列衍生而来,采用共享涡轮泵。

中国航空报讯:近日俄罗斯媒体报道称,俄罗斯已经开始生产被认为是世界上推力最大的沙皇引擎新型液体火箭发动机RD-171MV。这一发动机计划用于正在研发的联盟-5中型运载火箭的第一级发动机及叶尼塞重型运载火箭。

据俄罗斯媒体报道,该发动机运转时可产生2700万千瓦的热功率,相当于一座大型水电站的功率,发动机涡轮泵功率达到18万千瓦,RD-171MV发动机推力超过800吨,位居世界首位。

对此,航天专家葛明龙表示:RD~171MV发动机是目前世界推力最大的液体火箭发动机,比美国载人登月用的土星五号运载火箭的F-1发动机的680吨推力还大一百多吨。不过有所不同的是,RD-171MV是双涡轮泵四推力室的组合发动机,F-1是单涡轮泵单推力室的标准发动机。虽然标准发动机的单体推力室和涡轮泵的研制难度大,但一旦研制成功,单体可靠性高。当然,只要发动机能达到高可靠性,组合发动机也不失为一种好的设计。

同时,RD-171MV发动机使用了液氧煤油推进剂并采用高压补燃系统,是地面比冲有望达到316秒的高性能发动机,比F-1常规液氧煤油发动机的265秒比冲高得多。F-1是一次性使用的常规发动机,虽然制造成本低些,但使用成本高。

目前俄罗斯最大推力的火箭发动机是RD-170,推力达740吨。RD-170先后衍生出了RD-171、RD-180、RD-191等若干型号,成为俄罗斯运载火箭崛起和发展的重要筹码。

RD-170用在了能源号运载火箭上,1988年11月15日圆满完成运载暴风雪号航天飞机的发射。该发动机是液氧煤油高压补燃的双涡轮泵四推力室组合发动机,其与稍作改进的RD-171M发动机是研制RD-171MV发动机的蓝本。葛明龙科普道,鉴于苏联解体后,还未见俄罗斯实际使用能源号运载火箭及其RD-170、RD-171M等发动机,再加上RD-171MV发动机的推力加大并且宣称能多次重复使用,研制难度较大。不过有成功过的蓝本,今年年底前点火试验和2021年首飞还是可能的。

俄罗斯专家表示,制造这一火箭发动机是俄航天领域的一个突破,它将让俄罗斯在火箭发动机领域保持领先地位。葛明龙说:液体火箭发动机技术排名世界第一的是俄罗斯,主要包括了RD-170、171M、171MV、180、191等大推力高压补燃液氧煤油发动机。位居世界第二的是美国,主要是100吨推力级J-2氢氧发动机和200吨推力级RS-25、RS-25D/E等高压补燃氢氧发动机。目前可以肯定地说,美国在这方面落后俄罗斯,甚至暂时落后中国的高压补燃液氧煤油发动机技术。

不过,不用俄罗斯的RD-171MV发动机,美国也能研制出相当级别的重型运载火箭。NASA的SLS Block2重型运载火箭有两个推力1600吨级的固体火箭助推器,芯级火箭用的是4台海平面推力190吨的RS-25D/E高压补燃氢氧发动机。美国SpaceX公司的多用途大猎鹰火箭BFR则研制了300吨推力级猛禽高压补燃液氧甲烷发动机,可以进行31机和6机并联。葛明龙指出。

很多人关心俄罗斯这款或许是世界推力最大的火箭发动机,未来是否能安装在洲际导弹上。对此,葛明龙表示:火箭发动机和洲际导弹发动机可以通用,其前提是使用无毒可贮存推进剂。但是,在固体洲际导弹已经发展越来越好的情况下,要不要走这条路还需要深入论证。

可以肯定,RD-171MV发动机它将用在联盟-5中型运载火箭和叶尼塞重型运载火箭上。因为冷冻型液氧不适合用作洲际导弹的氧化剂,且洲际导弹不需要大到800吨的推力。即便有这样大的洲际导弹,其实用性和机动性也会很差。

发动机支撑航天舞台

火箭运载能力有多大,航天舞台就有多大。发动机是火箭的心脏,他决定了将航天器送入太空的运载能力。研制高性能大推力火箭发动机,是世界各航天大国孜孜以求的目标。

目前,大型运载火箭发展的一条主要技术途径是芯级捆绑多枚固体助推器,即以高比冲的大型液体发动机作为芯级,固体发动机作为助推动力。这种动力组合可以充分发挥固体大推力、液体长时间工作的技术优点,形成性价比较高的运载火箭起飞动力。

过去10余年,全球航天发射领域的大型运载器主要有美国的德尔塔4系列火箭、宇宙神5系列火箭,欧空局的阿里安5改进型和俄罗斯的安加拉系列火箭。这些运载火箭依靠大推力发动机工作,如德尔塔4的RS-68、宇宙神5的RD-180、阿里安5的火神以及安加拉的RD-191M。

这些火箭的芯级通常使用一台主发动机,设计时充分考虑成本,尽可能简化设计,并减少发动机的零部件数量。过去20年来,世界主流火箭的运载能力逐渐提升,达到了近20吨的近地轨道运载能力和10吨级的地球同步转移轨道运载能力。

经历多年研制和技术积累,各航天大国研制的新一代发动机和运载火箭逐渐走向成熟,并将在未来几年陆续登场。这其中, 俄罗斯的RD-171MV参数最强,将继续维持俄罗斯在火箭发动机研制领域的领先地位。

承载俄罗斯航天发展规划

2016年,俄罗斯发布《关于俄罗斯联邦2016~2025年航天计划》,作为未来10年制定和实施航天计划的重要依据,其中一项基本的任务是研制在东方航天发射场使用的重型运载火箭系统,向月球轨道发射大型航天器、载人飞船和月球轨道舱,并完成绕月飞行。

2017年12月,在庆祝美国阿波罗登月计划结束45周年时,美国总统特朗普签署航天政策一号令,宣布美国将重返月球。

由国家主导的人类航天步伐从近地轨道向深空稳步迈进,新一轮深空探测热潮即将到来,重型运载火箭就是这一轮航天热潮的神兵利器,是实现载人登月的技术基础,同时也是更高效率地完成火星取样返回、太阳系行星探测等深空探测任务的保障。美国、俄罗斯、欧空局、日本、印度等国家和组织纷纷启动了研制计划或推进研究论证。

2018年2月,俄罗斯总统普京下令研制重型火箭,要求能源火箭航天集团在2019年完成草图设计,2027年完成火箭制造,2028年在东方航天发射场进行首次发射。

为保证RD-171MV研制工作的顺利实施,俄罗斯国家航天集团公司筹措了近12亿美元作为专项资金,计划于今年年底前进行点火试验,2021年实现首飞,2022年正式服役,以便为俄罗斯新型重型运载火箭提供动力支撑。

有俄罗斯研制重型火箭的强烈愿望,有成熟发动机研制技术,必定会提振信心、缩短研发周期;有俄罗斯强大的航天工业基础提供支撑,以及有基于东方航天发射场开展重型火箭发射的保障,俄罗斯已经为研制重型火箭扫清了诸多障碍。