为什么俄罗斯的火箭发动机推力始终相对领先呢?

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众所周知,美国是一个实力强大的航空航天技术大国,美国洛克达因公司制造的F-1火箭发动机,平均海平面推力可达大约691吨,是世界上推力最大的单燃烧室液体火箭发动机。不过,作为一款液体火箭发动机,F-1火箭发动机略逊色于俄罗斯的RD-170发动机。而且,在发射阿特拉斯-5型运载火箭的过程中,美国仍然需要使用俄罗斯的RD-180发动机来提供动力输出。从这一点看,俄罗斯的火箭发动机技术确实有领先之处。

RD-180发动机其实就是RD-170系列发动机的一个型号,RD-170系列发动机设计了多个版本,推力范畴在190吨至1000吨之间,RD-180发动机的真空推力为423.4吨,该级发动机的直径约为3.15 米,长度为3.56 米,重量在5.0吨以上。普惠公司和动力机械科研生产联合体合作开发了RD-180发动机,不过生产RD-180发动机的工作全部在俄罗斯完成,所以美国需要从俄罗斯进口发动机。

美国在1997年和俄罗斯签署协议,动力机械科研生产联合体向美国提供101台RD-180火箭发动机,按照当时的计划供货工作持续到2018年。美国的阿特拉斯-5型运载火箭使用RD-180发动机作为第一节动力引擎,第二节动力引擎是半人马座火箭。阿特拉斯-5型运载火箭的长度达到58.3米,直径为3.81米,其重量接近550吨,有效载荷可达数吨,能用于发射各类卫星探测器,今后还有继续改装升级的余地。

美国其实并不打算继续使用俄罗斯的RD-180发动机,美国甚至希望在2019年就摆脱对于RD-180发动机的依赖,但是由于美国自己的替代型号尚未投入使用,所以美国只好将摆脱依赖的目标时间节点推延至2022年。而俄罗斯动力机械科研生产联合体也仍然继续向美国交付RD-180发动机。事实上,俄罗斯还有另一个火箭发动机型号也出口给美国,即RD-181发动机。而美国也承认,即使美俄两国关系不佳,也仍需要在航天技术领域保持合作伙伴的关系。


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问题不准确哈,火箭发动机中推力最大的应该是美国的固体发动机,航天飞机用的是1400吨推力的,最新的sls用的五段固推1633吨推力。

如果限定液体发动机,也分很多种。

液体发动机里推力最大的是煤油发动机,单燃烧室煤油发动机中推力最大的仍然还是美国土星五号的f1发动机,推力680吨;俄罗斯的rd170虽然推力达到800吨,但也多达4个燃烧室(喷口),苏俄对大直径喷口的燃烧稳定性没有把握,所以只能装多个喷口,rd170的单室版本rd190也只有200吨推力。rd170虽然比f1效率高很多,但是也晚了20多年才服役,它的对手f1早已功成名就退役十几年了,而没多久苏联就解体了,rd170没派上多大的用场(能源号2射1败就退役了),后来是乌克兰的天顶系列火箭在用,发射成功率只有85%。俄罗斯自己并不使用这些大推力发动机,它的衍生型号rd180和rd190只用来出口,本尊170则挂在PPT火箭叶尼塞和頓河上。rd170对美国来说也没有诱惑力,美国本来就可以购买或者授权本土生产该发动机,但是洛马还是选择在rd170的基础上重新开发推力只有一半但更适合自己的rd180,美国运载能力最强的几款火箭也不使用俄罗斯发动机。而俄罗斯自己丧失了再次拥有超重型火箭的可能性,最近又重提rd170应该还是想秀给中印看看,期待有人接盘。

俄罗斯的煤油发动机一枝独秀主要是美国自己停止发展煤油发动机了,原因之一是美国的煤油含硫量过高,品质没有苏联的好,转而研发性能更高的氢氧发动机,之后spacex和洛马出于成本的考虑又重新捡起煤油发动机,NASA的主承包商波音则使用全氢氧火箭。

另外液体发动机除了肼燃料、煤油,还有氢氧发动机和甲烷发动机,都是美国的推力比较大,rs68那300多吨的推力甚至直接当做主发动机使用,其他国家的氢氧机只有几十吨到一百多吨,需要配合助推器使用。

最后,火箭发动机不是只看推力的,即使推力非常大但如果体积过大或者比冲低也是白搭。不同燃料的发动机适合不同的场合使用:起飞阶段用煤油机性价比高,进入真空就是氢氧发动机的天下,着陆器等需要长期保存快速响应的燃料时又会用上肼燃料,深空探测器和微型卫星则需要离子发动机。而一些特殊技能则需要特别的指标,比如垂直回收需要深度节流,推力大反而不适合;又比如开发火星需要能就地生产燃料,甲烷的优势就出来了。

图1是登月土星五号的f1发动机,图上只能看到四台发动机

图2是能源号的rd170,图上四个喷口属于一台发动机




老祖宗还没起床呢


要想在数量上增大还是比较简单的,只要造大一点就可以了。当然也有极限存在。

但是推力大的发动机,推重比不一定大,推进效果不一定就比推力小、推重比高的发动机好。俄罗斯(苏联)恰恰就是这样发展发动机的。不过俄罗斯的火箭发动机比美国自己造的要便宜一些。火箭发动机工作时间短,对技术精密程度要求低。美国客机断然不会采用俄罗斯涡轮发动机的。

俄罗斯的火箭不是技术领先,而是简单的实用性比较好。就像炊事班做饭的大锅,不如家用电饭煲技术含量高,但是做出来的饭菜数量多。做一个同样容量的电饭煲,成本太高了!如果做一次饭菜就不再用了,当然是选择大铁锅。


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