作者說(shuō)

題圖是軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)吧，非加力狀態(tài)。咦,不對(duì),噴口怎么黑乎乎？究竟什么鬼？其實(shí)這是魔改的J-2。在高性能且成熟可靠的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，洛克達(dá)因得到各方資助開(kāi)展了各種探索，成為航天史上激情燃燒的精彩篇章！

本文作者：超超級(jí)Loveovergold，作者授權(quán)發(fā)表

上篇《披荊斬棘，氫氧先驅(qū)，千古流芳——追憶J-2發(fā)動(dòng)機(jī)（上）》講到在洛克達(dá)因工程師的不畏艱險(xiǎn)、操盤(pán)手NASA背后支持下披荊斬棘，終于在6年內(nèi)完成了J-2的研發(fā)，那么在實(shí)戰(zhàn)任務(wù)中的表現(xiàn)究竟如何呢？

五、一切為了可靠性——然而...

由于被用于載人飛行，可靠性被認(rèn)為是J-2的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。因此J-2執(zhí)行了嚴(yán)格的規(guī)范要求，從設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和最終評(píng)審，極端可靠性成為洛克達(dá)因工程師的工作主線。不差錢(qián)的J-2研發(fā)項(xiàng)目動(dòng)用了38個(gè)引擎用于研發(fā)，在項(xiàng)目結(jié)束的時(shí)候在5個(gè)測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行了3000多次測(cè)試，其中為測(cè)試高空性能、發(fā)現(xiàn)外部環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行影響，在田納西州阿諾德工程開(kāi)發(fā)中心（AEDC）的J-4測(cè)試室進(jìn)行了極為重要的高空模擬測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)直徑約100英尺，深300英尺，模擬10萬(wàn)英尺（305000米）高空的低壓低溫環(huán)境，進(jìn)行啟動(dòng)、運(yùn)行、停止、滑行和重啟的循環(huán)測(cè)試，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)致命的啟動(dòng)問(wèn)題以及推力室點(diǎn)火檢測(cè)、嚴(yán)重?fù)p壞噴管的側(cè)向載荷等重大問(wèn)題。

圖1. 田納西州阿諾德工程開(kāi)發(fā)中心（AEDC）的J-4測(cè)試室

在經(jīng)歷反復(fù)測(cè)試、解決問(wèn)題定型后，1966年2月26日J(rèn)-2終于在SA-201任務(wù)中首次登場(chǎng)！作為土星1B的二級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮正常，宣告著J-2正式登上世界航天舞臺(tái)！在隨后進(jìn)行的SA-203、SA-202、SA-501（土星5號(hào)火箭執(zhí)行阿波羅4任務(wù)）、SA-204，J-2均順利完成任務(wù)，尤其是在阿波羅4任務(wù)中，5臺(tái)J-2不僅作為火箭2級(jí)，稍作修改的J-2還是其三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，圓滿(mǎn)完成重復(fù)點(diǎn)火任務(wù)。

是不是從此就一帆風(fēng)順？接下去的SA-502（阿波羅6號(hào)）是阿波羅計(jì)劃中最后一次無(wú)人任務(wù)，其目的是為了模擬指揮艙再入系統(tǒng)在惡劣條件下從月球返回的能力。這算是地球軌道上的模擬大考，事實(shí)證明沒(méi)有白練，因?yàn)镴-2闖禍了！！！

這是一次多么晦氣的任務(wù)啊！首先在110秒時(shí)，升空的土星5火箭開(kāi)始經(jīng)歷pogo，也就縱向耦合振動(dòng)，火箭振動(dòng)頻率與推進(jìn)劑管路液流的頻率接近或相等，相互推動(dòng)放大這個(gè)震蕩，顯然會(huì)直接影響到宇航員乘坐舒適性。阿波羅6號(hào)POGO振蕩頻率為5.2～5.5Hz，在飛行約125秒時(shí)讓火箭加速度波動(dòng)達(dá)到±0.6 g的峰值！這比阿波羅4號(hào)大六倍，遠(yuǎn)高于早期載人飛行任務(wù)所允許的±0.25 g上限，好比是開(kāi)車(chē)時(shí)一腳油門(mén)、一腳剎車(chē)，乘員前俯后仰非常狼狽，任何機(jī)組人員都無(wú)法忍受。如果阿波羅6號(hào)載有宇航員，任務(wù)只能被終止......人都受不了，火箭呢？跟蹤土星5號(hào)的地面和機(jī)載攝像頭注意到在飛行133秒后，有幾片碎片從SLA（阿波羅飛船/登月艙適配器，詳見(jiàn)《雖敗猶榮，力挽狂瀾的阿波羅13號(hào)太空營(yíng)救行動(dòng)》介紹）部位脫落。遙測(cè)讀數(shù)的變化表明，其中一個(gè)SLA面板的外蒙皮已經(jīng)脫離火箭并與火箭分離。幸運(yùn)的是，SLA保持了整體結(jié)構(gòu)的完整性，從而使任務(wù)得以持續(xù)。

圖2. 險(xiǎn)象環(huán)生的阿波羅6號(hào)任務(wù)，劇烈的POGO把SLA的蒙皮也震掉了

陰霾開(kāi)始逐漸籠罩阿波羅6號(hào)任務(wù)！緊接著，在發(fā)射后約3分45秒，二級(jí)開(kāi)始出現(xiàn)異常，在5分18秒時(shí)，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力燃料流量突然增加，混合比下降導(dǎo)致推力減小，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的升高，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在6分52秒關(guān)機(jī)，但意想不到的是1.3秒鐘后3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)也停機(jī)了，五臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)兩臺(tái)退服！神奇的是火箭居然保持鎮(zhèn)定，在損失了兩臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)之后，土星5號(hào)火箭制導(dǎo)系統(tǒng)盡了最大的努力來(lái)應(yīng)付這種情況，剩余的三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)多工作了58秒，燃燒到接近推進(jìn)劑耗盡來(lái)補(bǔ)償兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)掉鏈子帶來(lái)的沖量損失，但阿波羅6號(hào)的速度比預(yù)期的要慢102.3米/秒，軌道也偏離正常值。

隨后的三級(jí)首次點(diǎn)火表現(xiàn)正常。然而還沒(méi)來(lái)得及慶幸死里逃生，一波未平一波又起，在停泊軌道旋轉(zhuǎn)兩圈后，J-2發(fā)動(dòng)機(jī)重啟未成功?。?！

盡管阿波羅6號(hào)的飛行任務(wù)憑借登月服務(wù)艙/指令艙出色的應(yīng)變發(fā)揮得以挽救，但事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)了的許多潛在的嚴(yán)重問(wèn)題：

1、烏龍1：土星5號(hào)一級(jí)5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)需要被調(diào)諧到5.5赫茲附近的不等的頻率，避免共振，但兩個(gè)F-1引擎被無(wú)意中調(diào)整為相同的頻率，從而增強(qiáng)了POGO效應(yīng)。

2、J-2娘胎里的病根：J-2發(fā)動(dòng)機(jī)采用了增強(qiáng)型火炬點(diǎn)火器（ASI），ASI安裝在噴注器面板上，需要有液氫和液氧管路提供推進(jìn)劑后混合并采用電點(diǎn)火激發(fā)，產(chǎn)生的火焰點(diǎn)燃J-2推力室內(nèi)的推進(jìn)劑，詳見(jiàn)《LIGHT ME UP——如何點(diǎn)燃液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)？》。在地面測(cè)試的時(shí)候，空氣液化進(jìn)入柔性波紋管的凹陷部分形成了阻尼效應(yīng)，弱化了震動(dòng)帶來(lái)的疲勞，掩蓋了燃料管斷裂的隱患；不過(guò)在真空中沒(méi)有空氣冷凝，無(wú)法產(chǎn)生阻尼，在震動(dòng)下點(diǎn)火器燃料管斷裂，點(diǎn)火器腔室內(nèi)液氫斷供，局部形成富氧燃燒氛圍引起高溫直至腔室破損。發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)到壓力突然下降后執(zhí)行停機(jī)指令。

圖3. 注意圖中地面環(huán)境下水在波紋管凹陷處形成的阻尼作用

土星5號(hào)二級(jí)2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)ASI液氫管路因?yàn)檫@個(gè)原因在接近真空的條件下振動(dòng)時(shí)破裂；三級(jí)的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)重新點(diǎn)火失敗也歸因于ASI液氫管路斷裂泄漏液氫凍結(jié)了附近的液壓管路，造成液壓系統(tǒng)無(wú)法正常工作，J-2無(wú)法重啟。

3、烏龍2：2級(jí)2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)和3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑閥控制開(kāi)關(guān)接線交叉，本應(yīng)該關(guān)閉2號(hào)缺關(guān)閉了3號(hào)。

阿波羅6號(hào)的事故被當(dāng)天馬丁·路德·金在田納西州的孟菲斯被刺殺、林登·約翰遜總體不再謀求連任兩個(gè)熱點(diǎn)新聞掩蓋，民眾知之甚少。航天征途從來(lái)不是一帆風(fēng)順！

雖然J-2發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大大小小、各種場(chǎng)景下的測(cè)試，然而百密一疏，由于無(wú)法完全復(fù)制真空環(huán)境，在地面測(cè)試中找不到故障模式，ASI燃料管線問(wèn)題被掩蓋，這算是J-2交給液氫的最后一筆學(xué)費(fèi)！后續(xù)點(diǎn)火器燃料管路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，取消了波紋管并作了管路設(shè)計(jì)優(yōu)化，J-2的阿喀琉斯之踝在實(shí)戰(zhàn)中被發(fā)現(xiàn)并得以根治，終于在阿波羅7號(hào)任務(wù)的土星IB和阿波羅8號(hào)任務(wù)中取得圓滿(mǎn)，并在后續(xù)的飛行中百發(fā)百中，阿波羅計(jì)劃得以順利完成！

圖4.點(diǎn)火器燃料管路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，取消了波紋管并作了管路設(shè)計(jì)優(yōu)化

六、J-2換心記

50多年前的洛克達(dá)因并不像現(xiàn)在的渾身大企業(yè)病、動(dòng)不動(dòng)就伸手要錢(qián)，而是朝陽(yáng)、充滿(mǎn)活力！有著一顆沒(méi)有困難創(chuàng)造困難也要上的雄心！洛克達(dá)因工程師常年在加州圣費(fèi)爾南多山谷的圣蘇珊娜外場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室（SSFL，Santa Susana Field Laboratory）荒郊野嶺駐點(diǎn)，風(fēng)餐露宿，然而斗志激昂，無(wú)怨無(wú)悔！甚至有員工留下名句：“I’d like my ashes scattered over the contaminated hills beneath Rocketdyne. It’s both where I grew up and where I learned to love the bomb.”我希望把我的骨灰撒在洛克達(dá)因受污染的山下（洛克達(dá)因曾經(jīng)在圣蘇珊娜外場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室搞出過(guò)嚴(yán)重的核泄漏），在這里我成長(zhǎng)并愛(ài)上了這些炸彈.

圖5.洛克達(dá)因工程師常年在SSFL荒郊野嶺駐點(diǎn)，無(wú)怨無(wú)悔

J-2的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)樸皮實(shí)可靠，推力處于黃金段——百?lài)嵓?jí)，對(duì)于初代J-2的不足1964年洛克達(dá)因自籌資金對(duì)J-2作升級(jí)，改進(jìn)復(fù)雜嬌氣的啟動(dòng)方式（上期復(fù)雜的點(diǎn)火時(shí)序大家一定留有印象）、進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)比沖、簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)。在這樣的背景下升級(jí)換代迅速啟動(dòng)，研發(fā)了非常獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)J-2S！

（一）首創(chuàng)抽氣循環(huán)的獨(dú)特方式

最主要的改動(dòng)是將燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)換成抽氣循環(huán)（tap-off cycle），即把推力室內(nèi)中靠近噴注器的燃?xì)庖鲇米黩?qū)動(dòng)渦輪泵的工質(zhì)，取代了燃?xì)獍l(fā)生器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，并可以簡(jiǎn)化啟動(dòng)操作。

圖6. 抽氣循環(huán)示意圖

但從推力室引出的燃?xì)庖灿幸?，燃?xì)鉁囟纫m合于渦輪葉片的工作溫度，不能太高，在J-2噴注器最外側(cè)邊緣布有255個(gè)0.055英寸直徑的氣氫噴口用作燃燒室室壁的氣膜冷卻，大樹(shù)底下好乘涼，因此J-2S選擇了在推力室靠近噴注器邊緣略下方部位抽出燃?xì)?，并匯入液氫降溫稀釋以控制燃?xì)鉁囟群透蝗挤諊蚃-2一樣，高溫燃?xì)獯序?qū)動(dòng)氫渦輪泵、氧渦輪泵，然后從噴管腰部三角縫隙匯入發(fā)動(dòng)機(jī)排氣。

圖7. 在靠近噴注器邊緣部位抽出燃?xì)?/span>

抽氣循環(huán)工作模式下，推力室室壓和驅(qū)動(dòng)渦輪泵的燃?xì)鈮毫Σ辉偈恰皩?duì)立面”，而是室壓驅(qū)動(dòng)渦輪泵，同心同德！這降低了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)序設(shè)定和操作的難度，并妥善地協(xié)調(diào)了推進(jìn)劑泵壓系統(tǒng)上下游關(guān)系。

抽氣循環(huán)的驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)起名叫J-2X（不同于下篇要講的J-2X），測(cè)試了10,756秒，成為J-2S開(kāi)發(fā)計(jì)劃成功的關(guān)鍵因素。另外從渦輪的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，也要留有一定冗余度防止意外發(fā)生，洛克達(dá)因在J-2X上練級(jí)渦輪葉片耐燒蝕功夫。

抽氣循環(huán)是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的改進(jìn)，不過(guò)依舊存在性能損失，同時(shí)渦輪工質(zhì)作功能力受限，也限制了燃燒室壓力的進(jìn)一步提高！J-2S推力室室壓較J-2的5.38MPa有提高，但僅為8.59MPa。

（二）采用火藥啟旋的多次啟動(dòng)方式

用作土星5號(hào)三級(jí)的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，為了確保再次啟動(dòng)的時(shí)候有有足夠能量驅(qū)動(dòng)液氫和液氧泵渦輪旋轉(zhuǎn)，除了從推力室冷卻夾套引出氣氫，還從增強(qiáng)型火炬點(diǎn)火器燃料管線中引出液氫注滿(mǎn)起動(dòng)箱，通過(guò)環(huán)境溫度汽化液氫獲得足夠壓力，但這樣一來(lái)，再次啟動(dòng)不能太快，因?yàn)橐簹溥€沒(méi)充分汽化；再次啟動(dòng)也不能太晚，因?yàn)橐簹涑浞制邏撼^(guò)閥值泄壓，損失能量。因此J-2的重復(fù)啟動(dòng)等待時(shí)間控制在90分鐘到6小時(shí)，束手束腳的重啟對(duì)于載人航天任務(wù)來(lái)說(shuō)降低了應(yīng)變能力。新的設(shè)計(jì)取消了氣體啟動(dòng)箱系統(tǒng)，取而代之的是帶有固體火藥渦輪起動(dòng)器（SPTS，Solid Propellant Turbine Starters）系統(tǒng)，一共開(kāi)發(fā)了兩個(gè)版本：用于一次啟動(dòng)能力的土星二級(jí)，和用于最多需要三次啟動(dòng)需求的土星三級(jí)，密封的固體火藥包綁在燃料泵周?chē)ㄒ?jiàn)下圖紅色數(shù)字），燃?xì)馄绻苓B接到渦輪啟旋，具備多次、任意時(shí)間重啟的能力。

圖8. 背了三個(gè)炸藥包的J-2S，可以滿(mǎn)足三次啟動(dòng)需求的土星三級(jí)

（三）新增節(jié)流功能和“怠速模式”(Idle Mode)

新增節(jié)流功能，節(jié)流是通過(guò)簡(jiǎn)單地下調(diào)從推力室抽氣的閥門(mén)開(kāi)啟角度，進(jìn)而減少驅(qū)動(dòng)渦輪的工質(zhì)，在測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了6：1的節(jié)流能力驗(yàn)證。另外新增低推力操作的功能，稱(chēng)為“怠速模式”，通過(guò)怠速模式閥僅向噴注器內(nèi)圈噴嘴供氧，在2.5的混合比下提供22.2kN（5千磅力）的推力，可用于在軌機(jī)動(dòng)或啟動(dòng)前的推進(jìn)劑沉底。

圖9. J-2/J-2S發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比圖

其他改進(jìn)還包括采用了離心渦輪泵來(lái)代替J-2的軸流氫泵，降低失速門(mén)限，從而擴(kuò)大了工作范圍；噴管擴(kuò)張比增加到40，從數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，推力和真空比沖均較J-2有增加。

圖10. J-2S性能較J-S有提升

洛克達(dá)因生產(chǎn)了六臺(tái)樣機(jī)，從1965年到1972年在6項(xiàng)飛行配置發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行了273次測(cè)試，總運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為30,858秒（主級(jí)工作持續(xù)時(shí)間為21,400秒，低推力怠速模式運(yùn)行時(shí)間為6,600秒）。發(fā)動(dòng)機(jī)壽命達(dá)到12000秒，大修之間可啟動(dòng)30次。

1972年洛克達(dá)因提出了J-2S發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證需求，打算在SA-518任務(wù)中作為土星5號(hào)火箭的三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。但由于嚴(yán)重的預(yù)算削減，1972年美國(guó)決定不再生產(chǎn)土星5號(hào)運(yùn)載火箭，該發(fā)動(dòng)機(jī)的認(rèn)證也告一段落。

J-2S也曾被考慮用于其他用途，在替代航天飛機(jī)概念（ASSC）研究中，格魯曼波音聯(lián)合體就曾提出用土星火箭貯箱以及J-2S用作主發(fā)動(dòng)機(jī)的一級(jí)半架構(gòu)航天飛機(jī)，但也因?yàn)橥列腔鸺a(chǎn)線關(guān)閉方案終止，不過(guò)J-2S的基因在各種變種發(fā)動(dòng)機(jī)上流傳下去。

七、J2S發(fā)動(dòng)機(jī)脫胎換骨變“瓶塞”——環(huán)形氣動(dòng)塞式噴管

噴管除抗?fàn)幐邷?、減重外，最重要是和圍壓和解！普通的鐘型噴管，只能選取一個(gè)特定高度進(jìn)行折中設(shè)計(jì)，讓噴管出口壓力等于圍壓，也就是下圖中間的完美形態(tài)形成最佳性能。

圖11.過(guò)膨脹、完全膨脹、欠膨脹三種狀態(tài)

當(dāng)火箭在低于設(shè)計(jì)高程的低空工作時(shí), 噴管出口靜壓低于圍壓產(chǎn)生相當(dāng)可觀的負(fù)推力。別以為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力牛逼哄哄的，噴管出口由于高速流動(dòng)的燃?xì)猓瑝毫ζ鋵?shí)是低的，比如SSME的噴管出口面積4.49平米，但噴管出口靜壓僅為6psi（0.41個(gè)大氣壓），在海平面1個(gè)大氣壓氛圍內(nèi)活生生變成大號(hào)吸塵器，海平面負(fù)推力達(dá)到188kN，這就是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)海平面比沖低的主要原因！另外噴管出口處燃?xì)膺^(guò)膨脹，燃?xì)鈴膰姽鼙诿媪鲃?dòng)分離，而且反復(fù)出現(xiàn)脫壁和貼壁，對(duì)結(jié)構(gòu)引起強(qiáng)烈的共振耦合產(chǎn)生應(yīng)力，造成推力和效率下降。

而當(dāng)火箭在高于設(shè)計(jì)高程的高空工作時(shí), 噴管出口處燃?xì)馇放蛎?，燃?xì)馕吹玫酵耆蛎洶詺鈧?cè)漏，側(cè)向膨脹(也即徑向，垂直于火箭的軸向)的能量未充分發(fā)揮在軸向造成動(dòng)量損失。就像邁克爾?杰克遜（Michael Jackson ）在《Gonna Be Startin' Somethin'》這首歌寫(xiě)的：“And too high to get over，And too low to get under，You're stuck in the middle，And the pain is thunder”（到上面去太高，到下面去太低，你被釘在當(dāng)中，痛苦是電光火石）。

圖12.獵鷹9火箭一級(jí)發(fā)射時(shí)內(nèi)斂拘束的火焰到高空變的發(fā)散凌亂

有沒(méi)有辦法擺脫噴管固定擴(kuò)張比的限制？上世紀(jì)50年代羅羅公司的A.A.Griffith申請(qǐng)的專(zhuān)利首次將塞式噴管應(yīng)用于火箭推進(jìn)，美國(guó)不少航空航天公司都對(duì)此開(kāi)展了研究，1959年洛克達(dá)因已通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論來(lái)評(píng)估氣動(dòng)塞式噴管幾何參數(shù)。為了減重并減小幾何尺寸，塞式噴管一般會(huì)如下圖把塞錐鋸短，保留僅20%左右，這種塞式噴管叫做氣動(dòng)塞式噴管（為什么叫做氣動(dòng)？這個(gè)原因后面會(huì)講）。

圖13.塞式噴管一般會(huì)截短減重，短一號(hào)的叫做氣動(dòng)塞式噴管

在有了J-2發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)好苗子之后，空軍、NASA和洛克達(dá)因一拍即合，把塞式噴管的研究推向高潮?？哲娛谟柘冗M(jìn)低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)塞式噴管概念研究合同（ AF04（611）-11399），主要針對(duì)原型設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，并和NASA的NAS8-19號(hào)合同共同開(kāi)展工程樣機(jī)制造和測(cè)試，攻克噴注器、推力室冷卻等關(guān)鍵難題。

圖14.氣動(dòng)塞式噴管典型的工作過(guò)程

圍壓在低于完全膨脹高度扮演了“空氣噴管”的角色！氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)最特別的是小推力室成一定夾角“互懟”（有研究表明60度的夾角較為理想，實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)還要考慮各種因素），海平面附近較高的圍壓會(huì)壓縮內(nèi)八字形噴嘴主射流外邊界層，從之前“拆臺(tái)”的角色變成幫手，超音速?lài)娚淞鞣脑谌F和邊界層反復(fù)出現(xiàn)壓縮和膨脹，射流的徑向分量都作用在塞錐壁面，塞錐壁面壓力增加從而產(chǎn)生推力！

要提醒的是在低于完全膨脹高度塞錐下方會(huì)留有開(kāi)放空隙，叫做開(kāi)尾跡（OPEN WAKE），底部壓強(qiáng)大致等于圍壓，這就不會(huì)像傳統(tǒng)鐘型發(fā)動(dòng)機(jī)形成負(fù)推力。因此在完全膨脹高度前，“空氣噴管”張弛有度實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)補(bǔ)償，相比鐘型噴管，塞式噴管在低空的噴管效率最多可提高20%～30%。

到了設(shè)計(jì)的完全膨脹高度或者更高的高度，氣動(dòng)塞式噴管的工作模式可以用一句“氣墊做靴踏云霄”來(lái)形容！這個(gè)時(shí)候圍壓很低，常規(guī)鐘型噴管的射流已經(jīng)膨脹的不行，然而氣動(dòng)塞式噴管的兩股主射流膨脹并在塞錐底部交叉形成再壓縮尾激波，塞錐底部的尾跡閉合形成一個(gè)空氣錐，這也是氣動(dòng)塞式（aerospike）叫法的由來(lái)！空氣錐內(nèi)部壓力不受外界環(huán)境的影響,大約是一個(gè)大氣壓的幾分之一，高于前方接近真空的圍壓，從而產(chǎn)生一個(gè)作用于噴管底部的正推力，其量不可小覷；如果在閉尾跡工況下將二次流（區(qū)別于主射流）引入底部區(qū)時(shí)，底部壓力會(huì)進(jìn)一步增加，伴隨高度的增加圍壓降低，這種推力增大，起到了高度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔茫浹a(bǔ)了塞錐截短的影響，把高空低圍壓造成的燃?xì)馀蛎涀儚U為寶！

另外二次流概念安排了渦輪泵廢氣的好去處，這非常適合燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)、抽氣循環(huán)這類(lèi)開(kāi)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)！早在1959年開(kāi)始，洛克達(dá)因就在分析二次流對(duì)噴管效率的影響，現(xiàn)在又有空軍和NASA的資助，因此迅速把性能更為優(yōu)異的J-2S的推力室抽氣循環(huán)、改進(jìn)的渦輪泵系統(tǒng)拿來(lái)搭臺(tái)，在此基礎(chǔ)上魔改探索！這也契合了合同期僅有17個(gè)月（后來(lái)增加到20個(gè)月）的時(shí)限要求。

氣動(dòng)塞式噴管分為環(huán)形和直排型，洛克達(dá)因也是有自己的算盤(pán)，擬將更先進(jìn)的氣動(dòng)塞式噴管研究成果用于土星火箭，因此先選擇了環(huán)形氣動(dòng)塞式噴管外加模塊式推力室設(shè)計(jì)方向，滿(mǎn)足上面級(jí)飛行任務(wù)的需要，這個(gè)型號(hào)的工程樣機(jī)在坊間被命名為J-2T（T表示環(huán)形，torroidal）。

圖15.J-2S的絕活統(tǒng)統(tǒng)拿來(lái)成就氣動(dòng)塞式噴管探索

在解密的美國(guó)國(guó)防部項(xiàng)目總結(jié)文件里面，洛克達(dá)因首先借鑒了J-2S更簡(jiǎn)單，更輕便的抽氣循環(huán)，在節(jié)流范圍內(nèi)有更好的啟動(dòng)特性和更高的性能。氣動(dòng)塞式噴管燃燒室有連續(xù)式和模塊式兩類(lèi)結(jié)構(gòu), 后者是由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的小發(fā)動(dòng)機(jī)模塊組合而成，相對(duì)比較容易分段制造，洛克達(dá)因采用了40小推力室在圓圈邊緣圍成一圈，小推力室內(nèi)部打孔引流（見(jiàn)下圖紅色箭頭），抽出燃?xì)獠⑿序?qū)動(dòng)氫泵和氧泵。選擇并聯(lián)渦輪機(jī)分流循環(huán)，摒棄了J-2/J-2S的迂回燃?xì)夤苈罚@樣更簡(jiǎn)單、更輕便。用盡的廢氣排入塞錐底部用作二次流。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)僅用兩個(gè)閥門(mén)作為控制點(diǎn)，滿(mǎn)足推力和混合比調(diào)整的要求，一個(gè)閥用于控制抽氣循環(huán)的氣體流量，另一個(gè)閥用于控制氧化劑渦輪氣體流量，并不需要復(fù)雜的閉環(huán)控制，簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制就可以達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。

圖16.J-2T結(jié)構(gòu)圖，紅色箭頭標(biāo)識(shí)抽氣循環(huán)用氣來(lái)源

其次J-2T工程樣機(jī)最難的要屬推力室束管再生冷卻夾套的選型、制造。環(huán)形氣動(dòng)塞式噴管較傳統(tǒng)鐘型噴管相比直徑要大許多，洛克達(dá)因在J-2推力室研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮在300次重復(fù)使用基礎(chǔ)上，探索導(dǎo)熱率、塑性應(yīng)變、減重等方面更優(yōu)的解決方案。對(duì)了幾種候選管材料，包括鎳200，鎳270，無(wú)氧硼銅，鈹銅合金10，347型不銹鋼和Hastelloy-X合金進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試，鎳200經(jīng)受住了315個(gè)啟動(dòng)關(guān)閉周期，承受了827度的高溫。最后噴管內(nèi)壁由4240根鎳管（材料為鎳200）釬焊而成，管壁厚度僅為0.012英寸，其中2120根是從底部向上一直延伸到40個(gè)小推力室喉部下方4.0英寸處用于冷卻；氣動(dòng)塞式噴管外罩主體由4400根0.010英寸鎳管釬焊而成。燃料主泵泵出的液氫，通過(guò)集液器向束管注入液氫，自下而上冷卻塞錐外壁，再對(duì)40個(gè)小推力室冷卻后通過(guò)外罩冷卻束管注入互擊噴注器。

圖17. 圖為25萬(wàn)磅推力的J-2T-250K工程樣機(jī)，注意底部用于二次流的出口

根據(jù)合同要求“...在任何海拔高度都能高效重啟...” J-2氣氫啟動(dòng)箱構(gòu)造是用不上了，洛克達(dá)因用了一個(gè)燃?xì)鈫?dòng)器（hot-gas igniter,HGI），在燃料和氧化劑主閥前引流點(diǎn)燃形成熱燃?xì)怛?qū)動(dòng)液氫、液氧泵的渦輪，實(shí)現(xiàn)輕便、無(wú)限次啟動(dòng)。在啟動(dòng)時(shí)序上，由于冷卻夾套的束管直徑很細(xì)，因此冷卻夾套容積比鐘型噴管還小，加之采用了兩級(jí)離心氫泵，推力建立的時(shí)間短、時(shí)序操作簡(jiǎn)單；不過(guò)燃?xì)鈫?dòng)器需要時(shí)間達(dá)到190psi的額定啟旋壓力，在海平面需要4.4秒、真空下為2.6秒，一定程度上拉長(zhǎng)了推力建立時(shí)間，測(cè)算在海平面啟動(dòng)后T+5.6秒達(dá)到90％的推力。

在2.5K、20K磅力推力的縮比模型做了無(wú)數(shù)冷流和點(diǎn)火試驗(yàn)，對(duì)各種構(gòu)型做了非常詳盡的論證，為250K磅力的工程樣機(jī)實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)，測(cè)試是在內(nèi)華達(dá)測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行。

圖18.也就是題圖，J-2T-250K工程樣機(jī)在內(nèi)華達(dá)測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行通道壁冷卻效果測(cè)試

項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告中列出了023、027、028三次測(cè)試的數(shù)據(jù)，包括噴管效率和底部壓力特征等，但測(cè)試時(shí)間最長(zhǎng)的僅為0.8秒，而且后兩次測(cè)試受到了冷卻劑泄漏到燃燒室引發(fā)的干擾，燃燒效率和比沖是偏低。洛克達(dá)因通過(guò)估計(jì)泄漏的影響進(jìn)行校正，認(rèn)為比沖可以達(dá)到預(yù)期。項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告提到J-2T-250K工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了所有要求，認(rèn)為在1500 psi的燃燒室壓力和6：1混合比下可以達(dá)到456.1秒真空比沖，并可在1969年末為開(kāi)發(fā)高性能、靈活、長(zhǎng)壽命的實(shí)戰(zhàn)發(fā)射發(fā)動(dòng)機(jī)提供基礎(chǔ)。

圖19. 項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告中列出了023、027、028三次測(cè)試的數(shù)據(jù)

用于實(shí)戰(zhàn)發(fā)射的氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研充分采用焊接技術(shù)減重并提高可靠性，各個(gè)部件布局更為緊湊，在整體直徑100英寸不變情況下，高度從56.55英寸減少到48.3英寸，重量從3950磅減少到2939磅，噴管擴(kuò)張比從74.1：1增加到75.8：1。

圖20.用于飛行的氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)模型，頂上細(xì)管為抽氣循環(huán)的引氣管

氣動(dòng)塞式噴管性能優(yōu)異，在噴管擴(kuò)展比相同時(shí)長(zhǎng)度遠(yuǎn)比鐘型噴管短，重量可以減輕；塞錐內(nèi)部可以用來(lái)安裝渦輪泵、布局管路、設(shè)置渦輪氣體排放口，結(jié)構(gòu)緊湊。但由于較高的熱通量和較大的待冷卻面積，對(duì)冷卻的要求較高，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較重的問(wèn)題且制造困難，可行但可靠性依舊待驗(yàn)證。

圖21. 60年代洛克達(dá)因公司LOGO，熱血噴張、積極向上

不可否認(rèn)的是，60年代的洛克達(dá)因公司，就像當(dāng)時(shí)的紅色LOGO，敦厚皮實(shí)、熱血噴張、積極向上，殺出了一條前所未有的低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新路！這條路在現(xiàn)在看來(lái)依舊是前無(wú)古人后無(wú)來(lái)者……

（未完待續(xù)）

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