在SLS火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)定型上，為什么美國(guó)要放棄世界上推力最大的RS-68氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)？為什么不選擇RD-180這樣的煤油-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)呢？

出品：太空伊卡洛斯

在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)上，美俄是兩個(gè)有著強(qiáng)大技術(shù)積累的國(guó)家，俄羅斯的RD-180大家都很熟悉，一度被傳聞要進(jìn)入中國(guó)，最終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。RD-180單臺(tái)推力可達(dá)到300多噸，在這個(gè)級(jí)別中，美國(guó)的RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)也能夠?qū)崿F(xiàn)，只不過(guò)兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料不同。RD-180是煤油-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，而RS-68屬于世界上最大的氫-氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在SLS火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)定型上，為什么美國(guó)要放棄世界上推力最大的RS-68氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)？為什么不選擇RD-180這樣的煤油-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)呢？

圖注：從俄羅斯RD-180火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于煤油-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)

圖注：RS-68屬于世界上最大的氫-氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

煤油-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)不合適

煤油-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)過(guò)時(shí)，且不是未來(lái)主流。SpaceX和藍(lán)色起源都是使用液態(tài)甲烷作為發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)器的燃料，RS-25使用的是液態(tài)氫，RD-180則使用一種名為RP-1的煤油混合物，這些材料相似的一點(diǎn)就是，它們都需要液態(tài)氧的存在才能燃燒。氫作為世界上已知的密度最小的氣體，是一種可清潔燃料，并且它在燃燒時(shí)釋放的能量是最多的，還可以被重復(fù)的使用。RP-1密度較高、釋放的能量較少，但正因?yàn)樗母呙芏?，所以它所需要的容器更小，在海平面時(shí)，它產(chǎn)生的推力比預(yù)計(jì)的要高。它的優(yōu)勢(shì)在于低成本，以及不需要像氫一樣的過(guò)冷處理方式。

氫和RP-1各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以無(wú)法進(jìn)行比較。需求不同，采用的推進(jìn)劑也不同：火箭在進(jìn)入軌道時(shí)最好的選擇是氫，在爬升軌道時(shí)最好的選擇則是RP-1。對(duì)于SLS火箭來(lái)說(shuō)，最佳選擇為液態(tài)氫，而阿特拉斯火箭、獵鷹9號(hào)和土星五號(hào)則更適合RP-1。

圖注：胎死腹中的戰(zhàn)神系列火箭就是使用RS-68火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

我們可以從比沖lps的秒數(shù)中計(jì)算出火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。使用RP-1作為推進(jìn)劑的RD-180在海平面上為311 lps，而使用液態(tài)氫作為推進(jìn)劑的RS-25能夠達(dá)到366 lps，這可以說(shuō)明RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)的效率更高。而在液態(tài)氫和RP-1中還有一個(gè)選項(xiàng)，那就是甲烷。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，甲烷的比沖比RP-1多了大概十秒鐘。甲烷和RP-1一樣都不需要過(guò)冷處理方式，但是相比較RP-1，甲烷也是一種清潔燃料，這對(duì)于可重復(fù)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是更好的選擇。在接下來(lái)，藍(lán)色起源公司的BE-4以及SpaceX的猛禽號(hào)都將采用甲烷作為推進(jìn)劑的材料，同時(shí)都采用了像RS-25的閉環(huán)設(shè)計(jì)從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

圖注：RD-180使用煤油-液氧噴射出的火焰

多發(fā)并聯(lián)可能爆炸

《2010年美國(guó)宇航局授權(quán)法案》中，該法案明確地表示SLS火箭的制造需要建立在航天飛機(jī)衍生技術(shù)的基礎(chǔ)上，以及在制造過(guò)程中，需要使用到航天飛機(jī)計(jì)劃下留存的勞動(dòng)力和裝備。這項(xiàng)法案以304票的贊成碾壓118票的反對(duì)，國(guó)會(huì)成功通過(guò)這項(xiàng)法案，并在奧巴馬時(shí)期簽署下成為正式法案。這項(xiàng)法案的通過(guò)限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇，所以在2011年，SLS火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的最好選擇就是來(lái)自洛克達(dá)因公司的RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)，RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)還差點(diǎn)在SLS火箭的上一代：戰(zhàn)神五號(hào)火箭中得到使用。如果選擇RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)，那么安全性不佳，RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴不適合在多發(fā)環(huán)境中使用，會(huì)導(dǎo)致引擎效率降低，并且引發(fā)衍生事故，比如爆炸。

圖注：Delta IV 重型火箭上使用3臺(tái)RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)，注意這是3枚同樣的第一級(jí)，噴嘴之間隔開(kāi)距離

如果NASA重新研發(fā)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，那么成本和時(shí)間則無(wú)法控制，且受到法案的限制，以及法案規(guī)定美國(guó)宇航局要在2016年底將SLS投入運(yùn)營(yíng)，所以美國(guó)宇航局只能選擇RS-25作為SLS火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性以及可靠性，美國(guó)宇航局和洛克達(dá)因公司都放棄了這個(gè)想法，從而去使用安全性和可靠性較高的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖注：?jiǎn)伟l(fā)RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)外加兩個(gè)小助推器，安全性才比較高

成本上的考量

雖然SLS和獵鷹9號(hào)是完全不一樣的火箭，但巧合的是，美國(guó)宇航局為RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)翻新支付了6000萬(wàn)美元，而這價(jià)格與SpaceX公司在獵鷹9號(hào)身上投入的資金差不了多少，所以現(xiàn)在并沒(méi)有任何證據(jù)可以表明SLS火箭是現(xiàn)有火箭中成本最高的。洛克達(dá)因公司表示在接下來(lái)制造Rs-25發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中，通過(guò)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及40年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，他們能夠?qū)S-25的制造成本降低33%。他們還提到通過(guò)增材制造（3D打?。┑募夹g(shù)也能夠達(dá)到節(jié)約成本的效果，目前該公司正在研究如何將增材制造技術(shù)應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。事實(shí)上，降低33%的成本還是有可能做到的，因?yàn)樵诨鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)更新中，需要充分的考慮到所有新部件的可靠性，而在部件可靠性有了保障之下，并不會(huì)經(jīng)常的對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行升級(jí)更新。在這種情況下，NASA就可以達(dá)到節(jié)約成本的目的。

圖注：RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能最高

綜上，RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)在已知的發(fā)動(dòng)機(jī)中綜合性能最高的，并且它的推力和可靠性也都是一流的存在。RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)量也夠，在航天飛機(jī)時(shí)代飛行次數(shù)也不多，這一切都可以證明美國(guó)宇航局做了一個(gè)正確的決定。在SLS火箭進(jìn)入運(yùn)營(yíng)后的這五年時(shí)間，美國(guó)宇航局將會(huì)在兩種火箭系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)載人，分別為搭載SpaceX的載人版龍飛船與獵鷹9號(hào)火箭，以及搭載波音CST-100載人飛船的阿特拉斯火箭。

根據(jù)SpaceX的說(shuō)法，載人版龍飛船不久之后將發(fā)射進(jìn)入軌道，重型獵鷹在載荷達(dá)到54噸，可運(yùn)送更重的貨物進(jìn)入軌道。雖然NASA研發(fā)出了SLS火箭，使得RS-25成為同類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)中的最佳選擇，但這只是一個(gè)中庸的法案。今年還會(huì)有兩臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)在斯坦尼斯中心接受檢測(cè)，而在明年，SLS火箭核心級(jí)將開(kāi)始全面接受試驗(yàn)和檢測(cè)。RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)疑是最佳的選項(xiàng)。