舉火尋道六十年——地外著陸反推火箭發動機發展史揭秘

前言

「Small step for man，giant leap for mankind」 48年前的7月21日，當尼爾阿姆斯特朗在月球說出這句話的時候，整個地球為之驕傲！在我們期盼SpaceX能夠在2020年發射火星著陸的紅龍飛船時（Red Dragon Spacecraft），伊隆·馬斯克19日卻在華盛頓表示，SpaceX已經放棄龍飛船的發動機反推著陸計劃，同時也取消了「紅龍任務」。看來在載人登陸火星的具體工程設計上，還有不少難關要克服，本期專門通過阿波羅登月計劃的登月艙下降火箭發動機（LMDE，Lunar Module Descent Engine）來分析其中的技術難點。

不同於發射航天器去外太空的單一任務，登月任務非常複雜，在月球上進行軟著陸，要求極端可靠性、變推力、多次啟動、低重量和可潰吸能（在大型岩石上著陸的情況下），對於發動機的要求不一般，稍有意外宇航員就回不來了。

TRW公司在極短的時間內設計並製造了這款發動機，堪稱工程技術上的奇蹟。相關的技術還用在了熱點公司SpaceX的獵鷹火箭梅林發動機以及後續液氧甲烷的猛禽發動機上。

一、特殊任務說明——月面降落

（一）必須要有反推發動機

月球沒有大氣，不同於火星還可以依靠大氣，用降落傘減速並用火箭反推或氣囊著陸，在月球上登陸只能依靠下降發動機的動力才能實現軟著陸。

（二）推力不變還麻煩了——下不去

在登月艙著陸過程中，推進劑不斷消耗，探測器質量不斷減小，固定推力就麻煩了。因此為了適應探測器質量的變化，要求下降發動機必須具有大範圍變推力能力。

即便採用固定推力的發動機，也是幾台固定推力的組合通過脈衝調製來控制每台發動機的工作，以獲得所需的推力。固體火箭發動機實現推力調節比較複雜，因此一般採用液體推進劑。

（三）挑個平坦的地方降落——還需要懸停

為了讓登月艙安全的降臨，發動機還必須讓登月艙在月球表面懸停，挑一個平坦的月面進行降落。

TRW公司把上述要求完美的體現在了登月艙下降發動機上LMDE。

二、一個偉大的公司----TRW簡介

TRW（Thompson Ramo Wooldridge Inc公司首字母縮寫）成立於1901年，由David Kurtz和其他四名克利夫蘭人組成的克利夫蘭帽螺絲公司，後成為百年老店，直到2002年被諾斯羅普?格魯門公司收購。該公司產品線跨度很大，包括民用汽車配件、航天軍工、半導體計算機等，主要產品包括：

1、初期產品包括賽車高性能閥門、二戰軍機關鍵零部件、噴氣發動機渦輪葉片；

2、1953年開始成為ICBM（洲際彈道導彈）開發工作的主要承包商。TRW也主導發展了大力神（Titan）導彈。

3、TRW下屬的STL（Space Technology Laboratories）設計和製造了先驅者（Pioneer）10和11，分別調查木星和土星，是人類第一個通過小行星帶和木星的輻射帶的探測器。

4、TRW設計並製造了HEAO 1,2和3，其中HEAO 2愛因斯坦觀測台是第一台完全成像的X射線望遠鏡；設計製造的康普頓伽馬射線觀測台、錢德拉X射線天文台是NASA 4大天文台計劃中的兩個。

5、TRW為阿波羅月球著陸器設計和建造下降引擎（LMDE）。該發動機是載人太空飛行的第一個可節流、變推力的發動機，該發動機還在阿波羅13驚險返航中作為主要的推進發動機，對軌道的修正發揮了重要作用。得到了NASA歷史性的讚揚：「登月艙下降發動機可能是阿波羅計劃中最大的挑戰和最傑出的技術突破」。

6、阿波羅計劃的月球著陸後，LMDE進一步發展成為TRW TR-201發動機，該發動機在1972年至1988年間在77枚德爾塔（Delta）運載火箭中成功使用。

TRW公司在1986年成為全球500強企業的第57位。

三、LMDE的設計細節

1963年啟動研發到1965年1月正式中標，事實上留給TRW開發滿足要求的用於載人飛行的LMDE時間很短，為此TRW在引擎開發的初期嚴格規划了測試程序，找到設計中的缺陷並解決，確保在研發和認證階段的後期不出現難以預見的問題。發動機設計的幾個攻關難點：可靠性、變推力、輕質量、小體積、可吸能！

（一）高可靠性----採用了劇毒的肼燃料

月球軟著陸通常需要經歷制動段、接近段和著陸段三個階段。

制動段（BRAKEING PHASE）：登月艙從110 km高的環月軌道離軌進入霍曼轉移軌道後，自近月點開始下降到距離月面幾公里高度的一段制動下降過程稱為制動段，也叫動力下降段，其主要目的是通過制動發動機抵消近月點處較大的初始速度。

接近段：接近段介於制動段和懸停著陸段之間，該段主要目的是修正制動段的偏差，使其滿足著陸段下降要求。

懸停著陸段（HOVER LAND）：著陸段從距離月面幾百米甚至更近處開始下降，為保證安全著陸，懸停過程完成對著陸區域的地形識別，並規避障礙物。

整體下降過程LMDE總點火時間要求為1000秒，含90秒熱標和910秒的任務時間，要求發動機多次啟動可靠點火。

而且要注意到登月艙下降級發動機直到發射後第三天著陸月球前才開始使用，這就要求燃料必須長期儲存，而液氫的空間長時間貯存課題直到今天還依舊是一個難題，顯然高比沖的低溫推進劑不是首選。

綜合考慮，為了確保100%的點火可靠性，LMDE採用了劇毒的常規自燃推進劑組合：航空肼和氧化劑N?O?，航空肼（Aerozine 50），又稱混肼50，是肼和偏二甲肼（UDMH）的50/50重量份混合物，比肼更穩定，比純UDMH具有更高的密度和沸點，提高了安全性。這種組合，確保液態燃料與氧化劑之間的液相混合直接著火，並能多次真空啟動，提高可靠性、省去點火裝置也減輕了重量。

（二）針栓式噴嘴實現可變推力

針栓式噴注器起源於美國NASA JPL（噴氣推進實驗室，錢學森等創建）的50年代的研究項目，通過移動噴注器中間的針栓，能調節流通面積進而實現推力調節，燃燒穩定、結構簡單。TRW公司於60年代開始實踐並研製針栓式噴注器並發揚光大，成功用於LMDE。後續TRW公司研發了各類不同用途的60多種針栓式液體火箭發動機噴嘴，涵蓋10N～3MN。

LMDE採用可變面積流量的調節閥實現流量調節，採用可變面積針栓式噴注器控制各工況的各工況的噴注壓降基本維持不變，從而使發動機各工況均具有較高的燃燒效率，這是一種典型的「雙調」變推力發動機方案。而且LMDE有創新，流量調節閥與噴注器之間通過機械槓桿連接在一起，驅動源裝在流量調節閥上，這樣就節省了一套驅動源，從而使系統變得簡單。發動機推力範圍46.75kN~4.675Kn，具有10%—100%的推力調節能力。

（三）採用擠壓式供應系統

為了使LMDE儘可能簡單，輕便，可靠，LMDE沒有採用複雜的膨脹循環、燃氣發生器循環，而採用高可靠性的氦氣擠壓式推進劑供應系統，擯棄了沉重，複雜和易損的渦輪泵。22 公斤氦被存儲在超嚴密封的儲罐中（下圖黃罐），壓力10.72 MPa。

（四）運往月球的每一磅都必須精打細算！

整個發動機的質量控制在了394磅（179公斤），也就是兩個成人的重量。大量採用了輕質材料，推力室外壁採用鈦。萬向架支座組件是由7075-T73鋁合金加工矩形框架。

體積也控制，最大直徑1.52米，高度2.03米。推力室頭部恰好能夠納入登月艙的方形架構中。

（五）燃燒室和噴管

1、推力室16：1面積比前的燃燒室由燒蝕襯裡的鈦合金外殼組成，殼厚度0.035英寸（0.89mm）。燃燒室隔熱罩由兩層0.038mm不鏽鋼和玻璃纖維製成，使得推力室外壁只有200攝氏度左右，這樣整個推力室前端就有可能完全嵌入探測器內部，使得下降級更加緊湊。

2、噴管延伸段外壁採用了輻射冷卻：推力室16：1面積比之後採用鈮合金（Columbium alloy）C-103輻射冷卻，並採用黑色鋁基塗層提供抗氧化性和高輻射性。噴管延伸段與燃燒室外殼法蘭連接，延伸到47.5：1的出口面積比部分。

3、為了將鈦殼的最高工作溫度保持在800°F（427°C）附近，採用了燒蝕冷卻，燒蝕性襯墊由高密度、耐燒蝕的酚醛材料組成，工作時燒蝕材料吸收熱量分解生成氣體，氣體從基體滲出後在內壁面上形成保護邊界層。見下圖金屬殼下部黑黑的材料。

4、噴管延伸段為可潰縮結構，可以在降落過程中與月球表面碰撞吸能實現軟著陸。

噴管延伸段的撞擊測試

這種可潰式設計在前三次登月中沒發揮作用，但在阿波羅15號派上用場了。為了增加登月艙載荷和延長停留時間，阿波羅15號的LMDE噴管增加了25CM長度增加膨脹比以增大推力，在登陸過程中變形吸能，整個登月艙安然無恙。

（七）LMDE參數

阿波羅登月艙下降發動機共參加十次飛行及試驗，從未因下降發動機故障引起事故。

五、題外話：TRW的人才和技術成就SpaceX

湯姆?米勒( Tom Mueller)曾經在美國TRW公司參與了15年的液體火箭發動機研發工作，1990年後，TRW公司使用針栓式噴注器技術開發低成本發動機，致力於降低航天發射的成本。湯姆?米勒曾經負責研發了迄今推力最大的液氫／液氧發動機TR-106，其真空推力高達381.3噸。而這台發動機的零件總數不超過100個，從設計、製造並組裝僅用了不到一年的時間。

2000年前後，湯姆?米勒看到自己的才華將會隨著TRW在航天動力領域的邊緣化而被埋沒，這個時候SpaceX創始人伊隆·馬斯克（Musk）挖到了這個人才，湯姆?米勒跳槽參與創建了SpaceX，湯姆?米勒在SpaceX設計的第一種火箭發動機Merlin 1A就採用了針栓式噴注器技術。

四、後阿波羅時代下降級發動機的發展

1975年8月20日和9月9日,美國發射了兩個海盜號探測器，用於探索火星上有無生物。這兩個探測器由軌道飛行器和登陸艙組成，長為5.08米，重3530千克，其中軌道飛行器重2330千克，登陸艙重1200千克，用三腳支撐，裝有生物化學實驗箱、測量挖掘設備、兩台電視攝像機、機械手和電源。 海盜1號和2號分別於次年7月20日和9月3日在火星表面軟著陸成功。

設計和製造的任務交給了Rocket Research Company (即現在的Aerojet Redmond) ，該公司為美國深空探測項目提供發動機有40年的歷史。火星登陸和月球登陸還是有一些不同：

1、對於重量和體積的要求更為苛刻了。整個登陸倉總重為1.2噸，要求發動機更為輕巧！

2、可以利用火星大氣來減速：火星大氣比地球稀薄，其中95.3%是二氧化碳，約2.7%是氮，1.6%為氬氣，還有數量極少的氧和水汽等，氣壓僅為地球的1%。雖然稀薄但峰值熱流差不多量級，因此可以用降落傘來進行減速。

3、火星上可能有生命，儘可能不能殘留有毒物質（NASA大愛）……

怎麼辦，工程師想出了非常好的解決方案：

1、充分利用降落傘減速：在6公里的高度，著陸艙的速度還是每秒250米/秒高速，但是打開16米直徑的降落傘之後，45秒之內速度可以降為60米/秒，

2、採用單組元推進劑催化分解：省卻氧化劑、省卻氧化劑貯存罐、省卻閥門、省卻點火裝置……

經過工程師反覆論證：

1、採用單組元肼（Hydrazine, 聯氨）催化分解：肼在在催化劑幫助下分解成氨氣和氮氣並放熱，如果控制氨解離成氮和氫的吸熱反應，最高可以得到1650K的燃氣溫度，通常作為小推力姿態控制發動機，在推力10N左右的微型發動機上用肼是最合適不過，單組元不需要氧化劑，輕便，分解使能即開即停，優勢明顯，推力可變。不過肼本身的熱穩定性還比較差。

2、多噴嘴設計：由於海盜探測器側重研究火星地表物質，減少排氣羽流對火星表面的影響，下降與著陸發動機具有18個噴嘴，推力於276牛頓至2667牛頓間可調，採用這麼多噴嘴的設計，可以在較大面積上排氣，採用這種方法NASA計算對地表加熱不會超過1攝氏度，移動不超過1毫米，可以圓滿完成火星地表的探測任務。

3、三個發動機安裝於火星登陸器三角形基座的長邊。著陸器攜帶86千克推進劑，貯存於2個鈦質燃料箱中。在1.5公里高度反推發動機點火，在工作40秒之後著陸速度可以降為2.4米/秒，再利用蜂窩鋁減震腿實現成功的軟著陸。

相關的技術也用在了2011 年火星科學實驗室（Mars Science Laboratory）「好奇號」探測器上。

另外2007年8月4日發射升空的鳳凰號火星探測器是採用固定推力的發動機，也是幾台固定推力的組合通過脈衝調製來控制每台發動機的工作，以獲得所需的推力。

（二）我國的嫦娥三號

我國在2003年3月1日正式啟動探月計劃「嫦娥工程」，嫦娥3號的著陸發動機充分借鑒了LMDE，採用偏二甲肼常規推進劑擠壓式變推力發動機。2013年12月14日，中國的「嫦娥三號」探測器成功落月。

（三）後續下降級發動機技術展望

近幾年，隨著新一輪登月、登火星計劃的興起，主要的技術攻堅是採用高比沖、無毒的低溫推進劑方案，但液氫的貯存很成問題，即便使用最有經驗的美國也把他束之高閣，目前主要集中在液氧煤油/液氧甲烷上。採用泵壓式液氧煤油發動機成熟，但要求發動機大範圍的推力調節比較困難，而採用液氧甲烷膨脹循環泵壓式倒可以實現這個目標，而且比衝要高10s。

膨脹循環屬於閉式循環，燃料或是氧化劑流過燃燒室壁和噴管壁，冷卻燃燒室和噴管的同時自身升溫具有更大壓力，驅動燃料泵和氧化劑泵運轉。膨脹循環的主要優點是發動機比沖較高、結構簡單、質量較小，而且非常適用於著陸級的推力要求。2004年美國普惠公司在技術成熟的RL10膨脹循環發動機基礎上將液氫換成液體甲烷的方案，推力變比目標擴大到20:1,推力98Kn,室壓3.45MPa，比沖353秒，但後續由於2010年1月29日美國宣布取消星座計劃也一併終止。

SpaceX當前的研發項目不少，因此有所取捨也是非常正常。據稱紅龍取消後，後續SpaceX集中精力搞泵壓液氧甲烷發動機，採用雙層嵌套儲箱的方法對抗蒸發，在主儲箱內設一個球形小儲箱，貯存下降用燃料。這裡也要提一下在星際旅行中液氧甲烷的推進劑的優勢，甲烷沸點為-161度，液氧沸點為-183度，兩種工質的理想工作溫度更接近空間環境溫度，相對液氫理論上更易實現推進劑的空間長期貯存，屬於空間可貯存推進劑。而且由於溫區接近，兩種推進劑貯存及保溫可以採用同樣的方案和工藝手段，利於簡化系統，貯箱可以共底或者嵌套，貯箱間無需特殊的絕熱，簡化貯箱設計，減輕結構質量。

在載人登陸火星的具體工程設計上還有很長的路要走，期待能夠在無毒低溫推進長時間貯存和熱防護，相關的大變比推力、膨脹循環著陸發動機的研製上能夠取得突破。

感謝楚龍飛提供的LMDE資料，感謝跆拳道大灰狼、滄海逸鯨給予的指導。

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