航知君帶你一起去看看世界上最牛的發動機

軍情 08-24

今年7月2號，我國長征五號火箭搭載「實踐十八號技術試驗衛星」從海南文昌衛星發射中心升空,雖然這次發射未獲得成功，但卻激起了許多人對於航天事業發展的興趣和關注，長征五號是我國自主研製的大型低溫液體捆綁式火箭，採取了眾多新技術，芯級直徑達到5米，攜帶四個助推器，每個助推器配置有兩台YF-100液氧煤油發動機，單台推力120噸，實現了我國航天歷史上的新突破。

可能有人會問，120噸級的推力在世界範圍內看，水平如何？世界上推力最大的火箭發動機又是誰呢？別急，且聽航空知識君慢慢道來。

∧長征5號矗立在文昌發射場

在當今世界的火箭發動機界，俄羅斯的RD-170液氧煤油發動機敢說第二，沒人敢說第一。對，你沒有看錯，火箭發動機推力排行榜的第一名，迄今為止，仍被上個世紀70-80年代間研發的火箭發動機牢牢佔據著。

∧剛剛下線的RD-170

項目緣起

談到對過去蘇聯航天科技的印象，恐怕大部分人還停留在當年蘇聯與美國進行「太空競賽」的階段，那段歲月里，兩個超級大國想盡一切辦法，不惜一切代價，都想成為第一個登上月球的國家。

「土星5號」與「N-1」的較量最終以「土星5號」完勝「N-1」而告終，蘇聯的科學技術人員咽不下這口氣啊，同為世界「德比」，憑什麼「土星5號」首次發射即告成功，而「N-1」前前後後發射了4次，回回都以爆炸尷尬收場，且每次爆炸都發生在火箭第一級與第二級分離之前。這也意味著這款舉全國之力打造的怪獸級火箭，壓根兒就沒有飛出過大氣層。

造成「N-1」四次失利的因素有很多，未經過嚴格檢測就出廠的「N-1」，發射場地設在拜科努爾，經過長途火車運輸，抵達發射場，再現場組裝，這樣的發射前流程給「N-1」的技術狀態帶來了不少隱患，而真正關鍵的問題在於NK-15發動機單台推力太小，加之科羅廖夫同志與楊格爾，切洛梅（外加格魯什科，這四位大師並稱「蘇聯航天事業的四大元老」）的政治鬥爭問題，使得「N-1」火箭的第一級並聯了30台NK-15發動機，這麼多發動機要實現同時協調的工作，控制難度可想而知。

∧世界「德比」「N-1」（上）與「土星5號」（下）

∧「N-1」的30台NK-15發動機（上），看著就讓人揪心，相較之下，「土星5號」（下）的底部就顯得簡潔的多，5台F-1發動機給人以特殊的機械美感

1972年11月23日，「N-1」火箭的最後一次發射以爆炸告終以後，蘇聯的科研人員打算研製更大推力的發動機，起初提議研製RD-123和RD-150兩款大推力發動機，計劃中的RD-123發動機，推力要達到800噸，RD-150發動機的推力則要達到1 500噸。（提出這個指標，估計當時負責發動機研發工作的科研人員內心都是崩潰的）

事實上RD-123和RD-150發動機根本達不到預定的設計要求，設計中的RD-123發動機的推力勉強只能達到125噸左右，同樣處於初始設計狀態的RD-150發動機的理論推力最高只能達到1 003噸。事實上，即使是在那個不計成本投入火箭發動機研發的年代，要實現單台1500噸的推力也是天方夜譚，這也反映出當時蘇聯科研體制存在著嚴重問題。

∧莫斯科航展上的RD-170

1974年到1980年年間，蘇聯科研人員對4燃燒室的大推力發動機進行了測試，項目起初還不叫RD-170，而被稱為11D168，代號UK，只是一種基於20世紀早期的RD-268發動機技術的測試模型。RD-268發動機是一款100噸級的發動機，燃料為偏二甲肼和四氧化二氮，這也是我國長征2號系列火箭的主力推進劑，當時的研究認為肼燃料和煤油燃料並沒有很大區別，因此並沒有特別要求使用煤油和液氧作為燃料，後來才改用煤油和液氧。

∧偏二甲肼的化學分子式

∧固態的偏二甲肼

∧長征2號發射現場，兩邊的橘黃色煙霧含有大量的四氧化二氮，有劇毒

PS：偏二甲肼與四氧化二氮的組合，是常用的火箭發動機燃料之一，這兩種物質互相接觸即可猛烈燃燒，釋放出巨大的能量，無需點火，使用方便，技術要求較低，製備也比較容易。二者均具是劇毒的化學產物，四氧化二氮還具有強腐蝕性，儲運比較麻煩。反應後放出的煙塵有劇毒，對環境很不友好，因此，使用偏二甲肼的火箭又被稱為「毒火箭」

RD-170的研發過程經歷了UK——6UK，統共6個階段的測試模型，最後一種測試模型叫做6UK，本質上已經和RD-170發動機沒有太大差別了，但是沒有燃燒室，主要目的是測試渦輪泵。此模型從1978年到1980年總共測試了31次，到20世紀80年代中期，期待已久的全尺寸的RD-170完成了點火測試。

1980年8月25日，動力機械製造科研生產聯合體對RD-170發動機進行了點火測試，但是僅僅持續了4.4秒。這是RD-170發動機第一次受到挫折。隨後又進行了15次測試，測試結果還不是很滿意，隨後科研人員對發動機進行了徹底的檢查和改進，至1981年9月，RD-170已經接近成功並準備定型，然而，好事多磨，在最後一次測試中，科研人員發現渦輪泵的轉動葉片已經被一些小顆粒損壞，而這些小顆粒是如何進入的渦輪泵的竟無一人知曉。

沒辦法，發動機是火箭的心臟，容不得半點馬虎，在歷經長時間的測試，檢查之後，科研人員們終於發現這些小個兒的鋁顆粒是從推進劑箱中進入渦輪泵的。動力機械製造科研生產聯合體的工程師們採取了一系列措施，安裝了過濾裝置來保護渦輪泵，避免鋁顆粒進入，還加強了渦輪泵的某些部件。

∧長征5號的YF-100發動機，單台RD-170發動機的推力相當於6台YF-100發動機的推力總和，中國航天事業要走的路還很長

改進後RD-170發動機在1983年5月31日完成了740噸推力的測試任務，總共燃燒了142秒。這相當於6台 YF-100發動機的推力總和，這次測試被看作是成敗關鍵，決定著RD-170發動機的命運。在隨後幾個月，發動機工作得越來越好，之後委員會決定繼續RD-170項目。

∧發動機展示車間中的RD-170，後面架子上排列的照片都是蘇聯發動機研製工程的功勛人物

1984年的12月1日,天頂號運載火箭裝載RD-171發動機的第一級在化工機械科學研究所的IS-102測試台測試成功，隨後，在同一個月里的測試也達到令人滿意的性能。動力機械製造科研生產聯合體在1985年初進行了進一步的測試，這為天頂號運載火箭的第一次發射鋪平了道路。1985年4月13日和6月22日，天頂號運載火箭從拜科努爾航天發射場發射，發射部分失敗，雖然沒有把模擬有效載荷送入軌道，但是RD-171發動機正常工作，火箭發射失利與RD-171無關，這也標誌著「發動機怪獸」RD-170正式投入使用（這裡並不是筆者失誤，欲知RD-170與RD-171的區別，請接著往下看）。

∧RD-171發動機，它是RD-170的同胞兄弟

技術特點

RD-170發動機有4個燃燒室，一台渦輪泵和2個預燃室。其中渦輪泵是單級的，整個渦輪泵系統還包括有一台氧化劑泵，一台兩級型的燃料泵，整個系統連接了低壓的燃料泵和氧化劑泵，並使推進劑增壓，防止渦輪泵形成空穴現象，從而防止燃燒不穩定現象的出現。

渦輪泵由2個富氧預燃室燃燒後形成的高壓氣體來驅動，蘇聯的工程師原本打算只用一個預燃室，這樣每秒種要燃燒掉1.5噸的推進劑，流量太大了，為了保證發動機的安全，故設置了兩個預燃室。

∧RD-170的渦輪泵及其管路系統

上圖中，淡黃色的為煤油管路，淡青色的為液氧管路。管中紅色的部分，表示高溫燃氣。圖中央的從上而下貫穿整個管路的黑色T型裝置，是RD-170的主渦輪軸。從上到下的4個黑色渦輪，依次為：主渦輪泵、氧化劑泵、主燃料泵和主啟動泵。

主渦輪泵兩側兩側各自伸出一個耳朵，那就是RD-170的2個富氧預燃室了，一部分燃料在預燃室中進行燃燒，帶動渦輪泵轉動。渦輪泵啟動，帶動整個渦輪軸轉動，下面的氧化劑泵和燃料泵就都工作起來了，燃料和氧化劑就能夠迅速流動了。

說到RD-170發動機，就不得不提RD-170的渦輪泵，這台渦輪泵體格小巧，卻能產生大約257 000匹馬力的動力。

∧RD-170的渦輪泵，設計精巧，產生的能量讓人嘆為觀止

這麼說可能沒什麼概念。我們還是通過對比來看看這個小小的裝置有多大的能量。美國「尼米茲」級航空母艦「亞伯拉罕-林肯」號是一艘滿載排水量超過十萬噸的大型航母，其動力裝置為2座A4W核反應堆，可提供約26萬馬力，將十萬噸的航母加速到35節。這個渦輪泵輸出的功率與2座A4W反應堆基本相當，令人嘆為觀止。創造出這樣的機械怪獸，人類的力量太偉大了！！！

∧RD-170發動機渦輪產生的能量與「林肯」號航母的動力裝置相當，二者體積相差懸殊

應用部署

RD-170發動機計劃應用於「天頂號」火箭與「能源號」火箭。能源號火箭的助推器使用RD-170，而天頂號火箭則使用RD-171；二者的區別在於，RD-170的推力矢量噴管只能沿一個方向軸擺動，RD-171的噴管則可以沿兩個方向軸擺動，僅此而已，二者的核心部分完全相同，由於推力巨大，天頂號火箭的第一級只需安裝一台發動機。RD-171第一次完全成功發射是在1985年10月22日。將天頂號和它搭載的「宇宙1697」電子偵察衛星成功送入太空，天頂號火箭發射後，RD-170發動機還在繼續測試。