超级变态的火箭发动机已经研发,美国一步步反超苏联

超级变态的火箭发动机已经研发,美国一步步反超苏联

上文书我们讲到了美国人在研发新型火箭发动机,这是成败的关键,涉及到技术方案的选择。美国人制造了超级变态的 F1 发动机,这个发动机的推力可以说是大到变态,可以产生 700 吨的推力。但是这个发动机的关键指标比冲却不高,只有 260 多,但是布劳恩这个总设计师知道,要想造出简单可靠的大推力发动机,就不能要求这么多了。

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燃气发生器循环

为什么 F1 发动机的比冲这么低呢?这其实也不难理解。要想产生巨大的推力,就需要一秒钟向燃烧室输送 5.8 万升煤油和 9.4 万升液氧。这么巨大的流量,就需要一个变态的泵来输送,这个涡轮泵是靠一个小发动机吹转的。也就是一部分燃料送进一个小预燃室,燃烧以后从喷嘴喷出去,吹转了涡轮泵,带动大批燃料往主燃烧室里送。但是这个小预燃室是要消耗一部分燃料的,所以导致了F1发动机的效率不高。

格鲁什科的 RD-253 发动机当然没有那么变态。但是比冲要比 F1 高一些。因为人家采用了分级燃烧技术。这种发动机也有涡轮泵,也有预燃室,也是靠先弄出一小部分燃料在预燃室燃烧,用废气吹动涡轮泵,这都和 F1 发动机的涡轮泵是一样的过程,不一样的是,RD-253 发动机把涡轮泵烧完的废气送进了火箭的主燃烧室,再烧一遍。

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分级燃烧循环

有人奇怪啊,废气怎么能送进主燃烧室呢?格鲁什科在预燃室里面采用的是富氧燃烧。氧化剂比燃料多出不少。这样呢,保证燃料都烧光了,废气里还剩下大量的氧化剂,送进主燃烧室,继续烧。主燃烧室里燃料多放一点就刚好 OK,这就是所谓的分级燃烧。效率比开放式的燃气发生器效率要高一大截。但是难度也大多了,全世界能掌握的就少嘛。一定要类比的话,有点像汽车的涡轮增压引擎。

当然,燃气发生器有个好处,那就是结构简单,结实耐用,这就为重复使用奠定了基础,这就叫尺有所长,寸有所短。不过这是后话了,我们讲马斯克的梅林发动机的时候再讲这档子事儿。

格鲁什科和切洛梅设计局配合的不错。UR-500 这颗火箭从上到下用的都是毒发,也就是偏二甲肼和四氧化二氮作为燃料,因为切洛梅是造导弹出身的,一切都是按照洲际导弹来考虑。这颗火箭的原始型号并不比科罗廖夫的 R-7 火箭强多少,反而体积大重量大,扩展性也比较差。

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长征2E 和 长征2D 对比

你想啊,我国的长征二号火箭,本身就是个细长的光杆,周围加上四个助推器,推力一下就大了不少,成了著名的“长二捆”,最后把我国宇航员送上太空的就是长二捆的载人航天专用型号。可是 UR-500 是没办法增加助推器的,主发动机长得就像是外挂助推器,已经把助推器的地方占用了,所以,只能在上面做文章,提高一下第二级第三级水平,第一级换成改进型发动机,但是,这都不会产生质变。

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质子号运载火箭

尽管如此,切洛梅还是开创了科罗廖夫 R-7 家族以外的另外一个火箭家族,这就是大名鼎鼎的质子号火箭。UR-500 就是质子号火箭的雏形。质子号火箭的近地轨道运载能力达到 22 吨,后来,苏联的大型空间站就是质子号火箭送上去的。

切洛梅的 UR-500 还不够大,满足不了登月的方案,所以,切洛梅设计了UR-700火箭,这枚火箭是捆绑型的,而且捆了里外两层助推火箭,用的是格鲁什科的 RD270 发动机,怎么看怎么别扭。到最后就停留在了绘图板上,没能造出来。

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UR-700模型

RD270 发动机推力达到 640 吨,采用了当时最先进的全流量分级燃烧技术,而且还是一枚毒发,要用毒发做登月火箭。实在是有点难。因为稍有泄漏就是大事,登月火箭那么大,要灌进去两千吨以上的毒燃料,这也太悬了。况且 RD270 的研发速度太慢,最后也就不了了之了。

科罗廖夫这边也没有办法,苏联工业后劲不足的情况就显露出来了,美国在人还没上太空之前,就开始研究巨型火箭发动机了,如果不是未雨绸缪,提前动手,美国也不会走的这么顺利。洛克达因公司的员工深有体会,他们搞了个创新产品,军方看不上。但是 NASA 的人就非常感兴趣,NASA 的人是有梦想的,要做点伟大的事情。苏联研发火箭都是政治决定,并不是领导人对太空有什么激情。

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NK-15发动机

科罗廖夫和格鲁什科互相看不顺眼。科罗廖夫要煤油机,格鲁什科偏偏卯着劲造毒发,没办法,只有去找库兹涅佐夫了,库兹涅佐夫的 NK15 煤油发动机很不错,推力达到 150 吨级。

这么说吧。长征 5 号第一级助推器用的 YF-100 发动机的推力也就 120 吨。人家 NK15 在 60 年代就做到了 150 吨,人家 NK15 是第一台分级燃烧的实用型液氧煤油发动机,性能按理说很不错。但是,这个发动机还是不满足登月的需要。跟F1变态的 700 吨推力是没办法比的。不得已,科罗廖夫不得不用一大捆NK15来拼凑一个巨大的火箭,这就是 N-1 火箭。

一开始,科罗廖夫在构想 N1 火箭也不是专门为了登月计划,而是比较广泛,大型航天器都是可以打的。能把 50 吨的载荷送上近地轨道。如果要登月,那就要打两发,让飞船在近地轨道对接成登月联合体,然后再开发动机走地月转移轨道。但是这样的方案需要对接技术,当时苏联还没有这样的技术。打两发又太贵,也没有必要。

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一级为了容纳30台发动机,N-1火箭彻底成了圆锥形

最后,科罗廖夫不得不把第一级的发动机从 24 个增加到了 30 个。而且每一级的发动机都要增大推力 2%,这样就可以把 95 吨的载荷送上近地轨道,宇航员再比美国少一个,登月勉强够了。

更要命的是,N-1 火箭是个全液氧煤油的火箭。美国人计算过,如果在第二级第三级采用氢氧发动机,那么就会大大简化设计,因为氢氧机的效率更高。但是当时苏联没有氢氧机,只能从上到下全部采用煤油机。这就涉及到各个设计局之间不配合的问题了。没辙,科罗廖夫为了榨干油水,不得不采用了奇葩的 5 级火箭,说白了就是用完马上扔。但是,在太空里点火是有风险的,有可能会出问题,因此火箭级数也不是越多越好。但是不这么做又该怎么做呢?没办法。当然,科罗廖夫为了这一枚火箭也是操碎了心,各种招数都用上了。以后讲马斯克的猎鹰火箭,我们再讲,这家伙几乎把科罗廖夫的那些阴招全都学去了。

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土星五号 vs N-1火箭

在当时,切洛梅和科罗廖夫都在争夺资源,各家设计局背后都有政治资源。杨格尔设计局的方案是基于 R26 洲际导弹的,早早的就出了局。杨格尔一直获得军方的青睐,因为他一直在为军方设计洲际导弹,几乎是心无旁骛。而且,他也觉得,互相竞争,分散资源不是个好事,他负责打下手就行了。实际上的竞争是在切洛梅和科罗廖夫之间展开的。切洛梅的设计局干的工作很杂,著名的超音速反舰导弹“日炙”就是他们设计局的产品。科罗廖夫主要是在航天方面下功夫,因为他钟爱的液氧煤油发动机不适合军用。反正,苏联人在选择登月方案上足足折腾了 5 年。

于是苏联居然出了个奇葩的方案,飞船绕月,由切洛梅设计局负责。载人登月,由科罗廖夫负责。我们事后再看,这简直是胡闹。两大设计局打算玩儿重复劳动啊?这就和 NASA 统一管理,拧成一股绳产生了鲜明的对比。

美国人已经有条不紊地开始推进登月工程。要知道登月是一个系统工程。双子座计划要解决的就是载人航天的一系列任务。双子座 3 号实现了两个美国人乘坐同一艘飞船进入地球轨道,然后安全返回。下一步就是太空行走。

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爱德华·怀特 & 詹姆斯·麦克迪维特

1965 年 6 月 3 号,双子座 4 号发射升空,宇航员是詹姆斯和怀特,詹姆斯是指令长。他们这一次有两项重要任务,第一项是太空行走。美国人落在了苏联人的后面,不过也不算太晚。第二项是在太空停留 4 天,绕地球转 66 圈。要想去月球,必须在太空中停留半个月,4 天只是个开始而已。还有一个小目标,那就是和大力神火箭的第二级齐头并进,这是为以后飞船对接做准备的一项测试。

火箭是上午 10 点多钟发射升空的,这也是新建成的休斯顿控制中心第一次正式启用。媒体都来凑热闹,NASA 还专门租用了新闻大厅。欧美 12 国的元首一起观看了电视直播,当时已经能够利用通信卫星进行的跨洋电视转播了。

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双子座4号升空

飞船要飞好几天,控制中心不得不准备人手三班倒,一个个都是熊猫眼,都睡不好。飞船被火箭的第二级送入了轨道,第二级本身也入轨了。双子座 4 号飞船的第一个任务就是开反推减速,尝试和第二级火箭汇合,但是折腾半天也没成功。这也就算了,以后再说吧。

本来第 2 圈他们就要进行太空行走,但是因为前一项任务失败了,所以宇航员们的压力很大。为了舒缓压力,决定把太空行走推迟到第 3 圈再说。两个人的宇航服都穿得很严实。当他们飞到澳大利亚西部上空的时候,开始做出舱的准备。双子座飞船开始减压,抽真空。当飞船飞到夏威夷上空的时候,怀特开始准备出舱。拉了一下门栓没拉开,当时就吓了一跳。好在詹姆斯在地面跟着工程师看到过门锁的结构,知道毛病出在哪儿,他能打开门,这下问题解决了。双子座飞船很小,要想出舱,只能把座舱的空气全都放光,直接开门出去。反正大家都穿着宇航服呢,不怕。

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怀特出舱行走

怀特就这么慢慢飘出了门,身体上有一根绳子和飞船连接。手里拿着个喷枪一样的东西,这东西可以提供反作用力,便于操控身体,这就是美国人超越苏联人的地方。怀特在外边飘得可开心了。里边的詹姆斯可遇上麻烦了。无电线通话有毛病,宇航员之间,以及地面,通话不畅,彼此到是都能听见。但是说话有可能发射不出去。最后叫唤了半天,终于把怀特给叫回来了。他在外边特别的 High,詹姆斯给他拍了不少照片。

关门仍然是一件麻烦事,好在詹姆斯能搞定。要是门关不上,这二位就没法活着回来了。休斯顿还让他们再开一次门,把太空行走相关的装备都扔了。詹姆斯脑袋都大了,还是别多事儿吧,开门一次怪麻烦的。

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总之,太空行走是本次飞行任务最大的亮点。怀特成了第二个太空行走的人类,他在外边飘了 22 分钟。

本来预计要飞 66 圈,但是久经考验的 IBM 计算机居然出毛病了,IBM 刚做完广告就出问题,简直是自己打自己的脸。结果飞了 62 圈,双子座 4 号飞船就不得不开火箭反推,准备返回地球。他们最后落在大西洋上,离开预定地点 43 公里,他们被直升机捞起来,放到了胡蜂号航空母舰上。

接下来,1965 年的 8 月 21 日,双子座 5 号发射,两个宇航员在太空里足足转了 8 天才下来。已经超过苏联人的水平。但是双子座飞船太小,两个人相当于轿车的驾驶座和副驾驶座上坐了 8 天,这滋味是不好受的。

美国大概是两个月就发射一艘双子座载人飞船,密度之高,现在是完全达不到,当时 NASA 银子花的真的像淌水一样。下一次任务是 10 月 25 日的双子座 6 号任务,这一次要测试交会对接。另一枚火箭发射一个阿金纳上面级,然后再发射双子座 6 号,双子座 6 号需要在太空里和阿金纳上面级进行对接。

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宇宙神-阿金纳

到了这一天,宇航员也都坐进座舱了,就等着火箭发射。宇宙神火箭顶着阿金纳上面级发射升空了。宇宙神火箭顺利地把阿金纳上面级给送上去了。6 分钟以后,阿金纳上面级的主发动机应该开机了,但是阿金纳上面级没消息了。遥感信号丢失了。后来检测到有碎片掉进大西洋,看来是阿金纳火箭炸了。50 分钟以后,双子座 6 号任务也取消了。两位宇航员斯塔福德和斯基拉白白在飞船里闷了一身的白毛汗。

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双子座6号的飞船内部

这次任务出问题了,好在不是载人飞船出问题,NASA 该怎么办?NASA 也着急啊。干脆改变任务,让双子座 7 号飞船先发射吧。双子座 7 号要测试在轨飞行 14 天,这是登月一去一回必须的时间。在此期间,让双子座 6 号飞船发射,逐渐接近双子座 7 号。两艘飞船靠得很近,实现编队飞行。美国人甚至有个大胆的想法,那就是让 6 号的指令长斯塔福德和7号的指令长弗洛尔用太空行走技术,实现交叉换位。你去他船上,他去你船上,这样行得通吗?我们下次再说。