美国的火箭发动机困局

作者:迟惑

□ 迟惑

2014年10月，“心宿二”火箭发射失败

2015年12月7日，美国轨道科学ATK公司研制的天鹅座飞船发射升空，恢复了中断一年多的飞行。然而这次飞行是靠俄罗斯火箭发动机才得以实现的。发射天鹅座的美国联合发射联盟公司“宇宙神”5火箭采用的是俄罗斯RD-180发动机。天鹅座今后的飞行，还要靠另外一种俄罗斯发动机RD-181才能持续下去。而12月19日，一度打算禁止进口RD-180的美国国会终于让步，取消了进口禁令，上演了相当没有面子的一幕。

事故回顾

2014年10月29日，运载着天鹅座飞船的“心宿二”火箭起飞数秒后凌空爆炸，船箭俱毁。事故调查持续了整整一年。美国航宇局和轨道科学ATK公司各自给出了自己的解释。两者的结论虽然有所不同，但指向却是一样的，阿罗杰特公司的AJ26发动机失效导致了事故。

在阿罗杰特公司的网站上，把AJ26发动机当作自己的产品宣传。那么这种发动机到底是美国货还是俄罗斯货？实际上，AJ26是阿罗杰特公司从俄罗斯直接进口NK33发动机，经过维护、翻新、更换控制电路、更换电磁阀等工作后，制造的一种翻新发动机。原品已经在仓库里存放了40多年。

NK33是苏联为N-1探月火箭研制的发动机，它的设计非常优秀。时至今日，它还是世界上推重比最高的火箭发动机。但是它所采用的大胆设计也带来了隐患，高温、富氧射流很容易烧穿燃烧室，造成毁灭性事故。这也是当年N-1火箭失败的重要原因。

阿罗杰特公司引进存在隐患的NK33，实际上是冒了很大风险的。在AJ26地面试车中，曾经两次发生事故。但NK33的低价又让人难以拒绝。阿罗杰特公司用110万美元的单价买到了36台NK33，这简直是收废品的价格。

轨道科学ATK公司其实非常清楚AJ26的隐患，也一直在设法寻找替代品。但这项工作还没有完成，第三艘天鹅座就灰飞烟灭了。这迫使轨道科学公司很快下定决心，换掉AJ26。

RD-191发动机

恢复飞行的对策

在换掉AJ26之前，轨道科学ATK公司还是要尽快恢复天鹅座飞船的飞行。这是因为这家公司与美航宇局签订了合同，必须按期给国际空间站运送20吨的补给品和其他物资，合同金额19亿美元。如果拖期，就要被罚款。

在事故发生之初，作为上市公司的轨道科学ATK公司就发表声明，宣布将尽快选择其他公司的火箭来发射天鹅座。这家公司还宣布，由于自己投了足够的保险，因此在财政上没有造成损失，保险公司会赔付相应的金额。当时轨道科学ATK公司曾经讨论过用太空探索技术公司的“猎鹰”9号火箭来发射天鹅座飞船，但在2014年12月底，还是选择了“宇宙神”5火箭。事实证明轨道科学ATK公司的选择是正确的，“猎鹰”9号在2015年6月发生事故，损失了所携带的龙飞船。虽然半年之后就恢复了飞行，但如果天鹅座飞船选择了“猎鹰”9号，一定会被排在龙飞船后面发射，进度拖延更严重。

联合发射联盟公司对送上门来的生意自然不会拒绝，双方很快达成协议。由于“宇宙神”5的运载能力比心宿二要大不少，为了不浪费运力，轨道科学ATK公司对天鹅座进行了改进，扩大了加压舱，把它的货物携带能力提高到了3500千克，也算部分追回了上次发射失败的损失。

换用RD-181

经过两个月的考察，轨道科学ATK公司在2014年12月16日发表声明，称：“俄罗斯动力机械联合体制造的RD181能够满足我们的进度要求和技术要求，别无二法。”

在2014年底的美俄关系背景下，一家美国航天企业再次向俄罗斯采购火箭发动机，听起来充满了违和感。但经过技术分析，可以发现轨道科学ATK公司其实没有其他选择。

NK33/AJ26是一种液氧煤油发动机，这就意味着轨道科学ATK公司必须寻找一种现成的液氧煤油发动机。如果更改燃料，就要彻底重新设计火箭，时间上来不及。这样，便排除掉固体火箭发动机、液氢液氧发动机、偏二甲肼-硝酸发动机等型号，剩下的只有俄罗斯动力机械联合体研制的RD-180、RD-191和美国太空探索技术公司的“梅林”1D。

其实RD-180发动机在一定程度上可以认为是两台RD-181集成。它的直径是3.15米，完全可以装进心宿二火箭里，但这种发动机的进口权被联合发射联盟公司垄断。轨道科学ATK公司根本拿不到货，甚至为此与联合发射联盟公司对簿公堂。当时，联合发射联盟公司决不让步。人们不会想到，轨道科学ATK公司竟然有一天要恳求联合发射联盟公司帮助发射飞船。

“梅林”1D推力只有NK33的一半，太空探索技术公司也不见得愿意支持竞争对手。因此，轨道科学ATK公司确实没有其他选择，只能选择在RD191基础上改进出来的RD-181。在这里还要感谢RD-181的设计师，把这种发动机设计成了与NK-33近似的尺寸。NK-33高度为3.7米，直径2米，重1240千克，而RD-181高度为4米，直径1.45米，重2200千克。虽然重了一些，但直径更小，完全可以装进心宿二火箭的第一级里。如果RD-181直径超过NK-33，就装不进去，心宿二火箭可能就要报废了。而RD-181发动机的引进，一定程度上也是轨道科学ATK和联合发射联盟两家公司相互“给个台阶下”。既然RD-180被联合发射联盟垄断，那么系出同门的RD-181总可以卖给轨道科学ATK公司。

RD-181不再是NK-33那样的抄底价。按照俄罗斯航天局的说法，轨道科学ATK公司要花10亿美元购买20台RD-181，后续可能再买两批共40台。轨道科学ATK公司官方不承认这个数字，说实际成交价要比这个数字低得多，但单价显然会在数千万美元量级。

虽然在2014-2015年，美国和俄罗斯因为乌克兰问题、克里米亚问题、叙利亚问题争吵不休，但俄罗斯动力机械联合体还是同意了轨道科学ATK公司的求购，并且按照合同在2015年7月交付了首批两台RD-181。轨道科学公司迫不及待地把它们装进火箭，形成了所谓的“心宿二”200型第一级火箭（原先采用AJ26的称为“心宿二”100型），准备在2016年实施点火试验，尽快恢复飞行。

RD-181喷管部分特写

rd-191,193和181的对比

俄罗斯电视台报道新的“心宿二”火箭转往测试台

发动机魔咒

从上文中可以发现一个奇怪的现象，美国联合发射联盟公司和轨道科学ATK公司都无法摆脱对俄罗斯火箭发动机的依赖。

美国现役的大中型运载火箭有“德尔它”4、“宇宙神”5、“猎鹰”9号和心宿二这4种。其中有两种都要依靠俄罗斯发动机。尤其是“宇宙神”5作为美国当前最可靠、最活跃的运载火箭，承担着大量军用卫星的发射任务。如果失去了RD-180和RD-181，美国的军民航天发射能力会立刻捉襟见肘。

美国拥有世界上最强大的航天技术，军民航天预算都是其他国家的总和，在发动机问题上处在如此尴尬的境地，应该说是自作自受。其中的症结要追溯到上世纪70年代，当时美国启动了航天飞机计划，认为用这种天地往返运载器就可以大幅度降低航天发射成本。此后美国从政府到企业都对常规运载火箭重视不足。然而航天飞机并没有实现低成本频繁发射的梦想，使美国人不得不重新审视传统运载火箭。但火箭的研发不是一朝一夕的事情，美国的传统运载火箭一直没有摆脱技术发展迟缓、成本居高不下的怪圈，造成大量客户流失。除了军方用户，商业客户纷纷舍近求远，把美国制造的卫星送到其他国家去发射。

另一方面，中国、俄罗斯在大型洲际导弹基础上研制运载火箭的方式，对美国来说也是行不通的。美国的洲际导弹早已转向小型化、固体化，液体导弹的生产线早已关闭，没有哪种型号可以用来改造成运载火箭。

哥伦比亚号航天飞机失事后，美航宇局开始放弃这个技术路线，并且提出了用航天飞机发动机改造成运载火箭的计划。航天飞机液氢液氧主发动机性能优越，但推力太大，对多数卫星发射任务来说没有必要，而且运行成本过高。固体助推火箭的推力虽然比较合适，但型号研制也需要相当长的周期。另外，这两种火箭发动机都是反复使用的，而传统运载火箭都是一次性的。如果发射一次就把发动机扔掉，实在是太浪费了。如果设计新的火箭回收系统，还需要相当长的周期，而且使用成本还是个未知数，对商业客户不见得合适。奥巴马上台后，取消了用固体助推火箭发展而来的“战神”火箭计划。美国国会对此深感不安，启动了一个所谓的“航天发射系统”火箭计划，目前还没有样机问世。

就这样，当俄罗斯动力机械联合体开始向国际市场提供廉价、可靠的火箭发动机时，美国火箭制造商就像捡到宝一样。乌克兰政局发生巨变后，美俄关系紧张，美国国会考虑不再进口RD-180，要求联合发射联盟公司自行研制替代型号。联合发射联盟公司和美国空军却联合起来抵制国会的进口禁令。前者明白火箭发动机研制是个漫长的征途，哪怕仿制RD-180也要5年以上的时间，不想让自己的主力火箭停飞这么久。后者有大量军用卫星排队等着发射，一刻也不能等。虽然联合发射联盟公司还拥有运载能力更大的、采用纯美国发动机的“德尔它”4火箭，但这个型号使用成本高，火箭产量也不如“宇宙神”5。

太空探索技术公司虽然一直在努力进入美国军用卫星发射市场，但“猎鹰”9号的运载能力比“宇宙神”5差得多，无力发射一些大型军用卫星。如果“宇宙神”5停飞，大型卫星就只能靠“德尔它”4来发射，会严重影响军用航天系统的部署进度。

现在，联合发射联盟公司正在研制一种叫做“火神”的新发动机，试图彻底摆脱对俄罗斯的依赖。事实证明，即使美国这样强大的国家，在火箭发动机这种问题上如果受制于人，也是很尴尬和纠结的。