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涨见识,900吨推力的发动机啥样?NASA要用上了!
网友【chuang】于【太平洋时间 2019-11-26 23:23:35】分享在【时代发展的印记】版块    793    1    3

按照4台RS-25发动机的推力算,核心级在改进之后可提供900多吨的推力,加上两个固体火箭发动机,每个提供1600吨推力,SLS火箭的起飞时可产生4100吨的最大推力,可以在8.5分钟内让火箭速度超过23马赫,脱离地球大气层。

出品:太空伊卡洛斯

承载了NASA太多梦想的Artemis I任务火箭系统是登月能否成功的关键,主要发射平台:太空发射系统(SLS)火箭核心级配备了四台RS-25发动机,SLS火箭的核心级组装正在落地中,推进、电气等分系统集成完成后,2024年的登月基本有了一些希望。要知道,SLS火箭是阿波罗计划之后最大的火箭,载人版本设计起飞质量为2497吨,货运版本为2951吨,能够将95至130吨载荷送入近地轨道。要实现这个目标,最关键的就是SLS火箭核心级,由4台RS-25发动机组成,外加两个航天飞机固体燃料助推器。

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图注:整装待发的RS-25发动机,升级后4台可产生900多吨的推力

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图注:SLS火箭核心级,4台RS-25发动机呈田字排列

从这个配置可以看出,航天飞机项目为SLS火箭输送了强大的“弹药”,每架航天飞机尾部安装了3台RS-25发动机,同时,还有两个固体助推器。现在这个组合“移植”到SLS火箭上,还增加了1台RS-25发动机。按照4台RS-25发动机的推力算,核心级在改进之后可提供900多吨的推力,加上两个固体火箭发动机,每个提供1600吨推力,SLS火箭的起飞时可产生4100吨的最大推力,可以在8.5分钟内让火箭速度超过23马赫,脱离地球大气层。

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图注:载人版和货运版的区别,整流罩不同,显然载荷也大不一样

RS-25曾经是航天飞机的主发动机

2015年,RS-25 2059号发动机在斯坦尼斯太空中心进行测试,它曾是航天飞机的主发动机。上一次使用该发动机还是在2001年升空的奋进号任务中,之后奋进号航天飞机成了科学中心博物馆展览品,发动机被卸载了下来。有可看出,博物馆中奋进号的RS-25发动机只是复制品,真正的发动机已经被保存下来。航天飞机虽然已经退役了,但是其“心脏”被保存了下来,借箭还魂,在SLS火箭上重新得到重用。这4台RS-25发动机承载了NASA最后的希望,也算是给航天飞机不能继续服役一个交代。

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图注:奋进号送到博物馆的时候,发动机已经拆除,你看到的发动机是复制品

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图注:拆除航天飞机的发动机

SLS火箭属于新型重型运载火箭,航天飞机项目结束之后剩余16台RS-25发动机,给SLS火箭提供了很大帮助。在不久之后的SLS火箭第一次发射中,其核心级将由4台RS-25发动机推动,其中就有2059号发动机,重新进入太空的时间预计在2021年至2023年。这批RS-25发动机是不能重复使用的,因为SLS火箭第一级无法回收,在使用燃料烧完之后就自由落体溅落。NASA已经追加了16亿美元,让RS-25发动机的制造商洛克达因公司不断制造新的发动机,为SLS火箭提供所需的RS-25发动机。

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图注:RS-25发动机在航天飞机项目之后还剩16台

至于RS-25发动机的口碑,当然是不错的,但问题仍然是有的,比如一部分NASA专家认为不应该选择RS-25发动机,它就像是1960年代的土星V号火箭,技术状态都过时了。对于现在而言,RS-25发动机已经是过时的产品。其实,美国宇航局现在应该做的是要发类似SpaceX的猛禽发动机,属于低温甲烷燃料火箭发动机,代表了今时代性能最好的火箭发动机。

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图注:RS-25发动机重新服役时正在测试

这里提一下SLS火箭上使用的RS-25发动机,已经经过了一次升级。最早的RS-25发动机是在1970年代研发的,但是随着科技的成熟,RS-25早就经历过多次升级更新,与最早的RS-25发动机不可同日而语。RS-25发动机共经历过五次较大的升级,在这个升级更新的过程中,最明显的变化就是RS-25的推力占动力输出的比从104.5%跃升到如今的109%,这意味着RS-25发动机能够超出最大功率进行推力释放,这在火箭升空遇到紧急情况时非常有帮助。超出的9%的推力依旧处于安全范围内,而且SLS火箭是也一次性产品,不存在重复使用的说法,这与航天飞机每次降落都要拆下RS-25发动机进行维护有很大的区别。这个数值的升高,即便导致发动机无法重复使用也没有关系。更有趣的是,洛克达因公司的目标是将这个数值升到111%,超出额定最大功率的11%,这是非常恐怖的数字。

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图注:转移RS-25也非常随意,平板车拉来就上

在升级过程中,RS-25发动机的控制器也进行了升级,所以换句话来说,SLS火箭核心级也得到了性能提升。如今,RS-25发动机的监视系统已经能够对全飞行阶段的振动和温度进行监视,从而来评估发动机的运行状态。当检测到异常时,它就可以关闭发动机。

性能与可靠性

根据相关数据显示,RS-25发动机具有99.7%的可靠性,在三年中135次的航天飞行中,只出现了一次失败,那就是在1985年挑战者号发射事故,该航天飞机在1986年坠毁之前发生的一次重大事故。当时RS-25发动机的传感器出现了故障,使得RS-25提前关闭,但即使这样,挑战者号最终还是圆满完成了太空任务。相比较俄罗斯制造的RD-180而言,RS-25发动机应该说是世界上最好的火箭发动机,作为分级式内燃发动机的代表作,RS-25为闭环设计,这种设计优于将废气排放到发动机外循环。

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图注:俄罗斯的RD-180,比较便宜,美国一次买了上百台

众所周知,高性能的表面之下隐藏着高复杂性的问题,而这类问题在测试时会带来很多其他问题。而RS-25没有出现这些问题的原因,是因为它已经被完全控制住了。俄罗斯制造的RD-180,作为世界上闭环第一级液体发动机之一,在阿特拉斯火箭上得到完美使用。RS-25的推力更大,经济性上不佳,这也是RS-25没有大规模使用的一个原因。RS-25一台要4000万美元,远远高于RD-180发动机。

成本较低的发动机意味着可以商业化使用,这也就是SpaceX选择开环设计的Merlin发动机作为猎鹰9号动力的理由,因为他们更倾向于选择可重用性、低成本。猎鹰9号的9台Merlin发动机产生的推力也不过是680吨,而四台RS-25发动机就可以产生900多吨推力,这其中存在着很大的差距。

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图注:这是猎鹰9号的Merlin发动机,小巧玲珑,成本低

猎鹰9号和SLS火箭的发射程序也不一样,在第一段飞行结束后,只有一台Merlin发动机可以给第二阶段飞行,产生95吨的推力。与此不同的是,在SLS火箭中的四台RS-25发动机都可以继续产生900多吨的推力。当然从成本来说,猎鹰9号的Merlin发动机在同价位成本研发的发动机中,也是相当优秀的存在。

综上,RS-25发动机升级之后安装到SLS火箭上,这是2024年登月成功的关键一步,也是航天飞机发动机借箭还魂后重新出现在世人面前,那么第一次SLS的发射,我们拭目以待。

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