世界上最大推力的火箭发动机Word文件下载.docx

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RD-170火箭发动机的研发，得益于两个项目：

天顶号火箭和能源号火箭。

苏联在1970年代开始了一个野心勃勃的大型运载火箭系列计划，准备以同一款大推力火箭发动机为基础，发展多种发动机型号和运载火箭型号。

这个计划进行地比较顺利。

实际上，天顶号火箭是苏联解体前发展出来的技术含量最高的一款火箭。

上图为正由轨道运载器运到发射台的一枚天顶号火箭。

注意，火箭尾部的四个大喷管属于同一台RD-170发动机。

负责这个火箭项目的设计局值得一说。

天顶号是由导弹设计大师米哈伊尔·

库兹米奇·

杨格尔牵头成立的南方设计局的项目。

虽然该设计局苏联内部代号586设计局，或者按某些地方的习惯，叫做586所在接手天顶号火箭项目的时候，所长杨格尔已经去世5年了，但是他的副手完全有能力把设计局撑起来。

这个人便是杨格尔的学生、副手：

弗拉基米尔·

乌特金。

他是包括SS-18撒旦洲际弹道导弹在内的多款导弹的总设计师。

其脱密后，被后人尊为苏联导弹“教父”。

乌特金提出了天顶号火箭的最大技术特点：

火箭具有环境友好性，且具备超强的载荷能力，还要让发射工序实现完全无人化。

火箭被机械装置自动吊装在发射台上并连上地面控制管线，其后在发射准备、点火或因发射任务取消而须从发射台上撤下时都不需要进行手动操作，从而大大减少了因发射事故导致人员伤亡的可能性。

此外，天顶号的发射台不包含任何在发射时有可能被烧毁的设备，因此在一次发射完成5小时之后，就可以再次进行发射。

而这样的总体要求，需要一台高可靠性、可多次重复启动进行试验、使用液氧煤油燃料的大推力火箭发动机。

由于屡次发射失败和美国率先登月，苏联政府于1974年5月取消了原本为苏联登月计划开发的N-1重型运载火箭。

作为替代品，苏联于取消N-1的同时开始了对能源号火箭的方案论证工作，以便为实现未来的空间开发计划打下基础。

图为搭载暴风雪号航天飞机模型的能源号运载火箭模型。

当时的计划是，能源号运载火箭的助推器采用4枚天顶号火箭的第一级火箭。

实际上，天顶号和能源号的火箭发动机略有不同，用于能源号火箭的是RD-170原装版本，用于天顶号火箭的是增设了双向伺服机构的版本，叫做RD-171。

不过，除伺服机构的作动方向的区别外，两款火箭发动机在其他地方是相同的。

上图左侧为能源号运载火箭的助推器，右侧为天顶号的第一级火箭。

RD-170的总体设计

RD-170发动机有4个燃烧室，1台涡轮泵和2个预燃室。

其中涡轮泵是单级的，整个涡轮泵系统还包括有1台氧化剂泵，1台两级燃料泵，整个系统连接了低压的燃料泵和氧化剂泵，并使推进剂增压，以防止涡轮泵形成空穴现象。

RD-170火箭发动机管路阀门系统示意图。

注意，淡黄色的为煤油管路，淡青色的为液氧管路。

红色的部分，表示滚烫滚烫的。

上图中央的红色罐罐中的黑色，为主涡轮轴。

从上到下的4个黑色涡轮，依次为：

主涡轮泵、氧化剂泵、主燃料泵和主启动泵。

中央的红色罐罐两侧各自伸出一个耳朵，那就是RD-170的2个富氧预燃室了。

一部分燃料在预燃室中进行燃烧，带动涡轮泵转动。

而涡轮泵转起来之后，燃料和氧化剂就能够迅速流动了。

如果整枚RD-170发动机是一颗心脏的话，这部分管路的作用就类似于冠状动脉。

为什么要用2个预燃室用1个不是能够减少不少重量么

让任意一名合格的火箭设计师来看，也是有这个愿望的。

只是，RD-170的煤油燃料的秒流量为15吨。

这么大的流量挤到一个小小的预燃室里，是会出问题的。

他们只好采用2个预燃室。

这是提高可靠性的一个设计。

谁让火箭总师乌特金一直强调可靠性呢。

RD-170的涡轮泵功率为257万马力，相当于257个铁臂阿童木。

257万马力换算成功率，约为192兆瓦。

有这样一艘叫做亚马尔的破冰船，是核动力的，排水量23455吨。

上面有2座核反应堆，驱动2台汽轮机，带动6台发电机。

这些发电机的总输出功率为553兆瓦。

RD-170的一台涡轮泵的功率相当于这样一艘核动力破冰船的347倍。

从上世纪60年代开始，美国和苏联的工程师们都发现，火箭发动机的涡轮泵如果一直依赖一个涡轮的话，很难再有性能上大幅提升的潜力了。

于是他们各自发明了一些新的涡轮泵结构。

比如，苏联的引射式的多喷嘴泵从60年代开始，就有了很好的效果。

其实，如果剖开现役的“质子”火箭的话，依然能够看到这种设计。

RD-170采用的则是更为先进的叶片式预压涡轮泵。

预压泵的应用可以让发动机降低对火箭贮箱的压力要求。

通过对涡轮叶栅和诱导轮的设计，让主涡轮泵在转速、扬程和效率方面有更好的表现。

这种设计在以RD-170为代表的苏联风格的液氧煤油发动机和以航天飞机主发动机为代表的液氢液氧发动机上都能找到，可谓是殊途同归。

同时，要注意到苏联人的设计不仅仅是傻大粗笨的，实际上是有不少精巧的地方的。

从管路设计的角度来说，RD-170赢了F-1发动机一局。

RD-170为什么要采用4个喷管，而不用1个大喷管

这主要是当初苏联对大喷管液氧煤油发动机的燃烧不稳定性问题没有十足的把握进行解决。

从这个角度上来看，美国人的F-1火箭发动机扳回一局。

美国人在3年时间里，做了2000多次试验，把炸药放到燃烧室中，人为制造不稳定，掌握了燃烧的部分规律，通过改进喷注盘设计和其他结构，解决了燃烧不稳定的问题。

采用4个喷管，万一推力启动不同步，大小不一致怎么办

这个问题的确存在。

对于采用富氧补燃循环的RD-170发动机而言，煤油喷射进入燃烧室的瞬间即为推力室点火时刻。

让4个燃烧室同步启动的关键在于让煤油同时进入这4个燃烧室。

另外，大喷管外侧的冷却套的压降的不同或者阻滞程度的不同会带来额外的时间差，这个也要考虑在内。

因此，RD-170的4个燃烧室的管路设计是很讲究的，要尽量保证燃料的流经距离一致考验设计师立体几何水平的时候到了。

另外，还要摸透管路内对燃料的阻滞效应的大小。

鉴于RD-170的彩色照片不多，特意用了些时间计算了RD-170喷管的内流场，算是增添一些色彩吧。

RD-170喷管内速度场计算。

b邢强博士2022年5月25日至31日凌晨。

实际气流速度比我算的这个要快一些，但分布情况类似。

从轴向来说，离喷注盘越远，气流速度越快;

从径向来说，离对称轴越近，气流速度越快。

这喷管是不是很美引用朱自清的话“像亭亭的舞女的裙”。

从图中可以看到，RD-170漂亮的拉瓦尔喷管设计。

蓝色为亚声速流，过了喷管的收敛颈部之后，就是一路超声速了。

在这里说一下拉瓦尔喷管，这个瑞典工程师在1883年发明的管子为什么要先收敛后扩张呢

要想掌握火箭发动机的原理，或者能够对火箭及其发动机的总体设计进行分析，不学习一点方程是不行的。

这个方程是喷管内流动方程，是由欧拉方程、气体状态方程与连续性气体假设得来的。

式子里面，c为气体流动速度，为气体到喷流起始点的距离，A为喷管截面积，M表示气体流速马赫数。

因为c、、A在这里恒为正值，所以气体流动速度的变化方向就只和马赫数以及喷管形状有关了。

当气流为亚声速的时候，M1，此时，需要dA/d大于0，气流的流速才能继续增加。

这是一枚RD-107火箭发动机用在传说中的R-7火箭上，其中一个喷管被剖开了。

可以看到内部的拉瓦尔喷管构造。

为什么RD-170的比冲要比F-1的高

众所周知，比冲是衡量一款火箭发动机效率的重要指标。

比冲的定义为：

火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量，或单位重量流量的推进剂产生的推力。

RD-170火箭发动机的真空比冲比F-1火箭发动机高112%。

其主要原因是RD-170采用了先进的补燃循环工作方式。

在小火箭的微信公众号文章《F-1:

史上最强的单燃烧室液体火箭发动机》中，我提到了F-1火箭发动机采用燃气发生器循环方式。

这种方式使得火箭发动机的推进剂组合密度较低，在产生大推力的同时，几乎不可避免地需要一个非常大的发动机尺寸。

如今，更好的大推力液体火箭发动机的工作方式实际上是补燃循环。

按照迄今为止，火箭工程师们对发动机的了解，补燃循环的比冲比燃气发生器的比冲要高10%左右。

另外，采用燃气发生器的工作方式的发动机，会因涡轮废气的排放损失1%以上的比冲，而且这种情况会随着燃烧室压力的增加而越发明显。

采用了补燃循环的RD-170发动机则不用担心这些，可以把室压做得高高的，效率和性能提升明显。

在这一点上，RD-170又胜过了F-1。

当然，作为一款在1985年4月13日才首次实用的发动机来说，RD-170比在上世纪60年代就推动土星5号火箭的F-1发动机出现得晚，在技术上有所进步是可以理解的。

为什么RD-170的室压可以这么高

RD-170的比冲比F-1火箭发动机高112%可以理解，可是RD-170是怎样把燃烧室压力提升到了F-1火箭的35倍的水平的呢苏联人在这方面的设计比美国人高明这么多么

其实是美国人的技术标准把美国人自己给坑了。

翻阅上世纪60年代和70年代的美国人的火箭发动机技术标准，里面赫然有这样一条限制：

采用液氧煤油燃料的液体火箭发动机，其燃烧室压力不得超过7M，而苏联则盛产硫含量小于20的高品质萘基油。

图为阿塞拜疆油田向外输出石油的管线。

另外，西伯利亚地区出产的原油也有着不错的品质。

纯净的煤油让苏联的火箭发动机即使在很高的燃烧室压力下，也较少出现结焦的现象。

他们当然也就没有什么燃烧室压力不得超过7MPa的双锥管束加金属丝缠绕的结构，同时也回顾总结了苏联以前设计的发动机燃烧室结构。

取长补短后，他们创造了升级版的铣槽加钎焊外壁的加工方法，使得燃烧室内壁的导热率大幅提升。

这些设计理念值得想要发展大推力液氧煤油火箭发动机的团队进行借鉴。

而同时，小火箭也不得不为那个戛然而止的RD-170火箭发动机感到遗憾。

美国与苏联争霸的那个时代已经远去，留下来RD-170这个世界上推力最大的液氧煤油火箭发动机的传奇。

而中国，已经拥有了自己的大推力液氧煤油火箭发动机。

期待在今后的发展中，中国能够创造大推力火箭发动机的新纪录。