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【材料+】說(shuō)：
今年以來(lái)，小編看了不少關(guān)于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)材料和科技發(fā)展的資料和最新發(fā)展報(bào)道，這還包括各種評(píng)論。作為一名研究方向跟航空材料沾點(diǎn)邊的小編來(lái)說(shuō)，也很想知道我國(guó)的自主的航天發(fā)動(dòng)機(jī)的差距在哪？但是今天，小編先給大家介紹一下美國(guó)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展史，其實(shí)你不難發(fā)現(xiàn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展是世界性的難題，我國(guó)也沒(méi)有那么差。
將火箭與尖端技術(shù)聯(lián)系在一起是很常見(jiàn)的，但是奇怪的是，最近十年左右，美國(guó)大多數(shù)運(yùn)載火箭所使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上是半個(gè)世紀(jì)之前開(kāi)發(fā)的動(dòng)力設(shè)備逐步現(xiàn)代化的版本。工程師們往往被自然現(xiàn)象激發(fā)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可設(shè)計(jì)的內(nèi)容，他們就會(huì)保留。當(dāng)涉及到復(fù)雜的，高性能的機(jī)器時(shí)，如現(xiàn)代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，這種理念是特別有價(jià)值的。
美國(guó)火箭先驅(qū)羅伯特戈達(dá)德1915年在設(shè)計(jì)不銹鋼火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(NASA)
自從美國(guó)先驅(qū)羅伯特·戈達(dá)德在1926年第一次使用液體推進(jìn)劑火箭以來(lái)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展一直都基于與工程原理應(yīng)用一樣多的實(shí)驗(yàn)和錯(cuò)誤的基礎(chǔ)之上。在整個(gè)戰(zhàn)前年代，美國(guó)和歐洲的個(gè)人和小型火箭發(fā)燒友不斷修改火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)概念。然而，直到20世紀(jì)30年代末，火箭技術(shù)才發(fā)展到軍隊(duì)軍事領(lǐng)域，尤其是在德國(guó)。
這個(gè)政府資助的發(fā)展計(jì)劃最終成就是A-4火箭也就是大家所熟知的V-2。V-2是火箭技術(shù)的一個(gè)飛躍，能夠在300公里范圍內(nèi)投擲一噸的高爆炸物。雖然V-2不能扭轉(zhuǎn)德國(guó)在第二次世界大戰(zhàn)最后的失敗，但是它是火箭的爺爺，直接推動(dòng)我們進(jìn)入太空時(shí)代。
在第二次世界大戰(zhàn)之后捕獲V-2火箭送去美國(guó)進(jìn)行科學(xué)研究前，美國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸相對(duì)適中，不能產(chǎn)生超過(guò)幾千牛頓的推力。V-2中渦輪泵補(bǔ)給的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能通過(guò)燃燒酒精和LOX(液氧)產(chǎn)生空前的265千牛頓的推力。因此捕獲的V-2硬件便成為了所有隨后發(fā)展的大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的起點(diǎn)，不僅在美國(guó)也在蘇聯(lián)。
從左到右，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)依次是V-2，Redstone和Navaho助推器(Boeing)
Reaction Motors和通用汽車這些公司也是第一批利用V-2技術(shù)為早期軍事活動(dòng)研究Hermes 和 Viking火箭。北美航空公司則是大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的另外一個(gè)重要的創(chuàng)造者。到1951年，北美公司與美國(guó)陸軍合作建造了350千牛的A-1發(fā)動(dòng)機(jī)，為美國(guó)部署的第一枚戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈（紅石公司）提供動(dòng)力（參見(jiàn)《“紅石公司”：將美國(guó)推向太空的導(dǎo)彈》）。
雖然紅石和它的發(fā)動(dòng)機(jī)依據(jù)美國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)極大的提高了V-2的版本，但是仍需要更大的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)為其軍隊(duì)擴(kuò)大版圖提供導(dǎo)彈。為了處理這些動(dòng)力設(shè)備的發(fā)展，北美公司在1955年成立了Rocketdyne部門（在過(guò)去十年中，公司經(jīng)歷了一系列的出售和合并，現(xiàn)在是Aerojet Rocketdyne的一部分）。
Rocketdyne超越V-2的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)飛躍是XLR89?；赩-2和紅石的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)用三個(gè)引擎作為Navaho超音速巡航導(dǎo)彈的火箭助推器。每個(gè)XLR89發(fā)動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生600千牛頓推力，是當(dāng)時(shí)最強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)，直到今日，它還是這個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)家族的基礎(chǔ)。
Rocketdyne發(fā)動(dòng)機(jī)（從左到右）為Redstone，Thor和Jupiter火箭。 雖然在后兩者的渦輪機(jī)械中存在主要差異，但是它們的推力室?guī)缀跸嗤?Rocketdyne)
受益于Rocketdyne的發(fā)展，在20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)的第一批火箭是美國(guó)空軍的Thor，美國(guó)陸軍的JupiterIRBMs和美國(guó)空軍的Atlas ICBM。不像以前的發(fā)動(dòng)機(jī)使用酒精作為燃料，這些新型的發(fā)動(dòng)機(jī)使用煤油和LOx混合物作為燃料。Thor和Jupiter使用能產(chǎn)生668千牛頓推力的稱為MB-3和S-3D的類似發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩枚導(dǎo)彈最終在1958年開(kāi)啟了美國(guó)最早運(yùn)載火箭的旅程。
阿特拉斯創(chuàng)新的MA-3推進(jìn)系統(tǒng)與其一對(duì)可拋棄的外置助推器發(fā)動(dòng)機(jī)和中央支持器的圖(Rocketdyne)
雖然Rocketdyne忙于研究較大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但在50年代沒(méi)有一個(gè)動(dòng)力設(shè)備可滿足ICBM所需的推力。 根據(jù)其在Navaho的經(jīng)驗(yàn)，Rocketdyne提出了一個(gè)創(chuàng)新的發(fā)動(dòng)機(jī)集群概念，能為Atlas產(chǎn)生所需的1,600千牛頓起飛推力。 這個(gè)指定的MA-3，它包括一對(duì)LR89增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，類似于Rocketdyne的IRBM發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)產(chǎn)生667千牛頓的推力。
這些將在升空后不久在不再需要時(shí)被拋棄。 針對(duì)高空作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化的縮小設(shè)計(jì)是稱為LR105的支撐發(fā)動(dòng)機(jī)。 產(chǎn)生267千牛頓，支撐發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)射臺(tái)上用一對(duì)LR89助推器點(diǎn)火，并且在助推發(fā)動(dòng)機(jī)被拋棄后，使用剩余的推進(jìn)劑推進(jìn)減輕后的火箭（參見(jiàn)《“第一阿特拉斯測(cè)試航班”》）。
在Titan II中使用了一對(duì)Aerojet LR-87發(fā)動(dòng)機(jī)，后來(lái)使用了Titan III和IV系列的空間運(yùn)載火箭約半個(gè)世紀(jì)。(USAF)
Rocketdyne不是目前唯一一家開(kāi)發(fā)大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的美國(guó)公司。 作為創(chuàng)新的Atlas及其MA-3動(dòng)力設(shè)備的備份，美國(guó)空軍批準(zhǔn)了更為常規(guī)的兩級(jí)設(shè)計(jì)的Titan ICBM的開(kāi)發(fā)。
Aerojet-General（在經(jīng)過(guò)一系列長(zhǎng)期的公司兼并后，現(xiàn)在也是Aerojet Rocketdyne的一部分）已經(jīng)建造了用于探測(cè)火箭的小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以及一些早期運(yùn)載火箭的上級(jí)階段，并獲得了建造用于Titan的發(fā)動(dòng)機(jī)合同。不像它的前輩，Titan II可使用易保存的，自發(fā)火的推進(jìn)劑，在接觸點(diǎn)燃。 LR-87在第一階段的雙室可產(chǎn)生1,900千牛頓的起飛推力。
單室LR-91，從適用于高緯度的LR-87設(shè)計(jì)調(diào)整而來(lái)，為Titan提供第二階段動(dòng)力，在高緯度能產(chǎn)生445千牛頓。 Atlas和Titan II都用作運(yùn)載火箭，包括Mercury 和Gemini載人航天器計(jì)劃中。
當(dāng)Atlas在1960年部署時(shí)，作為武器它就被廢棄了，但在與上級(jí)聯(lián)合使用時(shí)，它被證明是一種優(yōu)秀的衛(wèi)星運(yùn)載火箭。 改進(jìn)Atlas包括使用更強(qiáng)大的MA-5推進(jìn)系統(tǒng)，在起飛時(shí)產(chǎn)生1,869千牛頓。 Thor也被改進(jìn)，以更好地作為一個(gè)運(yùn)載火箭，這種改進(jìn)包括其從1960年起最出色的角色作為三角洲的第一階段。像所有基于Thor的運(yùn)載火箭，三角洲將在下一個(gè)14年內(nèi)繼續(xù)使用MB-3。
Rocketdyne H-1發(fā)動(dòng)機(jī)用于美國(guó)第一臺(tái)重型運(yùn)載火箭，土星一號(hào)，后來(lái)是土星一號(hào)。(Rocketdyne)
雖然Jupiter在20世紀(jì)60年代初被逐漸淘汰為武器和運(yùn)載火箭，但是它的S-3D發(fā)動(dòng)機(jī)被Rocketdyne工程師在1959年大幅簡(jiǎn)化以生產(chǎn)H-1。一組八個(gè)H-1引擎，經(jīng)過(guò)一系列長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)改進(jìn)，最終總共可產(chǎn)生7,300千牛頓的推力，用于Saturn I 和 IB，它們開(kāi)啟了第一個(gè)阿波羅任務(wù)并送入預(yù)定軌道。 后來(lái)Rocketdyne的經(jīng)驗(yàn)被用來(lái)制造由美國(guó)飛行史上最強(qiáng)大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：F-1。 在1967，每個(gè)能產(chǎn)生6,675千牛頓推力的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)，使用五個(gè)一組作為Saturn V的第一階段。
在KSC展示的Rocketdyne F-1引擎。(A.J. LePage)
雖然更強(qiáng)大的第一階段發(fā)動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)化為更大的有效載荷，但上級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能會(huì)受到很大的影響。 目前使用的最終推進(jìn)劑組合是液體氫和LOX，其幾乎是大多數(shù)常規(guī)推進(jìn)劑的質(zhì)量的兩倍。 使用這種強(qiáng)大的低溫組合的第一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)是Pratt＆Whitney（在與Rocketdyne在2005年合并后，現(xiàn)在也是Aerojet Rocketdyne的一部分）建造的RL-10。
基于1957年劉易斯實(shí)驗(yàn)室（現(xiàn)在的NASA的Glenn研究中心）成功測(cè)試設(shè)計(jì)，在高性能Centaur階段使用了一對(duì)能產(chǎn)生約67千牛頓的RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)。 1963年第一次成功地和阿特拉斯一起飛行，Centaur的性能超過(guò)任何其他進(jìn)入高地球軌道或超越的上級(jí)階段。
Pratt＆Whitney RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)的剖面模型。 最初在Centaur上工作，更多高級(jí)版本在半個(gè)多世紀(jì)后仍然在幾種運(yùn)載火箭上使用。 (A.J. LePage)
美國(guó)宇航局在1964年開(kāi)始的Saturn I的第二階段也采用了六個(gè)RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)的集群。盡管它們的性能優(yōu)異，但是RL-10由于太小還是不能實(shí)際用于大型火箭。 NASA給了Rocketdyne一個(gè)合同，建造更強(qiáng)大的890千牛頓推力J-2發(fā)動(dòng)機(jī)。 在1966年第一次飛行的土星IB的改進(jìn)的第二階段中使用單個(gè)J-2。同樣的階段也用作土星V的第三階段，也在其第二階段采用五個(gè)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的集群 。在Saturn V 的高級(jí)階段使用高性能J-2有助于給這個(gè)火箭提供前所未有的有效載荷能力。
一組五個(gè)Rocketdyne J-2發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)備用于土星V第二級(jí)的靜態(tài)發(fā)射。(Rocketdyne)
在這個(gè)時(shí)代的低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的最終成就是Rocketdyne的航天飛機(jī)主機(jī)或SSME（今天被稱為RS-25）。 1971年開(kāi)始發(fā)展，SSME在比任何其他發(fā)動(dòng)機(jī)在更高的溫度和壓力下運(yùn)行的更好，以使其成為最有效的發(fā)動(dòng)機(jī)。 每個(gè)能夠節(jié)流和生產(chǎn)2,278千牛頓，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的三個(gè)引擎現(xiàn)在被退休的航天飛機(jī)使用。 雖然一對(duì)可恢復(fù)的固體火箭助推器做了大部分的工作以使航天飛機(jī)離開(kāi)發(fā)射臺(tái)，但是SSME確提供了大部分的有效能量支持其軌道運(yùn)行。
航天飛機(jī)SSME的測(cè)試發(fā)射。(MSFC/NASA)
美國(guó)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)通常與發(fā)展特定火箭有關(guān)。 由于在20世紀(jì)60年代中期建立的穩(wěn)定的運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)，空間規(guī)劃者更傾向于逐步改進(jìn)以提高性能，而不是從頭設(shè)計(jì)新的火箭。 在許多基于Thor的運(yùn)載火箭中，特別是Delta，越來(lái)越強(qiáng)大的固體火箭助推器與拉伸的上級(jí)階段結(jié)合的更大集群被用于逐步提高性能。
推出一個(gè)Titan IIIC，它使用一對(duì)120英寸的固體火箭助推器來(lái)提高基本的Titan II的性能。(USAF)
在Titan火箭系列中固體助推器的使用達(dá)到極致。 在1965年，一對(duì)120英寸的固體火箭助推器被連接到一個(gè)改進(jìn)的Titan II核心上，產(chǎn)生第一個(gè)Titan IIIC，具有四倍于Titan II軌道有效負(fù)載的能力。（見(jiàn)《“泰坦IIIC的第一次使命”》）。
在接下來(lái)的三十年中，Titan核心被拉伸，并且更長(zhǎng)的助推器被連接以緩慢地提高其系列產(chǎn)品Titan III和Titan IV的性能。 甚至Centaur 被改裝為泰坦IIIE和最終的泰坦IV，進(jìn)一步提高其有效載荷能力。
Rocketdyne RS-27在1974年首次采用了H-1的改進(jìn)，取代了Delta系列運(yùn)載火箭的MB-3。(Rocketdyne)
但是在20世紀(jì)70年代和80年代期間，只對(duì)Atlas，Delta和Titan使用的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了微小的改動(dòng)，以提高其性能，可靠性和可制造性。 在1974年，Rocketdyne推出了RS-27來(lái)代替三角洲老化的發(fā)動(dòng)機(jī)MB-3。 結(jié)合了傳統(tǒng)MB-3和H-1設(shè)計(jì)的組件，RS-27只是一個(gè)僅使用二十年的具有相同基本設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化版本。 但是，由于在20世紀(jì)80年代計(jì)劃使用航天飛機(jī)替代所有消耗性運(yùn)載火箭（ELV），開(kāi)發(fā)新發(fā)動(dòng)機(jī)的需求不大。
在1991年開(kāi)始的Atlas現(xiàn)代化版本中使用的MA-5A推進(jìn)系統(tǒng)的測(cè)試點(diǎn)火。
1986年Challenger事故后，終于證實(shí)了完全依靠航天飛機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)射服務(wù)的的想法是多么的愚蠢。 因此，美國(guó)開(kāi)始更多的從事現(xiàn)有運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)，以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以為其提供動(dòng)力。 Delta II 和 III（今天仍在飛行）使用就是改進(jìn)的RS-27A發(fā)動(dòng)機(jī)。 從1991年開(kāi)始，Atlas II使用升級(jí)的MA-5A，其中MA-5的原始YLR89增壓器被一對(duì)RS-27推力室代替。
俄羅斯發(fā)動(dòng)機(jī)制造商Energomash與Pratt＆Whitney合作開(kāi)發(fā)了RD-180（衍生自俄羅斯RD-170，為Zenit和退役的Energia助推器提供動(dòng)力），在2000年使用取代Atlas III中的MA-5A。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒煤油 和LOX，并具有節(jié)流功能，且雙腔RD-180可以產(chǎn)生高達(dá)3800千牛頓的推力。 這種發(fā)動(dòng)機(jī)目前仍然在Atlas V中使用，并且成為近年來(lái)爭(zhēng)議不斷的源頭。
目前在Delta IV第一階段使用的RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試點(diǎn)火。(NASA)
自SSME以來(lái)，開(kāi)發(fā)的第一個(gè)全新的大型液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是Rocketdyne的RS-68。 燃燒液態(tài)氫和LOX可產(chǎn)生高達(dá)3,314千牛頓的推力，該發(fā)動(dòng)機(jī)從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)成用最小化制造成本。 RS-68的零件比SSME少93％，并且被宣傳為能提供比任何其他火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更大的單位推力。 自從2003年推出以來(lái)，RS-68已經(jīng)用于Delta IV 系列運(yùn)載火箭的第一階段。
由于 Centaur甚至在航天飛機(jī)都具有劃時(shí)代的意義，普惠公司繼續(xù)升級(jí)RL-10以滿足今年來(lái)的新需求。 最新版本的Centaur使用單個(gè)RL-10 A4-2發(fā)動(dòng)機(jī)作為Atlas V的上級(jí)階段。 更新的版本，使用RL-10 B-2發(fā)動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生110千牛頓的推力，這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)于1998年首次用于現(xiàn)在已退役的Delta III的第二階段，目前用于Delta IV的第二階段。 RL-10也被改進(jìn)用作他用：在20世紀(jì)90年代中期在DC-X實(shí)驗(yàn)火箭上使用了四個(gè)可調(diào)節(jié)的65千牛頓推力RL-10A-5發(fā)動(dòng)機(jī)。
在SpaceX獵鷹運(yùn)載火箭上使用的Merlin 1D發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試發(fā)射。 （太空探索技術(shù)）
雖然在過(guò)去幾十年中已經(jīng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試了用于各種重型運(yùn)載火箭概念的發(fā)動(dòng)機(jī)，但趨勢(shì)是采用舊發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)化升級(jí)（如用于SLS的RS-25 / SSME） 或廉價(jià)的俄羅斯運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)如前面提到的Atlas V和軌道科學(xué)的Antares。
在這種趨勢(shì)和過(guò)去十年中的一系列公司兼并之間，將原來(lái)的三個(gè)美國(guó)主要的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造商合并成一個(gè)單一的公司，Aerojet Rocketdyne，以及一個(gè)大型運(yùn)載火箭的單一主要制造商，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA） 。新發(fā)動(dòng)機(jī)和運(yùn)載火箭的幾十年的發(fā)展希望能緩慢地實(shí)現(xiàn)。
在航天飛機(jī)退役后，繼續(xù)存在不確定性和缺乏足夠的資金用于重型起重機(jī)火箭的發(fā)展，這只會(huì)使現(xiàn)存問(wèn)題更加復(fù)雜。 這使美國(guó)在與俄羅斯的關(guān)系日益緊張的時(shí)候還要依賴俄羅斯。 而唯一的例外還是SpaceX使用的廉價(jià)Merlin系列發(fā)動(dòng)機(jī)，用于可負(fù)擔(dān)得起的Falcon發(fā)射車系列和正被考慮用于未來(lái)的運(yùn)載火箭的Blue Origin的BE系列發(fā)動(dòng)機(jī)。只有時(shí)間會(huì)告訴美國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展能否恢復(fù)，即使這曾經(jīng)是這個(gè)國(guó)家的驕傲。
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