RD-170火箭发动机

歷史

RD-170發動機的研製最早要追溯到1973年。當時N1運載火箭發射的失敗後，就打算研製大推力的發動機，提議研製的RD-123發動機，推力要達到800噸，RD-150發動機的推力要達到1 500噸。事實上RD-123和RD-150發動機達不到要求，RD-123發動機的推力只能達到125噸左右，設計中的RD-150發動機的推力最高只能達到1003噸。其次還有用於UR-700火箭的RD-270發動機，推力也能達到640噸，當時在1967年到1969年進行了27次測試。但是測試中出現了問題，隨後沒有繼續進行。
1974年到1980年，對4燃燒室的大推力的進行了測試，起先的時候還不叫RD-170，叫做11D168，也叫做UK（oxygen installations），是一種測試模型，是基於20世紀早期的RD-268發動機的。RD-268發動機是一款100噸級的發動機，燃料為偏二甲肼和四氧化二氮。當時認為肼燃料和煤油燃料並沒有很大區別，因此並沒有特別要求使用煤油和液氧作為燃料，後來才改用煤油和液氧。1974年，動力機械製造科研生產聯合體對UK進行了2次測試，測試地點在莫斯科的東北方希姆基河（khimki river）旁邊，測試的模型分別叫做1UK和2UK，是一種100噸級的實驗型的發動機。實驗的項目包括化學點火、燃燒室的混合比、燃氣發生器、高頻狀態下的穩定性、燃燒室的冷卻和可重複使用的材料等。從1974年到1977年總共有346個測試模型被建造，總共燃燒了19658秒，其中1個改進型號叫做1UKS。
下一個模型的型號叫做3UK，用於測試發動機的燃氣發生器，它包含一台全尺寸的燃氣發生器，2台渦輪泵，1個縮小版的燃燒室，可以模擬燃燒時的壓力。燃氣發生器的工作溫度可以達到額定工作溫度的30%到80%。此項測試從1976年6月開始，到1978年9月結束。總共有77個模型進行了132次測試，測試時間為5 193秒。當時有60個混合頭用於測試，其中2個完成了RD-170的測試要求。
2UKS是一款高仿版的測試模型，其燃燒室可以達到RD-170的工作條件，但是渦輪泵還是使用了早期的設計，因此，燃燒室的壓力只能達到正常工作水平的80%，大約為200個大氣壓到250個大氣壓。也測試了萬向系統，一些測試模型還測試了自動化系統。從1978年到1980年總共頭42個2UKS模型測試了68次，總共測試時間為6 000秒。後來在2UKS模型的基礎上發展了RD-120發動機，用於天頂號運載火箭的第二級。
最後一種測試模型叫做6UK，本質上已經RD-170發動機了，但是沒有燃燒室，主要目的是測試渦輪泵。此模型從1978年到1980年總共測試了31次，通過測試發現渦輪泵在燃燒時容易受到振動影響。當時有23個6UK模型進行了測試，但是只測試了280秒。6UK模型已經接近RD-170的價格，非常昂貴，因此，限制了測試時間。渦輪泵的測試被安排到了全尺寸的RD-170發動機的測試中。相對於其它模型，6UK沒有有效地進行測試，給暴風雪號太空太空梭項目造成了很大的麻煩。
到20世紀80年代中期，期待已久的全尺寸的RD-170完成了點火測試。1980年8月25日，動力機械製造科研生產聯合體對RD-170發動機進行了點火測試，但是僅僅持續了4.4秒。這是RD-170/RD-171發動機第一次受到挫折。隨後又進行了15次測試，測試結果還不是很滿意。因此，決定進行17次低推力600噸級的測試任務，結果測試相當成功，這是第一次測試成功。隨後，在同樣的功率進行了測試，結果也是令人滿意的。這給動力機械製造科研生產聯合體工程師們足夠的信心去進行綜合地面測試，當時測試的是用於天頂號運載火箭的RD-171發動機。這些測試是在化工機械科學研究所（NII Khimmash）的IS-102測試台進行的，原先的測試台是R-7飛彈的第一級測試台，後來質子號運載火箭的第一級和第二級，N1火箭的第三級和第四級也在那裡測試台。1981年9月已經接近成功。稍後的分析顯示渦輪泵的轉動葉片已經被一些小顆粒損壞，這些小顆粒是怎麼進入渦輪泵的不知道原因。
但是，這已經可以在1982年6月26日進行天頂號運載火箭第一級測試了。令人非常驚奇的是，此次測試在6秒鐘後發生災難，渦輪泵燒穿並發生爆炸，完全摧毀了整個第一級和整個測試台。災難後對RD-170/RD-171發動機的基本設計提出了一系列疑問，更何況，測試的型號是600噸的推力，而不是名義上的740噸的推力。決定成立一個跨部門的委員會來管理RD-170發動機的發展過程，並考慮用替代方案。委員會主席為瓦倫丁·立科霍斯辛（valentin likhushin），他是莫斯科熱加工工藝科學研究所的負責人（簡稱為NII TP），其次還包括一些火箭專家，有留里卡（Arkhip lyulka）、尼古拉·庫茲涅佐夫（Nikolay kuznetsov）和格魯什科。
在眾多替代方案中，動力機械製造科研生產聯合體的科爾佩克夫（Klepikov）提出一個方案：每一個燃燒室都裝一個小型的渦輪泵，並改造RD-170發動機，使每個燃燒室的推力為185噸，因此稱為MD-185，並採用模塊化設計，可適用於各種型號的火箭。實際上，此方案於1980年10月11日由前蘇聯的通用機械工業部（前蘇聯於1965年3月2成立的中央辦事處，負責監督在蘇聯進行太空探索相關的所有問題，我們經常能看到CCCP的字樣，就是此部門縮寫。開始有55個單位，包括設計局，工廠，企業等，到1966年時有134個單位，到1991年時有160個單位，蘇聯解體後，此部門歸入俄羅斯航天局）的謝爾蓋·阿法納西耶夫部長提出。由於經歷N-1運載火箭的慘敗，阿法納西耶夫已經下令成立一個沒有動力機械製造科研生產聯合體參與的部門，去設計一種推力強大的發動機，並去應對RD-170發動機發展過程中出現的問題。由於在1977年到1978年間2UKS已經測試成功，因此，2UKS可以作為MD-185的原型機。
另外一個方案是，以庫茲涅佐夫設計局的NK-33火箭發動機為原型。由於N-I運載火箭項目已經取消，NK-33火箭發動機也從來沒有使用過，40台可以重複使用的NK-33火箭發動機在1977年進行了測試，證明是可靠的。不過需要對渦輪泵進行小的改動，庫茲涅佐夫設計局的工程師們把NK-33火箭發動機的推力從170噸提高到200噸(NK-43)。這樣4台NK-33火箭發動機就可以替代1台RD-170發動機。能源號運載火箭項目的首席工程師古貝諾夫（Boris Gubanov）認為NK-33火箭發動機的數量不夠多，據稱當時倉庫中有90台發動機，但是這種說法被認為是不可靠的。
當時考慮最多的方案是採用固體助推器，這任務分配給火花科研生產聯合體（NPO Iskra，首席設計師為N.lavrov，翻譯為N.拉夫羅夫），當時已經為能源號運載火箭項目建造了一些小型的固體助推器。而火花科研生產聯合體計劃設計44.92米的固體助推器，由7斷組成，重520噸，其中燃料重460噸。這助推器的推力能達到1 050噸，比沖為263秒，燃燒時間為138秒。 但是，最後這3個方案都沒有執行。最不激進的MD-185方案，沒有解決渦輪泵燒穿的問題，燃氣發生器的溫度和RD-170發動機中的溫度一樣高。最主要的是能源號運載火箭的發動機數量從原來的8台增加到20台，一枚助推火箭要裝4台MD-185發動機或NK-33火箭發動機，發動機數量過多後又可能會出現像N1火箭那樣的問題。而且，當時一直試圖抹去N1火箭失敗的教訓，不再願意使用原來火箭上的零部件。建造大型固體助推火箭的方案也是不可行的，當時沒有工業設備來建造，也沒有運輸和組裝的設備。前蘇聯發射的運載火箭都是用水平組裝的，大型固體助推火箭最好的辦法是垂直裝配，如果也用水平裝配，要把2 000多噸的火箭豎立起來就要用到非常龐大的設備。其次，在拜科努爾固體助推火箭無法回收，想美國的SRB助推器可以在海上回收，而且拜科努爾的溫度也非常難過極端，在40度到零下40度間，固體助推火箭不能正常工作。美國的挑戰者號太空梭太空梭發射失敗就因為發射前幾天溫度過低和O型環缺陷造成的。按照當時是設備和技術，從開始研製到投入使用至少要8年時間。
這3種方案都不能在很短的時間內完成，於是委員會於1982年9月決定繼續測試和改進RD-170/RD-171發動機，與此同時，也繼續研製MD-185。此時官方調查1982年6月的爆炸事故已經結束，最直接導致失敗的原因是發動機測試時處於垂直位置（相對於地平線），然而，工程師不相信這樣的說法，他們更相信這些鋁顆粒是從推進劑箱中進入渦輪泵的，或者是通過振動進入渦輪泵的。動力機械製造科研生產聯合體的工程師們採取了一系列措施，安裝了過濾裝置來保護渦輪泵，避免顆粒進入，其次還加強了渦輪泵的某些部件。改進後RD-170發動機在1983年5月31日完成了740噸推力的測試任務，總共燃燒了142秒。這次測試被看作是成敗關鍵，決定著RD-170發動機的命運。在隨後幾個月，發動機工作得越來越好，之後委員會決定繼續RD-170項目。1984年10月，委員會給了一個否定的決議，但是通用機械工業部的新部長貝克諾夫（Oleg Baklanov）是一個RD-170發動機的狂熱支持者。最後，在1984年的12月1日,天頂號運載火箭的第一級非常完美的在化工機械科學研究所的IS-102測試台測試成功，隨後，在同一個月里的測試也達到同樣的性能。 隨後在動力機械製造科研生產聯合體的進一步測試是在1985年初，這也為天頂號運載火箭的第一次發射鋪平了道路。1985年4月13日，第一枚天頂號運載火箭從拜科努爾航天發射場發射，雖然沒有把模擬有效載荷送入軌道，但是RD-171發動機正常工作，問題出在第二級的RD-120發動機上。1982年6月22日的發射也出現了同樣的情況，發射部分失敗。第一次成功發射是在1985年10月22日。
「天頂號」火箭發射後，RD-170發動機在繼續測試，1985年11月已經準備好進行暴風雪號太空太空梭火箭助推級的測試，測試地點還是在化工機械科學研究所的IS-102測試台。到1987年5月總共有148台RD-170發動機進行了473次點火測試，總共點火測試51 845秒。隨後，在1987年5月15日，前蘇聯發射了第一枚能源號運載火箭火箭，發射過程中火箭的是正常工作的。1988年10月初，前蘇聯計劃進行第一次能源號運載火箭的發射，到那時已經186台RD-170發動機進行了618次發射，總共燃燒時間達到69 579秒。1988年11月15日，第一次能源號運載火箭發射，此次發射相當成功。不過在兩次發射後，對RD-170發動機的測試繼續進行，主要是為了繼續改進發動機，並在暴風雪號太空太空梭火箭上得到更好的應用，希望能在1992年時完成。同時，飛行生產聯合體（PO polyot）在鄂木斯克州（omsk）的克魯塔亞（krutaya gorka）建立其自己的測試台，從1990年12月29日開始，有6台RD-170發動機進行了測試。據報導，此試驗台在1991年12月20日左右發射了爆炸，有證據顯示RD-170發動機沒有必要再進行進一步測試。當1993年暴風雪號太空太空梭項目被取消後，已經有14台RD-170發動機裝在A組級的助推器上，並且存放在拜科努爾發射場的總裝廠房中。1996年到1997年，這些發動機被拆下後運回動力機械製造科研生產聯合體的工廠並改裝成RD-171發動機用於海射天頂號運載火箭。儘管RD-170發動機只執行了2次能源號運載火箭任務，但是它的雙胞胎RD-171使用得相當頻繁。

設計

RD-170發動機有4個燃燒室，一台渦輪泵和2個預燃室。其中渦輪泵是單級的，整個渦輪泵系統還包括有一台氧化劑泵，一台兩級型的燃料泵，整個系統連接了低壓的燃料泵和氧化劑泵，並使推進劑增壓，防止渦輪泵形成空穴現象，從而防止燃燒不穩定現象的出現。這渦輪泵有2個富氧預燃室燃燒後形成的高壓氣體來驅動，起先時，原本打算只用一個預燃室，這樣每秒種要燃燒掉1.5噸的推進劑，這樣的流量太大了。在RD-170發動機整個氧化劑和煤油的循環過程中，只有少部分推進劑通過預燃室，約占6%。這渦輪泵大約能產生257 000匹馬力的動力。RD-170發動機可以在可以節流到額定功率的50%，且裝有萬向節——轉向裝置，它藉助於8個液壓執行機構來執行，可以沿1個方向軸擺動，RD-171的噴管沒有此種裝置，但是可以通過上層機械，整個機體沿2個方向軸擺動。根據測試得到了很多建議，提供軸向力的渦輪泵至少要有20%的能量儲備，壓力脈衝必須不超過正常工作水平的1～2％，在氧化性氣體的環境中要特別注意材料的絕緣性。