RD-170火箭发动机

RD-170 系列是人類有史以來威力最強的液態火箭發動機，是動力機械科研生產聯合體為了能源號運載火箭設計及生產的。

## 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 N1 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 N1 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艱難極端，約在 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。

### RD-170 家族

## 規格

* 4 個噴嘴
* 1 組渦輪和泵 - 渦輪約產生 192 兆瓦 (257,000 馬力)，相當於 3 台核能動力破冰船
* 點火方式：自燃推進劑
* 真空推力：806.2 噸力
* 真空中的比沖：337.2 s (3,315 N・s/kg)
* 海平面推力：740 噸力
* 海平面的比沖：309.5 s (3,030 N・s/kg)
* 淨重：9,750 公斤
* 高：3.6 米
* 寬：3.6 米
* 噴口直徑：4.0 米
* 推重比：82.66
* 腔壓：250 公斤力 /cm3
* 混合比：2.6
* 面積比：36.87

## 參考