RD-170：世界上推力最大的液體火箭發動機
小火箭出品
本文作者：邢強博士
該用什麼來代表逝去的那個蘇聯的航天科技水平呢？有人說用Спутник（斯普特尼克），人類發射的第一枚人造地球衛星；有人說用暴風雪號太空梭；而小火箭認為，那些都已經屬於過去了。不如用RD-170火箭發動機來體現那個曾經的蘇聯在探索宇宙的過程中達到的一個技術高度。
RD-170火箭發動機是人類有史以來研製的推力最大的多燃燒室液體火箭發動機。這款擁有4個燃燒室，1台渦輪泵和2個預燃室的發動機的海平面最大推力為740噸。很多人想要比較土星5號火箭的F-1火箭發動機（有關F-1火箭發動機，詳見小火箭微信公眾號文章《F-1:史上最強的單燃燒室液體火箭發動機》）與蘇聯的RD-170火箭發動機。
F-1是世界上推力最強的單燃燒室發動機，而RD-170則是世界上推力最強的多燃燒室發動機。它們的主要性能的對比情況如下：
可見，RD-170火箭發動機比F-1火箭發動機重16.8%。其海平面推力比F-1火箭發動機大8.8%，真空比沖高11.2%。從燃燒室壓力的角度來看，RD-170令F-1難以望其項背，RD-170的室壓是F-1的3.5倍。關於燃燒室壓力的問題，小火箭在下文將會詳細論述。
RD-170發動機項目的由來
每一款大型發動機的背後，通常都會有一個巨大的項目需求，這個項目或是承載了一個國家的夢想，或是準備突破多年以來的技術局限。RD-170火箭發動機的背後，當然也少不了大型項目的支撐。
沒有任何一個神奇的裝備不是由一項國家項目撐起來的，如果不夠的話，那就來兩個。
RD-170火箭發動機的研發，得益於兩個項目：天頂號火箭和能源號火箭。
蘇聯在1970年代開始了一個野心勃勃的大型運載火箭系列計劃，準備以同一款大推力火箭發動機為基礎，發展多種發動機型號和運載火箭型號。這個計劃進行地比較順利。實際上，天頂號火箭是蘇聯解體前發展出來的技術含量最高的一款火箭。上圖為正由軌道運載器運到發射台的一枚天頂號火箭。注意，火箭尾部的四個大噴管屬於同一台RD-170發動機。
負責這個火箭項目的設計局值得一說。天頂號是由導彈設計大師米哈伊爾·庫茲米奇·楊格爾牽頭成立的南方設計局的項目。雖然該設計局（蘇聯內部代號586設計局，或者按某些地方的習慣，叫做586所）在接手天頂號火箭項目的時候，所長楊格爾已經去世5年了，但是他的副手完全有能力把設計局撐起來。
這個人便是楊格爾的學生、副手：弗拉基米爾·烏特金。他是包括SS-18撒旦洲際彈道導彈在內的多款導彈的總設計師。其脫密後，被後人尊為蘇聯導彈「教父」。
烏特金提出了天頂號火箭的最大技術特點：火箭具有環境友好性，且具備超強的載荷能力，還要讓發射工序實現完全無人化。火箭被機械裝置自動吊裝在發射台上並連上地面控制管線，其後在發射準備、點火或因發射任務取消而須從發射台上撤下時都不需要進行手動操作，從而大大減少了因發射事故導致人員傷亡的可能性。此外，天頂號的發射台不包含任何在發射時有可能被燒毀的設備，因此在一次發射完成5小時之後，就可以再次進行發射。
而這樣的總體要求，需要一台高可靠性、可多次重複啟動進行試驗、使用液氧煤油燃料的大推力火箭發動機。
由於屢次發射失敗和美國率先登月，蘇聯政府於1974年5月取消了原本為蘇聯登月計劃開發的N-1重型運載火箭。作為替代品，蘇聯於取消N-1的同時開始了對能源號火箭的方案論證工作，以便為實現未來的空間開發計劃打下基礎。圖為搭載暴風雪號太空梭模型的能源號運載火箭模型。
當時的計劃是，能源號運載火箭的助推器採用4枚天頂號火箭的第一級火箭。（實際上，天頂號和能源號的火箭發動機略有不同，用於能源號火箭的是RD-170原裝版本，用於天頂號火箭的是增設了雙向伺服機構的版本，叫做RD-171。不過，除伺服機構的作動方向的區別外，兩款火箭發動機在其他地方是相同的。）上圖左側為能源號運載火箭的助推器，右側為天頂號的第一級火箭。
RD-170的總體設計
RD-170發動機有4個燃燒室，1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1台氧化劑泵，1台兩級燃料泵，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，以防止渦輪泵形成空穴現象。
RD-170火箭發動機管路閥門系統示意圖。注意，淡黃色的為煤油管路，淡青色的為液氧管路。紅色的部分，表示滾燙滾燙的。
上圖中央的紅色罐罐中的黑色，為主渦輪軸。從上到下的4個黑色渦輪，依次為：主渦輪泵、氧化劑泵、主燃料泵和主啟動泵。
中央的紅色罐罐兩側各自伸出一個耳朵，那就是RD-170的2個富氧預燃室了。一部分燃料在預燃室中進行燃燒，帶動渦輪泵轉動。而渦輪泵轉起來之後，燃料和氧化劑就能夠迅速流動了。
如果整枚RD-170發動機是一顆心臟的話，這部分管路的作用就類似於冠狀動脈。
為什麼要用2個預燃室？用1個不是能夠減少不少重量么？
讓任意一名合格的火箭設計師來看，也是有這個願望的。只是，RD-170的煤油燃料的秒流量為1.5噸。這麼大的流量擠到一個小小的預燃室里，是會出問題的。他們只好採用2個預燃室。這是提高可靠性的一個設計。誰讓火箭總師烏特金一直強調可靠性呢。
小火箭覺得，沒個參照物好像沒法說明RD-170的動力有多強勁。還是用參照物來對比一下吧。且不說RD-170噴口的那740噸的力量了，只說渦輪泵吧。
RD-170的渦輪泵功率為25.7萬馬力，相當於2.57個鐵臂阿童木。
25.7萬馬力換算成功率，約為192兆瓦。有這樣一艘叫做亞馬爾的破冰船，是核動力的，排水量23455噸。上面有2座核反應堆，驅動2台汽輪機，帶動6台發電機。這些發電機的總輸出功率為55.3兆瓦。RD-170的一台渦輪泵的功率相當於這樣一艘核動力破冰船的3.47倍。
說到渦輪泵，小火箭一定要多說幾句。RD-170能夠產生如此強悍的推力，這與她的渦輪泵的巧妙設計非常有關係。
從上世紀60年代開始，美國和蘇聯的工程師們都發現，火箭發動機的渦輪泵如果一直依賴一個渦輪的話，很難再有性能上大幅提升的潛力了。於是他們各自發明了一些新的渦輪泵結構。
比如，蘇聯的引射式的多噴嘴泵從60年代開始，就有了很好的效果。其實，如果剖開現役的「質子」火箭的話，依然能夠看到這種設計。
RD-170採用的則是更為先進的葉片式預壓渦輪泵。預壓泵的應用可以讓發動機降低對火箭貯箱的壓力要求。通過對渦輪葉柵和誘導輪的設計，讓主渦輪泵在轉速、揚程和效率方面有更好的表現。這種設計在以RD-170為代表的蘇聯風格的液氧煤油發動機和以太空梭主發動機為代表的液氫液氧發動機上都能找到，可謂是殊途同歸。同時，要注意到蘇聯人的設計不僅僅是傻大粗笨的，實際上是有不少精巧的地方的。從管路設計的角度來說，RD-170贏了F-1發動機一局。
RD-170為什麼要採用4個噴管，而不用1個大噴管？
這主要是當初蘇聯對大噴管液氧煤油發動機的燃燒不穩定性問題沒有十足的把握進行解決。從這個角度上來看，美國人的F-1火箭發動機扳回一局。（美國人在3年時間裡，做了2000多次試驗，把炸藥放到燃燒室中，人為製造不穩定，掌握了燃燒的部分規律，通過改進噴注盤設計和其他結構，解決了燃燒不穩定的問題。）
我們可以通過噴注盤的設計來看，美國風格和蘇聯風格的不同：
這是F-1火箭發動機的噴注盤。如果你把這個噴注器看做是一個靶標的話，不看靶心部分，最靠近靶心部分的有孔的那一圈，鑽了18個孔，用來噴射煤油。往外一圈，可以看到兩兩一組，共9組的18個孔，用來噴射液態氧。再往外，能看到兩兩一組，共9組的18個孔，用來噴射煤油。以此類推，噴注盤的每一圈孔都是煤油噴射孔和液氧噴射孔交替排布的。小孔的直徑比例經過2000多次試驗後，有了明確的規格：最內圈的若定義為標準1的話，往外一圈為1.627，再往外一圈為2.217，再往外一圈為2.739。詳見小火箭的微信公眾號文章《F-1:史上最強的單燃燒室液體火箭發動機》。
這是RD-170火箭發動機的噴注盤。其設計風格與F-1火箭發動機不同。首先，從噴注孔直徑上來看，沒有像F-1火箭發動機那樣有大小不同的分布。其次，從噴注孔的平面布局上，較為簡單。除中心孔外，內圈6孔，然後是12孔，依次類推。外環分為5圈，並被高出的隔板平均分為6個大區。每個大區由內向外的孔數為4、5、6、7、8。
採用4個噴管，萬一推力啟動不同步，大小不一致怎麼辦？
這個問題的確存在。對於採用富氧補燃循環的RD-170發動機而言，煤油噴射進入燃燒室的瞬間即為推力室點火時刻。讓4個燃燒室同步啟動的關鍵在於讓煤油同時進入這4個燃燒室。另外，大噴管外側的冷卻套的壓降的不同或者阻滯程度的不同會帶來額外的時間差，這個也要考慮在內。
因此，RD-170的4個燃燒室的管路設計是很講究的，要盡量保證燃料的流經距離一致（考驗設計師立體幾何水平的時候到了）。另外，還要摸透管路內對燃料的阻滯效應的大小。
不過，雖然RD-170的噴管尺寸比F-1的小很多（想要看5台F-1火箭發動機組成的土星5號火箭的大小，詳見小火箭的微信公眾號文章《土星5號：最高最重推力最大的火箭》），但是小火箭始終認為RD-170的噴管內型面的設計是非常美的。
鑒於RD-170的彩色照片不多，小火箭特意用了些時間計算了RD-170噴管的內流場，算是增添一些色彩吧。
RD-170噴管內速度場計算。（by 邢強博士 2016年5月25日至31日凌晨）。實際氣流速度比我算的這個要快一些，但分布情況類似。從軸向來說，離噴注盤越遠，氣流速度越快；從徑向來說，離對稱軸越近，氣流速度越快。
這噴管是不是很美？引用朱自清的話「像亭亭的舞女的裙」。
從圖中可以看到，RD-170漂亮的拉瓦爾噴管設計。藍色為亞聲速流，過了噴管的收斂頸部之後，就是一路超聲速了。
在這裡說一下拉瓦爾噴管，這個瑞典工程師在1883年發明的管子為什麼要先收斂後擴張呢？
要想掌握火箭發動機的原理，或者能夠對火箭及其發動機的總體設計進行分析，不學習一點方程是不行的。這個方程是噴管內流動方程，是由歐拉方程、氣體狀態方程與連續性氣體假設得來的。
式子裡面，c為氣體流動速度，x為氣體到噴流起始點的距離，A為噴管截面積，M表示氣體流速馬赫數。
因為c、x、A在這裡恆為正值，所以氣體流動速度的變化方向就只和馬赫數以及噴管形狀有關了。
當氣流為亞聲速的時候，M
而當氣流加速到超聲速的時候，M>1，此時， 需要 dA/dx大於0，氣流的流速才能繼續增加。
這是一枚RD-107火箭發動機（用在傳說中的R-7火箭上），其中一個噴管被剖開了。可以看到內部的拉瓦爾噴管構造。
為什麼RD-170的比衝要比F-1的高？
眾所周知，比沖是衡量一款火箭發動機效率的重要指標。比沖的定義為：火箭發動機單位重量推進劑產生的衝量，或單位重量流量的推進劑產生的推力。RD-170火箭發動機的真空比沖比F-1火箭發動機高11.2%。其主要原因是RD-170採用了先進的補燃循環工作方式。在小火箭的微信公眾號文章《F-1:史上最強的單燃燒室液體火箭發動機》中，我提到了F-1火箭發動機採用燃氣發生器循環方式。這種方式使得火箭發動機的推進劑組合密度較低，在產生大推力的同時，幾乎不可避免地需要一個非常大的發動機尺寸。如今，更好的大推力液體火箭發動機的工作方式實際上是補燃循環。按照迄今為止，火箭工程師們對發動機的了解，補燃循環的比沖比燃氣發生器的比衝要高10%左右。
另外，採用燃氣發生器的工作方式的發動機，會因渦輪廢氣的排放損失1%以上的比沖，而且這種情況會隨著燃燒室壓力的增加而越發明顯。採用了補燃循環的RD-170發動機則不用擔心這些，可以把室壓做得高高的，效率和性能提升明顯。在這一點上，RD-170又勝過了F-1。當然，作為一款在1985年4月13日才首次實用的發動機來說，RD-170比在上世紀60年代就推動土星5號火箭的F-1發動機出現得晚，在技術上有所進步是可以理解的。
大部分關心火箭發動機設計的人都會有這個疑問：
為什麼RD-170的室壓可以這麼高？
RD-170的比沖比F-1火箭發動機高11.2%可以理解，可是RD-170是怎樣把燃燒室壓力提升到了F-1火箭的3.5倍的水平的呢？蘇聯人在這方面的設計比美國人高明這麼多麼？
其實是美國人的技術標準把美國人自己給坑了。
翻閱上世紀60年代和70年代的美國人的火箭發動機技術標準，裡面赫然有這樣一條限制：採用液氧煤油燃料的液體火箭發動機，其燃燒室壓力不得超過7MPa！
這是美國的工程技術人員從多年的試驗數據中總結出來的一個結論，其中當然不乏一些血的教訓。美國人發現，當燃燒室的壓力過大時，煤油很容易在燃燒室內壁上結焦，之後便是不可逆轉、難以控制的噴管損毀和發動機爆炸的事故。
在這樣的技術標準限制下，推動土星5號火箭的F-1火箭發動機的燃燒室壓力被定為7MPa，這已經是技術標準內的最高值了。可以說，F-1火箭發動機的設計人員嚴格地遵守了技術標準，而且同時做了提高發動機性能的最大努力。
那麼問題又來了，既然美國人自己限制了燃燒室的壓力以防止結焦現象的出現。那麼，為什麼蘇聯人的火箭發動機有這麼高的燃燒室壓力，卻極少出現結焦和爆炸的情況呢？
這個問題的答案，需要我們把目光從火箭發動機的試車台和實驗室繪製圖紙的桌子上暫時挪開，到蘇聯廣袤的土地上去尋找了！
曾經的蘇聯有著世界上最大的領土面積。
在這片土地下面，有著豐富的石油和天然氣儲存量。
而在裏海西岸中部的那個向海里突出的尖尖角這裡，有個叫做亞塞拜然的地方。
早在公元前7世紀，這裡就是拜火教的聖地。實際上，亞塞拜然巴庫油氣田附近的蘇拉汗尼神廟向來就是印度存放聖火之地。
1924年，亞塞拜然比比海巴特港的人工島上，建起了世界上第一口離岸石油鑽井平台。這口油井的產量當年就達到了整個巴庫地區的10%。
到了1941年，亞塞拜然的油井的鑽井深度就有了深達3400米的記錄。
二戰期間，希特勒制定了「藍色計劃」，試圖佔領高加索的油田。為了保險起見，蘇聯用灌注水泥的方式毀掉了大量油井，並炸毀了幾乎所有上規模的煉油廠。1萬多名煉油工程師被撤退到蘇聯後方。這片曾經優質原油產量佔全蘇聯70%的油田陷入了低谷。
上世紀60年代，亞塞拜然石油產業迅速復興，尤其是裏海石油的開採更是佔到了亞塞拜然的60%。以RD-170為代表的火箭發動機計劃需要大量的煤油供應。在一定程度上促進了先進煉油技術的發展。圖為攝於亞塞拜然巴庫的油田場景。
這塊被拜火教信徒奉為聖地的地方，其出產的石油果然不同凡響。
蘇聯的高燃燒室壓力的火箭發動機在點火測試的過程中，極少出現結焦的現象。首先要感謝的就是這片土地提供的原油。當然，蘇聯人包括美國人發現大型液氧煤油火箭發動機的結焦居然與原油有關的事實已經是很以後的事情了。可以說，蘇聯的火箭發動機設計師一直在享受著大自然給他們的恩賜。
亞塞拜然的油辛烷值高，雜質少，而對於火箭發動機最關鍵的一點是：含硫量極低！
美國的煤油中，硫含量通常在50PPM，而蘇聯則盛產硫含量小於20PPM的高品質萘基油。圖為亞塞拜然油田向外輸出石油的管線。
另外，西伯利亞地區出產的原油也有著不錯的品質。純凈的煤油讓蘇聯的火箭發動機即使在很高的燃燒室壓力下，也較少出現結焦的現象。他們當然也就沒有什麼燃燒室壓力不得超過7MPa的奇怪限制了。
後來，美國人發現了燃燒室煤油結焦的癥結所在，甚至摸清楚了硫化亞銅等燃燒室內雜質的生成機理。然而，這已經為時已晚。上世紀70年代後，大部分美國的科研人員已經徹底放棄了高燃燒室壓力的液氧煤油火箭發動機的研製，轉而研發液氫液氧發動機了。（不過，這從客觀上促進了太空梭主發動機的出現，可謂是失之東隅，收之桑榆。）
英雄遲暮，RD-170差點隨著那個帝國離去
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，雖然沒有把模擬的有效載荷送入軌道，但是RD-171發動機工作正常。問題出在第二級的RD-120發動機上。1987年5月15日，蘇聯發射了第一枚能源號運載火箭。然而，到了1988年11月15日，隨著能源號的最後一次發射，所有的大型航天項目都面臨著被終結的命運。到了上世紀90年代初，這個紅色帝國倒下的時候，RD-170系列也終於和蘇聯的火箭暫時告別了。
但是，那時候，RD-170發動機已經成功進行了618次發射，在累計69579秒的燃燒時間內，她證明了自己的可靠性。並且一次又一次地展示了世界上推力最大的液體火箭發動機的魅力。
後來，美國、俄羅斯、烏克蘭和挪威的四家公司共同投資的海上發射公司成立了。天頂號火箭帶著RD-170發動機一起，獲得了新生。注意，上圖的天頂號火箭的第一級的四個噴口，出自同一台RD-171發動機（RD-170發動機的伺服機構增強版本。）這枚起飛重量462噸的火箭由1台發動機托起。注意，帶有濃厚的烏特金設計風格的火箭發射裝置。
RD-180遠渡重洋，為美國航天發射貢獻力量
美國過早放棄了高燃燒室壓力的大型液氧煤油火箭發動機的研究轉而開始琢磨大推力的液氫液氧發動機。同時，美國在冷戰時期儲備了大量的大推力固體火箭發動機的產能，這使得即使沒有RD-170那樣的優秀的液氧煤油火箭發動機，美國人也能夠靠液氫液氧發動機和大推力固體火箭發動機把太空梭送上太空。
不過，液氧煤油發動機的這門課遲早是要補上的。只是，美國人找到了一個捷徑，那就是，買。
蘇聯解體後，普惠積極運作，買來了RD-120液氧煤油發動機。而美國航空噴氣公司則引進了蘇聯登月計劃中設計的NK-33液氧煤油發動機。洛克希德·馬丁公司看中了RD-170發動機，不過他們感覺用不上推力這麼大的發動機，於是購買了100多台RD-180。雖然這有點趁火打劫的味道，不過至少讓RD-170/RD-180的研發團隊保留了下來。圖為俄羅斯動力機械科研生產聯合體的廠房內，一名工程師正在檢查一台RD-180發動機。注意，廠房的牆上，有R-7彈道導彈和SS-18撒旦洲際彈道導彈的照片，默默訴說著曾經的那個帝國的榮耀。
RD-180是RD-170火箭發動機的燃燒室減半版本。RD-170有4個燃燒室，去掉2個後，便成了RD-180的雛形。不過，RD-180把RD-170的25MPa的燃燒室壓力進一步提升到了25.7MPa，這使得燃燒室數量減半的RD-180的推力不是RD-170的一半，而是390.35噸，約為RD-170推力的52.8%。可以說，如果能源號火箭的項目沒有戛然而止的話，RD-170，包括此後的RD-180的推力仍有進一步提升的可能。然而，歷史是不容我們假設的。上圖為俄羅斯動力機械科研生產聯合體的廠房外景。RD-170的靈魂在這裡遊盪，注視著RD-180遠渡重洋，為美國的火箭提供動力。
俄羅斯動力機械科研生產聯合體的工程師和技術工人正在為美國的宇宙神運載火箭生產RD-180發動機。
RD-180主要用在美國宇宙神系列運載火箭上。搭配不同的固體助推器，該系列火箭可以提供8噸到29噸的近地軌道運載能力。上圖的火箭示意圖的底部視圖的中間部分的兩個圓圈，就是1台RD-180發動機的噴口。
1998年11月4日，一台RD-180發動機正在進行測試。然而，這裡並不是RD-170系列和RD-180系列發動機所熟悉的老家：蘇聯航天工業科學實驗中心的102號試驗台。而是美國NASA的馬歇爾航天中心試車台。在這裡，土星5號的F-1火箭發動機進行過測試，太空梭的主發動機進行過測試，如今，來自曾經的鐵幕的另一端的蘇聯RD-180火箭發動機正在進行測試。熟悉的噴管外形，熟悉的火焰，只是，發動機外殼上的CCCP和紅星，換成了洛克希德·馬丁的標誌。
這是一枚宇宙神III型運載火箭。她本來的名字叫做宇宙神IIA-R。後面的R代表Russian，表示採用了俄羅斯生產的火箭發動機。後來，為了淡化美國的這款火箭使用俄羅斯發動機的這個事實，火箭更名為宇宙神III。
RD-180在燃燒室壓力方面，仍有繼續提升的潛力。
快到文章末尾了，小火箭覺得有必要再說一下燃燒室壓力的問題。
蘇聯人能夠把壓力調得這麼高，一方面的確是超低硫含量的煤油幫了大忙。不過，後來他們發現了繼續提升壓力的方法。小火箭將我能想到的燃燒室壓力提升的手段總結為5大因素，在這裡寫出來，以便大家交流。
第一，蘇聯有得天獨厚的低硫含量的煤油。燃料好，結焦概率就會低。好的食材，對人和發動機，都很重要；
第二，蘇聯人的發動機內型面比美國人的粗糙。但是，這種粗糙是故意留下來的。想把內型面磨得像鏡面一樣，蘇聯人能夠做到。但是，他們有幾個數學很好的科學家，建議保留內型面一定的粗糙度。這樣，高溫氣流能夠在內壁附近形成湍流，可以讓換熱效率提升3倍以上；
第三，RD-170有巧妙的冷卻環設計，可以形成超臨界冷卻液膜。這個可以由耶夫列夫方法推導進行驗算；
第四，對高溫合金和耐高溫塗層的研究和成功應用，使得燃燒室本身有著超高的結構強度和熱學性能；
第五，RD-170的加工工藝有獨到之處。RD-170的設計團隊分析了V-2火箭發動機（最大壓力1.5MPa）的燃燒室結構，摸透了雙層鋼板套層結構，並徹底摒棄了那種過時的設計。他們分析了美國大力神導彈的發動機和F-1火箭發動機（最大壓力為7MPa）的雙錐管束加金屬絲纏繞的結構，同時也回顧總結了蘇聯以前設計的發動機燃燒室結構。取長補短後，他們創造了升級版的銑槽加釺焊外壁的加工方法，使得燃燒室內壁的導熱率大幅提升。
這些設計理念值得想要發展大推力液氧煤油火箭發動機的團隊進行借鑒。而同時，小火箭也不得不為那個戛然而止的RD-170火箭發動機感到遺憾。
美國與蘇聯爭霸的那個時代已經遠去，留下來RD-170這個世界上推力最大的液氧煤油火箭發動機的傳奇。而中國，已經擁有了自己的大推力液氧煤油火箭發動機。期待在今後的發展中，中國能夠創造大推力火箭發動機的新紀錄。
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