2022年3月,俄罗斯正式宣布,为了反击制裁,他们将彻底停止向美国出售自己的RD-180火箭发动机。消息一出,世界航天领域顿时炸开了锅。因为面对俄国的表态,向来豪横的美国,竟然真的露出了一点慌张的姿态。
这就让人非常好奇了,都说俄国的工业一直都处于衰落的状态,而且频繁遭受到西方的打压,迟迟得不到交流与合作,已经到了“科技全靠考古苏联”的地步了。可大家还真没想到,在此之前,俄罗斯竟然一直和美国进行火箭方面的交易。更没想到,美国科技如此之高,可竟然还会被现在的俄罗斯,卡了脖子。
但面对外界的质疑,美国却也算实事求是。他们表示,火箭发动机被断供,他们确实早有准备,也已经准备好了替代品。但这个替代品,最少还要十年,才能稳定下来。
今天我们就来和大家聊一聊,这个RD-180火箭发动机,究竟有多么强大,甚至美国都需要依赖它,而且在短时间内,连它的替代品都找不出来呢?
RD-180火箭发动机,是苏联解体之后,美国和俄罗斯长期合作的一个大项目。这个情况在当时来看,是比较好理解的。苏联解体之后,俄罗斯各大科技工业都断了资金,朝不保夕,美国趁虚而入,的确是通过这种形式,掠夺了不少前苏联的先进工业。
但在RD-180火箭发动机这个国之重器的项目上,美国却表现得相当克制。他们并没有贪图俄国的技术,而是只给了资金支持,并提供了部分零部件。至于技术和核心零件,他们完全放手,让俄国人去做,只要保证做出来的成品能卖给美国就可以了。
美国之所以在RD-180火箭发动机方面,对俄国如此大方,主要是因为,俄国的这项火箭发动机技术,实在是领先他们太多了,美国如果想学这个技术,需要追赶的差距太大,不如直接买成品。
RD-180是世界上最好的火箭发动机之一,这得益于它们颇为先进的“分级燃烧循环”技术。在这一领域,俄国已经几乎到了“宗师”的级别。
所谓“分级燃烧循环”这项技术,虽然至今仍然在帮俄国卡美国的脖子,但它其实不是一个年轻的理论。早在1949年,就有人提出了相关的设想。因为在当时,如何最大程度优化火箭的发动机燃烧效率,一直是困扰火箭专家的头号难题。
其实一开始的火箭,并没有那么多讲究,能飞就行。火箭发动机的原理也比较简单,把燃料推进燃烧室点燃,喷出气流,火箭升空,和一些烟花爆竹的原理有异曲同工之妙。
不过,火箭领域的确是大有作为的,所以科学家们也就继续研究如何制造出,飞的更快、更高、更远的火箭。而解决这个问题,最简单的办法就是,利用高压气体,将更多的燃料挤压进燃烧室里。
可这种做法有个大问题,那就是气体不够。因为大家一开始的办法,是往火箭里塞入压缩气体。但压缩气体无法完全支撑火箭燃烧室的工作。毕竟,燃烧室的压力做大了,能有几十兆帕,想让燃烧室持续保持全速运转的状态,这个程度的气体需求量是非常恐怖的。以当时的技术,他们无法往火箭里塞进这么多的压缩气体。
而就在这时,德国的冯·布劳恩灵机一动,既然提前把气体打进火箭里的效果不好,那我直接在火箭里现场制造气体不就可以了吗?
于是,他在火箭里用上了双氧水,以催化分解出高温高压的气体,吹动涡轮泵,达到了推送燃料的目的,制造出了有着划时代意义的V2火箭,在此基础上引申出了“燃气发生器循环”的技术。
二战结束后,各国十分重视火箭技术的研制。大家意识到,燃气发生器循环绝对是正路子。于是,他们在此基础上开始向前探索。
考虑到布劳恩的办法虽然不需要往里面放入巨量的压缩气体,但也得放入额外的双氧水,还是占地方,于是各国开始对这个思路进行优化,他们干脆直接把少量的燃料和氧化剂拿出来,放到一个专门的预燃烧室里,用烧出来的废气驱动涡轮泵,往主燃烧室里输送燃料。这样就不需要再携带额外的燃料了。
这个方案虽然很优秀,但是也有不足之处。简单来说就是,预燃室实在是有点浪费了。
毕竟,预燃室的燃烧充分程度,肯定要比主燃室要小,不然温度、压力太大,可能直接就把涡轮泵给折腾坏了。但如此一来,必然会导致预燃室里有一部分燃烧不充分的废气,被白白排放掉。
科学家们对于这些“废气”,可以说是心疼得不得了,想方设法的想要将它们也完全利用起来。因此,苏联功勋火箭发动机设计师伊萨耶夫,于1949年提出了分级燃烧循环的思路。
所谓分级燃烧循环,其原理和名字一样,先在预燃室里烧一些推进剂,这就是第一级,然后将废气导进燃烧室。因为废气是气态,所以与被泵入的推进剂掺混,进行气-液、气-气混合燃烧之后,能燃烧的极其充分,释放出大量的推力来。
不得不说,这实在是天才的超前目光。要知道,伊萨耶夫提出这个构想时,苏联甚至连燃气发生器循环这种基础操作,都没有完全掌握呢。
但这个办法,说起来容易,做起来实在是难的不行。美国也不是没试过,可是研究的时候却困难重重。因为废气被导入主燃烧室进行二次燃烧的话,那么就需要排气管也有着极强的耐高温、耐高压、耐氧化、不渗透的能力,直接把对整个管路系统的设计要求拉高了很多。
而且,当时各国普遍都比较喜欢用煤油来当做燃料。而煤油燃料如果不充分燃烧,就会伴随着废气产生大量的黑烟,也就是碳颗粒。放任这些东西进入主燃烧室,必然会产生积碳问题,导致相关部件老化过热,肯定是要出事故的。
但可能有的朋友会好奇了,既然如此,那直接使用更加清洁的氢氧燃料不就可以了吗?毕竟这些燃料没有碳元素,烧起来干净又卫生。
然而,氢氧燃料虽然优势不小,却有个致命的弱点,那就是推重比要差一些。甲烷的密度只有煤油的一半,液氢的密度更是惨不忍睹,只有0.07千克/升,论推重比根本打不过煤油。而美国出产的煤油,含硫、含碳量都很高。基本不能用来做这种发动机的燃料。
至此,美国处处受限,走进了死胡同,最终不得不搁置了这一方面的探索。
而相比之下,苏联就要幸运的多。他们的科学家对这方面的钻研,很早就开始了。同时,苏联还有地利。他们的煤油相对来说非常干净,基本不会产生积碳的问题。
就这样,苏联经过刻苦钻研,终于研制出了抗高温耐氧化的金属零件,从而一举攻克了这个难关,制造出了相当强大的高压补燃煤油机RD-170,后来又在此基础上,制造出了沿用至今的RD-180火箭发动机。即使是美国,都眼红不已。
但美国也知道,经过这几十年的你追我赶,美国在这一方面的科技,已经远不能和俄罗斯相比了。俄国人在这一方面的技术已经到了化境,就连美国人都想不明白,他们是怎么把RD-180做的这么便宜的。
所以苏联解体之后,美国并没有急着要把俄国的分级燃烧循环技术吞下去,而是选择直接购买成品。就这样,俄罗斯的RD-180火箭发动机,为美国的“宇宙神”系列火箭,提供了很久的服务。
不过,随着俄罗斯与西方的矛盾越发深重,美国对俄罗斯的制裁愈演愈烈。俄罗斯为了反制美国,也出台了一系列措施,其中就有要停止出口RD-180火箭发动机这一项。但是,俄国一直也不太希望跟美国闹得很僵,所以他们的行为,很大一部分还是干打雷、不下雨。
但不得不说,RD-180火箭发动机确实是打在了美国的软肋上。但凡美国真的造得出来这种物美价廉的发动机,也不会和俄国做这么久的生意。当然,美国也确实知道,不能把一切都寄托在俄国人身上。他们也在积极寻找RD-180火箭发动机的下位替代品。
所以,2022年,俄罗斯忍无可忍,正式宣布停止向美国出口RD-180之后,美国的反应普遍没有特别惊慌,心态反而更像是“第二只靴子终于落地了”的感觉。
说实话,美国毕竟也是科技大国,经过这么多年的科技进步,也不是完全攻克不了分级燃烧循环。但问题是,让他们自己做的话,需要花的成本实在是太高了,真不如直接买俄国的成品。
不过现在,俄国已经下了狠心,他们也只好推出了几款下位替代品。比如BE-4液氧/甲烷发动机、AR-1液氧/煤油火箭发动机,还有固体火箭发动机,以及美国马斯克太空探索公司的猛禽发动机。
但这些发动机虽然看上去不输RD-180,但美国的火箭,已经用习惯了RD-180,贸然改用其他的发动机,多少会有点水土不服的风险。况且这些发动机现在也不太稳定。因为美国的“去工业化”,他们在航天这种精密领域还有多靠谱,实在值得打个问号。
美国从1969年就已经登上月球,可是冷战结束后,就在这一领域再无建树,“重返月球”的计划执行的也是拖拖拉拉,因为他们的火箭发动机总是会出一些小问题,不是非常靠得住。
所以,俄国的这一反制措施,虽然从长期来看,可以被美国化解,但短期之内给美国航天造成的动荡,也是不可小觑的。
美国可能早就料到有这么一天,他们在此之前,已经屯了不少RD-180发动机,如果省着点发射火箭的话,应该能支撑十年之需。但十年之后,他们能不能彻底摆脱对RD-180发动机的依赖,就只能留待时间的检验了。