能源：承载苏联航天飞机梦想的传奇火箭
微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共7861字，92图。预计阅读时间：1小时。
小火箭的经典导弹与运载火箭系列自2016年开始到现在，已经到了第4季了。
在本季，小火箭以固体火箭发动机的综述文章开篇，继续咱们的导弹与火箭之旅。本季第2篇，小火箭讲述了民兵洲际弹道导弹的诞生背景与总体设计特点，给出了民兵I、II、III共3型弹道导弹固体火箭发动机的装药配方并计算了民兵III洲际弹道导弹的典型弹道。在本季第3篇，小火箭分析了美国唯一一款现役陆基战略核导弹的部署、运输与防护特点。本季第4篇，小火箭介绍了苏联S-300系列防空导弹。
该用怎样的一篇文章来完结第4季呢？用苏联的能源号运载火箭吧！
背景
公元1969年7月20日，美国阿波罗11号飞船成功将阿姆斯特朗与巴兹·奥尔德林博士送上了月球。上图为阿姆斯特朗拍摄的奥尔德林的照片，头盔上的白色小影子是阿姆斯特朗。
苏联用来执行载人登月计划的火箭就是传说中的N-1重型火箭（有关该火箭，详见小火箭的公号文章《承载苏联载人登月梦想：N-1火箭》）
从这张图我们能够更加清楚地看到3种登月火箭方案的总体对比：从左到右为，苏联N-1火箭，美国土星5号火箭和苏联UR-700火箭。有关土星5号火箭总体设计的详细介绍，参加小火箭的微信公众号文章《土星5号：最高最重推力最大的火箭》（实际上，N-1火箭的起飞推力比土星5号的要大，可惜没能成功执行过任何任务，不能真正进入火箭推力排名序列。）
从1969年2月21日，莫斯科时间下午12点18分07秒到公元1972年11月23日莫斯科当地时间上午9点11分52秒，苏联的N-1重型运载火箭共进行了4次发射，均以失败而告终。
目睹过人类为实现梦想而奋斗的这段历程，体会到他们无畏的勇气和不懈的坚持的人或许会流下眼泪，但这泪水终将洗净我们的双眼，让继承了人类探索精神的我们继续向更高更远的太空眺望。
1974年5月，N-1重型运载火箭项目取消（1976年彻底停止），但同时，以能源号重型运载火箭、RD-170分级燃烧高压补燃循环液体火箭发动机、暴风雪号航天飞机、天顶号运载火箭这4个大项目打包而成的科研项目成为了苏联工程师的新的奋斗目标。
苏联对能源号运载火箭与天顶号运载火箭正式立项的文件。
为了这个大项目，苏联投入了整整140亿卢布。
（小火箭在这里要强调一下，当年的卢布不同于现在的卢布。按项目周期接近完成时的1985年看，当时苏联官方给出的美元兑卢布的汇率为1美元=0.7642卢布，恰好相当于现在美元与英镑的汇率。而如今，在2017年8月底，1美元=58.36卢布。）
也就是说，包括能源重型运载火箭在内的一揽子大型航天项目的总投资额相当于今天的1215.043亿元人民币，可谓是力度空前。
诞生
在N-1重型运载火箭下马后，新立项的能源号重型运载火箭承载了几乎所有的大型近地轨道运载任务与大型深空探测器的任务，其中可以总结为4大类：
发射可重复使用的近地轨道飞行器（航天飞机）；
发射近地轨道空间站舱段大型载荷；
发射地球同步轨道重型军用和商业卫星；
发射大型深空探测器。
公元1987年5月15日，第一枚能源号火箭矗立在了拜科努尔发射基地的发射台上。这枚能源号火箭搭载了一枚极地号天基激光武器战斗平台（上图中长得像一枚小火箭的黑色物体）。
该战斗平台长37米，直径4.104米，重80吨，搭载了一门功率为1兆瓦的激光炮。
按原计划，能源号火箭会把极地号战斗平台送入轨道高度280公里，倾角为63.9°的近地轨道上。
结果，能源号火箭工作良好，但极地号战斗平台在太空与火箭分离的时候，由于惯导系统出现问题，战斗平台原本应该在转动180°后奔向轨道，但实际上却转了360°，失去了入轨的时机。
设计
能源号运载火箭采用了芯级两侧/四周捆绑大型液体火箭发动机助推器的总体布局。芯级为一台液氢液氧发动机（M型）或者4台液氢液氧发动机（基本型）。
助推器则采用1台推力达740吨的RD-170液氧煤油液体火箭发动机。该发动机拥有1台涡轮泵、2个预燃室和4个燃烧室。
实际上，从设计伊始，能源号火箭就准备发展出一个成熟且庞大的重型运载火箭系列。
上图最右侧就是在1987年5月15日，成功发射的搭载极地号空间激光战斗平台的基本型能源号运载火箭。（后来因战斗平台载荷惯导系统的陀螺仪故障，战斗平台本身并未成功入轨）。
右数第二个就是承载了苏联航天飞机梦想的能源火箭与暴风雪航天飞机的组合。
中间那个是为了与质子号运载火箭竞争的能源号火箭家族中的小个子能源-M型运载火箭。有关质子号运载火箭，详见小火箭的公号文章《质子：苏联留给俄罗斯的运力最强的火箭》。
左侧为能源号运载火箭的终极版本，带有8台助推器，近地轨道运载能力可达200吨。
这是总装厂房内的能源号火箭的4台助推器。
能源号火箭基本型的助推器全长为39.461米，直径为3.91米。
为了配合大航天时代的到来，苏联工程师专门在拜科努尔发射基地设计了能源号火箭的装配大厅。这个大厅是拜科努尔发射基地最大的建筑。
上图那个大厅是专门用来装配助推器的。作为重型载荷发射任务的主要担当（至少设计的时候是这么认为的），能源号火箭的设计指标非常牛。
小火箭在这里以助推器为例，能源号运载火箭的单台助推器的空中为25吨，而其液氧煤油贮箱可装载的燃料总重可达340.3吨。也就是说，能源号火箭的助推器的燃料重量占总重量的比例高达：93.16%！
（这个比例大于90%的都算是优秀设计了，而93.16%，实在是做得太好了。）
能源号火箭的助推器在沿用高强度钢材之外，还大胆采用了高强度铝合金，而斜头锥则是用钛合金分段焊接、拼接而成的（部分部件依然用高强度钢材制成）。
1974年，对于苏联的航空航天产业来说，是个悲喜相交的年份。
悲的是，N-1重型运载火箭的项目终究还是走到了尽头；喜的是，苏联的全俄航空材料研究院有了一个重大的发现：他们制成了一种性能优异的钛合金。
苏联工程师对这种钛合金爱不释手。如今，冶炼这种钛合金的技术已被咱们掌握。该钛合金在我国被称作TC-18（苏联原标号为BT-22）。上图为TC-18钛合金的电子扫描显微图像。
小火箭风格：
该钛合金实际上是一种铝钛合金。具体成分为：
钛+5%的铝+5%的钼+5%的钒+1%的铬+1%的铁。
这种β钛合金锻件在如今依然是航空航天结构件的宠儿，比如波音777客机的襟翼滑轨和前起落架的部分构件就是用标号为Ti1023的β钛合金锻件制成的（整架波音777上面有200多个Ti1023制成的零部件）。
顺便说一下美国Ti1023钛合金的成分：
钛+10%的钒+3%的铝+2%的铁。
苏联全俄航空材料研究院在1974年研制出来的BT22钛合金在锻造或者退火状态下依然保有1080MPa的强度，而在强化热处理后，其强度可达1371MPa。
这种合金具有非常明显的时效强化效应和良好的深度淬透性。对于飞机或者火箭来说，简直是修来的福分了。这一年可谓是苏联航空航天材料向先进领域迈进的关键一年。
BT22钛合金非常适合用于模锻件、大型锻件和高强承力件。
上图为停放在拜科努尔航天基地的能源-M号运载火箭。注意其助推器顶部的设计。这枚火箭都已经制造出来了，但却没能等来发射的机会，只能在厂房里度过这悠悠的岁月。
当时的计划是，能源号运载火箭的助推器采用4枚天顶号火箭的第一级火箭。（实际上，天顶号和能源号的火箭发动机略有不同，用于能源号火箭的是RD-170原装版本，用于天顶号火箭的是增设了双向伺服机构的版本，叫做RD-171。不过，除伺服机构的作动方向的区别外，两款火箭发动机在其他地方是相同的。）上图左侧为能源号运载火箭的助推器，右侧为天顶号的第一级火箭。
可见，RD-170火箭发动机比F-1火箭发动机重16.8%。
其海平面推力比F-1火箭发动机大8.8%，真空比冲高11.2%。从燃烧室压力的角度来看，RD-170令F-1难以望其项背，RD-170的室压是F-1的3.5倍。
鉴于RD-170的彩色照片不多，小火箭特意用了些时间计算了RD-170喷管的内流场，算是增添一些色彩吧。
RD-170喷管内速度场计算。（by 邢强博士 2016年5月25日至31日凌晨）。实际气流速度比我算的这个要快一些，但分布情况类似。从轴向来说，离喷注盘越远，气流速度越快；从径向来说，离对称轴越近，气流速度越快。
这喷管是不是很美？引用朱自清的话“像亭亭的舞女的裙”。
苏联人能够把压力调得这么高，一方面的确是超低硫含量的煤油帮了大忙。不过，后来他们发现了继续提升压力的方法。小火箭将我能想到的燃烧室压力提升的手段总结为5大因素，在这里写出来，以便大家交流。
第一，苏联有得天独厚的低硫含量的煤油。燃料好，结焦概率就会低。好的食材，对人和发动机，都很重要；
第二，苏联人的发动机内型面比美国人的粗糙。但是，这种粗糙是故意留下来的。想把内型面磨得像镜面一样，苏联人能够做到。但是，他们有几个数学很好的科学家，建议保留内型面一定的粗糙度。这样，高温气流能够在内壁附近形成湍流，可以让换热效率提升3倍以上；
第三，RD-170有巧妙的冷却环设计，可以形成超临界冷却液膜。这个可以由耶夫列夫方法推导进行验算；
第四，对高温合金和耐高温涂层的研究和成功应用，使得燃烧室本身有着超高的结构强度和热学性能；
第五，RD-170的加工工艺有独到之处。RD-170的设计团队分析了V-2火箭发动机（最大压力1.5MPa）的燃烧室结构，摸透了双层钢板套层结构，并彻底摒弃了那种过时的设计。他们分析了美国大力神导弹的发动机和F-1火箭发动机（最大压力为7MPa）的双锥管束加金属丝缠绕的结构，同时也回顾总结了苏联以前设计的发动机燃烧室结构。取长补短后，他们创造了升级版的铣槽加钎焊外壁的加工方法，使得燃烧室内壁的导热率大幅提升。
1985年4月13日，第一枚天顶号运载火箭从拜科努尔航天发射场发射，虽然没有把模拟的有效载荷送入轨道，但是RD-171发动机工作正常。问题出在第二级的发动机上。1987年5月15日，苏联发射了第一枚能源号运载火箭。
上图为采用4台助推器的能源号火箭，每台助推器都拥有1台推力达740吨的依然代表人类最强火箭发动机的RD-170。
能源号火箭捆绑了4台助推器，这些助推器是如何分离的呢？
答：助推器采用分组分离的方式，两两一组（左侧一组，右侧一组）。每组助推器用导爆索与芯级炸开后，22台分别布置在助推器顶部和底部的小型固体火箭发动机同时工作，将助推器组合推离芯级。
也就是说，为了能够可靠分离，基本型的能源号火箭的4台助推器上共有44台小型固体火箭发动机。这些发动机的安装角误差控制在1°以内。44台发动机的点火时间误差控制在10毫秒以内。
仔细看能源号火箭终极版本的8台助推器，同样也是两两一组的，共4组。这枚近地轨道运载能力达200吨以上的暴力火箭设计得很苏联☆，但终究没能实现真正的飞行。
小火箭在这里要强调的是，这枚火箭仅仅用来分离助推器的小型固体火箭发动机就有足足88台，其点火时间的误差依然要控制在10毫米以内。
按最优弹道设计，助推器分离时，火箭的速度为1.8公里/秒，飞行高度为40公里。小火箭很想看这种在接近6马赫的高超声速状态下，同时分离4组共8台39.461米长的硕大的助推器的场景。
这是能源号火箭的底部，可以看到4台助推器的RD-170发动机共16个小喷管和火箭芯级4台RD-0120发动机的4个较大的喷管。
这就是传说中的苏联能源号火箭芯级的RD-0120液氢液氧发动机。该发动机高4.551米，最大直径2.422米，干重3.45吨。
说起苏联的RD-0120液氢液氧发动机，很多人都会立刻想起美国的航天飞机主发动机SSME，也就是RS-25发动机。SSME是西方世界第一种实用化的分级燃烧火箭发动机，也是目前世界最大的分级燃烧氢氧发动机。
小火箭把苏联RD-0120发动机与美国SSME发动机的主要参数列表如下：
| 制表：邢强 | RD-0120 | SSME |
| 首飞时间 | 1987.5.15 | 1981.4.12 |
| 干重 | 3.45吨 | 3.5吨 |
| 高 | 4.551米 | 4.3米 |
| 直径 | 2.422米 | 2.4米 |
| 推力 | 1961.3千牛 | 2279千牛 |
| 比冲 | 455秒 | 452.3秒 |
| 混合比 | 6:1 | 6:1 |
| 燃烧室压力 | 21.9兆帕 | 20.639兆帕 |
| 涡轮气体温度 | 800K | 1300K |
苏联RD-0120的比冲和燃烧室压力与美国SSME（航天飞机主发动机）是在同一量级的。但是，小火箭惊奇地发现，RD-0120的涡轮气体温度只有800K，远低于SSME。
苏联工程师用了怎样的黑科技，让RD-0120的这项指标如此惹眼的呢？
小火箭找到了苏联RD-0120液氢液氧发动机的图纸。
仔细看的话，会发现，同样是为发射航天飞机所设计的液氢液氧主发动机，美国把发动机直接安装到了航天飞机上，苏联则是把发动机放置在能源号火箭的芯级。但是，苏联的设计思路与美国的截然不同。苏联RD-0120的循环方式与美国SSME发动机有非常大的区别。
苏联RD-0120液氢液氧发动机的液氢管路和液氧管路都分为一大一小两条分路。
液氢被预压泵和主泵加压之后，分成两路。较大的一路由换热器气化后直接进入预燃室，并不用于再生冷却；较小的一路先冷却燃烧室再冷却喷管，由此得到的氢气用于推动氢预压泵的涡轮，最后注入主燃烧室。
这实际上一种部分膨胀循环的工作方式。
液氧经预压泵后分为两路，较大的一路由主氧泵加压后进入燃烧室；较小的一路进入与主氧泵同轴的高压氧泵后，分为两路一路直接进入预燃室，另一路驱动氧预压泵之后合并入预压泵后的液氧流。
RD-0120液氢液氧发动机的单预燃室主涡轮同轴驱动主氢泵、主氧泵和高压氧泵。上图为该发动机的涡轮泵。
一枚基本型的能源号火箭的芯级需要这样的4台RD-0120液氢液氧火箭发动机。
苏联RD-0120液氢液氧发动机近照
暴风雪
1985年春天，苏联人翘首以盼的暴风雪号航天飞机的计划稳步推进。
暴风雪号航天飞机是苏联研制可重复使用的空天运载飞行器的一次尝试。图为摄于1999年的茹科夫斯基试验基地的暴风雪号航天飞机。
暴风雪号空重为105吨，为了满足搭载的需要，安-225的运载指标在1985年就被定在了200吨以上。安东诺夫设计局知道，他们将要打造一款让世界为之瞩目的飞行器，并为人类的太空探索活动作出重大贡献。（详见小火箭的公号文章《安-225：世界上载重量最大的飞机》）
105吨的暴风雪号航天飞机被能源号火箭驮着，以颇具苏联风格的双铁轨的方式运送到发射架。
暴风雪号航天飞机与能源号火箭一起矗立在拜科努尔航天基地的发射架上。
这是专门为能源号火箭设计的发射台。排焰槽到水底足足有39.8米深。
发射架的防雷塔有225.1米高。
参研参试人员与暴风雪号航天飞机还有能源号火箭的合影。
1988年11月15日，暴风雪号航天飞机进行了首次发射。在用206分钟绕地球飞行了2圈之后，自动降落在了拜科努尔航天中心的跑道上。
（值得一提的是，当时降落的时候，正好赶上有17米/秒的侧风，无人驾驶自主着陆的暴风雪号最后停下的位置仅比理论期望位置侧向偏离3米，超前10米。）
苏联的暴风雪号航天飞机有完全自主完成轨道飞行任务与自主着陆的能力，这一点与美国的航天飞机形成了较大差别。
能源-M
能源-M的芯级只有1台RD-0120发动机，原本用于和质子运载火箭竞争，结果世事难料，始终没能得到证明自己的机会。
4台助推器采用的都是RD-170液氧煤油发动机，每台发动机4个喷口。芯级则是4台RD-0120液氢液氧发动机。
小火箭在这里特别要提一下的是，苏联对能源号火箭的4台助推器做过可重复使用的论证。
每台助推器的头锥内可放入降落伞，与芯级分离后，降落伞将助推器送到离发射架300公里到400公里远的地方，在靠近地面的时候，竖直状态的助推器底部的RD-170发动机再次点火，努力实现软着陆。
（这个方案基本上要进行到实践阶段了，可惜能源号火箭的项目戛然而止。实际上，RD-170火箭发动机为了配合能源号火箭可重复使用的构想，已经实现了推力在40%到109%之间连续可调，这在那个年代是个相当了不起的工程成就。）
另外，芯级的4台RD-0120发动机有冗余设计，在助推器分离后，即使是一台RD-0120发动机熄火，同样能够满足运送近地轨道载荷的任务需求。
可重复使用、冗余设计，哈！听起来像不像是SpaceX公司的猎鹰9号火箭！
可惜的是，能源号火箭的推力始终没有得以发挥出来。在发射暴风雪号航天飞机的时候，火箭有过载约束，全程过载不得超过3个g，RD-170发动机是不会有机会打出满推力的。
能源号火箭基本型采用并联式运载布局
R-7导弹家族（联盟运载火箭）与N-1重型火箭还有能源号火箭的对比。
火箭已远去，空留这132米的巨大建筑。
尾声
然而，到了1988年11月15日，随着能源号的最后一次发射，所有的大型航天项目都面临着被终结的命运。到了上世纪90年代初，这个红色帝国倒下的时候，RD-170系列也终于和苏联的火箭暂时告别了。
拜科努尔戈壁滩上的能源号火箭与花朵。
能源号火箭基本型，高60米，起飞质量2400吨。
但是，那时候，RD-170发动机已经成功进行了618次发射，在累计69579秒的燃烧时间内，她证明了自己的可靠性。并且一次又一次地展示了世界上推力最大的液体火箭发动机的魅力。
后来，美国、俄罗斯、乌克兰和挪威的四家公司共同投资的海上发射公司成立了。天顶号火箭带着RD-170发动机一起，获得了新生。注意，上图的天顶号火箭的第一级的四个喷口，出自同一台RD-171发动机（RD-170发动机的伺服机构增强版本。）这枚起飞重量462吨的火箭由1台发动机托起。注意，带有浓厚的乌特金设计风格的火箭发射装置。
脱胎于RD-170发动机系列的RD-180火箭发动机远渡重洋，成为美国的宇宙神运载火箭的芯一级的动力。（小火箭在这里不得不提的是，这款火箭发射了用于侦察俄罗斯导弹与运载火箭发射情况的美国新一代天基红外预警卫星。）
能源号火箭与暴风雪号航天飞机还在么？
2002年5月12日，用于存放暴风雪号航天飞机以及能源号运载火箭推进器的库房，因日久失修而倒塌，暴风雪号航天飞机与能源号运载火箭被砸毁。8名想要抢修仓库的工人丧生。
1987年5月13日，能源号火箭第一次发射，差一点将人类第一个大功率激光战斗平台送入近地轨道；
1988年11月15日，能源号火箭第二次发射，将苏联唯一一架航天飞机暴风雪号送入近地轨道。
能源号火箭用这仅有的两次发射留下了一款经典的型号和无尽的遐想。
用普希金的一首诗来结束本文吧！
假如生活欺骗了你
不要悲伤，不要心急！
忧郁的日子里需要镇静：
相信吧！
快乐的日子将会来临。
心儿永远向往着未来，
现在却常是忧郁；
一切都是瞬息，
一切都将会过去，
而那过去了的，
都会成为亲切的回忆。
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小火箭经典导弹与运载火箭系列第4季：
关于航空知识抄袭小火箭原创文章的
情况通报：
近日（2017年8月24日），航空知识官方微信公众号刊出了一篇名为《航知君带你一起去看看世界上最牛的发动机》的文章。接好友举报，小火箭发现本文大段抄袭了小火箭在2016年6月份发布的《RD-170：世界上推力最大的液体火箭发动机》一文。
经沟通后，航空知识不仅拒绝删除侵权文章，还授权其他公众号广为转载。
航空知识抄袭成了什么样子呢？
这是航空知识在2017年8月24日发布的“原创文章”，署名李国栋。
这是小火箭2016年6月1日发布的原创文章截图。
这是航空知识2017年8月24日发布的抄袭文章的截图。文字大段抄袭，图片则把小火箭原来的配图右下角的水印粗暴地抹掉了。
这是小火箭2016年6月份发布的原创文章截图。
这是航空知识2017年8月24日发布的抄袭文章的截图。可见，抄袭者为了抹掉小火箭的水印，不惜擦除了天顶号运载火箭旁边的一段铁轨，其PS功力尚待提高呢。
噢，对了，上图那个PS：后面的文字大家看起来是不是也有些面熟？
没错！同样也是抄袭的小火箭的文章。
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