作者說

“...這不是司母戊大方鼎，吃過虧，博主不用釣魚，肯定是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)...”emmmm，是的，是J-2變變變！洛克達(dá)因公司在上世紀(jì)60年代研發(fā)高性能且成熟可靠的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，其動(dòng)力單元用于各種液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)前沿概念的探索，基業(yè)長(zhǎng)青，碩果累累！

本文作者：超超級(jí)Loveovergold，作者授權(quán)發(fā)表

試車視頻開篇！

八、J-2S發(fā)動(dòng)機(jī)脫胎換骨測(cè)試直排氣動(dòng)塞式噴管

上期《 披荊斬棘，氫氧先驅(qū)，千古流芳——追憶J-2發(fā)動(dòng)機(jī)（中） 》講到在J-2S基礎(chǔ)上魔改J-2T環(huán)形氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。 這種發(fā)動(dòng)機(jī)憑借優(yōu)異的高程自動(dòng)補(bǔ)償能力非常適合單級(jí)入軌航天器，洛克達(dá)因甚至考慮在后阿波羅時(shí)代的航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)競(jìng)標(biāo)中采用這種發(fā)動(dòng)機(jī)。但環(huán)形氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在20個(gè)月的預(yù)研工作結(jié)束后仍有較多的工程實(shí)踐問題待解決，甚至引發(fā)權(quán)威馮·布勞恩質(zhì)疑。1969年10月和1970年7月，美國(guó)宇航局兩次發(fā)表聲明，將航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方向轉(zhuǎn)向前景較為明朗的高室壓液氫液氧鐘型發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1.美國(guó)EVERYDAY ASTRONAUT節(jié)目配圖，可以發(fā)現(xiàn)J-2T矮胖，高度非常緊湊

雖然J-2T有工程實(shí)踐上的不完善，不過NASA依舊對(duì)氣動(dòng)塞式這個(gè)新概念很感興趣，為應(yīng)對(duì)后續(xù)可能的應(yīng)用，比如滿載的太空拖船（SPACE TUG）的主推進(jìn)系統(tǒng)，授予洛克達(dá)因一個(gè)直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái) (LINEAR TEST BED，直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)) 研究項(xiàng)目，這里也提一下，LINEAR AEROSPIKE NOZZLE翻譯成直排氣動(dòng)塞式噴管較妥，早些年翻譯成線性氣動(dòng)塞式噴管并沒有吃透概念。該項(xiàng)目于1970年4月由馬歇爾飛行中心批準(zhǔn)后啟動(dòng)。測(cè)試的主要目的概括起來(lái)有三個(gè)，一是直排氣動(dòng)塞式較環(huán)形氣動(dòng)塞式的優(yōu)勢(shì)在哪里？二是直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)模塊式分段燃燒室的可行性，三是推力矢量如何實(shí)現(xiàn)？

洛克達(dá)因一邊忙著SSME（航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)，下同）項(xiàng)目的投標(biāo)，一邊迅速行動(dòng)，充分利用J-2S現(xiàn)成的尖端技術(shù)來(lái)打造這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。整體尺寸要求為120英寸長(zhǎng)×120英寸寬×96英寸高，設(shè)計(jì)在1200 psi（8.27Mpa，1Mpa≈145psi）的室壓下以5.5的混合比運(yùn)行，海平面推力為200K磅力。

直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)坡道式噴管借鑒了J-2T的束管式再生冷卻通道，由于不用考慮環(huán)形氣動(dòng)塞式噴管圓錐形上粗下細(xì)的束管成型直徑，直排氣動(dòng)塞式噴管工藝大為簡(jiǎn)化！在束管選材上，由于鎳200的重量系數(shù)高，選擇了CRES 347（AMS5512，相當(dāng)于12CrMo）高溫耐蝕不銹鋼束管釬焊而成，622根外徑為0.200英寸、壁厚為0.015英寸的束管構(gòu)成了5英尺×10英尺面積的單側(cè)噴管，并與后背支撐結(jié)構(gòu)釬焊連接在一起，在靠近燃燒室火焰的3英寸范圍內(nèi)進(jìn)行等離子噴涂氧化鋯涂層做防熱保護(hù)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，坡道壁上的壓強(qiáng)約為34psi。據(jù)保守估計(jì)，2160 psi的內(nèi)部壓力下的該再生冷卻通道的失效熱循環(huán)可以做到62次。為防止在坡道式噴管邊緣的燃?xì)鈧?cè)漏，增加了水冷式端擋板以防止性能下降。

圖2. 直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)由J-2S的泵動(dòng)力包和20個(gè)燃燒室、2個(gè)坡道噴管壁組成

動(dòng)力套件的組件都是J-2或J-2S項(xiàng)目的備用組件，比如采用了J-2S的Mark 29-F燃料渦輪泵、Mark 29-0氧化劑渦輪泵、推進(jìn)劑閥、氣動(dòng)控制組件以及相關(guān)的電氣和氣動(dòng)管線。由于不用像J-2T考慮弧形型面，各種管路、集液器在制造上都要方便很多。但為了降低研發(fā)難度，沒有采用引氣復(fù)雜的抽氣循環(huán)，而是回到J-2傳統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，降低了燃燒室的制造難度。

推力室由20個(gè)燃燒室模塊組成，燃燒室由NARloy（銀銅合金）通過電鑄鎳（EDNi）制成。該過程是采用精密鑄造方式在合金外壁形成縱向和橫向的矩形冷卻槽道，再用特殊的導(dǎo)電蠟（RIGIDAX特種蠟+銀粉層）封閉加工后的冷卻槽道，電鍍上一層薄銅封閉冷卻通道，然后脈沖電鑄分步沉積鎳，電鑄鎳外殼完成后，融化填充的蠟就形成了冷卻通道。為了防止電鍍鎳的氫脆，反復(fù)試驗(yàn)采用了簡(jiǎn)便的退火工藝。

圖3. 燃燒室由NARloy（銀銅合金）電鑄鎳制成

但由于精密鑄造合金件遲遲未能到貨，項(xiàng)目組決定采用機(jī)加工銑槽的方式來(lái)成型冷卻槽道。熟悉的操作，非常眼熟！對(duì)的，SSME電鑄鎳銑槽式再生冷卻通道壁的生產(chǎn)工藝便是由此而來(lái)。

圖4. 這是電鑄鎳再生冷卻通道壁圖，其工藝在直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)率先試點(diǎn)應(yīng)用

在每個(gè)燃燒室模塊頂部，68個(gè)氣氫和液氧同軸噴注器分3排排列等著被點(diǎn)燃。但實(shí)現(xiàn)塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī)幾十個(gè)小燃燒室的同時(shí)可靠點(diǎn)火、而且輕便的方案是難上加難。拿J-2T 40個(gè)小燃燒室來(lái)說，洛克達(dá)因的工程師在模塊分段測(cè)試時(shí)用上性格暴烈的三乙基鋁-三乙基硼（TEA- TEB）、氫氧焰點(diǎn)火等方式，最后的工程樣機(jī)甚至采用了高能強(qiáng)氧化劑三氟化氯（CLF3，CTF），這玩意幾乎能和碰到的東西都發(fā)生反應(yīng)，塑料、沙子、玻璃統(tǒng)統(tǒng)不放過，只能裝在金屬容器，差不多也就只剩下這種貯存方法！在啟動(dòng)時(shí)，同為氧化劑、可以和平相處的氣氧壓迫100立方英寸的三氟化氯通過分配管路從噴注器注入燃燒室點(diǎn)火。這種方式可以說引鴆止渴、甚不靠譜，重復(fù)啟動(dòng)不佳，而且三氟化氯與氫反應(yīng)點(diǎn)火后的產(chǎn)物還帶有腐蝕性。

上述方案包括氟氣點(diǎn)火在內(nèi)并不是最優(yōu)，洛克達(dá)因另辟蹊徑，在直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)上首創(chuàng)爆震波點(diǎn)火（Combustion Wave Ignition）方式！爆震波點(diǎn)火可以用長(zhǎng)江后浪推前浪來(lái)形容，更夸張的可形容為嚴(yán)重的氣體踩踏事故。首先在預(yù)混室及其下游管道注入氫氣和氧氣混合，在小能量電火花的激勵(lì)下，點(diǎn)燃的高溫氫氧焰向下游傳播，由于燃燒氣體劇烈膨脹，壓縮還未燃燒的混合氣體，使之流速加大，在合適的條件下, 這些壓縮波會(huì)形成激波（Shock Wave），并加速到正常火焰的前面，這些超音速傳播的激波壓縮沿線可燃?xì)怏w，壓力、溫度、密度的突升形成爆震波, 溫度可達(dá)到3000K，瞬間點(diǎn)燃并形成火焰。爆震波點(diǎn)火技術(shù)較傳統(tǒng)增強(qiáng)型火炬點(diǎn)火器所需的能量輸入低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕且生猛可靠，在合計(jì)24次測(cè)試中爆震波點(diǎn)火均漂亮的完成任務(wù)。

圖5. 2號(hào)測(cè)試臺(tái)采用了爆震波點(diǎn)火系統(tǒng)

由于是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為了提高強(qiáng)度和降低成本，推力架直接采用重型工字梁和箱形梁結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)推力矢量控制方面，J-2T選擇了傳統(tǒng)的萬(wàn)向架和作動(dòng)器，略顯笨重，不過作為規(guī)定動(dòng)作，直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)順利完成該項(xiàng)測(cè)試。

圖6. 2號(hào)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行傳統(tǒng)的萬(wàn)向架和作動(dòng)器進(jìn)行推力矢量控制測(cè)試

但直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)上下兩排燃燒室的推力組合恰好可以彌補(bǔ)上述結(jié)構(gòu)笨重的缺點(diǎn)，如下圖，上排燃燒室節(jié)流即可實(shí)現(xiàn)仰（PITCH+），下排燃燒室節(jié)流可實(shí)現(xiàn)俯（PITCH-）。

圖7.一看就能明白的推力矢量控制，但代價(jià)是總推力的損失

如果兩臺(tái)直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)一左一右組隊(duì)，左邊節(jié)流可以實(shí)現(xiàn)左拐，右邊節(jié)流可以實(shí)現(xiàn)右拐，即左右差動(dòng)節(jié)流可以實(shí)現(xiàn)偏航（YAW）；要實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)（ROLL）也不難，左上和右下節(jié)流或者左下和右上節(jié)流形成翻滾力矩即可以分別實(shí)現(xiàn)。雖說這種推力矢量不像鐘型噴管擺動(dòng)來(lái)的靈敏直接，但也不失為一種高效的解決思路，只不過總推力有損失，有得有失，并不完美，需要留足夠的推力冗余。

洛克達(dá)因繼續(xù)進(jìn)行的測(cè)試方案更為大膽，路子更野，他要擺動(dòng)噴管角度實(shí)現(xiàn)更直接有效的推力矢量控制！兩側(cè)坡道式噴管頂部通過鉸鏈固定，下部和渦輪排氣歧管底座用不同長(zhǎng)度的支撐肋和系桿固定，實(shí)現(xiàn)±16度的擺動(dòng)，柔性排氣管鉸接推力室下部組件排放渦輪廢氣形成二次流。左右兩個(gè)坡道噴管可以獨(dú)立擺動(dòng)，比如下圖所示左-5°，右+17°21’的極端擺動(dòng)推力矢量測(cè)試，為滿足這種測(cè)試，甚至還把整個(gè)推力室組件安裝角擺動(dòng)-10度，以使火焰方向能沿著測(cè)試臺(tái)排氣通道的鉛直方向而不點(diǎn)著測(cè)試臺(tái)。

圖8. 通過人工調(diào)整更換各種長(zhǎng)度的下部支撐桿來(lái)改變2號(hào)測(cè)試臺(tái)的噴管角度

實(shí)現(xiàn)這種推力矢量控制后還有一個(gè)副產(chǎn)品，即可以動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的完全膨脹海拔高度，比如上圖中第三種模式采用（左+7°，右+7°）可增加軸向主流，更好的改善海平面比沖，性能可以提升3%。2號(hào)試驗(yàn)臺(tái)噴管的角度調(diào)整，是在兩次測(cè)試間通過更換不同長(zhǎng)度的下部支撐桿、底罩寬度來(lái)改變噴管角度，并不能像F22矩形的發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管隨心動(dòng)態(tài)調(diào)整。

這種雙鉸鏈噴管擺動(dòng)的方式，對(duì)可變面積的底罩的密封、低溫燃料導(dǎo)管高壓轉(zhuǎn)動(dòng)接口的密封要求非常高！如果不進(jìn)行大量詳細(xì)的設(shè)計(jì)工作，洛克達(dá)因認(rèn)為其性能甚好但難以實(shí)用。如果鉸鏈技術(shù)難關(guān)被攻克，洛克達(dá)因分析適用于航天飛機(jī)助推發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)方案是類似矩形環(huán)塞的集群式單鉸鏈直排氣動(dòng)塞式噴管，四個(gè)尖角的外圍發(fā)動(dòng)機(jī)通過單鉸鏈噴管工作時(shí)兼顧推力矢量，中間兩個(gè)用于保障推力，預(yù)留了巨大的底罩面積，高程自動(dòng)補(bǔ)償能力更為優(yōu)異，因此洛克達(dá)因還試驗(yàn)二次流流量調(diào)整的課題，通過調(diào)整1％～3％的二次流流量進(jìn)而增加發(fā)動(dòng)機(jī)比沖。

圖9. 井字形分布的集群式單鉸鏈直排氣動(dòng)塞式噴管

1號(hào)試驗(yàn)臺(tái)（10英尺寬坡道噴管）推力為200K磅力，探討了模塊式分段燃燒器概念的可行性，開發(fā)了控制系統(tǒng)，點(diǎn)火系統(tǒng)，基本程序和操作程序，合計(jì)測(cè)試44次，30次為主級(jí)測(cè)試，主級(jí)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)達(dá)到3112.9 秒，室壓范圍為670 psi至1248 psi，混合比為3.3至5.6，最長(zhǎng)的一次在主級(jí)階段工作了592秒，1號(hào)試驗(yàn)臺(tái)的研究于1972年6月結(jié)束。

圖10.非常難得一見的1號(hào)試驗(yàn)臺(tái)（20個(gè)燃燒室）的倩影

在2號(hào)試驗(yàn)臺(tái)（5英尺寬坡道噴管，110K磅力）上開發(fā)并演示了推力矢量控制技術(shù)概念并做了深度探索，經(jīng)歷29次測(cè)試合計(jì)點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)為1195.5秒于1973年10月結(jié)束。

洛克達(dá)因進(jìn)行了極為細(xì)致和充分的研究，總結(jié)報(bào)告中稱在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)獲取燃燒器性能、導(dǎo)熱、壓降、噴管壓力曲線和基本壓力數(shù)據(jù)，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，燃燒效率和比沖均高于預(yù)期，性能令人滿意。測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)估表明，真空比沖可以達(dá)到450至455秒！

圖11.二號(hào)測(cè)試臺(tái)（10個(gè)燃燒室單元）在圣蘇珊娜外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

綜上所述，直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在制造工藝、簡(jiǎn)化成型方式的各種歧管、推力矢量、制造成本上、性能都較環(huán)形氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)明顯占優(yōu)，而且雙面直排還具有較高噴管擴(kuò)張比（119：1）。

但這些豐碩的研究成果最終結(jié)局是被鎖進(jìn)了保險(xiǎn)箱，洋洋灑灑寫了908頁(yè)、測(cè)試數(shù)據(jù)極為翔實(shí)的J-2T研究報(bào)告還被空軍打上“CONFIDENTIAL（機(jī)密）”的保密封條，因?yàn)椴捎脗鹘y(tǒng)鐘型發(fā)動(dòng)機(jī)的航天飛機(jī)實(shí)用序幕已徐徐拉開……

九、重出江湖的直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)——XRS2200

洛克達(dá)因公司在J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研制了HG-3發(fā)動(dòng)機(jī)，真空比沖達(dá)到451秒，推力1,400.7 kN，該研究雖半途而廢但再次增加了洛克達(dá)因?qū)Ω咝阅軞溲鯔C(jī)的認(rèn)識(shí)，加上在塞式發(fā)動(dòng)機(jī)上練就的各種本領(lǐng)，攻克了分級(jí)燃燒循環(huán)的難關(guān)，終于拿出了著名的RS-25/SSME——航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)，成為洛克達(dá)因先進(jìn)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的巔峰之作！

NASA在阿波羅計(jì)劃之后攜手美國(guó)空軍如愿以償打造了上天入地可重復(fù)使用的航天飛機(jī)，成為70后、80后揮之不去的難忘回憶。然而這個(gè)回憶，有兩個(gè)夢(mèng)魘！

一是雖然可復(fù)用，但事實(shí)上……航天飛機(jī)最初是為了實(shí)現(xiàn)以極低的成本往返太空這個(gè)人類夢(mèng)想而研制，期望每次發(fā)射成本不到1000萬(wàn)美元，能拉30噸貨和7人送上近地軌道，在返回地面后休整維護(hù)一周就能再度上天，淘汰所有一次性運(yùn)載火箭。然而據(jù)統(tǒng)計(jì)每次發(fā)射的費(fèi)用達(dá)到了4.5億美元，復(fù)用的成本甚至還超過一次性火箭！

二是1986年1月28日挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)因?yàn)楣腆w助推火箭O型密封圈在寒冷的天氣下失去彈性爆炸失事，7名宇航員夢(mèng)碎太空。

需要為航天飛機(jī)尋找接班人，單級(jí)入軌（Single-Stage-To-Orbit，或簡(jiǎn)寫為SSTO）航天器成為有力的競(jìng)爭(zhēng)者。所謂動(dòng)力先行，相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)研究工作迅速展開，前述機(jī)密的氣動(dòng)塞式噴管資料在1986年2月5日，也就是挑戰(zhàn)者航天飛機(jī)失事后一周內(nèi)解密。

時(shí)間到了90年代，由于冷戰(zhàn)結(jié)束NASA迫于政府撥款減縮的形勢(shì)而不得不調(diào)整其空間政策，實(shí)施了“可重復(fù)使用發(fā)射運(yùn)載器(RLV)計(jì)劃”，該計(jì)劃的目標(biāo)是顯著降低進(jìn)入低地球軌道的運(yùn)輸費(fèi)用，項(xiàng)目包括了DC-XA, X-34和X-33等，其中X-33是由NASA提出的單級(jí)入軌航天器技術(shù)驗(yàn)證方案，為較大型亞軌道完全重復(fù)使用飛行器。1996年7月2日，美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栃剂薠-33方案的中標(biāo)者為洛馬公司，從而啟動(dòng)了X-33計(jì)劃的第二階段工作。洛馬公司的方案在麥道、洛克韋爾國(guó)際公司/諾思羅普·格魯門公司夾擊中勝出，原因之一是采用了升力體運(yùn)載器(lifting body vehicle)，升力體方案的優(yōu)點(diǎn)在空間任務(wù)適應(yīng)性最好，三角形平臺(tái)構(gòu)形使體積效率最高, 完全升力再入, 升阻比高可十分方便地滑翔著陸；原因之二是采用了直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，高度緊湊，重量輕，具備高程自動(dòng)補(bǔ)償能力。在結(jié)構(gòu)上，其嵌入升力體尾部，矩形噴管可以很好地充塞到機(jī)身底部, 形成集成的一體化結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需采取熱防護(hù)措施，完美契合升力體結(jié)構(gòu)。因此采用氣動(dòng)塞發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)載器可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕以及單級(jí)入軌(SSTO)的目標(biāo)，升力體運(yùn)載器+直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)可以說是黃金搭檔！

圖12. 實(shí)驗(yàn)型X-33 為實(shí)用型RLV——VentureStar（創(chuàng)業(yè)之星）53%的縮比驗(yàn)證機(jī)

該項(xiàng)目預(yù)算9.6億美元，同時(shí)洛馬公司還自籌資金2.2億美元，可以說是技術(shù)上有可行性，項(xiàng)目有錢，但X-33項(xiàng)目仍需攻克三關(guān)：內(nèi)部復(fù)合材料液氫貯箱，直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和耐用的金屬熱防護(hù)系統(tǒng)（隔熱罩），而氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)則是一“發(fā)”定全局。

圖13. X-33研發(fā)的三項(xiàng)難關(guān)

當(dāng)時(shí)已并入波音的洛克達(dá)因，迅速翻出塵封20多年的直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的圖紙……提供給X33的直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)定為XRS-2200，基本配置和早期的直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)一致，利舊了庫(kù)存近30年的J-2和J-2S發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力組件，包括液氧和液氫渦輪泵、燃?xì)獍l(fā)生器、燃料和氧化劑閥，動(dòng)力組件安裝在底座正上方較低的位置，實(shí)現(xiàn)更為緊湊的結(jié)構(gòu)，繼承了長(zhǎng)期坐冷板凳的爆震波點(diǎn)火裝置。不過也利用先進(jìn)技術(shù)更新了制造工藝和材料，比如用鈦合金替代了原先笨重的工字鋼梁等，更換了陳舊過時(shí)的電子設(shè)備，重新設(shè)計(jì)了耐燒蝕的小燃燒室并實(shí)現(xiàn)更快的生產(chǎn)節(jié)奏。兩臺(tái)XRS-2200組合，合計(jì)推力達(dá)到410K磅力，但兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的組合更巧妙的是將前述燃燒室節(jié)流實(shí)現(xiàn)推力矢量控制變成現(xiàn)實(shí)，單臺(tái)XRS-2200上下兩排各10個(gè)燃燒室前增加了液氧和液氫節(jié)流閥門，在1.3秒內(nèi)仰俯可以達(dá)到±30%，偏航達(dá)到±15%的能力，滾轉(zhuǎn)達(dá)到±7.7%。

圖14. 兩臺(tái)XRS-2200組合作為X33的動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)推力矢量

明白人都可以想到，所有關(guān)于氣動(dòng)塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試均限于理論和地面測(cè)試，從未上天，也從未考慮過外部氣流在飛行過程中對(duì)于塞式噴管的影響。操盤手NASA未雨綢繆，在X-33投標(biāo)的時(shí)候就安排了代號(hào)為“LASRE”的測(cè)試，全稱為 LINEAR AEROSPIKE SR-71 EXPERIMENT——真是大場(chǎng)面，活久見！出動(dòng)了一代雙三（高度3萬(wàn)米，速度3馬赫）名機(jī)SR-71“黑鳥”扮演空中風(fēng)洞角色，研究裝有氣動(dòng)塞發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)載器在飛行中的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性以及突破聲障期間可能出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象等情況。八個(gè)10%縮比的直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室單元分兩組旋轉(zhuǎn)90度安裝SR-71的后部，研究發(fā)動(dòng)機(jī)羽流在特定高度和速度達(dá)到約335米/秒或1207公里/小時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

圖15. LASRE項(xiàng)目是檢驗(yàn)在高空情況下外部場(chǎng)流和發(fā)動(dòng)機(jī)羽流的互動(dòng)影響

一共完成了七次研究飛行，由于測(cè)試設(shè)備中的液氧泄漏，SR-71上只進(jìn)行了冷流測(cè)試，點(diǎn)火測(cè)試安排在地面進(jìn)行，按照NASA的說法地面點(diǎn)火和機(jī)載冷流測(cè)試提供了足夠的數(shù)據(jù)，掌握了飛行過程中氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后的發(fā)動(dòng)機(jī)羽流和外部場(chǎng)流的互動(dòng)效應(yīng)，為XRS-2200的研發(fā)掃清障礙。在新技術(shù)上NASA向來(lái)是最堅(jiān)定的支持者，因?yàn)镹ASA在一直試圖用創(chuàng)新技術(shù)拓展太空探索的空間！

圖16. LASRE項(xiàng)目檢驗(yàn)在高空情況下外部場(chǎng)流和發(fā)動(dòng)機(jī)羽流的互動(dòng)影響

圖17. 1997年4月24日3個(gè)燃燒室單元開始朝4英尺長(zhǎng)噴管怒吼

雙發(fā)動(dòng)機(jī)組合測(cè)試計(jì)劃于2001年開始測(cè)試，斯丹尼斯測(cè)試中心已經(jīng)準(zhǔn)備好雙發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備，不過已經(jīng)等不到這一天……X-33項(xiàng)目在復(fù)合材料氫貯箱上時(shí)間拖延太久，最后不得不改回鋁制貯箱，重量居然輕了，但這造成首飛時(shí)間一再推遲。資金方面洛克希德·馬丁公司估計(jì)已為該項(xiàng)目自籌資金3.57億美元，較原先計(jì)劃的2.2億超支68%。2001 年 3 月2日，NASA 宣布取消已耗資近13 億美元的 X-33 項(xiàng)目，也許這對(duì)于NASA和洛馬都是一種解脫，因?yàn)樯虡I(yè)發(fā)射不景氣，前景黯淡！而空軍支持的EELV計(jì)劃已經(jīng)有了突破性的進(jìn)展，能夠續(xù)的上航天飛機(jī)的力，直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)投胎至此無(wú)望！題圖即為他最后留下的點(diǎn)火畫面，而參與測(cè)試的幾臺(tái)XRS-2200有的被封閉在有機(jī)玻璃展覽柜，供世人瞻仰，也有一位命運(yùn)不濟(jì)，被拆去渦輪泵等關(guān)鍵部件，馬歇爾太空飛行中心露天展出。

圖18. XRS-2200被封閉在有機(jī)玻璃展覽柜里面，供世人參觀。

十、新瓶裝舊酒的J-2X

One life ends，another begins！即便直排氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)30年以從未上天而告終，但J-2的基因卻一直在延續(xù)，時(shí)間到了2004年1月14日，美國(guó)總統(tǒng)布什提出了重返月球及載人火星探索為目標(biāo)的“新空間探險(xiǎn)計(jì)劃展望”，后續(xù)在2005年4月29日授予NASA深空探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)計(jì)劃書(Exploration Systems Architecture Study)，要求以最高標(biāo)準(zhǔn)建造能達(dá)到月球或火星的載人及載物的運(yùn)載火箭，2006年2月18日NASA決定在J-2基礎(chǔ)上翻新研制J-2X，這可以把戰(zhàn)神號(hào)的研制周期縮短到3年，2013年即可首飛。一臺(tái)J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生1,308 kN的推力，用在戰(zhàn)神一號(hào)二級(jí)，為起飛階段提供動(dòng)力。

與之前阿波羅時(shí)代的J-2相比，新款J-2X的布局絲毫不變，依舊采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，串聯(lián)式渦輪，渦輪排氣流人噴管內(nèi)，不過通過加厚J-2S的渦輪泵殼體使其推力比J-2發(fā)動(dòng)機(jī)大，同時(shí)也借鑒了很多RS-68上的技術(shù)，并重新設(shè)計(jì)了所有電子設(shè)備，2007年7月16日，NASA正式宣布洛克達(dá)因承接了總價(jià)達(dá)12億美元的J-2X研發(fā)合同。

圖19. 新瓶裝舊酒的J-2X

不過由于財(cái)政預(yù)算限制，美國(guó)總統(tǒng)巴拉克·奧巴馬于2010年10月11日取消了星座計(jì)劃（重返月球的名稱未能激發(fā)民眾興趣，2009年NASA請(qǐng)廣告公司策劃改名為星座計(jì)劃），J-2X的研發(fā)被僥幸保留，打算作為后續(xù)新型重型太空發(fā)射系統(tǒng)二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的備胎。2011年11月9日，J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)完成500秒長(zhǎng)程試車，2013年2月27日的點(diǎn)火又把持續(xù)時(shí)間提高到550秒，然后就沒有然后了。

結(jié)束語(yǔ)

至此J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的終于講完，算是曲終人散。但英雄不會(huì)死，牛仔不落淚！冷門的抽氣循環(huán)仍得以傳承。普通燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)獍l(fā)生器在嚴(yán)重偏離正常混合比值情況下工作，燃燒實(shí)為艱難，想進(jìn)一步通過深度節(jié)流燃?xì)獍l(fā)生器“文火慢燉”驅(qū)動(dòng)渦輪泵低功率工作，就很難保證燃燒的穩(wěn)定性，而抽氣循環(huán)就沒有這種顧慮，從主燃燒室“旺火”引流的燃?xì)夂笥玫蜏厝剂辖禍叵♂屧俟?jié)流可以較為輕松達(dá)到1/6的節(jié)流比。一直想實(shí)現(xiàn)航天器復(fù)用的藍(lán)色起源偷師J-2S，在BE-3這款發(fā)動(dòng)機(jī)中也采用了抽氣循環(huán)，推力在89~490kN上寬幅調(diào)節(jié)，目前已裝在新謝潑德火箭上多次（一直）進(jìn)行亞軌道飛行，靠的就是抽氣循環(huán)達(dá)到18%的節(jié)流比把輕飄飄的殼體妥妥的送回地面，這算是向洛克達(dá)因致敬。

J-2發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)航天時(shí)代的縮影。所謂時(shí)勢(shì)造英雄，在阿波羅時(shí)代，伴隨著國(guó)家行為的航天投入，北美航空旗下洛克達(dá)因的項(xiàng)目經(jīng)理、技術(shù)人員激情燃燒，靠著情懷攻堅(jiān)克難，為土星火箭提供了F1、J2等主要發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)積累大量高性能液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，攀上航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的巔峰，但隨著冷戰(zhàn)走向終結(jié)、相關(guān)投入減少，在1980年代和1990年代航天產(chǎn)業(yè)持續(xù)縮小規(guī)模的過程中，1996年羅克韋爾國(guó)際公司（Rockwell International）把洛克達(dá)因賣給波音，成為波音綜合國(guó)防系統(tǒng)集團(tuán)的一部分，在航天飛機(jī)接班人競(jìng)賽中有了短暫的高潮，充分借鑒J-2/SSME技術(shù)拿出了XRS-2200和RS68兩個(gè)杰作，也在高性能可重復(fù)使用分級(jí)燃燒液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)上有建樹，即4700kN的RS-84發(fā)動(dòng)機(jī)方案。不過好景不長(zhǎng)，隨著銥星、全球星的破產(chǎn)，低軌星座泡沫破滅，商業(yè)發(fā)射訂單驟減，波音公司于2005年2月18日又把洛克達(dá)因公司賣給聯(lián)合技術(shù)公司旗下的普惠公司，前述RL-10噴注器面板的名分之爭(zhēng)終于塵歸塵、土歸土。而在航天飛機(jī)宣布退役之后，2012年3月15日聯(lián)合技術(shù)公司把形同雞肋的洛克達(dá)因公司賣給了阿羅杰特，結(jié)果分級(jí)燃燒循環(huán)煤油機(jī)AR-1遲遲拿不出來(lái)。

現(xiàn)在的洛克達(dá)因翻新并生產(chǎn)可重復(fù)使用的RS-25，混充一次性發(fā)動(dòng)機(jī)提供給SLS（太空發(fā)射系統(tǒng)）作主發(fā)動(dòng)機(jī)吃老本燒財(cái)政供養(yǎng)，而像太空探索公司、火箭實(shí)驗(yàn)室、藍(lán)色起源等新一代商業(yè)航天公司在美國(guó)航天發(fā)射市場(chǎng)占據(jù)越來(lái)越大的戲份......

（全文完）

（有關(guān)洛克達(dá)因的沒落，有興趣的讀者還可以參看另一篇文章： 美國(guó)航天動(dòng)力格局變化剖析——從AR-1發(fā)動(dòng)機(jī)落選“火神”一級(jí)主動(dòng)力競(jìng)標(biāo)引起的思考 ）

后記：航天很難，許多航天人把青春奉獻(xiàn)給國(guó)家，攻克技術(shù)瓶頸，同時(shí)承受歸零后的巨大壓力。事實(shí)上J-2和YF77均為燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，然而差了接近一個(gè)甲子......中國(guó)航天需要更多關(guān)注、更多投入和更多包容，年底壓軸戲打了一個(gè)漂亮的翻身仗，揚(yáng)眉吐氣！期待后續(xù)大戲，火星、嫦娥5等精彩上演！

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