（文/科工力量 柳葉刀）
二戰(zhàn)結(jié)束之前，美國和蘇聯(lián)都對德國的火箭技術(shù)“垂涎欲滴”，在德國納粹投降之前，美蘇兩國就各自制定計劃，如何第一時間搶奪德國的火箭技術(shù)和火箭專家。精明的美國人早就制定了“回形針”計劃，在攻入德國境內(nèi)后，搶先在蘇聯(lián)人之前找到了馮﹒布勞恩和他的技術(shù)團(tuán)隊，接收了14噸的火箭技術(shù)文件和200枚V2火箭部件。
1946年，北美航空（North American Aviation）的航空物理實驗室收到了兩臺德國的V2火箭發(fā)動機(jī)，對其進(jìn)行拆解研究。實際上，在此之前，北美航空就已經(jīng)開始了火箭發(fā)動機(jī)的研究。
在二次大戰(zhàn)期間，北美航空作為美國的最大軍用飛機(jī)制造商，已經(jīng)意識到戰(zhàn)爭結(jié)束將意味軍用飛機(jī)的需求大量下降。管理層認(rèn)為，像德國的V2這樣的導(dǎo)彈在將來可以為公司提供更多的發(fā)展機(jī)會。
以V2火箭為藍(lán)本，紅石系列火箭發(fā)動機(jī)就此誕生。具體點說，就是北美航空的Rocketdyne部門借鑒V2開發(fā)了紅石系列火箭發(fā)動機(jī)。Rocketdyne就是后來的洛克達(dá)因公司，大名鼎鼎的液體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計研發(fā)公司。
洛克達(dá)因公司的火箭發(fā)動機(jī)家族譜
與V2火箭發(fā)動機(jī)相比，紅石的燃燒室和燃?xì)鈬姽鼙恢匦略O(shè)計，保留以酒精和液氧作為推進(jìn)劑，驅(qū)動渦輪泵的仍是過氧化氫蒸汽發(fā)生器（有設(shè)計改動），該發(fā)動機(jī)產(chǎn)生75000磅的推力，被稱為XLR43-NA-1。
這里還有一個小插曲，本來北美航空設(shè)計的這款XLR43-NA-1火箭發(fā)動機(jī)是用于美國空軍的納瓦霍（NAVAHO）導(dǎo)彈，但是美國空軍在中途又提出更遠(yuǎn)的射程要求，這個發(fā)動機(jī)法案不得被迫放棄。但恰好的是，美國陸軍正在為其紅石（REDSTONE）導(dǎo)彈尋找發(fā)動機(jī)，北美航空設(shè)計的這款發(fā)動機(jī)恰好符合要求，就這樣原本為空軍的導(dǎo)彈設(shè)計的火箭發(fā)動機(jī)，被用在陸軍的導(dǎo)彈上。之后，北美航空的這款發(fā)動機(jī)也隨著紅石導(dǎo)彈改進(jìn)而衍生（在上面的洛克達(dá)因公司火箭家族譜中也體現(xiàn)了這個小插曲）。
紅石系列火箭發(fā)動機(jī)共有七個型號，因為關(guān)于早期型號的發(fā)動機(jī)的公開資料并不多，所以下文將依據(jù)該系列中的紅石A-6和A-7型號的火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行講解。這里澄清一點，關(guān)于紅石系列火箭的推力由兩種說法，一種是推力75000磅，另一種說法是78000磅，實際上后者是將蒸汽發(fā)生器排出的廢氣產(chǎn)生的推力算入發(fā)動機(jī)燃?xì)猱a(chǎn)生的推力之中。
紅石導(dǎo)彈底部的A-7火箭發(fā)動機(jī)，注意上部顯然是火箭發(fā)動機(jī)噴口，下部一根粗管為蒸汽發(fā)生器的廢氣排出管，廢氣的排出同樣也帶來部分的推力
對V2火箭渦輪泵與蒸汽發(fā)生器的繼承優(yōu)化
在前面一篇文章中，筆者提到德國V2火箭中泵壓循環(huán)，指的是在蒸汽發(fā)生器中利用雙氧水（過氧化氫）快速分解產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，來驅(qū)動渦輪帶動燃料泵和液氧泵，將推進(jìn)劑從貯箱里泵出。同樣，美國人保留了德國人的這種設(shè)計思想，仍采用雙氧水分解反應(yīng)來驅(qū)動渦輪泵的方式。
紅石A-7火箭發(fā)動機(jī)上的渦輪泵，與V2火箭的渦輪泵設(shè)計非常相似，左側(cè)是液氧泵，右側(cè)是燃料泵，中間是被蒸汽驅(qū)動的渦輪
美國工程師戈達(dá)德其實已經(jīng)悄無聲息地實現(xiàn)了泵壓革命，燃?xì)獍l(fā)生器（與蒸汽發(fā)生器不同，燃?xì)獍l(fā)生器直接采用推進(jìn)劑在發(fā)生器中燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)饨o渦輪泵提供動力，這樣就不用攜帶雙氧水儲存罐等復(fù)雜裝置，減少火箭不必要的重量）循環(huán)似乎已經(jīng)近在眼前，但是美國人將這種循環(huán)方式真正的應(yīng)用在大型火箭發(fā)動機(jī)上花掉了更多的時間。
二戰(zhàn)結(jié)束以后美國人和蘇聯(lián)人看到了V2火箭，都認(rèn)為德國的液體火箭技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先自己幾十年。面對這種情況，最好的辦法就是順著V2火箭的設(shè)計的思路進(jìn)行克隆，同時進(jìn)行技術(shù)改良。
美國人在紅石火箭發(fā)動機(jī)上，除了繼承了渦輪泵的設(shè)計思路，還對蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了改良。在V2火箭中是將高錳酸鉀鹽溶液噴射到蒸汽發(fā)生器中與雙氧水反應(yīng)，紅石發(fā)動機(jī)改變了這一設(shè)計思想。在蒸汽發(fā)生器中充填了耐高溫碳化硅顆粒，它們在高錳酸鉀鹽中浸漬過，具有良好的催化效果。而且，采用這種結(jié)構(gòu)還可以增大接觸面積，加快反應(yīng)速度。省去了高錳酸鉀鹽溶液貯箱，還改善了火箭的內(nèi)部空間。
紅石A-7火箭中的蒸汽發(fā)生器，雙氧水在此被高錳酸鉀碳化硅顆粒催化分解，產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽驅(qū)動渦輪泵，改變了V2火箭中的蒸汽發(fā)生器設(shè)計
除了蒸汽發(fā)生器設(shè)計改變，雙氧水的濃度也提高了。在V2火箭發(fā)動機(jī)中采用的雙氧水濃度為80%，“紅石”就提高到了98%，高濃度的雙氧水分解能夠產(chǎn)生更大的能量。即便是現(xiàn)在，超過90%的雙氧水也不容易輕易可以買到，在美國只有食品機(jī)械化學(xué)公司（FMC）和德固賽（Degussa）兩家巨頭提供，一般不提供給私人小企業(yè)，主供美國軍方和NASA。
紅石火箭發(fā)動機(jī)的推力室重新設(shè)計
在介紹V2火箭中，我們提到德國的工程師為了給火箭發(fā)動機(jī)的推力室（燃燒室和下部噴管）降溫，采用了冷卻夾套的設(shè)計，燃燒室和噴管被設(shè)置成內(nèi)外壁，中間是夾層，讓液體酒精從夾層流過，帶走多余的熱量，紅石的火箭發(fā)動機(jī)也保留了同樣的設(shè)計。
紅石火箭發(fā)動機(jī)（A-6或更早型號）推力室的剖面圖，其內(nèi)外壁中間是夾層，推力室底部有兩個明顯的酒精燃料注入口，噴管內(nèi)的長桿為點火器
V2火箭發(fā)動機(jī)推力室剖面圖，與紅石火箭發(fā)動機(jī)對比可以看出很多不同，頂部有18個燃燒器杯
不過，美國人對發(fā)動機(jī)的燃燒室和下部噴管的形狀進(jìn)行了重新設(shè)計。而且，與V2火箭不同，紅石發(fā)動機(jī)不是采用燃燒室前段18個燃燒器杯，而是采用平面噴射器（Injector），這樣的設(shè)計大大簡化發(fā)動機(jī)的管路，省去整個推力室頂部復(fù)雜的管路設(shè)計。
在紅石火箭的推力室的剖面圖中，可以看到一個細(xì)桿從平面噴射器上懸掛下來，這個細(xì)桿起到點火器的作用，給噴射器里的推進(jìn)劑提供了火源，為火箭點火。
但是這種點火器通常并不理想，必須在測試或發(fā)射之前手動安裝它，工作人員需要爬入推力室內(nèi)部進(jìn)行安裝。另外，這種點火器頂端有金屬外殼，火箭啟動后，金屬外殼被火焰噴出，有可能撞在推力室內(nèi)壁，損壞推力室。
給推進(jìn)劑貯箱增壓的必要性
在之前講解V2火箭時，有一點筆者忘記提及，那就是“自身增壓”方式。實際上，雙氧水分解產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動后，還存在大量的余熱，這些余熱就可以被再次利用。德國工程師就在蒸汽發(fā)生器排氣管尾端出口，埋入一段螺旋型（螺旋型是為了盡可能增大接觸面積，提高熱傳導(dǎo)效率）液氧管路，這些液氧受熱汽化后送回液氧貯箱，對貯箱進(jìn)行增壓，這種方式后來就被稱為“自身增壓”。在紅石火箭發(fā)動機(jī)上也繼承了這樣的“自生增壓”方式。
紅石A-7火箭發(fā)動機(jī)蒸汽發(fā)生器的廢氣排放管子的中段（推力室右側(cè)的那根粗管，紅色方框圈起部分）的內(nèi)部藏著熱交換器，液氧在此受熱汽化后返回液氧貯箱增壓。注意推力室僅有左側(cè)是一根燃料管道，使燃料從底部注入，冷卻推力室
這種“自生增壓”從原理上來看與擠壓循環(huán)基本相同，不過就是將氮氣換成了“加熱氧氣”，但這種小技巧就省去了攜帶多余的氮氣瓶。保存這種擠壓循環(huán)是非常有必要的，尤其火箭失去地球重力之后，需要將推進(jìn)劑擠壓到貯箱底部，這樣才能被渦輪泵泵出。
在V2上，對于燃料貯箱，還是采用以高壓氮氣為工質(zhì)的氣體增壓方式，雖然筆者沒有查詢到紅石火箭發(fā)動機(jī)的燃料貯箱的增壓方式，但筆者猜測美國人可能還是保留了高壓氮氣給燃料貯箱增壓的方式，這是基于三點判斷：第一，在介紹紅石火箭發(fā)動機(jī)的資料中，僅提到蒸汽發(fā)生器的蒸汽給液氧加熱，之后返回液氧貯箱增壓，沒有提到給酒精加熱。第二，再生冷卻過程的酒精最后都流入燃燒室，也沒有返回貯箱。第三，雖然在后來的發(fā)展中，出現(xiàn)了將燃?xì)獍l(fā)生器中的燃?xì)庾⑷胪七M(jìn)劑貯箱進(jìn)行增壓，但是，紅石火箭發(fā)動機(jī)中的蒸汽順著推力室旁側(cè)的粗管排出。
A-7燃料管的重新設(shè)計和紅石導(dǎo)彈的新風(fēng)循環(huán)
紅石系列火箭發(fā)動機(jī)共發(fā)展了7個版本，總的來說，每個版本在上一代基礎(chǔ)上對某些部件有所修改，七個版本基本可以互換，僅需對管道進(jìn)行少量調(diào)整即可將發(fā)動機(jī)與導(dǎo)彈匹配。
不過，在紅石A-6和A-7之間，進(jìn)行了一次重大發(fā)動機(jī)配置的更改，A-6從渦輪泵的燃料側(cè)延伸到推力室底部的燃料入口，連接的是兩條燃料管，到了A-7就修改成單根燃料管（上文A-7火箭發(fā)動機(jī)圖中可見）。
紅石A-6火箭發(fā)動機(jī)的推力室兩側(cè)各有一根燃料管通向推力室底部
在紅石導(dǎo)彈的內(nèi)部還設(shè)置了空氣循環(huán)泵，從導(dǎo)彈的底部抽取空氣，用來給導(dǎo)彈底部做強(qiáng)制新風(fēng)循環(huán)。這也是馮﹒布勞恩從V2導(dǎo)彈里面得到經(jīng)驗教訓(xùn)以后改進(jìn)的。導(dǎo)彈樹立在發(fā)射場之后，具體的發(fā)射時間未定，導(dǎo)彈卻裝著一大罐液氧等待。
上圖是紅石導(dǎo)彈底部的一個側(cè)面凸起，空氣循環(huán)泵從該凸起的右側(cè)大孔抽取空氣
零下183度的液氧會讓周圍的空氣中的水蒸氣冷凝，為了防止冷凝水或者冰坨子對導(dǎo)彈尾部造成破壞，馮﹒布勞恩設(shè)計了上面的空氣循環(huán)泵，及時吹散水霧。
結(jié)束語
1959年，NASA正式啟動了美國的載人航天工程，即：水星計劃，共有三種火箭被選中作為運載工具，紅石火箭就是其中之一。1960年，紅石——水星運載火箭進(jìn)行了逃逸塔測試，所謂的紅石——水星運載火箭，其實就是紅石導(dǎo)彈基礎(chǔ)級加上了水星飛船的組合體。之后，紅石——水星2號運載火箭升空，該火箭成功將黑猩猩Ham送入太空。
這一切都是為了載人航天做準(zhǔn)備，但是美國還是晚了蘇聯(lián)一步，1961年5月5日，紅石——水星3號運載火箭將美國宇航員小艾倫﹒巴特雷特﹒謝潑德送入太空，而此時蘇聯(lián)的尤里﹒阿列克謝耶維奇﹒加加林已經(jīng)從太空遨游一圈回到地球了。
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