Vulcan【航天科普21】

2021-10-02 21:10 作者:ASPT-航天科普小組 0人讀過 | 我要投稿

WHERE IS?MY ENGINE，JEFF！？！

本文由Falcon 9編寫，共8018有效字符，為縮減版。

決命拐角——催生一代天驕

2014 年 4 月，美國聯(lián)邦法院發(fā)布禁令，禁止俄羅斯相關企業(yè)向美國火箭制造商ULA（United Launch Alliance，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟）繼續(xù)銷售RD-180發(fā)動機，以對抗俄羅斯在烏克蘭和克里米亞的政策，但之前訂購的RD-180可以繼續(xù)提供給ULA。

RD-180是Atlas V運載火箭的主引擎，為Atlas V的芯級提供動力，RD-180優(yōu)良的性能是Atlas V擁有強悍表現(xiàn)的重要原因之一。但如今，發(fā)動機的斷供就代表著Atlas V活不了太久，ULA的RD-180也是用一個少一個。

Atlas IIIA使用的RD-180正在NASA的斯坦尼斯測試中心進行測試，Atlas III系和Atlas V系的芯一級使用的都是俄羅斯提供的RD-180發(fā)動機

ULA有兩大運載火箭，一是從波音繼承的Delta IV系列運載火箭，二是從洛克希德·馬丁繼承的Atlas V系列運載火箭。這兩個火箭家族囊括了所有的美國大型軍事衛(wèi)星的發(fā)射，可以說是美國航天的半邊天。如果隨著RD-180的斷供，Atlas V退出航天舞臺的話，那么ULA就只有Delta IV家族可用了。

Delta IV的部件時間了美國本土化制造，這不是很好嗎？確實，Delta IV的確是一款“根正苗藍”的美國運載火箭，但是在當下，它已經喪失了強競爭能力。大部分火箭在“晚年”時，都會遇到嚴重的成本飆升問題，因為但一款火箭即將退役，會有很多的因素干擾最后幾次的發(fā)射，導致發(fā)射工位，工廠等設施運營成本的提高，Delta IV在當時已經是一款12多年的“中年箭”了，勢必會面臨著退役風波，成本拉高，發(fā)射頻率下降也會導致地面設施也會進一步老化，這也是ULA常常被愛好者冠以“黑店”的原因之一。ULA曾提出大幅增加Delta IV的發(fā)射頻率，增大部件生產量降低成本從而解決這個問題，但顯然不是長久之計，這樣ULA就只有一款可以發(fā)射美國國家安全載荷的火箭了，如果火箭有問題，就需要全系停飛并進行檢查，嚴重影響后續(xù)的發(fā)射進度，這顯然是美國官方客戶不想看到的情況。

目前僅存的Delta IV Heavy成為了Delta家族中最后一款子系列運載火箭

除此之外，促使ULA“向前踏出一步”的還有市場因素。在此之前，ULA的訂單主要來源于美國政府的官方訂單，此外還有少量的商業(yè)訂單。但是SpaceX等新生公司殺出重圍，隔壁Orbital ATK（當時Orbital ATK還沒有并入Northrop Grumman）躍躍欲試，商業(yè)發(fā)射市場的價格被SpaceX逐漸拉低，Orbital ATK也在研制自己的重型火箭從而爭奪官方任務合同，這都無疑是在潛移默化地削弱ULA的競爭性。所以，ULA必須要做一款具有性價比且性能強悍的火箭。

拐點，到來了……

2014年，ULA向Blue Origin支付了一筆不知金額的費用，外界也不知道這筆費用是用來干什么。Blue Origin早在2011年就開始了對BE-4發(fā)動機的研發(fā)，但一直沒有向外界透露。直到2014年，Blue Origin和ULA開了一場聯(lián)合發(fā)布會，正式宣布將攜手開發(fā)BE-4，并在同年透露了ULA新一代運載火箭計劃（Next Generation Launch System，NGLS），當時被默認為Atlas VI，大家都認為是Atlas V的接班人。2015年，此項目有了自己的名字——Vulcan（火神）。

一箭兩心——初見終獲相信

在Vulcan方案提出時，罕見地保留了兩個版本（說其罕見，是因為很少有公司會推出兩款發(fā)動機選擇的運載火箭）。一是使用AR-1發(fā)動機的版本，二是使用BE-4發(fā)動機的版本。

圖左為Aerojet Rocketdyne研發(fā)的AR-1發(fā)動機，圖右為Blue Origin研發(fā)的BE-4發(fā)動機

但出人意料的是，ULA對著兩款發(fā)動機版本的Vulcan的宣傳完全不是一個程度。ULA向外發(fā)布的渲染圖基本都是BE-4版本的Vulcan，而AR-1版本的渲染圖就沒有幾張（ps：說不定心里已經選好BE-4作為Vulcan未來的一級發(fā)動機了哈哈哈）。

首先是使用AR-1的版本。AR-1可以認為是美國版的RD-181發(fā)動機，兩臺AR-1相當于一臺RD-180（RD-181是RD-180的單燃燒室版本）。AR-1版本的初版Vulcan基本可以看作是Atlas V的換發(fā)版本，除了發(fā)動機換為AR-1外，芯級基本沒有什么變化，同樣是3.81m的直徑，沿用Atlas V的制造工藝。

兩臺AR-1發(fā)動機組成AR-1版本Vulcan的一級動力系統(tǒng)

AR-1由著名美國火箭發(fā)動機生產廠商Aerojet Rocketdyne制造，是美國政府大力推行取代RD-180時代下的產物，且兩臺AR-1的推力要大于RD-180提供的推力。由于出生就是對標俄羅斯的RD-180/RD-181，所以設計也十分的“毛味”。

AR-1的公開數(shù)據(jù)如下：

真空推力：2500kN（~250t）

海平面推力：2224kN（~220t）

使用AR-1的好處是，發(fā)射配套設施的改動不需要太大，因為新的芯級與原Atlas V的一級契合度很高，從而降低了配套設施的改動成本。

第二個則是使用Blue Origin提供的BE-4的初代Vulcan。BE-4使用了當下新興的甲烷作為發(fā)動機的燃料，讓BE-4的商業(yè)競爭性獲得了些許提高。BE-4版本的Vulcan則將一級改為了5.4m直徑，5m系直徑是當下新重型運載火箭最受歡迎的直徑。

目前BE-4的具體數(shù)據(jù)我們還不得而知，確切數(shù)據(jù)只有海平面推力為2447kN（~250t）。

后來的結果人盡皆知，由于AR-1發(fā)動機的成本要遠大于BE-4，進度也不如BE-4，加之其他技術方面的問題，ULA最終選擇了BE-4作為Vulcan運載火箭的一級發(fā)動機，初見終“名門正娶”。

澎湃動力——固推再獲升級

Vulcan在設計上還要求了繼承Atlas V的高通用性和多運力階段的選擇。ULA選擇不再使用Aerojet Rocketdyne的固體助推器，而是轉向和Orbital ATK（現(xiàn)屬Northrop Grumman旗下的Northrop Grumman Innovation Systems，NGIS）進行合作。之前Atlas V使用的是Aerojet Rocketdyne生產的AJ-60A固體助推器，而現(xiàn)在ULA的Vulcan將使用Northrop Grumman Innovation Systems研制的GEM-63XL固體助推器，該固體助推器擁有更高的性能，更低的價格。

在Vulcan的配置選項中，可以選擇0，2，4，6四種的固體助推器配置，但沒有像Atlas V一樣的單數(shù)選項（Atlas V是0，1，2，3，4，5），這是因為GEM-63XL價格較低，而且GEM-63XL的自身推重比要比AJ-60A更大，如果像Atlas V一樣使用不對稱布置會更難控制火箭，增加設計復雜難度。

GEM-63XL固體助推器的部分性能如下：

長度：21.98m

直徑：1.62m

整機質量：53034.02kg

燃料質量：47852.63kg

燃料組成：QDL-4，HTPB，19%AI

標準燃燒時間：87.3s

最大真空推力：210.13t

真空比沖：280.3s

是否擁有TVC（Thrust Vector Control System，推力矢量控制系統(tǒng)）：No

三雄爭霸——老將再度出馬

在招標開始時，Vulcan有兩款上面級，第一款是計劃早期使用的Centaur III，繼續(xù)沿用Atlas V的上面級，二是開發(fā)一款更為先進的上面級，名為Advanced Cryogenic Evolved Stage，也就是我們所熟知的ACES，先進低溫推進級。

但當時的ACES并沒有確定其發(fā)動機，但有三個預選方案：

由Aerojet Rocketdyne提供的RL10系發(fā)動機（最后確認是RL10C-X）

由Blue Origin提供的BE-3U發(fā)動機

XCOR Aerospace和ULA聯(lián)合研發(fā)的XR-8H21發(fā)動機

XCOR Aerospace和ULA聯(lián)合研發(fā)的XR-5H25技術驗證發(fā)動機試車畫面

在當時三者引擎都不是現(xiàn)成產品，只有RL10C-X擁有濃厚的技術底蘊。RL10C-X比Atlas V同時期使用的RL10C-1的碳-碳延伸噴管更長，從而擁有比RL10C-1更高的推力和比沖。

RL10B系與RL10C系的發(fā)動機主體部分（也就是去掉灰色部分）是基本一致的，這也是Delta IV Heavy把RL10B-2-1換位RL10C-2的原因，其實并沒有什么實質性的變化。RL10C-X雖然沒有像RL10C-2那么高的比沖（RL10C-2的比沖可以達到465.5s），但是RL10C-X不需要延伸噴管，而且噴注器和燃燒室都是3D打印制造，從而降低了引擎復雜度，同時也減少了成本，但性能卻比RL10C-1更強，這對于一款定位為“半商業(yè)”的運載火箭是非常友好的。

RL10C-X的部分性能數(shù)據(jù)如下（括號內為RL10C-1的數(shù)據(jù)，可以將兩者進行對比）：

真空推力：105.9kN或10.8t（101.9kN或10.34t）

真空比沖：453.8s（449.7s）

出口直徑：1.57m（1.45m）

喉管直徑：0.127m

發(fā)動機循環(huán)方式：閉式燃料冷卻膨脹循環(huán)

BE-3U是藍色起源根據(jù)其BE-3發(fā)動機為技術基礎開發(fā)的一款氫氧真空發(fā)動機。雖然都是屬于BE-3系，但它們的循環(huán)方式截然不同。BE-3使用的是抽氣循環(huán)，而BE-3U使用的是開式燃料膨脹循環(huán)。

目前BE-3U確切的已知信息只有最大推力：710kN（~72t）。

XCOR Aerospace和ULA聯(lián)合研發(fā)的XR-8H21發(fā)動機是一款到現(xiàn)在也沒有研發(fā)出來的發(fā)動機（因為當時RL10C-1-1是主跑，沒打算研制出來），XR-8H21對標RL10C-1-1進行研發(fā)，并且是第一臺將鋁用作噴管主材料的發(fā)動機，這使得該發(fā)動機擁有較輕的干質量。

XR-8H21的部分性能數(shù)據(jù)如下：

真空推力：106.98kN（~10.9t）

真空比沖：460s

燃燒室壓力：55.16bar

裸機質量（不包含TVC作動器）：226kg

膨脹比：150

節(jié)流范圍：75%-100%

貨比三家，三款發(fā)動機各有千秋。RL10C-1-1是Aerojet Rocketdyne的RL10家族“集大成之作”，自然保持了RL10系優(yōu)良性能的傳統(tǒng)優(yōu)勢，加上現(xiàn)代化的3D打印技術，可以使稍顯昂貴的發(fā)動機進一步把價格降至商業(yè)可接受價格區(qū)間。BE-3U是Blue Origin開發(fā)的新一代真空發(fā)動機，雖然比沖較弱，但是它可以很好地避免RL10系發(fā)動機的一大問題——發(fā)動機推力低。RL10系使用的是閉式燃料膨脹循環(huán)，推力自然高不了，但是使用開式燃料膨脹循環(huán)的BE-3U推力可以達到RL10C-1-1的約7倍，可以大大減少二級入軌過程中的重力損耗，從而進一步提高Vulcan的LEO運載能力。但它也有問題，就是不能像RL10C-1-1一樣提供高比沖和高精度，深空運力必然受到巨大損失。XR-8H21由XCOR Aerospace和ULA聯(lián)合研發(fā)，自然在發(fā)動機價格上可以壓的很低，更加符合商業(yè)化火箭的趨勢。

2018年，ULA宣布RL10C-X正式獲選Vulcan的二級發(fā)動機，老將再次帶領新火箭走向深空（但前幾發(fā)火神將會使用RL10C-1-1）……

初版擬議——宇宙神的后裔

在初版Vulcan擬議時，基礎型Vulcan完全就是宇宙神的換皮，除了一級你一眼甚至都找不出區(qū)別來。關于這種結構設計在Atlas V那一篇專欄中已經介紹了，這里不再重復。后來，Centaur V的到來直接打開了現(xiàn)在我們看到的Vulcan。

它來了……

新星登場——發(fā)射聯(lián)盟新梁

Vulcan是Delta IV和Atlas V的集大成之作，將兩者化為一身，即將擔當起ULA新一代的運載火箭頂梁柱。到2018年，Vulcan已經定型，即：5.4m直徑與整流罩，BE-4、GEM-63XL、RL10C-1-1作為動力系統(tǒng)。接下來，我們會逐個介紹Vulcan的主要部分。

甲烷一級——嘗試新推進劑

Vulcan的一級使用了液氧甲烷作為推進劑，這是ULA從未用過的推進劑，不過相比液氫，液態(tài)甲烷還是很好“伺候”的。Vulcan一級全長32.46m，直徑5.4m（可能與實際有所不同），基于Delta IV Heavy的生產制造工藝進行改進和生產制造，并將儲箱內部紋路改為了正交格柵（長方形格柵）。Vulcan的正交格柵（OrthogiRD）比Atlas V的等三角格柵（Isogrid）更省用料，強度更高，重量更小，制造周期更短，是新一代儲箱加強結構的代表之作（Atlas V使用等三角格柵是當時研發(fā)火箭時認為的最優(yōu)解，所以Atlas V才采用的等三角格柵）。

Vulcan一級采用液氧甲烷作為推進劑，因為液氧和甲烷的凝固點差距不大，所以共底儲箱方案是一個很好的選擇。Vulcan一級的上部是液氧，下部是甲烷，液氧通過甲烷儲罐中央的液氧輸送管線到達底部。

Vulcan一級尾部是發(fā)動機艙，安裝了兩臺由Blue Origin提供的BE-4發(fā)動機。BE-4發(fā)動機是一款經過真空優(yōu)化的發(fā)動機，所以其體積顯得比較大，就像RS-25一樣，雖然這會使海平面性相較更加拉跨，但也提供了相對更強的真空能力。BE-4發(fā)動機采用低室壓設計，從而使發(fā)動機可以使用更便宜的材料與制造方案，降低引擎的生產成本。

正在進行測試的Vulcan發(fā)動機艙結構件，該構件由RUAG Aerospace提供

兩臺BE-4均使用獨立推進劑輸送管線，按照中心對稱安裝，兩臺引擎的液氧輸送管線均在靠中心的位置，甲烷輸送管線均在靠外的位置。

Vulcan尾部的管線標注，兩個藍色的瓶子裝的就是兩臺BE-4發(fā)動機吹氣啟動所使用的氦氣

Vulcan每個芯級都有6個GEM-36XL固體助推器掛點，從而提供不同的配置和運力選擇。與Atlas V相同的是，Vulcan的芯級全部是通用化的，可以進行快速更改構型的操作，從而應對類似于Starliner OFT-2任務突然變?yōu)長ucy任務，導致火箭配置快速更改的情況。

但與Atlas V不同的是，由于Vulcan使用了共底儲箱，氧化劑管線在儲罐內部，一級航電系統(tǒng)也改為了集成在一級頂部（這一點在Atlas V的專欄中有專門的介紹），這樣就使除了電氣線路外，Vulcan一級完全是一個規(guī)規(guī)矩矩的圓筒。同時就代表著助推器掛點不會再受如此之多的限制，可以對稱安裝助推器了，這對于火箭飛行控制無疑是一個很好的消息。

還有一點是，火神的標志性涂裝沒了！?。?/p>

固體助推——擺脫傾斜頭錐

GEM-63XL固體助推器擺脫了Atlas V的傾斜頭錐設計（由于Atlas V獨特的空氣動力學原因導致如此），Atlas V在固體助推器燃燒完畢后還要帶著飛一段時間才能扔掉，浪費了些許運力，但Vulcan的設計里沒有這一點，固推燃燒完畢就接著按照次序分離，可以很好的發(fā)揮固體助推器的性能，不給火箭“拖后腿”。

登峰造極——半人馬再升級

在取消了Centaur III之后，Centaur V榮登正位。原本的計劃是先使用Centaur V作為Vulcan的二級，再到2024年開發(fā)出ACES作為Vulcan Heavy的二級，但到目前，由于Centaur V“過于強勁”，ACES的研發(fā)工作也便暫停了，何時啟動還不得而知，所以目前是沒有Vulcan Heavy這個構型的。Tory Bruno（ULA的CEO）說，Centaur V的性能已經逐漸逼近ACES，并且ACES的部分技術已經用在了Centaur V上，再經過升級后，Centaur V可以完全勝任ACES的工作，甚至有所提升。

Centaur III（圖左）和沒有帶續(xù)航套件的Centaur V（圖右）比較圖

Centaur V沿用了Centaur III的工藝與技術，并有所提升。Centaur V將是世界上首個批量化使用氫氧RCS的火箭級，沒錯，它是一款所謂的“熱氣ACS”（Attitude Control System，姿態(tài)控制系統(tǒng)），就像Super Heavy上所使用的甲烷氧氣ACS一樣。

Centaur V將至少擁有7次的重復點火能力（在地面上的單機測試已經達到了~50次，遠遠超出設計指標），多個相近軌道一次發(fā)射就可以搞定。

Centaur V同樣使用了氫氧共底儲箱設計，并且其在軌續(xù)航能力大大增加，可以達到12小時。是Centaur III的1.5倍。氫氧上面級能在軌有效續(xù)航8小時本來就是一個非常驚人的技術，達到12小時更是一個技術新高峰，但Tory Bruno（ULA的CEO）表示，在接下來的幾年里，Centaur V的在軌續(xù)航時間將提高到至少~230天以上（增加續(xù)航套件），完成一些之前“根本不可能”的任務，目前ULA表示，其最關鍵的材料技術已經得到了解決。

目前，ULA計劃將Centaur V打造成一款“太空拖車”，通過月球或其他途徑來制造液氫液氧從而不斷提供動力。

目前，ULA已經成功制造出了第一個Centaur V儲箱。

Centaur V已直徑和質量數(shù)據(jù)如下（可能與實際有所不同）：

直徑：5.4m

滿載質量：54.43t

新黑科技——減重增航利器

Centaur V續(xù)航瘋狂升級的關鍵都在一個十分關鍵的系統(tǒng)——IVF，即Integrated Vehicle Fluids，火箭級推進劑共用技術。這項技術是ULA在10年前就開始論證推進的技術，并表示將在幾年后用到Centaur V上。IVF簡單來講就是將主儲箱內的推進級最大化地進行利用，從而直接取消掉像Centaur III、DCSS上的肼類推進劑罐甚至可以取消掉加壓用的COPV，只需要推進劑儲箱內的少量推進劑就可以完全替代前面兩者的作用。其次，氫氧還可以用來發(fā)電，減少火箭上絕大部分的鋰電池，增加續(xù)航，增加推進劑利用率，增加運力，減少干質量，減少生產復雜度等等。

IVF的核心部件就是HE，即Heat Exchanger，熱交換機。它將姿態(tài)控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)等集成到一起，使用液氫液氧來提供姿態(tài)控制、推力、電力等，從而取消大部分復雜的子系統(tǒng)，減輕質量的同時還可以提高這款上面級的性能與可靠性。

有關IVF可以額外開專欄進行介紹。

合作繼續(xù)——還是RUAG

要順帶一提的是，Vulcan整流罩和載荷適配器仍然是由RUAG來提供，與Atlas V 5系是相同的。

多階選擇——服務多樣乘客

Vulcan目前共有8款構型，分別時VC0S、VC0L、VC2S、VC2L、VC4S、VC4L、VC6S、VC6L。VC代表的是Vulcan Centaur，數(shù)字代表的是使用的固體助推器數(shù)目，可在0，2，4，6中進行選擇。最后一個字母代表的是整流罩的長度，S即Short，短整流罩；L即Large，長整流罩，其中長整流罩可支持雙星拼車發(fā)射甚至三星拼車發(fā)射。

Vulcan的四款長整流罩版本，第一行為GEO，第二行為GTO，第三行為LEO，第四行為ISS所在的軌道，第五行為200km SSO，第六行為MEO，第七行為TLI，/左邊為kg，右邊為lb

這很好的延續(xù)了Atlas V家族高通用化和多階段選擇的傳統(tǒng)。不過要注意的是，無助推版本的Vulcan是不能加滿推進劑起飛的，因為兩臺BE-4發(fā)動機的海平面推力只有500t，滿載的話會導致“飛不起來”的場面。

傳承工位——兩箭共用一臺

由于Atlas V還要使用SLC-41和SLC-3E這兩個發(fā)射臺，所以Vulcan必須和Atlas V“擠一擠”，一起用發(fā)射臺。目前，SLC-41的發(fā)射臺已經為Vulcan完成了改裝，VIF（垂直整合設施）也已經為Vulcan做好了適應性改造，除此之外，Vulcan還可以使用SLC-41的SPOC（Spaceflight Processing Operations Center，航天器處理操作中心），從而讓SLC-41可以同時準備兩款火箭的發(fā)射工作，提高其發(fā)射效率。