#春季图文激励计划#在探索宇宙的征程中，火箭发动机无疑扮演着至关重要的角色，它堪称人类逐梦星空的 “心脏”，然而这颗 “心脏” 面临着诸多超乎想象的挑战。
先从发动机的基本类型说起，涡轮发动机与冲压发动机都属于吸气式发动机。它们的工作原理是将空气吸入燃烧室，以此保障燃料的燃烧。但即便不把材料问题纳入考量，吸气式发动机依然存在难以突破的极限。空气中氧气含量仅占约 1/5，即便经过压气机压缩，每升空气中氧气含量也很难超过 20 克。以民航客机常用的涡轮风扇发动机为例，在海平面标准大气条件下，一台高涵道比涡轮风扇发动机每秒吸入的空气量可达数百千克，经过压缩后，其中氧气含量虽有所提升，但按照比例计算，每升压缩空气中氧气含量基本维持在 18 - 20 克左右。如此有限的氧气供应，严重限制了发动机推力的提升。当人类渴望更大推力时，免费的空气便无法满足需求，于是火箭的解决方案应运而生。
火箭选择自行携带氧气，通过将氧气压缩至极限，得到了液氧，其密度高达每升 1.14 千克。这一数据相较于空气中的氧气含量，有着天壤之别。目前，人类在液氧制备技术上已达到这一水平，短期内难以实现更大突破。火箭燃料分为固体燃料与液体燃料。固体燃料装填方便，平时就安置在火箭内，点火即可启动，在一些对发射速度要求较高的场景，如导弹发射中应用广泛。不过，固体燃料存在明显短板，其能量密度较低，一般在 3 - 4 兆焦 / 千克，燃烧效率也不高，通常在 70% - 80% 之间。这使得固体燃料在需要长时间、高能量输出的太空探索任务中力不从心。因此，液体燃料成为进入太空的主力军，而我们着重探讨的液体火箭发动机，也就此登上舞台。
飞机的飞行原理大家并不陌生，发动机的作用并非直接将飞机举升，而是推动飞机向前运动，机翼则负责提供升力。例如，一架满载重量达 50 吨的大型客机，其发动机总推力可能仅为 10 吨，依靠机翼独特的空气动力学设计，依然能够翱翔天际。然而，飞机飞行高度受空气稀薄程度限制明显，当达到约 2 万米高空时，空气密度大幅降低，机翼产生的升力急剧减小，飞机性能严重受限。与之形成鲜明对比的是，火箭的征程起点便是 200 千米高空，它完全依靠发动机强大的推力硬推上去。没有几百吨的推力，根本无法摆脱地球引力的束缚。美国的土星五号便是典型代表，它装备了 5 台发动机，每台推力高达 680 吨。如此强大的推力背后，是惊人的燃料消耗，每秒需消耗 1789 千克的液氧和 788 千克的煤油，合计约 2.5 吨燃料。要在一秒内将如此大量的燃料精准、稳定地送入燃烧室并完成燃烧，难度极大，稍有差池便会引发爆炸。
土星五号芯一级所使用的 F - 1 发动机为解决这一难题，采用了独特设计。准备两台类似抽水机的装置，一台用于抽取燃料，即燃料泵；另一台抽取液氧，称为氧化剂泵。而驱动这两台泵的动力来源，是涡轮。涡轮的两端分别连接着燃料泵和氧化剂泵，同时分出一部分燃料驱动涡轮旋转，涡轮进而带动两台泵工作，将燃料和液氧高速泵入燃烧室混合燃烧，这便是大推力火箭的基本结构。在航天领域，有这样一种说法：火箭的心脏是火箭发动机，而火箭发动机的心脏则是涡轮泵。这一说法毫不夸张，我们来看看涡轮泵面临的严峻挑战。火箭燃烧室堪称炼狱，温度高达数千度，压力可达 200 个大气压。以 SpaceX 的猛禽发动机燃烧室为例，其燃烧温度超过 3000 摄氏度，压力接近 250 个大气压。涡轮泵需要在这样极端的环境下，每秒向燃烧室内注入 1.2 吨推进剂。苏联著名的 RD - 170 发动机便是典型代表，这款发动机应用广泛，苏联的能源号运载火箭、俄罗斯的安加拉号火箭、美国的宇宙神 5 型运载火箭以及韩国的罗老号都采用了它。RD - 170 的涡轮泵功率高达 192 兆瓦，这一功率是什么概念呢？美国的尼米兹级航空母舰的核反应堆，总功率是 194 兆瓦，也就是说，一个小小的火箭涡轮泵，理论上具备推动 10 万吨航母在海上高速行驶的能力。不仅如此，RD - 170 涡轮泵的工作环境极为恶劣。一端，两台抽水机抽取的是零下两百多度的液氢液氧，如此低温对材料的柔韧性和密封性都是巨大考验；另一端，则是驱动涡轮泵的高温高压燃料，温度可达上千摄氏度，压力也在数十个大气压以上。我国长征五号第二次发射失败，正是因为涡轮泵在复杂热环境下出现异常，引发共振。据统计，在火箭发动机故障中，约有一半是由涡轮泵问题导致的。不过，值得骄傲的是，我国火箭发动机的涡轮泵整体表现稳定，在众多发射任务中发挥了可靠作用。
涡轮泵成功将燃料送入燃烧室后，接下来的关键便是实现稳定燃烧。这绝非易事，不能简单地将推进剂一股脑倒入燃烧室，其中喷嘴设计至关重要。以土星五号发动机为例，其喷嘴拥有 6300 个小孔，这些小孔被挡板巧妙分成 13 部分，其中 3700 个小孔用于喷注煤油，2600 个小孔喷注液氧。从整体布局看，呈现出一层套一层的同心圆结构，内层喷注煤油，外层喷注液氧。看似简单的设计，实则蕴含着无穷奥秘。每个小孔的排列方式、角度以及大小都经过精心计算和无数次试验。任何一个参数出现微小偏差，都可能导致发动机爆炸。F - 1 发动机的喷嘴设计历经多年研发，投入了大量人力、物力和财力，经过成千上万次模拟和实际测试，才最终确定最优方案。
此外，驱动涡轮泵的燃料燃烧并不充分，为提高燃料利用率，部分发动机如 RD - 170 采用了分级燃烧循环（也叫高压补燃循环）技术。即将这部分未充分燃烧的废气送入主燃烧室继续燃烧。这一技术虽能有效节省燃料，但使整个发动机系统变得更加复杂微妙。以 RD - 170 发动机为例，其高压补燃循环系统涉及多个复杂部件和精密控制环节，对制造精度要求极高。目前，全世界能够掌握并制造出这种省油发动机的国家屈指可数，我国便是其中之一。我国的高压补燃循环发动机 YF - 100 便是代表。不过，我们也需正视与国际先进水平的差距。YF - 100 体积相对较小，推进剂流量每秒仅 410 千克，而 RD - 170 的推进剂流量高达每秒 2.6 吨。因此，长征五号为满足推力需求，装备了 10 台 YF - 100 发动机。尽管如此，YF - 100 的出现意义重大，它标志着我国正式迈入航天发动机强国行列。
换个角度思考，发动机并非越大越好。大推力需求导致火箭发动机结构极为复杂，涡轮泵、燃料泵、氧化剂泵等各种泵的应用，都是为了满足大推力对燃料输送的苛刻要求。相对而言，小推力发动机则轻松许多。由于推进剂消耗速度较慢，无需复杂的泵系统，只需在燃料罐内施加一定压力，即可将燃料挤入燃烧室，这种方式被称为压力供系统。基于此，有一种思路是将多个小发动机捆绑在一起，以替代大发动机。但这一方案存在诸多问题，首先，捆绑多个小发动机会增加大量不必要的重量，降低火箭的有效载荷能力。其次，可靠性也面临挑战。假设大发动机不出错的概率是 90%，小发动机不出错的概率是 99%，当 10 个小发动机捆绑在一起时，整体不出错的概率仅为 90.4%；若增加到 20 个小发动机，这一概率更是降至 81.8%。此外，几十个小发动机同时工作，会产生多个震动源，容易引发耦合震动，即各发动机的震动相互影响，这对火箭的结构稳定性构成严重威胁，是火箭飞行过程中的一大难关。
尽管目前火箭发动机面临诸多挑战，但随着科技的不断进步，无论是大发动机还是小发动机，都在朝着更加完美的方向发展。然而，即便发动机技术日益成熟，火箭依然存在极限。地球引力、能量守恒定律以及材料科学的局限等因素，共同制约着火箭的性能提升。人类要实现自由穿梭宇宙的梦想，仍需在多个领域持续探索和突破。