Vulcan【航天科普21】

2021-10-02 21:10 作者:ASPT-航天科普小组 0人读过 | 我要投稿

WHERE IS MY ENGINE，JEFF！？！

本文由Falcon 9编写，共8018有效字符，为缩减版。

决命拐角——催生一代天骄

2014 年 4 月，美国联邦法院发布禁令，禁止俄罗斯相关企业向美国火箭制造商ULA（United Launch Alliance，联合发射联盟）继续销售RD-180发动机，以对抗俄罗斯在乌克兰和克里米亚的政策，但之前订购的RD-180可以继续提供给ULA。

RD-180是Atlas V运载火箭的主引擎，为Atlas V的芯级提供动力，RD-180优良的性能是Atlas V拥有强悍表现的重要原因之一。但如今，发动机的断供就代表着Atlas V活不了太久，ULA的RD-180也是用一个少一个。

Atlas IIIA使用的RD-180正在NASA的斯坦尼斯测试中心进行测试，Atlas III系和Atlas V系的芯一级使用的都是俄罗斯提供的RD-180发动机

ULA有两大运载火箭，一是从波音继承的Delta IV系列运载火箭，二是从洛克希德·马丁继承的Atlas V系列运载火箭。这两个火箭家族囊括了所有的美国大型军事卫星的发射，可以说是美国航天的半边天。如果随着RD-180的断供，Atlas V退出航天舞台的话，那么ULA就只有Delta IV家族可用了。

Delta IV的部件时间了美国本土化制造，这不是很好吗？确实，Delta IV的确是一款“根正苗蓝”的美国运载火箭，但是在当下，它已经丧失了强竞争能力。大部分火箭在“晚年”时，都会遇到严重的成本飙升问题，因为但一款火箭即将退役，会有很多的因素干扰最后几次的发射，导致发射工位，工厂等设施运营成本的提高，Delta IV在当时已经是一款12多年的“中年箭”了，势必会面临着退役风波，成本拉高，发射频率下降也会导致地面设施也会进一步老化，这也是ULA常常被爱好者冠以“黑店”的原因之一。ULA曾提出大幅增加Delta IV的发射频率，增大部件生产量降低成本从而解决这个问题，但显然不是长久之计，这样ULA就只有一款可以发射美国国家安全载荷的火箭了，如果火箭有问题，就需要全系停飞并进行检查，严重影响后续的发射进度，这显然是美国官方客户不想看到的情况。

目前仅存的Delta IV Heavy成为了Delta家族中最后一款子系列运载火箭

除此之外，促使ULA“向前踏出一步”的还有市场因素。在此之前，ULA的订单主要来源于美国政府的官方订单，此外还有少量的商业订单。但是SpaceX等新生公司杀出重围，隔壁Orbital ATK（当时Orbital ATK还没有并入Northrop Grumman）跃跃欲试，商业发射市场的价格被SpaceX逐渐拉低，Orbital ATK也在研制自己的重型火箭从而争夺官方任务合同，这都无疑是在潜移默化地削弱ULA的竞争性。所以，ULA必须要做一款具有性价比且性能强悍的火箭。

拐点，到来了……

2014年，ULA向Blue Origin支付了一笔不知金额的费用，外界也不知道这笔费用是用来干什么。Blue Origin早在2011年就开始了对BE-4发动机的研发，但一直没有向外界透露。直到2014年，Blue Origin和ULA开了一场联合发布会，正式宣布将携手开发BE-4，并在同年透露了ULA新一代运载火箭计划（Next Generation Launch System，NGLS），当时被默认为Atlas VI，大家都认为是Atlas V的接班人。2015年，此项目有了自己的名字——Vulcan（火神）。

一箭两心——初见终获相信

在Vulcan方案提出时，罕见地保留了两个版本（说其罕见，是因为很少有公司会推出两款发动机选择的运载火箭）。一是使用AR-1发动机的版本，二是使用BE-4发动机的版本。

图左为Aerojet Rocketdyne研发的AR-1发动机，图右为Blue Origin研发的BE-4发动机

但出人意料的是，ULA对着两款发动机版本的Vulcan的宣传完全不是一个程度。ULA向外发布的渲染图基本都是BE-4版本的Vulcan，而AR-1版本的渲染图就没有几张（ps：说不定心里已经选好BE-4作为Vulcan未来的一级发动机了哈哈哈）。

首先是使用AR-1的版本。AR-1可以认为是美国版的RD-181发动机，两台AR-1相当于一台RD-180（RD-181是RD-180的单燃烧室版本）。AR-1版本的初版Vulcan基本可以看作是Atlas V的换发版本，除了发动机换为AR-1外，芯级基本没有什么变化，同样是3.81m的直径，沿用Atlas V的制造工艺。

AR-1由著名美国火箭发动机生产厂商Aerojet Rocketdyne制造，是美国政府大力推行取代RD-180时代下的产物，且两台AR-1的推力要大于RD-180提供的推力。由于出生就是对标俄罗斯的RD-180/RD-181，所以设计也十分的“毛味”。

AR-1的公开数据如下：

真空推力：2500kN（~250t）

海平面推力：2224kN（~220t）

使用AR-1的好处是，发射配套设施的改动不需要太大，因为新的芯级与原Atlas V的一级契合度很高，从而降低了配套设施的改动成本。

第二个则是使用Blue Origin提供的BE-4的初代Vulcan。BE-4使用了当下新兴的甲烷作为发动机的燃料，让BE-4的商业竞争性获得了些许提高。BE-4版本的Vulcan则将一级改为了5.4m直径，5m系直径是当下新重型运载火箭最受欢迎的直径。

目前BE-4的具体数据我们还不得而知，确切数据只有海平面推力为2447kN（~250t）。

后来的结果人尽皆知，由于AR-1发动机的成本要远大于BE-4，进度也不如BE-4，加之其他技术方面的问题，ULA最终选择了BE-4作为Vulcan运载火箭的一级发动机，初见终“名门正娶”。

澎湃动力——固推再获升级

Vulcan在设计上还要求了继承Atlas V的高通用性和多运力阶段的选择。ULA选择不再使用Aerojet Rocketdyne的固体助推器，而是转向和Orbital ATK（现属Northrop Grumman旗下的Northrop Grumman Innovation Systems，NGIS）进行合作。之前Atlas V使用的是Aerojet Rocketdyne生产的AJ-60A固体助推器，而现在ULA的Vulcan将使用Northrop Grumman Innovation Systems研制的GEM-63XL固体助推器，该固体助推器拥有更高的性能，更低的价格。

在Vulcan的配置选项中，可以选择0，2，4，6四种的固体助推器配置，但没有像Atlas V一样的单数选项（Atlas V是0，1，2，3，4，5），这是因为GEM-63XL价格较低，而且GEM-63XL的自身推重比要比AJ-60A更大，如果像Atlas V一样使用不对称布置会更难控制火箭，增加设计复杂难度。

GEM-63XL固体助推器的部分性能如下：

长度：21.98m

直径：1.62m

整机质量：53034.02kg

燃料质量：47852.63kg

燃料组成：QDL-4，HTPB，19%AI

标准燃烧时间：87.3s

最大真空推力：210.13t

真空比冲：280.3s

是否拥有TVC（Thrust Vector Control System，推力矢量控制系统）：No

三雄争霸——老将再度出马

在招标开始时，Vulcan有两款上面级，第一款是计划早期使用的Centaur III，继续沿用Atlas V的上面级，二是开发一款更为先进的上面级，名为Advanced Cryogenic Evolved Stage，也就是我们所熟知的ACES，先进低温推进级。

但当时的ACES并没有确定其发动机，但有三个预选方案：

由Aerojet Rocketdyne提供的RL10系发动机（最后确认是RL10C-X）

由Blue Origin提供的BE-3U发动机

XCOR Aerospace和ULA联合研发的XR-8H21发动机

XCOR Aerospace和ULA联合研发的XR-5H25技术验证发动机试车画面

在当时三者引擎都不是现成产品，只有RL10C-X拥有浓厚的技术底蕴。RL10C-X比Atlas V同时期使用的RL10C-1的碳-碳延伸喷管更长，从而拥有比RL10C-1更高的推力和比冲。

RL10B系与RL10C系的发动机主体部分（也就是去掉灰色部分）是基本一致的，这也是Delta IV Heavy把RL10B-2-1换位RL10C-2的原因，其实并没有什么实质性的变化。RL10C-X虽然没有像RL10C-2那么高的比冲（RL10C-2的比冲可以达到465.5s），但是RL10C-X不需要延伸喷管，而且喷注器和燃烧室都是3D打印制造，从而降低了引擎复杂度，同时也减少了成本，但性能却比RL10C-1更强，这对于一款定位为“半商业”的运载火箭是非常友好的。

RL10C-X的部分性能数据如下（括号内为RL10C-1的数据，可以将两者进行对比）：

真空推力：105.9kN或10.8t（101.9kN或10.34t）

真空比冲：453.8s（449.7s）

出口直径：1.57m（1.45m）

喉管直径：0.127m

发动机循环方式：闭式燃料冷却膨胀循环

BE-3U是蓝色起源根据其BE-3发动机为技术基础开发的一款氢氧真空发动机。虽然都是属于BE-3系，但它们的循环方式截然不同。BE-3使用的是抽气循环，而BE-3U使用的是开式燃料膨胀循环。

目前BE-3U确切的已知信息只有最大推力：710kN（~72t）。

XCOR Aerospace和ULA联合研发的XR-8H21发动机是一款到现在也没有研发出来的发动机（因为当时RL10C-1-1是主跑，没打算研制出来），XR-8H21对标RL10C-1-1进行研发，并且是第一台将铝用作喷管主材料的发动机，这使得该发动机拥有较轻的干质量。

XR-8H21的部分性能数据如下：

真空推力：106.98kN（~10.9t）

真空比冲：460s

燃烧室压力：55.16bar

裸机质量（不包含TVC作动器）：226kg

膨胀比：150

节流范围：75%-100%

货比三家，三款发动机各有千秋。RL10C-1-1是Aerojet Rocketdyne的RL10家族“集大成之作”，自然保持了RL10系优良性能的传统优势，加上现代化的3D打印技术，可以使稍显昂贵的发动机进一步把价格降至商业可接受价格区间。BE-3U是Blue Origin开发的新一代真空发动机，虽然比冲较弱，但是它可以很好地避免RL10系发动机的一大问题——发动机推力低。RL10系使用的是闭式燃料膨胀循环，推力自然高不了，但是使用开式燃料膨胀循环的BE-3U推力可以达到RL10C-1-1的约7倍，可以大大减少二级入轨过程中的重力损耗，从而进一步提高Vulcan的LEO运载能力。但它也有问题，就是不能像RL10C-1-1一样提供高比冲和高精度，深空运力必然受到巨大损失。XR-8H21由XCOR Aerospace和ULA联合研发，自然在发动机价格上可以压的很低，更加符合商业化火箭的趋势。

2018年，ULA宣布RL10C-X正式获选Vulcan的二级发动机，老将再次带领新火箭走向深空（但前几发火神将会使用RL10C-1-1）……

初版拟议——宇宙神的后裔

在初版Vulcan拟议时，基础型Vulcan完全就是宇宙神的换皮，除了一级你一眼甚至都找不出区别来。关于这种结构设计在Atlas V那一篇专栏中已经介绍了，这里不再重复。后来，Centaur V的到来直接打开了现在我们看到的Vulcan。

它来了……

新星登场——发射联盟新梁

Vulcan是Delta IV和Atlas V的集大成之作，将两者化为一身，即将担当起ULA新一代的运载火箭顶梁柱。到2018年，Vulcan已经定型，即：5.4m直径与整流罩，BE-4、GEM-63XL、RL10C-1-1作为动力系统。接下来，我们会逐个介绍Vulcan的主要部分。

甲烷一级——尝试新推进剂

Vulcan的一级使用了液氧甲烷作为推进剂，这是ULA从未用过的推进剂，不过相比液氢，液态甲烷还是很好“伺候”的。Vulcan一级全长32.46m，直径5.4m（可能与实际有所不同），基于Delta IV Heavy的生产制造工艺进行改进和生产制造，并将储箱内部纹路改为了正交格栅（长方形格栅）。Vulcan的正交格栅（OrthogiRD）比Atlas V的等三角格栅（Isogrid）更省用料，强度更高，重量更小，制造周期更短，是新一代储箱加强结构的代表之作（Atlas V使用等三角格栅是当时研发火箭时认为的最优解，所以Atlas V才采用的等三角格栅）。

Vulcan一级采用液氧甲烷作为推进剂，因为液氧和甲烷的凝固点差距不大，所以共底储箱方案是一个很好的选择。Vulcan一级的上部是液氧，下部是甲烷，液氧通过甲烷储罐中央的液氧输送管线到达底部。

Vulcan一级尾部是发动机舱，安装了两台由Blue Origin提供的BE-4发动机。BE-4发动机是一款经过真空优化的发动机，所以其体积显得比较大，就像RS-25一样，虽然这会使海平面性相较更加拉跨，但也提供了相对更强的真空能力。BE-4发动机采用低室压设计，从而使发动机可以使用更便宜的材料与制造方案，降低引擎的生产成本。

正在进行测试的Vulcan发动机舱结构件，该构件由RUAG Aerospace提供

两台BE-4均使用独立推进剂输送管线，按照中心对称安装，两台引擎的液氧输送管线均在靠中心的位置，甲烷输送管线均在靠外的位置。

Vulcan尾部的管线标注，两个蓝色的瓶子装的就是两台BE-4发动机吹气启动所使用的氦气

Vulcan每个芯级都有6个GEM-36XL固体助推器挂点，从而提供不同的配置和运力选择。与Atlas V相同的是，Vulcan的芯级全部是通用化的，可以进行快速更改构型的操作，从而应对类似于Starliner OFT-2任务突然变为Lucy任务，导致火箭配置快速更改的情况。

但与Atlas V不同的是，由于Vulcan使用了共底储箱，氧化剂管线在储罐内部，一级航电系统也改为了集成在一级顶部（这一点在Atlas V的专栏中有专门的介绍），这样就使除了电气线路外，Vulcan一级完全是一个规规矩矩的圆筒。同时就代表着助推器挂点不会再受如此之多的限制，可以对称安装助推器了，这对于火箭飞行控制无疑是一个很好的消息。

还有一点是，火神的标志性涂装没了！！！

固体助推——摆脱倾斜头锥

GEM-63XL固体助推器摆脱了Atlas V的倾斜头锥设计（由于Atlas V独特的空气动力学原因导致如此），Atlas V在固体助推器燃烧完毕后还要带着飞一段时间才能扔掉，浪费了些许运力，但Vulcan的设计里没有这一点，固推燃烧完毕就接着按照次序分离，可以很好的发挥固体助推器的性能，不给火箭“拖后腿”。

登峰造极——半人马再升级

在取消了Centaur III之后，Centaur V荣登正位。原本的计划是先使用Centaur V作为Vulcan的二级，再到2024年开发出ACES作为Vulcan Heavy的二级，但到目前，由于Centaur V“过于强劲”，ACES的研发工作也便暂停了，何时启动还不得而知，所以目前是没有Vulcan Heavy这个构型的。Tory Bruno（ULA的CEO）说，Centaur V的性能已经逐渐逼近ACES，并且ACES的部分技术已经用在了Centaur V上，再经过升级后，Centaur V可以完全胜任ACES的工作，甚至有所提升。

Centaur III（图左）和没有带续航套件的Centaur V（图右）比较图

Centaur V沿用了Centaur III的工艺与技术，并有所提升。Centaur V将是世界上首个批量化使用氢氧RCS的火箭级，没错，它是一款所谓的“热气ACS”（Attitude Control System，姿态控制系统），就像Super Heavy上所使用的甲烷氧气ACS一样。

Centaur V将至少拥有7次的重复点火能力（在地面上的单机测试已经达到了~50次，远远超出设计指标），多个相近轨道一次发射就可以搞定。

Centaur V同样使用了氢氧共底储箱设计，并且其在轨续航能力大大增加，可以达到12小时。是Centaur III的1.5倍。氢氧上面级能在轨有效续航8小时本来就是一个非常惊人的技术，达到12小时更是一个技术新高峰，但Tory Bruno（ULA的CEO）表示，在接下来的几年里，Centaur V的在轨续航时间将提高到至少~230天以上（增加续航套件），完成一些之前“根本不可能”的任务，目前ULA表示，其最关键的材料技术已经得到了解决。

目前，ULA计划将Centaur V打造成一款“太空拖车”，通过月球或其他途径来制造液氢液氧从而不断提供动力。

目前，ULA已经成功制造出了第一个Centaur V储箱。

Centaur V已直径和质量数据如下（可能与实际有所不同）：

直径：5.4m

满载质量：54.43t

新黑科技——减重增航利器

Centaur V续航疯狂升级的关键都在一个十分关键的系统——IVF，即Integrated Vehicle Fluids，火箭级推进剂共用技术。这项技术是ULA在10年前就开始论证推进的技术，并表示将在几年后用到Centaur V上。IVF简单来讲就是将主储箱内的推进级最大化地进行利用，从而直接取消掉像Centaur III、DCSS上的肼类推进剂罐甚至可以取消掉加压用的COPV，只需要推进剂储箱内的少量推进剂就可以完全替代前面两者的作用。其次，氢氧还可以用来发电，减少火箭上绝大部分的锂电池，增加续航，增加推进剂利用率，增加运力，减少干质量，减少生产复杂度等等。

IVF的核心部件就是HE，即Heat Exchanger，热交换机。它将姿态控制系统、推进系统、电力系统、加压系统等集成到一起，使用液氢液氧来提供姿态控制、推力、电力等，从而取消大部分复杂的子系统，减轻质量的同时还可以提高这款上面级的性能与可靠性。

有关IVF可以额外开专栏进行介绍。

合作继续——还是RUAG

要顺带一提的是，Vulcan整流罩和载荷适配器仍然是由RUAG来提供，与Atlas V 5系是相同的。

多阶选择——服务多样乘客

Vulcan目前共有8款构型，分别时VC0S、VC0L、VC2S、VC2L、VC4S、VC4L、VC6S、VC6L。VC代表的是Vulcan Centaur，数字代表的是使用的固体助推器数目，可在0，2，4，6中进行选择。最后一个字母代表的是整流罩的长度，S即Short，短整流罩；L即Large，长整流罩，其中长整流罩可支持双星拼车发射甚至三星拼车发射。

Vulcan的四款长整流罩版本，第一行为GEO，第二行为GTO，第三行为LEO，第四行为ISS所在的轨道，第五行为200km SSO，第六行为MEO，第七行为TLI，/左边为kg，右边为lb

这很好的延续了Atlas V家族高通用化和多阶段选择的传统。不过要注意的是，无助推版本的Vulcan是不能加满推进剂起飞的，因为两台BE-4发动机的海平面推力只有500t，满载的话会导致“飞不起来”的场面。

传承工位——两箭共用一台

由于Atlas V还要使用SLC-41和SLC-3E这两个发射台，所以Vulcan必须和Atlas V“挤一挤”，一起用发射台。目前，SLC-41的发射台已经为Vulcan完成了改装，VIF（垂直整合设施）也已经为Vulcan做好了适应性改造，除此之外，Vulcan还可以使用SLC-41的SPOC（Spaceflight Processing Operations Center，航天器处理操作中心），从而让SLC-41可以同时准备两款火箭的发射工作，提高其发射效率。