太空梭主發動機

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更新時間: 2013-12-12

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太空梭主發動機(Space Shuttle Main Engine,SSME,以下簡稱「主發動機」)是普惠公司的洛克達因分部為太空梭設計的主發動機,在公司內部也稱為RS-24。

太空梭主發動機發動機試車

太空梭主發動機(Space Shuttle Main Engine,SSME,以下簡稱「主發動機」)是普惠公司的洛克達因分部為太空梭設計的主發動機,在公司內部也稱為RS-24。

太空梭主發動機 -簡介

主發動機是一種非常複雜的動力裝置,以燃料箱中的液氫液氧為推進劑。每台發動機在起飛時能提供大約1.8MN(400,000磅力)的推力。太空梭每次飛行歸來后,發動機都將被卸下交給太空梭主發動機加工廠(SSMEPF)進行維護檢測,替換一些部件。

主發動機能夠在極端溫度工作,氫燃料的儲藏溫度度-253°C(-423°F),而燃燒室的溫度可達3,300°C(6,000°F),高於鐵的沸點。將主發動機的燃料泵用於排水,一個家用游泳池的水可在25秒內排盡。

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主發動機的動作流程是:附加燃料箱中的推進劑通過臍帶管進入太空梭,然後進入三條并行管道,通過工作泵供給給燃燒室。

太空梭主發動機 -氧化劑系統
太空梭主發動機SSME的主要部件

低壓氧化劑渦輪泵(LPOTP)是一個靠液氧帶動的六級渦輪驅動的軸流泵,尺寸為450mm×450mm。轉速約5,150rpm,它將液氧的壓力從0.7MPa增加到2.9MPa,加壓后的液氧供給到高壓氧化劑渦輪泵(HPOTP),從而保證在高壓狀態下工作的HPOTP不會產生空穴。

HPOTP由兩個連接在同一主軸的單級離心泵(一個主泵,一個預燃泵)組成,由一台兩級高溫渦輪驅動,尺寸為600mm×900mm,由法蘭片連接在高溫歧管上,轉速約28,120rpm,主泵將液氧壓力從2.9MPa增加到30MPa。加壓液氧被分成幾路,一路用來驅動LPOTP,其餘大部分液氧流向燃燒室。剩餘一小部分送往液氧熱交換機,控制這部分液氧的是一種「防溢閥」,當熱量將液氧轉化為氣體時,閥門才打開。一部分氧氣通過專用管道進入附加燃料箱,擠壓液氧;另一部分氧氣進入預燃泵,驅動預燃泵將液氧壓力從30MPa增加到51MPa。

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HPOTP的渦輪和泵裝在同一轉軸上。渦輪中的高溫燃料氣與主泵里的液氧混合可能導致事故,為了防止事故發生,渦輪與泵由充滿氦氣的空穴隔開,氦氣氣壓降低將觸發發動機自動停車。

太空梭主發動機 -氫燃料系統

低壓燃料渦輪泵(LPFTP)是一個靠氫氣帶動的二級渦輪驅動的軸流泵,尺寸450mm×600mm,轉速約16,185rpm,它將液氫的壓力從0.2MPa增加到1.9MPa,並將之供給高壓燃料渦輪泵(HPFTP)。渦輪泵安裝在與LPOTP相對的位置上。

HPFTP是一台三級離心泵,由一台兩級高溫渦輪驅動,尺寸為550mm×1100mm,由法蘭片連接在高溫歧管上,轉速約35,360rpm,它將液氫的壓力從1.9MPa增加到45MPa。高壓液氫流過主閥門後分為三路:一路流經燃燒室外殼用以冷卻,一部分氫氣流回LPFTP,驅動LPFTP的渦輪,一小部分氫氣被送回附加燃料箱中給液氫箱增壓,其餘氫氣注入燃燒室;第二路通過噴嘴后氣化加入第三路,隨後送入預燃室。

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為避免LPFTP到HPFTP的管道周圍生成液態空氣,設計師採取了必要的隔熱措施。

太空梭主發動機 -預燃室和推力控制系統
太空梭主發動機軌道器加工廠(OPF)中正在安裝一號主發動機

氧化劑和燃料的預燃室焊接在高溫歧管上。電弧點火器位於噴射器的中央,這個雙備份點火器由發動機控制器控制,在發動機啟動后依次工作來點燃每個預燃室,大約三秒后,燃燒室能自我為繼,點火器關閉。預燃室產生的高溫富燃料氣體用以驅動高壓渦輪泵。氧化劑的預燃輪和預燃泵;燃料的預燃室的高溫氣驅動HPFTP的渦輪。

HPOTP和HPFTP渦輪的轉速依賴於預燃室中控制氧化劑流量的閥門的開啟程度,發動機控制器控制通過控制閥門開閉來達到控制推力的目的。氧化劑和燃料預燃室閥門共同作用,產生6:1的推進劑混合比。

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太空梭主發動機 -冷卻控制系統

冷卻劑控制閥安裝在燃燒室的冷卻旁路管上,發動機啟動前,閥門都是完全開啟的。在發動機運轉過程中,閥門可呈100%開啟以實現100%至109%的冷卻效果;或呈66.4%至100%開啟,以實現65%至100%的冷卻效果。

太空梭主發動機 -燃燒室和噴嘴

主發動機燃燒室的推進劑是富燃料型的,氫氣和液氧通過高溫氣體歧管冷卻迴路注入燃燒室。燃燒室和噴嘴的內壁靠外壁的管壁式冷卻管道中的液氫來冷卻。

鐘罩形噴嘴依靠擰接螺栓連接在主燃燒室下。噴嘴長2.9m(113英尺),出口直徑2.4m(94英尺)。噴嘴前端的支撐環就是發動機擋熱板的連接點。由於太空梭在發射,在軌和返回時發動機都暴露在外界,因此有必要對之進行隔熱處理,隔熱層由四層金屬棉和包在外層的金屬箔和金屬網組成。

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SSME的膨脹比達到了罕見的77:1,足夠大的噴嘴可以承受能引起控制失衡和造成航天器機械損傷的流動分離問題。洛克達因的工程師降低了噴嘴出口處的外壁傾角,這將出口邊緣的壓力增加到4.6psi至5.7psi,而中間部分壓力只有2psi,由此解決了流動分離問題。

太空梭主發動機 -主閥門

主發動機上共五個主閥門,分別位於氧化劑預燃室,燃料預燃室,氧化劑管,燃料管和燃燒室冷卻劑管。閥門都是壓力開啟,並通過控制器控制的。在氦氣保護系統出現壓力異常時,閥門會完全關閉。

氧化劑和燃料的放泄閥是在發動機停車后開啟的,剩餘的液氫液氧由此被排泄到航天器外。排盡后閥門重新關閉。

太空梭主發動機 -萬向節

萬向軸承尺寸為290mm×360mm,是連接發動機和航天器的組件。

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低壓液氧的燃料渦輪泵相對安裝在機尾的受力結構上。從低壓泵到高壓泵的管道採用柔性波紋管,能讓低壓泵在發動機萬向轉動調整推力矢量時保持固定。

太空梭主發動機 -SSME推力數據

SSME的推力可以在67%到109%範圍內調節,目前的發射都採用104.5%推力,而106%至109%推力用於「太空梭異常中止模式」。以下是具體推力值,前者是海平面值,後者是真空值:
100%推力:1670kN/2090kN(375,000磅力/470,000磅力)
104.5%推力:1750kN/2170kN(393,800磅力/488,800磅力)
109%推力:1860kN/2280kN(417,300磅力/513,250磅力)

其中,100%推力並不代表最大推力值,而是額定值,是在SSME研發期間計算得出的。之後的研究表明主發動機在超過預設推力下也能安全工作。為了維持原來的預設標準不變,也便於以後推力比較,特意將原預設值規定為100%推力,此後如果推力增大,就不需要修改原值。

SSME的推力會影響其可靠性,有研究表明當發動機推力超過104.5%時,對可靠性有明顯影響。因此超過100%的推力模式較少使用。

太空梭主發動機 -后太空梭時代的應用
太空梭主發動機一台主發動機

原先的設想是在太空梭退役后,把SSME用在無人的戰神五號第一級和載人的戰神一號第二級上。雖然看起來可行,然而實際操作有一些缺點:
1.發動機將被永久固定在火箭體上,因而發動機不可重用。
2.發動機無法做試飛前試車。
3.將目前的地面啟動型主發動機改造成適用於戰神一號的高空啟動型需要大筆資金且很費時。

綜合考慮,戰神一號第二級將使用一台J-2X發動機,戰神五號將使用六台改進后的RS-68發動機,因此SSME也將隨太空梭一起完全退役。

太空梭主發動機 -技術參數

推力:1670kN/2090kN(375,000磅力/470,000磅力)
真空比沖:452.5s
推重比:73.3:1
噴口面積:93平方英寸
噴嘴面積:50.265平方英尺
室壓:2747psi(100%推力)
出口壓力:1.049psi(額定值)
燃燒時間:520s

太空梭主發動機 -參考資料
[1] 新浪航天科技 http://mil.news.sina.com.cn/nz/sts-124/index.shtml

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