本篇為“火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑噴注與燃燒不穩(wěn)定性”系列第二篇
首篇為“淺析液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑噴注霧化與燃燒不穩(wěn)定性（上）”
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1，脫胎自航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
1956年普惠公司開始為SR-71黑鳥偵察機(jī)研制以液氫為燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，這就是304計(jì)劃，后來(lái)盡管該計(jì)劃擱淺，但普惠公司從這個(gè)項(xiàng)目中掌握了液氫貯運(yùn)方法，并進(jìn)一步研制了液氫泵，普惠發(fā)現(xiàn)液氫可以像酒精、煤油等烴類燃料一樣泵送，這讓人們欣喜若狂。
上圖是304發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖和成品，1958年末，新型噴氣推進(jìn)J-58渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（下圖）的出現(xiàn)使304未能成功應(yīng)用在黑鳥高空偵察機(jī)上，但卻使得普惠公司掌握了液氫的儲(chǔ)存-運(yùn)輸以及液氫泵技術(shù)，大推力液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的大門洞開。可謂失之東隅收之桑榆
而在此前，通用動(dòng)力和洛克達(dá)因公司已經(jīng)合作開發(fā)了第一種以液氫為推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)，但是這種液氫發(fā)動(dòng)機(jī)不用燃料泵為發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑，而是依靠貯箱本身的壓力供氫（放在今天看來(lái)，氫箱自增壓仍十分危險(xiǎn)），因而輸出功率十分有限。
在ARPA和空軍工程人員的撮合下，通用動(dòng)力-普惠-美國(guó)空軍三方合作開發(fā)火箭上面級(jí)以及上面級(jí)LR115氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。
由304這樣的航空發(fā)動(dòng)機(jī)改裝研制LR115火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，放在今天看都似天方夜譚，然而普惠做到了
要完成一種可供使用的上面級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，需要解決許多困難，普惠公司聚集了大量技術(shù)力量來(lái)研制這一課題，盡管如此，由于一些小環(huán)節(jié)引起的蝴蝶效應(yīng)還是數(shù)次幾乎扼殺這個(gè)項(xiàng)目。
2，管束式燃燒室和噴管
像早期的304發(fā)動(dòng)機(jī)那樣，LR115采用膨脹循環(huán)方式輸送推進(jìn)劑，應(yīng)用氫的熱傳導(dǎo)特性使其氣化，靠這些氣體來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪泵，這樣就省去了燃?xì)獍l(fā)生器和預(yù)燃室，避免了發(fā)生與這些零件有關(guān)的種種問(wèn)題。
這樣做好是好，可是如何才能使液氫得到足夠的熱量傳導(dǎo)以為驅(qū)動(dòng)渦輪提供足夠大的動(dòng)力呢？
上圖為304發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氣熱交換器，它的核心由總長(zhǎng)7.24公里長(zhǎng)的管子構(gòu)成，這些管子封裝在直徑為1.83米的環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氫氣在這些長(zhǎng)管道里換熱氣化，顯然，這種復(fù)雜而沉重的設(shè)計(jì)不適用航天發(fā)動(dòng)機(jī)：一來(lái)航天發(fā)動(dòng)機(jī)每秒就要燒掉百公斤量級(jí)的氫（注意，這是質(zhì)量，換算成體積將更大），氫的流速十分快，304熱交換器根本來(lái)不及換熱；二來(lái)，如此長(zhǎng)的管路在高壓下可靠性極差，有一丁點(diǎn)的泄露都講導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)炸掉
304發(fā)動(dòng)機(jī)用總長(zhǎng)7.24km的管子制成直徑為1.83m的環(huán)形結(jié)構(gòu)熱交換器，這在RL115上顯然是不可行的，因此，普惠公司技術(shù)人員將燃燒室和噴管的冷卻以及熱傳導(dǎo)需求結(jié)合起來(lái)，研制了管束式燃燒室和噴管。
RL-115火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最終版本就是RL10A-1，RL10A-1它是RL10家族的基礎(chǔ)版本
3，雙流體同軸噴注器的誕生
雙流體同軸噴注器早在40年代的低溫氫氧火箭試驗(yàn)中就已采用，后來(lái)包括Aerojet公司，Pratt &Whitney Aircraft（普惠），Rocketdyne（洛克達(dá)因），NASA(LeRC，NASA劉易斯研究中心)，NASA(MSFC，NASA馬歇爾空間飛行中心)以及其他機(jī)構(gòu)對(duì)該型噴注器開展了長(zhǎng)時(shí)間的深度研究。1958年普惠在與NASA簽訂開發(fā)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)合同后不久，就設(shè)計(jì)出了簡(jiǎn)單的雙流體直流同軸噴注器。
什么是雙流體同軸噴注器呢？
兩個(gè)同圓心（同軸）的圓管，內(nèi)管噴射推進(jìn)劑A，外部環(huán)縫管道噴射經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)再生冷卻后氣化的推進(jìn)劑B。
對(duì)于RL-10這樣的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)而言，內(nèi)層管輸送液氧，外部環(huán)縫管輸送氫氣。
氣液雙流體同軸霧化的本質(zhì)是內(nèi)層圓柱射流在環(huán)縫氣流作用下失穩(wěn)、破碎以及液滴的二次霧化。在氣流作用下，射流的破碎模式及霧化特性與普通圓柱射流呈現(xiàn)出顯著的不同。
RL-10A-1發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器是在NASA劉易斯研究中心（LERC）噴注器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)改進(jìn)的，這種錐形的噴注器使液氧流入同心噴注器的一系列圓管中，液氫則通過(guò)噴注器上的小孔導(dǎo)入每個(gè)管的周圍進(jìn)行繞流。
雙流體同軸噴嘴包含直流與旋流式兩種噴嘴。旋流噴嘴在噴管側(cè)壁上刻有螺紋，推進(jìn)劑射流在軸向和周向速度下旋轉(zhuǎn)射出。原理與線膛炮炮管（下圖）相同炮管膛線，炮彈在炮管內(nèi)加速時(shí)膛線能夠加速炮彈自轉(zhuǎn)，自旋穩(wěn)定能夠使炮彈飛行過(guò)程中不至翻跟頭。但是炮彈旋轉(zhuǎn)占用了一部分動(dòng)能，現(xiàn)在坦克炮流行滑膛炮，射程和破甲能力更優(yōu)秀
RL-10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注盤采用氫發(fā)汗冷卻，噴注盤上共有8圈噴注孔，最內(nèi)圈8個(gè)呈均勻六邊形排布，向外輻射每圈增加6個(gè)，共216個(gè)同軸噴注孔。從這個(gè)角度我們能看到整個(gè)噴注盤板面并非平直的，而是呈一定曲率凹下去的。（似曾相識(shí)是不是？下下圖是V-2火箭“燃燒器杯”的空間布置，也是呈凹形分布）放大看，每個(gè)噴注孔都是一個(gè)同軸噴注單元，中心為氧化劑噴管，氧化劑噴管與噴注面齊平。
V-2導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)頂部噴注孔也呈一定曲率凹形分布，而且，從另一種角度看，同軸噴注單元是“燃燒器杯”的縮小版，這與F-1噴注盤隔板分區(qū)具有異曲同工之妙拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，也叫橡皮泥的數(shù)學(xué)。用拓?fù)涞难酃饪矗覀兛梢杂孟鹌つ嗄蟪鲆粋€(gè)噴注盤，然后對(duì)其拉伸變形，把隔板隔開的噴注面塑成一個(gè)“燃燒器杯”或一個(gè)同軸噴注單元，這樣就可以變成其他的噴注盤，所不同的是“洞（也就是噴注孔）”的個(gè)數(shù)差異罷了。
采用該型號(hào)噴注器的RL-10A-1發(fā)動(dòng)機(jī)在1961年通過(guò)飛行鑒定，并在1963年用于宇宙神/半人馬座發(fā)射，成為第一個(gè)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。由于在整個(gè)研制和飛行評(píng)定期間，沒(méi)有觀察到任何燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，該型噴注盤被大為追捧。在后來(lái)才發(fā)現(xiàn)，這全歸因于當(dāng)時(shí)高噴射氫溫（161K）。
在后來(lái)的方案（RL-10A-3）中，噴注器改為中心區(qū)氧化劑單元采用離心噴射方式。
RL-10參數(shù)表，我們可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)小家伙盡管推力不大（15000LB約6.8噸，其比沖卻達(dá)到了433秒），而F-1也才260多秒。美國(guó)人進(jìn)入了一個(gè)新的世界，欣喜之情溢于言表。于是時(shí)任NASA局長(zhǎng)格倫南大筆一揮，給我再來(lái)個(gè)68噸的
當(dāng)然，研制過(guò)程也并非任何問(wèn)題都沒(méi)有遇到，由于通過(guò)噴注器盤的液氫過(guò)冷以及燃燒室的高溫，使得早期的噴注器盤因?yàn)闇囟润E然變化產(chǎn)生嚴(yán)重變形。普惠用一個(gè)燒結(jié)的鐵絲網(wǎng)使氫流入多孔的噴注器盤中，對(duì)噴注器盤進(jìn)行輔助冷卻，解決了噴注器盤的變形問(wèn)題。
總體而言，沒(méi)有了燃燒不穩(wěn)定性的糾纏，整個(gè)開發(fā)進(jìn)度十分順利。RL-10家族迅速崛起。
RL-10不斷發(fā)展，演生出了一個(gè)十分龐大的家族。應(yīng)用了RL-10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的“半人馬座”上面級(jí)是世界上第一種氫氧推進(jìn)劑高能上面級(jí)，“半人馬座”上面級(jí)與“大力神”、“宇宙神”等基礎(chǔ)級(jí)組合使用，發(fā)射了大量月球、火星、金星、太陽(yáng)燈探測(cè)器以及中高軌衛(wèi)星。幾乎是深空探測(cè)的專用座駕。而RL-10也一直沿用到今天
現(xiàn)在，RL10A-4-2攜手俄羅斯的RD-180組成美國(guó)發(fā)射最為頻繁的火箭——宇宙神5，這戲劇性的一幕恐怕是兩款發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師做夢(mèng)都想不到的吧。更令人驚詫的是，這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)在噴注器上實(shí)現(xiàn)了契合，它們都采用同軸噴注器RD-180采用的同軸旋轉(zhuǎn)射流噴嘴構(gòu)件圖
4，J-2與土星五號(hào)
RL-10測(cè)試一經(jīng)成熟即被安裝于土星I號(hào)火箭的第二級(jí)S-IV上，S-IV一口氣安裝了了6臺(tái)RL-10。
土星I號(hào)SA-6任務(wù)中的S-IV上面級(jí)，有6臺(tái)RL10氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，注意在氫儲(chǔ)罐內(nèi)有3個(gè)圓形氦儲(chǔ)罐
由于RL-10推力有限，上一節(jié)提到的“半人馬座”一改再改，最終也只能安裝2臺(tái)RL-10。更大膽的土星1火箭SA-IV上面級(jí)安裝了6臺(tái)RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)，它們呈六邊形對(duì)稱結(jié)構(gòu)排布
SA-IV和土星1火箭一樣，最終只淪為一個(gè)科研發(fā)展項(xiàng)目，并未最終投入大規(guī)模應(yīng)用。和土星5相比，土星1還是小了很多很多。
在S-IV級(jí)段的SA-5到SA-10共6次測(cè)試發(fā)射中，S-IV級(jí)段以及已經(jīng)經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)令人滿意，它們能提供41噸的推力，可見(jiàn)此時(shí)的液氫技術(shù)已經(jīng)大大的成熟了。
盡管S-IV已經(jīng)非常棒了，但要上月球還是推力不足，于是NASA推出了一個(gè)全新的更大的發(fā)動(dòng)機(jī)，J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，其一臺(tái)的推力就超過(guò)了土星I號(hào)上使用的6臺(tái)RL-10的推力總和。
J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)表，表中第一行就是火箭的推力，達(dá)到了200000LB（磅），約合91噸，而當(dāng)時(shí)的RL-10才6.8噸，從RL-10到J-2推力整整大了一個(gè)數(shù)量級(jí)還要多，這就不是跨越，而是飛躍了 1962年的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線
洛克達(dá)因于1960年9月1日開始了J-2的開發(fā)工作，他們先利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬輔助進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。大部分的工作在公司的位于洛杉磯西北部的卡諾加帕克(Canoga Park)的廠房?jī)?nèi)進(jìn)行，而點(diǎn)火和其它測(cè)試則在靠近山區(qū)的圣蘇珊娜武器試驗(yàn)場(chǎng)(Santa Susana Field Laboratory)進(jìn)行。到了11月初，洛克達(dá)因公司的工程師們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一個(gè)全尺寸的噴注器，在11月11日對(duì)一個(gè)試驗(yàn)型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試。此外洛克達(dá)因公司還建造了一個(gè)巨大的真空室，來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在太空的燃燒狀況。
J-2用于土星1B火箭的S-IVB段，土星1B也是土星運(yùn)載火箭的過(guò)渡型號(hào)，但是S-IVB段被搬到了后來(lái)的土星五號(hào)上成為第三級(jí)。這是對(duì)J-2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和開發(fā)商洛克達(dá)因的肯定執(zhí)行阿波羅12號(hào)任務(wù)的土星五號(hào)火箭第三級(jí)，它滯留在地球軌道上。在2003年曾被業(yè)余天文愛(ài)好者誤認(rèn)為小行星
洛克達(dá)因工程師借鑒了RL-10的技術(shù)，卻唯獨(dú)沒(méi)有借鑒噴注盤冷卻技術(shù)，他們固執(zhí)地用了與自己設(shè)計(jì)的一款液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)相同的銅制平板噴注器，結(jié)果由于液氫的傳熱模式與煤油的大為不同，噴注盤表面推進(jìn)劑燃燒積聚了大量的熱，噴注器的溫度迅速升高，以至于銅都被燒化了。
為此，洛克達(dá)因不得不采用與RL-10相同的凹形噴注盤設(shè)計(jì)和氫發(fā)汗冷卻技術(shù)。
在上文我們看到RL-10使用的是一種多細(xì)孔的，凹型的網(wǎng)狀設(shè)計(jì)的，通過(guò)一個(gè)氣態(tài)氫的氣流來(lái)冷卻的噴注器，可是洛克達(dá)因工程師非常執(zhí)拗，就抱著自己煤油機(jī)平板噴注盤設(shè)計(jì)不放，于是問(wèn)題就卡在這了。直到1962年，在馬歇爾機(jī)構(gòu)工程師們堅(jiān)持要求下，洛克達(dá)因設(shè)計(jì)師去NASA劉易斯研究中心看了RL-10的樣品，才轉(zhuǎn)換噴注盤設(shè)計(jì)。采用了同軸凹形氫發(fā)汗噴注器后，燒毀的現(xiàn)象便再也沒(méi)有發(fā)射過(guò)。放大噴注盤結(jié)構(gòu)圖后，可以發(fā)現(xiàn)，液氧由右側(cè)主動(dòng)脈泵入，經(jīng)過(guò)歧管腔室分別流入同軸噴嘴內(nèi)管，再生冷卻的冷氫注入噴注盤中間夾層，并由噴注孔環(huán)縫流出，這種設(shè)計(jì)讓冷氫對(duì)噴注盤進(jìn)行降溫，避免熔毀。同時(shí)，換熱后的氫氣獲得了較高的氫溫，避免了燃燒不穩(wěn)定（氫溫越高，燃燒越穩(wěn)定，氫溫越低，燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象凸顯）。
噴注盤的問(wèn)題解決后，洛克達(dá)因進(jìn)展就步入了快車道，到了1961年底，鑒于J-2展現(xiàn)出的推力、穩(wěn)定性以及該項(xiàng)目的順利程度，NASA明確J-2發(fā)動(dòng)機(jī)不僅要為土星IB火箭的第二級(jí)提供動(dòng)力，而且還要為土星五號(hào)火箭的第二和第三級(jí)提供動(dòng)力。上圖為土星五號(hào)火箭第三級(jí)安裝的S-IVB段（上圖）。而土星五號(hào)的第二級(jí)上安裝了5臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)（下圖）。
5臺(tái)J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)連接在土星五號(hào)第二級(jí)底部的承力結(jié)構(gòu)上，中間1臺(tái)J-2固定，周圍4臺(tái)可在液壓作動(dòng)器的控制下自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以便控制火箭姿態(tài)和飛行方向。J-2的一項(xiàng)重要技術(shù)就是可以在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后自動(dòng)重啟。位于S-IVB的那臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)就被要求能點(diǎn)火兩次，第一次燃燒約兩分鐘，將阿波羅飛船送入地球軌道，然后熄火，待機(jī)組人員檢查飛船一切正常后，發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火6.5分鐘，將飛船加速到第二宇宙速度，飛向月球。
如今，在重返月球和深空探測(cè)計(jì)劃催動(dòng)下，新一代的J-2X被計(jì)劃用于美國(guó)新一代重型運(yùn)載火箭SLS（航天發(fā)射系統(tǒng)）二子級(jí)。近幾年J-2X不斷接受一系列苛刻的測(cè)試，在第一輪的試驗(yàn)中，僅僅4次點(diǎn)火就完成了全動(dòng)力測(cè)試并在第8次實(shí)現(xiàn)了500s全程點(diǎn)火，這比美國(guó)歷史上任何一次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目的進(jìn)展速度都要快，大大節(jié)省了SLS項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)
此后，包括Aerojet、普惠、洛克達(dá)因、劉易斯研究中心、馬歇爾空間飛行中心在內(nèi)的許多機(jī)構(gòu)對(duì)RL-10和J-2系列發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一系列深入測(cè)試（比如1966年J-2S抽氣循環(huán)測(cè)試），特別是50到70年代劉易斯實(shí)驗(yàn)室開展的了一系列氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性計(jì)劃，該計(jì)劃大多數(shù)是針對(duì)同軸噴注單元做的，對(duì)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的大量幾何與工作參數(shù)做了系統(tǒng)性改變（比如燃料/氧化劑噴射速度比，撞擊角，噴管縮進(jìn)長(zhǎng)度等待）。通過(guò)這些計(jì)劃，美國(guó)獲得了氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的基本知識(shí)和研制不穩(wěn)定預(yù)防措施。
在這里，我們不再詳細(xì)枚列其中的細(xì)節(jié)，我只想說(shuō)，任何一種循環(huán)方式、一種推進(jìn)劑組元、一種噴注方式……都需要一個(gè)國(guó)家以舉國(guó)之力進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究：F-1液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是這樣，J-2氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也是。這些試驗(yàn)考驗(yàn)著一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技人員的聰明才智，更考驗(yàn)著一個(gè)國(guó)家在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)這種基礎(chǔ)學(xué)科的基礎(chǔ)研究實(shí)力，這些試驗(yàn)更是人類宇航探索史上的進(jìn)步的階梯。
5，沒(méi)有最大，只有更大
和M-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，F(xiàn)-1和J-2可謂小巫見(jiàn)大巫。F-1研制過(guò)程中的燃燒不穩(wěn)定給人折磨如此之深，那M-1呢？
在上述測(cè)試和研究工作的基礎(chǔ)上，NASA劉易斯研究中心與Aerojet液體火箭公司合作研制了M-1發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力達(dá)到了6670kN（約合680噸，比J-2又大了一個(gè)數(shù)量級(jí)），這是美國(guó)有史以來(lái)試驗(yàn)過(guò)的最大的氫氧推力室。
上圖是M-1發(fā)動(dòng)機(jī)成品，慶幸的是，此時(shí)的NASA和幾大火箭發(fā)動(dòng)機(jī)承包商對(duì)燃燒不穩(wěn)定的發(fā)生機(jī)理和控制已經(jīng)有了較深的研究，比如加裝隔板、調(diào)制噴嘴孔徑以避免推進(jìn)劑過(guò)早地互相干擾、設(shè)計(jì)氫發(fā)汗冷卻的凹形噴注面、采用雙流體同軸噴嘴……總之，有了F-1，RL-10以及J-2這些發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)鋪墊，依靠經(jīng)驗(yàn)主義摸著石頭過(guò)河的時(shí)代一去不復(fù)返了
盡管推力室直徑達(dá)到了原來(lái)的2倍多，但是其噴注器還是沿用了J-2噴注單元的技術(shù)。
看看這同軸噴注孔，看著這隔板，簡(jiǎn)直是F-1噴注盤和RL-10的雜交子一代
按照我們前面的分析，既然加了這么“厚重”的隔板，想必是遇到了非常距離的燃燒不穩(wěn)定吧？
你猜對(duì)了。還記得我們?cè)谏掀谡f(shuō)過(guò)的那句話嗎？
“火箭這玩意，造小了容易，造大了可就麻煩了。大型火箭和大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并不是小版本的簡(jiǎn)單放大。這里面關(guān)鍵問(wèn)題之一就是由振動(dòng)帶來(lái)的不穩(wěn)定（當(dāng)結(jié)構(gòu)增大時(shí)，結(jié)構(gòu)基頻變低，此時(shí)系統(tǒng)間產(chǎn)生耦合共振的可能性變大）。”
只不過(guò)，這一次的挑戰(zhàn)是全新的：噴射氫溫。
不論是采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)還是采用分級(jí)燃燒循環(huán)的航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME），都采用了再生冷卻技術(shù)將噴嘴和燃燒室制成中空結(jié)構(gòu)。液態(tài)氫流經(jīng)噴管和燃燒室側(cè)壁帶走大量的熱，與此同時(shí)液態(tài)氫迅速升溫氣化，最終注入噴注盤
6，氫溫帶來(lái)的不穩(wěn)定困難——縈繞至今
在RL10A的研制和飛行評(píng)定試驗(yàn)期間，得益于161K（零下110攝氏度）的高噴射氫溫，沒(méi)有觀察到燃燒不穩(wěn)定性。
在1960年前的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研過(guò)程中，為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)狀態(tài)液氫的溫度，一開始的氫溫極低（氫溫越低，氫密度越大，流量越高，推力也就越大），所有的環(huán)形集液腔噴注器都產(chǎn)生了自發(fā)的高頻燃燒不穩(wěn)定性，大家認(rèn)識(shí)到，這是個(gè)及其棘手的問(wèn)題，好在后面改換了發(fā)汗冷卻的同軸噴注器，不穩(wěn)定振動(dòng)量顯著降低。
氫氧化學(xué)發(fā)光檢測(cè)器拍攝到的“液氧-氣氫同軸射流”照片，中間的低溫液氧射流在外部高溫氫氣射流的剪切作用下迅速破碎霧化 不同的氫溫下，氫氣流速、流率、密度都有著相當(dāng)大的差異，為了把這些參數(shù)整合起來(lái)考慮流體力學(xué)中引入了一系列無(wú)量綱參數(shù)，上圖當(dāng)中韋伯?dāng)?shù)We和流量比J就是其中之一。不同無(wú)量綱參數(shù)下射流破碎-霧化模式完全不同，因而燃燒也有著巨大差異
在M-1發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程中，測(cè)試了不同氫溫下的燃燒不穩(wěn)定性。在降低噴射氫溫的測(cè)試過(guò)程中突然出現(xiàn)了不穩(wěn)定，也就是說(shuō)，存在一個(gè)氫氣溫度臨界點(diǎn)，超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)便會(huì)立即引發(fā)不穩(wěn)定燃燒。
當(dāng)從不穩(wěn)定條件開始逐步增加氫溫時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在較高的氫溫下才逐漸恢復(fù)穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。
好吧，既然有不穩(wěn)定，那么加隔板吧！
燃鵝令人絕望的事情出現(xiàn)了，工程師嘗盡不同的隔板，并沒(méi)有改變這個(gè)氫溫臨界點(diǎn)。
測(cè)試之前的M-1發(fā)動(dòng)機(jī)噴注盤，這么一個(gè)千瘡百孔的東西，在工作時(shí)需要承受數(shù)千攝氏度的高溫，數(shù)十個(gè)大氣壓的壓力，持續(xù)工作數(shù)分鐘，還要保證內(nèi)部的孔洞及管路不發(fā)生堵塞。 在如此苛刻的條件下，讓它每秒鐘燒掉數(shù)百公斤推進(jìn)劑，連個(gè)嗝都不能打。其結(jié)果就是上圖這樣，噴注盤被撕得粉碎，出現(xiàn)大面積熔毀。從這個(gè)角度也能窺測(cè)燃燒時(shí)橫向壓力波之劇烈
NASA提出M-1這種巨型氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是為了制造比“土星5”號(hào)更大的NOVA火箭。NOVA一級(jí)就安裝了8臺(tái)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)裝有4臺(tái)M-1。相比之下，“土星5”號(hào)的一級(jí)安裝了5臺(tái)F-1，二級(jí)使用了5臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)。
小巫見(jiàn)大巫是不是？
NOVA可以直接將人類發(fā)射到月球。而土星五號(hào)火箭只能將人類送入近地軌道，然后再利用地球引力加速進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道才能奔向月球，NOVA的綜合成本卻比“土星五號(hào)”高出不止一個(gè)量級(jí)。預(yù)算壓力之下，美國(guó)人選擇了后者。受波及的M-1也隨之下馬。對(duì)比不同的登月方式，請(qǐng)點(diǎn)擊瀏覽往期文章“敢問(wèn)登月之路在何方——淺析四類登月方案”
7，航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)——集大成者
“阿波羅”計(jì)劃之后，美國(guó)人對(duì)月球的興趣逐漸消退，此時(shí)蘇聯(lián)人正如火如荼地開展“禮炮”系列空間站的建設(shè)。
不甘示弱的尼克松政府開始撥款支持“可重復(fù)使用載具”（RLV）的開發(fā)。這就是后來(lái)的航天飛機(jī)。
從簽訂合同到批量生產(chǎn)，洛克達(dá)因用了13年時(shí)間走完這慢慢長(zhǎng)路。該型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制計(jì)劃大致分三個(gè)階段：
第一階段從1972年簽訂合同到1976年關(guān)鍵設(shè)計(jì)審查階段截止，共歷時(shí)四年。這一期間洛克達(dá)因制定了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并用3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。到了1976年，樣機(jī)已經(jīng)能夠在額定工況正常點(diǎn)火工作并安全開關(guān)機(jī)。
第二階段從1976年開始到1982年截止，在6年的時(shí)間里洛克達(dá)因生產(chǎn)了14臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中的1臺(tái)用作研制性試驗(yàn)，3臺(tái)進(jìn)行主系統(tǒng)試驗(yàn)，3臺(tái)用作首次載人飛行，剩余7臺(tái)為產(chǎn)品型，用在第三階段進(jìn)行提高推力、使用壽命的技術(shù)革新。
第三階段（1982年-1985年）中，SSME已經(jīng)接近成熟并用于1981年的第一次飛行，第三階段的任務(wù)除了量產(chǎn)，洛克達(dá)因的另一主要任務(wù)就是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行維護(hù)和翻修。
值得注意的是，航天飛機(jī)也采用了同軸噴注器。我們從下面圖中就可以清晰看到：
從噴管向內(nèi)望去，銀白色的就是噴注盤鏡頭再拉近，我們能夠看清噴注盤上輻射狀排列的噴注孔鏡頭拉倒最近，同軸噴注孔便映入眼簾
美國(guó)的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性歷史基本上可以用同軸噴注單元來(lái)代表，這種噴注器在偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)（比如偏心、不同軸）、低噴射氫溫下工作時(shí)總是出現(xiàn)不穩(wěn)定。所有飛行發(fā)動(dòng)機(jī)的噴注器均采用同軸噴注單元與氫發(fā)汗冷卻面板，不過(guò)它們的噴射氫溫都設(shè)計(jì)高于110K。
留言回復(fù)：關(guān)于“火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑噴注與燃燒不穩(wěn)定性（下）”，其實(shí)已經(jīng)成稿了，初稿一不小心涉及了比較多的物理概念（比如說(shuō)K-H不穩(wěn)定性，R-T不穩(wěn)定性和R-M不穩(wěn)定性，湍流燃燒以及斜壓作用），正在進(jìn)一步修改，敬請(qǐng)期待吧。
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