二战后期，随着德国濒临战败，美国与苏联竞相打起了德国火箭的主意。在前一篇文章中笔者提到，精明的美国人快苏联人一步，抢先把V-2导弹的整件、部件及顶尖工程师带回美国，给苏联留下的只剩导弹尾翼、燃烧室等火箭零部件。不过，苏联人很幸运，与火箭相关的试验台、控制台、操纵装置、机床和其他设备，美国人没来得及运走。占领德国以后，为了尽快复原德国的V-2导弹，苏联人想到了一个巧妙的点子——“面包换技术”，虽然美国带走了重要的火箭设计师，但是原来在火箭工厂内工作的很多一线熟练工人没有被带走，苏联利用粮食将这些人招收过来，帮助复原V-2导弹。“面包换技术”一经实施就奏效了，“流落在民间”的德国专家被苏联组织起来，开始了V-2导弹的复原工作。1947年，在科罗廖夫的领导下基本完成了V-2导弹技术文件复原编写工作，并研制出苏联的R-1导弹（苏联版V-2）。R-1的发动机RD-100几乎就是V-2火箭发动机的翻版，外观基本与V-2的火箭发动机一样，使用的推进剂是液氧和酒精，当然RD-101、RD-103、RD-104都是使用这样的推进剂组合，直到RD-105火箭发动机才使用液氧/煤油推进剂。RD-100的涡轮泵的动力仍然来自于双氧水催化反应，后面发展的RD-107与RD-108火箭发动机也继承了这一方式。R-1的射程300km左右，与V-2相当。当然苏联不会仅仅满足300km的射程，因为这样的距离还无法打击美国本土。就在德国专家帮助复原V-2的同时，苏联人自己也在研发射程更远导弹R-2，毕竟敌人设计的导弹用起来不放心。R-2导弹的射程是V-2的两倍，采用的是RD-101火箭发动机，其基本设计思路还是与V-2火箭发动机类似，不过RD-101的结构更紧凑，与复原的RD-100相比，其高度降低，质量减小，但是推力增加，并且使用的酒精推进剂的浓度提高到92%。在RD-101中的蒸汽发生器也发生变化，与美国的A-7红石火箭发动机类似，利用固体催化剂分解双氧水，驱动涡轮泵。左侧RD-100，右侧RD-101 从外观上看，二者的设计基本与V-2火箭发动机相似，包括推力室上部的燃烧杯设计，喷口的再生冷却思路等，但RD-101的结构设计更加紧凑虽然R-2导弹射程已经增加，但是离真正意义上的洲际弹道还是差得很远。此时，二战刚结束不久，苏联并不拥有像美国那样的庞大的远程轰炸机群，所以要想制衡美国，只能加紧研制射程更远的导弹。从技术角度来看，德国人开创性设计的V-2导弹可以看做是现代弹道导弹和运载火箭的鼻祖。但是，德国人还没有来得及设计射程更远的导弹就战败了。后来者苏联人就“义无反顾”的接过这个重任。在吸取之前设计R系列导弹的经验基础之上，苏联终于推出了世界上第一枚洲际弹道导弹R-7。正是R-7弹道弹道和运载火箭家族将人类带入航天时代。随后的人类的第一颗人造地球卫星、第一位宇航员进入太空、第一次月球探测、第一次行星探测都与R-7导弹家族密不可分。从1953年开始，科罗廖夫的整个团队将所有精力投入到R-7导弹的研制上。经过3年多的时间，在解决各种技术难题之后，射程远达8000km的R-7被研制出来。R-7洲际导弹全长34米，芯级直径3.02米（这里指的是芯级的最大直径），重280吨。R-7配备5台火箭发动机，芯级一台（RD-108），四个助推器各一台（RD-107），每台发动机有四个燃烧室在经历了最初的两次验射失败后，1957年8月21日，苏联第三次试射R-7导弹，成功地命中6000km外的预订海域，这次试射成功也就标志着苏联成为了最早掌握洲际弹道导弹技术的国家。R-7导弹成功试射后，苏联的塔斯社抑制不住兴奋，向全世界宣布了这个消息，并特别说明“可向世界上任何地方发射”。听到这一消息后的美国，立即被一派惊慌恐怖的气氛所笼罩。从外形上来看，R-7导弹与之前的R-1和R-2区别甚大。R-7导弹的最大特征是其侧面分别设置有四个外挂式助推器。根据相关资料显示，每台助推器长度为19米，最大直径为3米。而且助推器的形状是类似圆锥状，越往上越收敛，逐渐收缩成一个倾斜的尖锥，尖锥的顶角为10°。在R-7的底部，可以看到5台发动机，每一台发动机有4个主燃烧室。芯级发动机的四周有四个小喷管，小喷管是调整火箭空中姿态的游动发动机（转向单元）。同样在助推器的发动机上也有游动发动机，不过每个助推器上只配备两个。左侧助推器的发动机配置两台游动发动机，右侧芯级的发动机配置四台游动发动机，注意：助推器下部的直径比芯级下部大在R-7系列火箭中的助推器使用的是RD-107发动机，芯级使用的是RD-108。实际上这两种类型的火箭发动机基本性能非常接近，大部分RD-108发动机单元与RD-107发动机单元可集成在一起，从而降低了开发和精修发动机的成本。二者最大的区别是RD-108多了另外两台用以调整火箭姿态的游动发动机。相比于V-2导弹采用发动机下面的燃气舵调整姿态的方式，R-7利用游动发动机在达到相同效果的同时，姿态的控制能力更强。左侧RD-107，右侧RD-108 二者仍是通过从推力室底部注入燃料，采用再生冷却的思路，发动机由四个燃烧室，一个涡轮泵单元，一个蒸汽发生器，一个用于为火箭贮箱增压的氮气蒸发器和一组自动化单元组成RD-107火箭发动机的一项重要创新是能够在燃料和氧化剂之间使用可变的混合比，如果没有这种推进剂消耗控制方式，每个助推器将以不同的速度消耗氧气和燃料，在燃烧结束时，这可能残余多达数十吨的未燃烧推进剂，因此产生的质量不平衡，将对火箭的结构产生巨大的影响。RD-107采用的是液氧/煤油推进剂，这种推进剂组合在RD-105上就开始使用。该型发动机的燃烧室压力为5.88Mpa，海平面推力高达813.98千牛，真空推力超过了1000千牛。为达到给发动机冷却的效果，在RD-107的发动机燃烧室中，煤油是紧贴着燃烧室内壁流下来的，形成了一层液膜，这样可以使燃烧室内壁免遭高温燃气的烧损。传统意义上的二级运载火箭，先是一级点火，然后一级与二级分离，再是二级火箭点火推进。但是，R-7的5台发动机（芯级1台，四个助推器各1台）是在地面上同时点火，只不过芯级推进剂贮箱更大，携带的推进剂量更多，所以当助推器燃料耗尽后，与芯级分离时，芯级的发动机还在工作。为什么要如此设计？因为在当时的技术条件下多级火箭在高空或真空点火面临可靠性问题，因此所有发动机都在地面点火。但没过多久，苏联人就解决了高空点火不可靠问题。1961年，加加林乘坐东方一号宇宙飞船从拜科努尔航天发射场起飞，进入太空。此时的火箭是在R-7上面增加了一级，新增加的一级里面使用的是RD-0109发动机，该发动机使用的是液氧/煤油推进剂，可以在真空中点火启动。增加的一级与R-7火箭的基础级之间由钢制桁架连接，钢制桁架的作用是让上面级点火的时候，火焰更好向四周排开。不然，如果直接喷射到下面的基础级之上，可能把基础级烧穿，引爆里面的残余推进剂，造成灾难。作为人类使用最多的运载火箭，R-7导弹、卫星号火箭、东方号火箭、闪电号火箭，都是用R-7系列火箭的基础级，再根据任务不同，配置不同的上面级。继承自V-2 RD-107火箭发动机涡轮泵具有更强的功率RD-107火箭发动机的涡轮泵的动力来源与V-2火箭类似，在蒸汽发生器中双氧水被催化产生蒸汽动力，驱动涡轮转动，从贮箱中泵出推进器进入燃烧室。经过前期对V-2的仿制，苏联人同样和美国人一样放弃了高猛酸钾溶液作为催化剂的思路（红石火箭在蒸汽发生器内填充被高锰盐浸渍过的耐高温的碳化硅颗粒），在为R-7研制的RD-107/RD-108上采用了固体催化剂，虽然本质上仍然是一台瓦尔特透平（蒸汽泵压循环装置），但是RD-107/108的涡轮泵在结构上比V-2有了更多的优化，具有更强的功率。除了驱动氧化剂泵和燃料泵以外，还带有齿轮传动的两台副泵，其中一台副泵专门用于为蒸汽发生器提供双氧水，再也不必像V-2那样在双氧水贮箱内采用氮气挤压的输送方式。RD-107火箭发动机的涡轮泵系统
橙色部分为煤油泵，图中间青色部分为液氧泵，右侧棕色部分为热交换器（加热液氮，其热源来自蒸汽发生器中的气体），最左侧上部为双氧水副泵，下部为液氮副泵。与V-2相比，RD-107的涡轮泵既有继承，又有创新，原理相似，功率更猛同时，R-7通过加热液氮来给推进剂贮箱增压，液氮贮存在芯级和助推器底部的环形贮箱内，向热交换器输送液氮实际上是靠两台副泵中的另一台（如上图所示）。RD-107/108中使用的煤油推进剂具有一个非常良好的特性，其密度和液氧相差不大，因此可以比较简单地布置同轴涡轮泵，即氧化剂泵和燃料泵由同一根轴连接，以相同的转速旋转。RD-107/108和美国的MA推进系统都采用了这种设计。不过美国人将系统做的更复杂，放弃了V-2上的两泵背靠背的直接驱动布局，涡轮通过一组减速齿轮同主泵驱动轴相连，这种方案被称之为涡轮偏置方案（见下图）。二战之后，很快不同传动布局被开发出来，用以适应不同的推进剂组合和工作参数，主要有直接驱动、齿轮驱动、双轴驱动三种类型。V-2的涡轮泵就属于直接驱动方案，但是这种方案中的液氧泵和燃料泵相距过近，需要重点考虑密封问题，一旦出现推进剂泄露，可能引发爆炸。齿轮驱动则有涡轮中置、涡轮偏置和单泵齿轮传动三种类型，它们的区别在于涡轮和驱动轴及主泵的机械关系。其中，单泵涡轮传动意味着涡轮直接驱动两个主泵中的一个，因此涡轮与该泵的转速是相同的，另一个泵则需要齿轮减速才能达到最佳工作转速。双轴驱动又被称为燃气直接驱动，其关键是由两个独立的动力涡轮来分别驱动主泵，这意味着氧化剂泵和燃料泵都可以工作在最佳转速下，所以常用于两种推进剂密度差别比较大的情形，例如氢氧低温推进剂。为了达到此目的，可以分别设立两个独立的燃气发生器，如果希望简化结构则可以让燃气分流，或者让燃气依次流经每个涡轮。在争夺德国火箭技术的过程中，苏联人的确落后了，但这并没有拉开美苏的火箭技术差距。相反苏联人通过严密的测试，在吸收德国V-2导弹技术的基础之上，先于美国人研制出R-7洲际弹道导弹。此举不仅给美国带来震惊，而且将人类推向了航天时代，美苏的太空竞赛也由此拉开帷幕。
火箭发动机，人类玩火的极致（一）——德国A系列火箭
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