游機(jī)：運(yùn)載火箭姿態(tài)調(diào)節(jié)器

近年來(lái)，運(yùn)載火箭使用的游機(jī)以及火箭在飛行過(guò)程中多次因?yàn)橛螜C(jī)導(dǎo)致發(fā)射失敗，造成星箭俱毀。因此，提高游機(jī)的可靠性，滿足對(duì)航天發(fā)射任務(wù)的要求十分重要。那么，火箭為什么需要游機(jī)？這種發(fā)動(dòng)機(jī)的前景又如何呢？

早期火箭的必備動(dòng)力

游機(jī)是游動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)稱，它的名字來(lái)自游標(biāo)卡尺。游標(biāo)卡尺由主尺和游標(biāo)組成，通過(guò)游標(biāo)能更精確地測(cè)量尺寸。同理，通過(guò)游機(jī)可以更精確地控制火箭推力。所以，游機(jī)是一種用于火箭姿態(tài)控制和末速修正的小推力液體發(fā)動(dòng)機(jī)，目的是更精確地控制火箭飛行姿態(tài)和速度。

在人類航天事業(yè)發(fā)展初期，火箭屬于新鮮事物，各項(xiàng)技術(shù)也不成熟，液體主發(fā)動(dòng)機(jī)連高空二次點(diǎn)火都是技術(shù)難題，更不要說(shuō)精準(zhǔn)控制火箭推力和搖擺角度。為解決這一問(wèn)題，科研人員效仿游標(biāo)卡尺的思路，研制了小推力液體發(fā)動(dòng)機(jī)，用于解決火箭飛行速度和姿態(tài)控制問(wèn)題。

從蘇聯(lián)大名鼎鼎的R-7系列火箭，到今天仍然活躍在俄羅斯航天發(fā)射任務(wù)一線的聯(lián)盟號(hào)火箭，它芯級(jí)安裝的RD-108主發(fā)動(dòng)機(jī)除了設(shè)計(jì)有4個(gè)主噴口外，周圍還設(shè)計(jì)有4個(gè)游機(jī)噴口，而該火箭助推器使用的RD-107主發(fā)動(dòng)機(jī)除了設(shè)計(jì)有4個(gè)主噴口外，也有2個(gè)游機(jī)噴口。

R-7火箭左側(cè)助推器的發(fā)動(dòng)機(jī)配置了兩臺(tái)游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，右側(cè)芯級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)配置了四臺(tái)游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（照片來(lái)源：俄羅斯媒體）

聯(lián)盟號(hào)火箭使用的RD-107發(fā)動(dòng)機(jī)和RD-108發(fā)動(dòng)機(jī)，主推力室和噴口都是固定的，火箭的飛行姿態(tài)控制完全依靠游機(jī)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)，利用液壓伺服機(jī)構(gòu)這些游機(jī)推力室能單向擺動(dòng)±45度，滿足火箭飛行姿態(tài)控制需求。

蘇聯(lián)研制的質(zhì)子號(hào)火箭也使用了RD-0214游機(jī)，甚至蘇聯(lián)后期研制的天頂號(hào)火箭都使用了RD-8游機(jī)。

美國(guó)和中國(guó)早期研制的火箭同樣使用了游機(jī)。美國(guó)宇宙神火箭和德爾塔2/3型火箭使用了兩臺(tái)LR-101游機(jī)，用于火箭在飛行中的滾動(dòng)控制。美國(guó)研制的航天飛機(jī)也安裝了6臺(tái)游機(jī)，用于精確控制航天飛機(jī)的姿態(tài)和速度，以及用于提升國(guó)際空間站的軌道高度。

總之，游機(jī)是早期航天運(yùn)載器的共同選擇，以滿足火箭和航天飛機(jī)對(duì)姿態(tài)控制和速度的要求。

滿足需求 特點(diǎn)鮮明

從火箭游機(jī)的由來(lái)可以看出，游機(jī)最主要的特點(diǎn)就是推力比主發(fā)動(dòng)機(jī)更小。例如，聯(lián)盟號(hào)火箭上安裝的游機(jī)，其推力只有RD-107主發(fā)動(dòng)機(jī)的1/6。由于這種發(fā)動(dòng)機(jī)推力小、尺寸短，一般都安裝在主發(fā)動(dòng)機(jī)周圍。

游機(jī)的工作方式多種多樣。例如，RD-107發(fā)動(dòng)機(jī)是過(guò)氧化氫分解驅(qū)動(dòng)渦輪泵，為發(fā)動(dòng)機(jī)主推力室和游機(jī)推力室共同輸送推進(jìn)劑，而美國(guó)的LR-101游機(jī)是在主發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間，渦輪泵為主推力室和游機(jī)推力室輸送推進(jìn)劑，主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后游機(jī)改為擠壓循環(huán)，也就是單純依靠?jī)?chǔ)箱壓力輸送推進(jìn)劑。

我國(guó)長(zhǎng)征二號(hào)系列火箭的游機(jī)設(shè)計(jì)很先進(jìn)，安裝在二子級(jí)上的游機(jī)具有單獨(dú)的渦輪泵，火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后，游機(jī)仍然可以高效工作。同時(shí)，長(zhǎng)征二號(hào)系列火箭的主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后，小推力的游機(jī)繼續(xù)工作，還能有效提高航天器的入軌精度。游機(jī)除了推力小的特點(diǎn)外，還可以更好地控制火箭末速和入軌精度。

游機(jī)的另一個(gè)主要用途是控制火箭飛行姿態(tài)。早期火箭技術(shù)比較簡(jiǎn)單，大推力發(fā)動(dòng)機(jī)矢量控制不易，科研人員只能通過(guò)游機(jī)擺動(dòng)來(lái)控制推力矢量。

無(wú)論是蘇聯(lián)的聯(lián)盟號(hào)火箭、質(zhì)子號(hào)火箭和天頂號(hào)火箭安裝的游機(jī)，還是美國(guó)宇宙神火箭和德爾塔火箭安裝的LR-101游機(jī)，或是我國(guó)長(zhǎng)征二號(hào)系列火箭使用的游機(jī)，都能擺動(dòng)推力室來(lái)控制推力矢量。

不過(guò)，游機(jī)在不同國(guó)家研制的火箭上，使用的地方也不一樣。例如，蘇聯(lián)/俄羅斯聯(lián)盟號(hào)火箭在一子級(jí)上就用游機(jī)來(lái)控制飛行姿態(tài)，而美國(guó)火箭單臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)由于自身能擺動(dòng)控制俯仰和偏航，因此，LR-101游機(jī)主要用于火箭的滾動(dòng)飛行控制。

逐漸淡出火箭視野

從游機(jī)的誕生和歷史可以看到，游機(jī)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)早期并不成熟的權(quán)宜之計(jì)。火箭采用游機(jī)的好處是對(duì)主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力控制和火箭飛控要求低，無(wú)需攻克大推力發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)控制技術(shù)難題。不過(guò)，相比直接擺動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量控制方式，主機(jī)加游機(jī)的推進(jìn)方案要復(fù)雜很多。

游機(jī)方案需要為單獨(dú)的游機(jī)增加額外的管路、閥門、推力室和噴口，甚至是額外的游機(jī)渦輪泵，這就增加了推進(jìn)系統(tǒng)的重量和體積，影響到火箭的運(yùn)載能力，并提高了系統(tǒng)的整體復(fù)雜度。

另外，游機(jī)布置在主發(fā)動(dòng)機(jī)周圍，受到火箭包絡(luò)尺寸限制，噴口面積較小，也就是游機(jī)比沖通常比主發(fā)動(dòng)機(jī)低。發(fā)動(dòng)機(jī)整體比沖的削弱，也降低了火箭的運(yùn)載能力。

隨著運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展，新一代運(yùn)載火箭的飛控系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟，可以直接控制大推力的主發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)很高的入軌精度。大推力發(fā)動(dòng)機(jī)也更為先進(jìn)和強(qiáng)大，不僅發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)更精準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的擺動(dòng)控制也司空見慣，因此，新一代火箭使用游機(jī)的必要性已經(jīng)越來(lái)越低。

如今，美國(guó)的宇宙神5火箭、德爾塔4火箭和獵鷹9火箭，都不再使用單獨(dú)的游機(jī)。例如，宇宙神5火箭使用推力室雙向擺動(dòng)的RD-180雙室發(fā)動(dòng)機(jī)，就可以直接實(shí)現(xiàn)俯仰偏航和滾轉(zhuǎn)控制；而德爾塔4火箭通過(guò)RS-68主發(fā)動(dòng)機(jī)的擺動(dòng)，也能實(shí)現(xiàn)火箭俯仰偏航控制，并引出渦輪驅(qū)動(dòng)燃?xì)膺M(jìn)行滾轉(zhuǎn)控制。

宇宙神5火箭芯級(jí)只使用了兩臺(tái)RD-180雙室發(fā)動(dòng)機(jī)（照片來(lái)源：美國(guó)媒體）

我國(guó)長(zhǎng)征六號(hào)火箭的一子級(jí)只使用了1臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，姿態(tài)控制方式和德爾塔4火箭一樣，通過(guò)主發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)就能控制火箭俯仰偏航，引出渦輪泵燃?xì)膺M(jìn)行滾轉(zhuǎn)控制。

總之，如今各國(guó)研制的新一代主力運(yùn)載火箭中，除了印度的GSLVMKIII/LVM3火箭還在使用游機(jī)外，其他火箭已經(jīng)基本不使用游機(jī)作為火箭飛行姿態(tài)的調(diào)節(jié)器。

不過(guò)，特殊用途的游機(jī)依然會(huì)繼續(xù)存在，例如，載人飛船上使用的小推力姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)。（作者：張雪松）