内容提要：面临这样的问题，操盘手NASA的态度其实是明确的，支持航天创新（想一想SpaceX和Musk，其实也是NASA

导语

在上篇从科罗纳间谍照相机聊卫星投送界的顺丰快递——上面级中，我们讲到了美国阿金纳上面级。但事实上同时代还有另外一款重要的上面级面世，而且对于人类航天史发挥了关键的作用！这就是著名的半人马上面级，它不仅成就了ULA自创立起从未失手的傲人安全发射记录，同时得益于这款上面级的优异性能，它也成为了诸多有志于研发低温上面级的国家争相效仿和借鉴的榜样。

插播一条新闻，重型猎鹰火箭已于今晨正式起竖，进行合练，静态点火时间初步定于当地1月6日，如一切顺利，首射窗口开启于1月15日

12月20日的LC-39A发射台卫星照片，重型猎鹰火箭将从这里起飞，此图为长光卫星特约供图，在此感谢他们的支持

世界各国的上面级大同小异，基本结构均包括遥感控制系统、姿态控制系统、导航、供电和测控设备、火箭发动机、推进剂贮箱、卫星适配器等，但要说最高能、安全记录最好，都会一致推举美国“半人马”上面级，由于采用了液氢液氧作为推进剂，业内戏谑半人马是“高能大牲”（WorkHorse）。

一、名字的由来

苏联于1957年10月4日首先把第一颗人造地球卫星送入太空,抢得先机。在这种形势下,美国需要有一款更给力的运输工具来为自己加劲儿。

名字由该项目主任KrafftEhricke赐名——Centaur：引用希腊神话中半人半马的怪物，他们下半身是马身，包括躯干和腿，代表宇宙神火箭的强壮有力；他的上半身是人形，代表了半人马组合中的“大脑”。如果将该上面级翻译成半人马座，其实是曲解了用意。

Centaur，半人马

二、艰难驯服液氢——摘取上面级皇冠

上面级为了实现长期在轨的能力，大多采用了常温的可贮存推进剂，燃料一般采用一甲基肼、偏二甲肼或无水肼，氧化剂一般采用四氧化二氮，这类剧毒常温推进系统的比冲最大也就是330秒多一点，因此入轨、变轨能力相对还不是很强。这里也介绍一下，火箭比冲，它就如汽车使用单位体积燃油所能行驶的公里数,可以表征燃料效率的高低，因此火箭工程师都希望采用高比冲推进剂。而液氢/液氧推进剂比冲可以达到450秒以上，带来的速度增量非常明显！而且，无毒无污染，成为各国攻坚目标！

但液氢实在太难伺候了，从工程学上实现花费了极大的努力

（一）攻克热控难题

太空中是温度极低的真空环境，零下200多摄氏度，但被太阳一晒温度又会到极端的上百度，液氢的贮存温度太低，零下253度，随着热交换，会不断的蒸发。长期在轨情况下的热控难度太大，一天的蒸发量甚至在20～30%左右，早期半人马液氢箱表面不隔热，由于太阳辐射作用产生很高的加热率，在D-1A型号（适配Atlas宇宙神基础级火箭）达到了11.1kW，开始滑行几分钟后就要排气，导致浪费燃料缩短轨道滑行时间，甚至无力进行第二次启动。

1974年底半人马D-1A的改型D-1T“半人马”D-1T（适配Titan大力神基础级火箭）为了绝热，在液氢箱外壁增加3层镀铝聚酯膜，隔离辐射热，太阳加热率从8.2kW降低到0.15kW，降低55倍。同时飞行器每28分钟滚动180°，长期滑行时受热均匀(想起烤全羊了吧)。

（二）应对液氢低密度

半人马的研制，被寄予了厚望，NASA打算用他进行广泛的地球轨道任务、月球勘察和行星研究，第一次半人马飞行测试就定在了1961年1月。但实际情况却是一波三折，时间表被一系列的问题、失败、试验台爆炸和其他延误所困扰。一个大的争执是液氢的低密度引发！

低密度，液氢的密度只有70.8kg/立方米，大概是煤油的1/12，势必导致贮箱的大体积、份量重，影响干质比！不过，你可以随意捏扁一个空可乐罐，但你肯定不能捏扁一听未开封的！就是这个道理，半人马继承了宇宙神火箭“不锈钢气球”贮箱的设计，大胆采用了301薄壁不锈钢材质。细心的读者可以在半人马发动机边上发现几个大圆罐，就是贮存氦气给贮箱增压，这个做法，在当时是冒险，第一个吃螃蟹！

早期的半人马，标配4个高压氦气罐

301不锈钢，通体透亮（这种高密度储箱材料在运载火箭行业是比较少见的，但是半人马在这种材料情况下依旧维持了相对优秀的干质比和性能，十分难得，主页君注）

工作人员垫着褥子，躺在“不锈钢”气球壁上进行检查

在1962年5月8日的半人马第一次发射，任务代号AC-1（AC，Atlas/Centaur，宇宙神/半人马，下同）在发射后54秒，由于动压撕裂了4块隔热板中的一块，液氢贮箱直接暴露在大气中，大量的热交换导致液氢猛烈汽化，贮箱超压破裂，星箭俱毁。这次失败甚至让美国国防部的官员确信，直到1966年才能用上半人马！

这是一次薄壳创意冒险和保守求稳的对峙！

冯·布劳恩的土星系列火箭与之形成了鲜明的对比，在14年的发射中几乎没有出现重大事故。冯·布劳恩对半人马的进度拖延和不断的问题极度不满，他评价道：“有些太冒进的手法。为了降低几磅的重量…结果问题还没有解决，自找头痛的问题一大堆”。他拍着桌面说，你们必须现在就立即将半人马项目停掉”。而Ehricke则对冯·布劳恩团队的保守设计方法多有讽刺，说他们不是在造火箭，是在造“布鲁克林大桥”。对峙双方关系一度紧张，而首发失败导致矛盾进一步加剧。

面临这样的问题，操盘手NASA的态度其实是明确的，支持航天创新（想一想SpaceX和Musk，其实也是NASA的得意之作！）在1962年10月8日，NASA将半人马项目的管理权转到了刘易斯研究中心，派在NASA工作超过30年的铁腕领导—-希尔斯坦（AbeSilverstein）中心主任接管。希尔斯坦是空气动力学专家，同时他又富有卓越领导力，水星计划和阿波罗计划的名字拜他所赐。希尔斯坦做了3件事情：

第一，重建管理团队，亲自担任领导半人马项目，并有2位经理在他的指导下协助工作，技术方面则由41人参加；

对于航天系统性工程来说，一位对外能够争取资金、技术发展方向支持，对内能够理顺管理、梳理制度和流程的管理技术复合型人才，极为重要！

AbeSilverstein（1908.9.15,～2001.6.1）

在这位卓越管理者的带领下，1964年6月30日第二次发射成功！遥测数据显示液氢罐保温板设计强度确实不够，因此重新设计了有更厚加强筋的保温板，由此增加了800磅的重量，需要在起飞大约180秒的时候弹射，该问题消除疑虑。

不过由于不锈钢气球实在太脆弱，所有半人马上面级都会被包裹在整流罩上，在大力神、宇宙神5、德尔塔4等大型火箭上出现了超大规格的整流罩，载荷和上面级被包裹的严严实实。

AC-13～15半人马液氢贮箱的不锈钢壁厚度和硬度，顶部最薄处0.25毫米

（三）攻克空气吹除难题

-252.7℃液氢，远远低于了冰点为-209.8℃的氮、-218.4℃的氧，后果是液氢遇到空气，空气中的氮、氧通通结冰，堵塞通路和涡轮泵，冰晶撞击管道的能量甚至会引爆液氢！为了把氮气、氧气隔绝在外液氢输送管道之外，半人马在发射前有复杂的空气吹除工序，用氦气进行吹除。

而这并不是耸人听闻，而是付出过沉重代价！即便是半人马上面这样的老手，在超过20年无失败记录之后，1991年的4月18日AC-70和1992年9月2日AC-71两次发射过程中，均出现了发动机退服导致的发射失败！调查发现空气沿一个冷却单向阀进入泵腔后结冰，造成涡轮泵咬死。设计上的缺陷，加之为了提升发动机性能而采取激进措施导致单向阀失效。

驯服液氢，一个字-难！

其他还遇到了液氢的一些小问题，就一笔带过了：

工程师们发现“氢的湿滑多变特性”。液氢的极冷温度使得密封管道接口不能使用橡胶垫片，使用一种特氟龙涂层铝制垫片解决；

液氢的低温，会导致氢泵的润滑油冻住，工程师改为使用特氟龙的碳氟化合物。（没错，就是你的不粘锅涂层，这是一种耐高温且摩擦系数极低的涂层，主页君注）

三、难以回避的推进剂沉底问题攻坚

大家会不会想到，上面级工作在空间微重或低重环境下，推进剂在贮箱做漂浮状态下的”布朗运动”,你永远不知道下一刻进入泄压排气管、发动机输送管道的是推进剂还是加压的氦气……问题就来了,如果气体进入发动机，就会呛着，对涡轮泵叶片形成气蚀并导致涡轮泵失速，如果液体进入泄压排气管道，轻者影响姿态，重则引发各种不测。

猎鹰9火箭二级液氧储箱内视角，视频末由于发动机关机，液氧漂浮起来

因此产生了低温上面级的推进剂管理问题。“推背感”！对，要的就是推背感！通过连续推力或间断推力发动机产生重力加速度G，让推进剂“坐”在贮箱底座上。

但这仅仅是思路，半人马上面级无疑是推进剂沉底实践的先驱，而且是从失败中摸索出经验！在宇宙神/半人马第4次飞行(AC-4)中，2台推力为8.9N的沉底发动机的推力并没有抑制住推进剂沉底，液氢从贮箱顶部排气口排出爆炸，发射失败。

事后分析发现，半人马第四次飞行发动机关机进入滑行段时，主发动机关机时加速度2.44g，急刹车！液氢的最大晃幅可达11m，而关机时液面距箱顶仅4m，两台沉底发动机根本无效，造成液氢从排气口排出。在总结AC-4失败基础上，对AC-8采取了一系列措施：主发动机第1次关机时，两台推力为222N（推力明显加大）的沉底发动机点火，强推背，控制关机时的晃动，持续100秒，同时在液氢箱内增加了防晃挡板，晃动波高压降到0.9m。在随后1350s的滑行时间推力两台小推力（13.3N）发动机工作，小推背，进一步稳定沉底效果。除了刹车时沉底，滑行过程中以及重新启动也需要沉底发动机工作。

通过上述方法，攻克了沉底问题，后续在D-1T中进一步优化隔热，减少排气次数，降低沉底发动机工耗，延长了上面级在轨工作时间。

半人马、土星Ⅴ上面级S-ⅣB、阿里安5上面级ESC-B，均采用连续推力控制或间断推力控制的方法产生千分或者万分之一单位的G，使推进剂沉底。SpaceX的BFR也不例外！

四、披荆斩棘，不断迭代——了不起的液氢液氧发动机RL10

（一）选择高效的闭式膨胀循环

闭式膨胀循环将涡轮与推力室进行串联，液态推进剂流经推力室冷却通道汽化和加热，引出驱动涡轮，从涡轮排出后再导入推力室，与主推进剂组元一起燃烧。没有涡轮排气，没有一点跑冒滴漏，因此可以获得较高的发动机比冲；没有燃气发生器，结构简单、重量轻、可靠性提高。不过通过推力室冷却套对推进剂的加热量有限，气氢对涡轮的做功能力受限，燃烧室室压一般仅能达到3～10MPa，但上面级工作环境特殊，由于发动机向真空排气，因此即便室压不高，通过提高喷管扩张比仍然可以获得较高的比冲，低温的液氢极易吸热汽化，导热性非常好，比大多数气体的导热系数高出10倍，这些特征让闭式膨胀循环成为了最佳选择！如下图，工作过程分为三步：

①液氢进入再生冷却通道吸收热量汽化

②汽化的氢气驱动燃料涡轮泵和氧化剂涡轮泵，泵旋转将更多的燃料和氧化剂压入冷却通道和推力室头部喷注器。

③完成驱动的气氢进入燃烧室，点火燃烧，放出的热能加热更多的液氢汽化，形成循环。

（二）冷却通道和喷注器

304发动机用总长约7.24Km的管子制成直径为1.83m的环型结构的热交换器,工程师把这种环形结构略作修改，研制了束管式再生冷却通道，完美解决燃烧室与喷管的冷却及热传导的需求，让液氢得到足够的热量传导为驱动涡轮提供足够的动力！在研制过程中，为了解决燃烧不充分的问题，钎焊的束管喷管由直上直下的锥形修改为线条优美钟型，和这位美丽的NASA小姐的短裙相映成趣！

上图中，中间的空腔是用来安装点火器，初期RL10安装的是用电容放电的火花塞点火器,这种点火器重为3.22kg，工作时间2秒,每秒产生20个火花,每个火花的能量为0.5焦耳。在研制初期，由于无法保证火花塞附近的混合比,点火不可靠,情况严重时可能因氢气积累而引起爆炸。为此，后续将直接点火系统改成了火矩式电点火器，实现了多次可靠点火，满足空间变轨的需求，胜任空间任务。

双头双冗余火炬式电点火器DualDirectSparkIgnition(DDSI)

同轴喷注器单元中液氧以较低速度喷出，气氢在环绕液氧管的环形缝隙内高速喷出并产生剪切作用，使液氧雾化并混合，使得燃烧充分！同时气氢对喷注器盘进行整体隔热冷却,解决了喷注器盘的变形问题。

（三）榨干比冲潜能—-可延伸喷管

刚刚说了膨胀循环的的室压做不太大，RL10A-3-3的发动机室压为2.76MPa，真空比冲为444秒。离液氢液氧燃烧的比冲理论值还有潜力可以挖掘！为了让燃气充分膨胀，喷管通常设计为较大的扩张比，可延伸喷管诞生！由基础喷管（与燃烧室固定连接）和喷管延伸段组成！

1995年美国研制德尔他3的低温上面级RL10B-2，它采用大扩张比、92Kg重的碳-碳材料可伸展的喷管延伸段（长2.5M，法国SEP研制），工作时通过移动机构将喷管延伸段从收敛位置移动到展开位置，喷口扩张比达到惊人的280，世界第一！在太空，喷管延伸段徐徐下滑，专治欠膨胀，燃气不测漏，内能完全膨胀为动能喷出！真空比冲达到465.5秒，直逼液氢液氧推进剂的理论工作极限！推力11.2吨，重量仅为277公斤。1999年长喷管的RL10B-2发射成功！

在太空，喷管延伸段徐徐下滑，燃气不测漏，内能完全膨胀为动能喷出！

RL10B-2的基础喷管+延伸喷管

五、不断推陈出新，老当益壮，家族庞大，功勋卓著

在55年的发展历史中，半人马上面级根据任务需要，紧跟形势，不断推陈出新，家族庞大！

1996年之后，半人马又出了半人马D3A/B、D5单双引擎型号，上图画不下

（一）初代半人马——CentaurD

在成功研发之后，型号确定为半人马D，长9.1米,直径3米,加满燃料时重17.4吨。由于采用的是液氢液氧高能推进剂，两台RL10A-3-3发动机提供133千牛推力，它的运载能力较强，同宇宙神基础级配合可把1844公斤有效载荷送入GTO轨道。

基本型半人马D在1966年5月30日，宇宙神/半人马火箭将第一个月球探测器“观测者1号”送到了月面风暴海，实现了软着陆，这是美国第一个在地外成功着陆的航天器，为阿波罗计划立下汗马功劳（确实是汗马）。

到了70年代，半人马已经非常成熟，取代了阿金纳上面级，担当了很多军用、商用发射。

（二）和宇宙神搭配默契——CentaurD-1A系列

NASA的刘易斯研究中心拨款4000万美元的改进项目，增加了新的导航/控制系统计算机，实现半人马级的电子和制导系统现代化。采用推力更大的发动机，单台由原来的15,000增大到了大约16,500磅。搭配宇宙神G，能将2358公斤载荷送入GTO轨道。

宇宙神/半人马D-1A发射了大量先进的通信卫星,包括TDRS、ECHOSTAR、EUTELSAT、INTELSAT、GALAXY等

（三）适配大力神的半人马——CentaurD-1T

适配大力神3E（Titan-ⅢE）的半人马D-1T有在停泊轨道长时间滑行的能力，主要用来完成逃逸任务，特别胜任行星际探测器的发射任务。任务编号为TC-1～7，成功发射了太阳神（Helios）1/2太阳探测器，海盗（Viking）1/2火星探测器和著名的旅行者(Voyager)1/2深空探测器，为了解行星和深空发挥了举足轻重的作用！当中少的这一次，其实是失败，原因众说纷纭，担任小白鼠的卫星名叫斯芬克斯（Sphinx），是研究外太空高能粒子的实验卫星。

半人马D1T和海盗、旅行者的合影

大力神3E/半人马D1T，深空探测的功臣

（四）适配航天飞机的半人马——CentaurG系列（矮胖墩系列）

随着航天飞机的推出，美国宇航局和空军需要一种上面级将有效载荷从低地球轨道携带载荷到目标轨道。大家把目光聚焦到从70年代以来100%成功的半人马上面级。由于航天飞机的货舱长度仅为60英尺，为了发射较大长度的航天器，如长40英尺的卫星,要采用较短的半人马级,缩短贮箱长度，同时将液氢贮箱的直径增加到14.2英尺，可以装载29.95万磅推进剂，同时保留了10英尺直径（3.0米）的液氧罐。俗称矮胖半人马G，长度19.2英尺。

惯性上面级（IUS）固体火箭发动机的起步加速极快，可能会损坏有效载荷，并且一旦点燃就不能关闭，矮胖半人马G不仅避免了这些问题，而且发射能力是能力的一倍多，直送GEO的能力达到4540公斤。

但整个项目由于挑战者号的失事被取消！

被遗忘的航天飞机和半人马GPRIME合影

CentaurG系列后续和大力神4火箭搭档，共生产16台，编号TC-8～23。矮胖继续了半人马深空探测器快递工作，包括递送最近因公殉职的卡西尼！在1997年10月15日，“半人马”奋力一掷，让有史以来最重的深空探测器—-5.7顿的卡西尼号获得第二宇宙速度，送达地球–土星的转移轨道！

半人马上面级直到21世纪仍然不断改进，配备了俄罗斯RD-180发动机的宇宙神5和单发/双发RL10的半人马组合的成功发射，标志着两大巨头在冷战结束之后在技术合作上微妙的蜜月期，当我们看到黑店ULA惊人的成功率时，不要忘记半人马上面级！

半人马上面级世界上第一个攻克液氢技术，引领了液氢技术在土星系列火箭上面级，以及在航天飞机上的应用。尽管开局困难，中途挑战重重，半人马对美国运载火箭技术的发展做出了重大贡献，可以说半人马上面级是一个奇迹。

这个故事是否似曾相识？看今朝，大家都说SpaceX的Musk历经九死一生，大获成功，如有神助！那么，这个神，就是背后默默的操盘手—NASA，无论是为了技术上的突破、可靠性管理，还是为了扶持商业航天、进一步降低发射成本！

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超级Loveovergold

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