本文来自微信公众号：中国航天报（ID：wht_htb），作者：田丰，编辑：高辰，原文标题：《经典即将落幕，德尔塔火箭生产线关闭》，题图来自：视觉中国
6月22日，重型德尔塔4火箭成功执行美国国家侦察局NROL-68任务，又一次成为绝密载荷的“御用座驾”。值得注意的是，这是重型德尔塔4火箭倒数第二次发射，后续只剩下暂定于2024年初的一次发射了。
就在本次发射前，德尔塔系列火箭生产线基本关闭。纵观该火箭家族半个多世纪发展过程，难道如此辉煌的成就仍难挡其在航天技术变革大潮冲击中淡出历史舞台吗？
任务绝密，特色不少
德尔塔系列火箭原本是麦道公司的产品，后被波音公司收入囊中。自1960年首飞以来，该家族累计发射300多次，除重型德尔塔4火箭外，均已在2019年8月退役。
20世纪80年代末，为确保在世界航天发射领域的优势地位，发展新型火箭成为美国的迫切需求。1994年，美国空军发起了“改进型一次性运载火箭计划”，希望扶植两款具备商业竞争力且能满足军方特殊需求的新型火箭，互为备份，维持必要的国防发射能力，德尔塔4系列火箭应运而生。
重型德尔塔4火箭腾空
重型德尔塔4火箭是该家族运力最强的构型，近地轨道运力达28.8吨，同步转移轨道运力为14.2吨。自2004年首飞以来，到2018年“猎鹰重型”成功发射之前，重型德尔塔4火箭蝉联了现役运载能力最强火箭的“宝座”14年。
值得一提的是，重型德尔塔4火箭服役近20年间，87%的任务是将昂贵且神秘的美国国家侦察局载荷直接送入地球同步轨道。当然，该火箭的任务也并非都是“见不得光”的。2014年，它曾执行过猎户座飞船首飞测试任务，2018年发射过帕克号太阳探测器。该火箭强大的运力配合额外装备的末级，使“帕克号”创造了69万公里/时的人造物体飞行速度最快纪录。
在构型上，“重型德尔塔4”属于典型的通用芯级火箭，即3枚芯一级并联，其中两枚充当“助推器”。全箭起飞只使用3台RS-68氢氧发动机，也是罕见的全氢氧起飞级运载火箭。
在起飞阶段，3台RS-68发动机都以满推力工作。44秒后，芯一级节流至55%，直至助推器分离。助推器在起飞后242秒关机，并在芯一级恢复满推力时分离，再过86秒，芯一级分离，芯二级点火并推举载荷入轨。
SLS重型火箭早期型直接采用德尔塔4火箭芯二级
重型德尔塔4火箭由美国亚拉巴马州的工厂制造，根据任务轨道不同，可以选择使用卡纳维拉尔角的SLC-37B发射台和范登堡太空军基地的SLC-6发射台。事实上，该火箭工厂尚未彻底关闭，还有一个“最后的任务”——制造最后一个上面级，计划用于SLS重型火箭，确保“阿尔忒弥斯-3”任务载人登月。
由于SLS重型火箭一时未研发出专用的上面级，只得直接挪用技术成熟的德尔塔4火箭芯二级，但两级的直径差别太大，迫使SLS重型火箭早期型还要专门配备过渡段。未来“探索上面级”应用之后，德尔塔系列火箭的全部技术“遗产”才会从现役火箭上消失。当然，久经考验的RL10氢氧发动机可能还要服役一段时间。
航天史上首款氢氧发动机RL10装备在重型德尔塔4火箭的芯二级，经过不断改进迭代，目前仍是效率最高的氢氧发动机，最近此次任务使用的是升级型RL10C-2-1。
此外，重型德尔塔4火箭的上面级使用了如今航天界罕见的延伸喷管设计。所谓“延伸喷管”，就是设计一款超长的喷管，使发动机排气充分膨胀，以此获得更高的推进效率。但过长的喷管无法容纳在级间段内，因此将喷管分为两段，延伸段折叠在发动机周围。当两级分离后，芯二级点火，随后喷管延伸段会沿着轨道向下展开，直至和喷管前段合并成一个超长喷管。不过，在德尔塔系列火箭退役后，这种喷管很可能会退出历史舞台。
烈焰腾飞，有惊无险
说到重型德尔塔4火箭，就不得不提到“烈火熏黑箭”的特色，尤其是在紧急关机情况下，显得惊险万分。
2020年8月，发射NROL-44任务的重型德尔塔4火箭在点火阶段因异常紧急关机，直播上演“烈火焚身”的戏码。只见一团火焰从发射台底部腾空而起，瞬间包围整个箭体，仿佛火箭发生了爆炸……其实，火箭并无大碍，而重型德尔塔4火箭的飞行记录也值得信赖，除2004年首飞表现不够完美外，其余14次发射均获成功。
重型德尔塔4火箭在烈焰中腾飞
即使是正常发射，重型德尔塔4火箭也是火光冲天。先是一团烈焰包围箭身，随后火箭拖着被烧黑的尾部缓缓升空，观赏性极佳。究其原因，在倒计时的最后几秒内，预冷发动机的液氢流过发动机并逸散到箭体周围，迅速变成氢气。由于氢气密度很低，会沿着助推器向上流动。随着火箭正式点火，箭体周围的氢气就会发生爆燃。
为什么会出现“漏氢”现象？这其实是RS-68氢氧发动机权衡安全和成本后的“主动选择”。研制方洛克达因公司在吸取航天飞机的RS-25氢氧发动机有关经验教训后，在RS-68上采用了多种降低成本、提升可靠性的手段。相比昂贵复杂的RS-25，RS-68改用更简单可靠的燃气发生器循环，并配备烧蚀喷管，虽然比冲降低10%，但减少了80%的部件和92%的装配工作量，加上供应商减少、协调工作消耗下降，洛克达因公司曾宣称，RS-68的制造成本仅有RS-25的1/14。
RS-68是现役推力最大的氢氧发动机
通常，RS-68工作在102%推力状态下，真空推力3370千牛，海平面推力2950千牛，发动机干重6.6吨，推重比51.2，海平面比冲365秒，真空比冲410秒。虽然它的比冲不如RS-25，却是推力最大的氢氧发动机，而且推力节流可低至55%。至于改进型RS-68A，海平面推力达3100千牛。2022年底，最后一台RS-68A出厂，也宣告这款发动机将与重型德尔塔4火箭一同退役。
强手竞争，告别时代
2006年，波音公司和洛克希德·马丁公司成立联合发射联盟，在一段时间内垄断了“市场竞争选择”的美国政府载荷发射任务，重型德尔塔4火箭的单发报价高达4亿美元。2006年～2020年间，联合发射联盟每年不仅从美国军方获得大量发射合同，还有年均10亿美元的“发射能力维持补贴”，被戏称为“火箭躺着就能赚钱”。
然而，随着可回收复用的猎鹰9号火箭“闯入”美国军用发射领域，联合发射联盟不再“轻松滋润”，好在重型德尔塔4火箭凭借强大运力，短期内不受威胁。不过，2018年运力更强的“猎鹰重型”首飞，报价仅有“前辈”的1/3，重型德尔塔4火箭风光不再。
“猎鹰重型”的两枚助推器分别回收
其实，联合发射联盟长期以来商业竞争力不足，其传统的设计-采购-总装模式难以降低成本，早期无法与俄罗斯火箭在国际市场上竞争，后期更难与业务垂直整合出色的SpaceX公司争锋。以德尔塔4系列火箭为例，除首飞载荷为商业通信卫星外，其余发射任务均由美国政府订购。
面对“猎鹰重型”乃至未来“星舰”的步步紧逼，联合发射联盟全力开发火神火箭，希望挽回颓势。无奈“火神”首飞不断推迟，其BE-4发动机的稳定性“顽疾”刚解决不久，本应成熟可靠的半人马座上面级又在测试中发生爆炸，使火箭不断拖延中面临丢失订单的风险，前景蒙上阴影。
回顾历史，重型德尔塔4火箭起源于上一个航天热潮时代，但随后发射需求远逊于预期，导致研制者未能有效止损：洛·马公司前些年勉强收回了宇宙神5系列火箭研发投资，而随着德尔塔4系列火箭即将退役，波音公司似乎收不回研发投资了。于是，传统航天巨头组建“价格联盟”，依赖美国政府订单，希望通过非技术手段享受额外收益。
然而，好景不长，新的航天热潮时代展现了鲜明的商业特色，新技术“后辈”无情地淘汰了一些经典的传统火箭。虽然其技术遗产仍会延续下去，但重型德尔塔4火箭毕竟已经不适应新时代，终将成为一段历史。
本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》7月1日一版
本文来自微信公众号：中国航天报（ID：wht_htb），作者：田丰，编辑：高辰