游机：运载火箭姿态调节器

近年来，运载火箭使用的游机以及火箭在飞行过程中多次因为游机导致发射失败，造成星箭俱毁。因此，提高游机的可靠性，满足对航天发射任务的要求十分重要。那么，火箭为什么需要游机？这种发动机的前景又如何呢？

早期火箭的必备动力

游机是游动火箭发动机的简称，它的名字来自游标卡尺。游标卡尺由主尺和游标组成，通过游标能更精确地测量尺寸。同理，通过游机可以更精确地控制火箭推力。所以，游机是一种用于火箭姿态控制和末速修正的小推力液体发动机，目的是更精确地控制火箭飞行姿态和速度。

在人类航天事业发展初期，火箭属于新鲜事物，各项技术也不成熟，液体主发动机连高空二次点火都是技术难题，更不要说精准控制火箭推力和摇摆角度。为解决这一问题，科研人员效仿游标卡尺的思路，研制了小推力液体发动机，用于解决火箭飞行速度和姿态控制问题。

从苏联大名鼎鼎的R-7系列火箭，到今天仍然活跃在俄罗斯航天发射任务一线的联盟号火箭，它芯级安装的RD-108主发动机除了设计有4个主喷口外，周围还设计有4个游机喷口，而该火箭助推器使用的RD-107主发动机除了设计有4个主喷口外，也有2个游机喷口。

R-7火箭左侧助推器的发动机配置了两台游动发动机，右侧芯级的发动机配置了四台游动发动机（照片来源：俄罗斯媒体）

联盟号火箭使用的RD-107发动机和RD-108发动机，主推力室和喷口都是固定的，火箭的飞行姿态控制完全依靠游机摆动实现，利用液压伺服机构这些游机推力室能单向摆动±45度，满足火箭飞行姿态控制需求。

苏联研制的质子号火箭也使用了RD-0214游机，甚至苏联后期研制的天顶号火箭都使用了RD-8游机。

美国和中国早期研制的火箭同样使用了游机。美国宇宙神火箭和德尔塔2/3型火箭使用了两台LR-101游机，用于火箭在飞行中的滚动控制。美国研制的航天飞机也安装了6台游机，用于精确控制航天飞机的姿态和速度，以及用于提升国际空间站的轨道高度。

总之，游机是早期航天运载器的共同选择，以满足火箭和航天飞机对姿态控制和速度的要求。

满足需求 特点鲜明

从火箭游机的由来可以看出，游机最主要的特点就是推力比主发动机更小。例如，联盟号火箭上安装的游机，其推力只有RD-107主发动机的1/6。由于这种发动机推力小、尺寸短，一般都安装在主发动机周围。

游机的工作方式多种多样。例如，RD-107发动机是过氧化氢分解驱动涡轮泵，为发动机主推力室和游机推力室共同输送推进剂，而美国的LR-101游机是在主发动机工作期间，涡轮泵为主推力室和游机推力室输送推进剂，主发动机关机后游机改为挤压循环，也就是单纯依靠储箱压力输送推进剂。

我国长征二号系列火箭的游机设计很先进，安装在二子级上的游机具有单独的涡轮泵，火箭主发动机关机后，游机仍然可以高效工作。同时，长征二号系列火箭的主发动机关机后，小推力的游机继续工作，还能有效提高航天器的入轨精度。游机除了推力小的特点外，还可以更好地控制火箭末速和入轨精度。

游机的另一个主要用途是控制火箭飞行姿态。早期火箭技术比较简单，大推力发动机矢量控制不易，科研人员只能通过游机摆动来控制推力矢量。

无论是苏联的联盟号火箭、质子号火箭和天顶号火箭安装的游机，还是美国宇宙神火箭和德尔塔火箭安装的LR-101游机，或是我国长征二号系列火箭使用的游机，都能摆动推力室来控制推力矢量。

不过，游机在不同国家研制的火箭上，使用的地方也不一样。例如，苏联/俄罗斯联盟号火箭在一子级上就用游机来控制飞行姿态，而美国火箭单台主发动机由于自身能摆动控制俯仰和偏航，因此，LR-101游机主要用于火箭的滚动飞行控制。

逐渐淡出火箭视野

从游机的诞生和历史可以看到，游机是火箭发动机技术早期并不成熟的权宜之计。火箭采用游机的好处是对主发动机的推力控制和火箭飞控要求低，无需攻克大推力发动机摆动控制技术难题。不过，相比直接摆动主发动机的推力矢量控制方式，主机加游机的推进方案要复杂很多。

游机方案需要为单独的游机增加额外的管路、阀门、推力室和喷口，甚至是额外的游机涡轮泵，这就增加了推进系统的重量和体积，影响到火箭的运载能力，并提高了系统的整体复杂度。

另外，游机布置在主发动机周围，受到火箭包络尺寸限制，喷口面积较小，也就是游机比冲通常比主发动机低。发动机整体比冲的削弱，也降低了火箭的运载能力。

随着运载火箭技术的发展，新一代运载火箭的飞控系统已经十分成熟，可以直接控制大推力的主发动机实现很高的入轨精度。大推力发动机也更为先进和强大，不仅发动机推力调节更精准，发动机的摆动控制也司空见惯，因此，新一代火箭使用游机的必要性已经越来越低。

如今，美国的宇宙神5火箭、德尔塔4火箭和猎鹰9火箭，都不再使用单独的游机。例如，宇宙神5火箭使用推力室双向摆动的RD-180双室发动机，就可以直接实现俯仰偏航和滚转控制；而德尔塔4火箭通过RS-68主发动机的摆动，也能实现火箭俯仰偏航控制，并引出涡轮驱动燃气进行滚转控制。

宇宙神5火箭芯级只使用了两台RD-180双室发动机（照片来源：美国媒体）

我国长征六号火箭的一子级只使用了1台YF-100发动机，姿态控制方式和德尔塔4火箭一样，通过主发动机摆动就能控制火箭俯仰偏航，引出涡轮泵燃气进行滚转控制。

总之，如今各国研制的新一代主力运载火箭中，除了印度的GSLVMKIII/LVM3火箭还在使用游机外，其他火箭已经基本不使用游机作为火箭飞行姿态的调节器。

不过，特殊用途的游机依然会继续存在，例如，载人飞船上使用的小推力姿态控制发动机。（作者：张雪松）