土星五號(hào)的F1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：?jiǎn)稳紵�室最�?qiáng)推力，實(shí)現(xiàn)“阿波羅”登月

【文/科工力量 柳葉刀】

冷戰(zhàn)期間，誰能第一個(gè)登上月球是美蘇兩國(guó)相互比拼的重點(diǎn)之一。承載著蘇聯(lián)人載人登月夢(mèng)想的N-1火箭，其第一級(jí)安裝的30臺(tái)NK-15發(fā)動(dòng)機(jī)讓人“嘆為觀止”，但是糟糕的可靠性問題使得火箭發(fā)射屢屢失敗，因此未能實(shí)現(xiàn)蘇聯(lián)人的登月夢(mèng)想。現(xiàn)在，這一重任就落到了美國(guó)人身上。

1957年，蘇聯(lián)已經(jīng)發(fā)射了第一顆衛(wèi)星（“斯普特尼克”1號(hào)），后來又將第一名宇航員尤里﹒加加林（Yuri Gagarin）在1961年送上了太空，美國(guó)明顯落后了。作為第二次世界大戰(zhàn)的遺產(chǎn)，政治和經(jīng)濟(jì)上的深刻分歧讓兩個(gè)超級(jí)大國(guó)產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)，引發(fā)了冷戰(zhàn)。盡管雙方?jīng)]有發(fā)生正面沖突，兩國(guó)還是不斷尋求優(yōu)勢(shì)以便威懾對(duì)方。通過發(fā)展宇航技術(shù)，雙方不僅展示了自己多么先進(jìn)，還暗示了他們能夠在世界任何地方投放核彈的能力。

加加林登上太空深深刺激了美國(guó)人，為了趕上蘇聯(lián)，美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪提出了挑戰(zhàn)，“讓人類登上月球，再安全地返回地球”。于是，“阿波羅”計(jì)劃誕生了。該計(jì)劃從1961年運(yùn)行到1972年，在鼎盛時(shí)期，它共雇傭了40萬人，前后花費(fèi)了240億美元，相當(dāng)于今天的1100億美元。

1962年9月，美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪在萊斯大學(xué)發(fā)表了著名的“我們選擇登月”演講

“阿波羅”計(jì)劃是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）運(yùn)行的第三個(gè)載人航天工程。最早的工程“水星”計(jì)劃起始于1958年，結(jié)束于1963年。它的目標(biāo)是送一臺(tái)載人航天器進(jìn)入地心軌道，完成四次飛行。NASA證明了他們可以將人送入太空后，就開始了“雙子星座”計(jì)劃，這一計(jì)劃在1961年到1966年與“阿波羅”計(jì)劃并行。“雙子星座”計(jì)劃的目標(biāo)是測(cè)試“阿波羅”計(jì)劃中必要的太空旅行技術(shù)，研發(fā)和論證兩架航天器在太空中對(duì)接技術(shù)，這對(duì)月球著陸至關(guān)重要。（參考[英]扎克﹒斯科特：《阿波羅 一部看得見的航天史》）

洛克達(dá)因努力不白費(fèi) 單室最強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)為NASA設(shè)計(jì)

要想把航天員和設(shè)備送上月球，就需要一枚巨大的火箭，產(chǎn)生足夠的推力擺脫地球的引力牽制。為此，由馮﹒布勞恩帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)專門設(shè)計(jì)了“土星五號(hào)”火箭來完成“阿波羅”計(jì)劃。它是一臺(tái)三級(jí)火箭，三個(gè)部分可以逐一點(diǎn)火，每個(gè)部分使用后都可以分離。

發(fā)射架上的“土星五號(hào)”運(yùn)載火箭整體結(jié)構(gòu)，包括了發(fā)射逃逸系統(tǒng)、指揮/服務(wù)艙、登月車與月球車、設(shè)備模塊、“土星五號(hào)”火箭箭體（三級(jí)火箭）

矗立在發(fā)射架上的“土星五號(hào)”火箭高度達(dá)到111米，比自由女神像還高18米。在裝入全部推進(jìn)劑后，火箭總重量達(dá)到2810噸。為了能將如此巨型的火箭送入太空，就必須配備可靠性高，推力大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。NASA明智的選擇了洛克達(dá)因公司研制的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，作為“土星五號(hào)”的一級(jí)動(dòng)力。

其實(shí)，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最初并非專門為載人登月設(shè)計(jì)的。1955年，洛克達(dá)因公司接到研制重型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)，那時(shí)的美軍需要一款推力強(qiáng)大的火發(fā)動(dòng)機(jī)，為今后的重型洲際彈道導(dǎo)彈進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。

洛克達(dá)因公司很快就推出了E-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但是對(duì)于這款可靠性高、推力性能一般的發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)空軍不太滿意，要求洛克達(dá)因公司繼續(xù)研發(fā)推力更強(qiáng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于軍方的要求，公司內(nèi)部的工程師也很無奈，只能遵從指示，繼續(xù)研制更大推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推力高達(dá)680噸的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的原型因此誕生。

讓洛克達(dá)因公司研發(fā)人員“無語”的是，因?yàn)镕-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力太大，而美國(guó)空軍的洲際彈道導(dǎo)彈的起飛只有105噸，因?yàn)閾?dān)心推力如此巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)可能存在可靠性問題，所以美國(guó)空軍沒有將F-1發(fā)動(dòng)機(jī)作為選項(xiàng)。但是沒過多久，剛成立的美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）找到了洛克達(dá)因，因?yàn)樗麄冃枰�這款大推力發(fā)動(dòng)機(jī)。

大功率泵壓循環(huán) 單室最強(qiáng)推力F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是人類有史以來制造的推力最大的單燃燒室火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，也是僅次于前蘇聯(lián)RD-170的世界第二大推力的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但因?yàn)樘K聯(lián)人沒有克服大單室穩(wěn)定燃燒問題，所以RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)有四個(gè)燃燒室。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

洛克達(dá)因公司研制的這款發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氧/煤油作為推進(jìn)劑，這里的煤油是一種高度提純的煤油，和航空煤油很接近，它比氫氣更不易爆炸，而且能提供每單位更多的推力。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由七個(gè)工作系統(tǒng)組成，分別是：推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)（壓送推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室及向發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和常平座作動(dòng)器（用于調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)噴射方向）供給燃料（液壓）壓力）、點(diǎn)火系統(tǒng)（使燃燒室和燃?xì)獍l(fā)生器中推進(jìn)劑開始燃燒）、燃?xì)獍l(fā)生器系統(tǒng)（產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)渦輪泵能量及控制推進(jìn)劑貯箱的增壓）、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（保證發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)）、飛行測(cè)試系統(tǒng)（測(cè)量選定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、以便監(jiān)控和計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性）、環(huán)境控制系統(tǒng)（保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行期間免受由火焰輻射和回流產(chǎn)生的極高溫影響）、清洗和排泄系統(tǒng)（防止污染、便于將用完的流體排出火箭外）。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)直立高度約5.64米，噴口直徑約3.71米，每秒中可以燃燒1790kg液氧和788kg煤油

與此前介紹的雙氧水分解產(chǎn)生渦輪驅(qū)動(dòng)力原理相似，F(xiàn)-1采用燃?xì)獍l(fā)生器渦輪動(dòng)力循環(huán)方式，將低混合比的推進(jìn)劑導(dǎo)入燃?xì)獍l(fā)生器進(jìn)行富燃燃燒（即氧氣少，燃料多），產(chǎn)生1500華氏度的氣體驅(qū)動(dòng)渦輪泵，將推進(jìn)劑從貯箱里面泵出。這里的渦輪泵是單軸結(jié)構(gòu)，速度分級(jí)的燃料泵與氧化劑泵分別位于渦輪的兩側(cè)。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的切面圖，單軸結(jié)構(gòu)

推進(jìn)劑被泵出后，除了少部分導(dǎo)入燃?xì)獍l(fā)生器，其余部分全部注入燃燒室，但是與液氧直接送入燃燒室不同，煤油燃料需要先經(jīng)過火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管表面，冷卻噴管并預(yù)熱煤油，之后再被注入燃燒室。

開式泵壓循環(huán)，燃?xì)獍l(fā)生器（預(yù)燃室）里面的燃?xì)庾罱K排入尾焰，沒有前蘇聯(lián)RD-170的全流量分級(jí)燃燒循環(huán)先進(jìn)，但F-1的這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更為可靠

環(huán)抱噴管外周的是渦輪排氣管，其上部分為推力室，是由178根管子焊接而成，小管子里面流過低溫煤油既冷卻了推力室，又預(yù)熱了推進(jìn)劑。排氣管下部，是噴管延伸段，渦輪排氣流經(jīng)延伸段，起到冷卻作用，最終在尾焰中燃盡

另一方面，流經(jīng)渦輪后的廢氣被排出之前，需要再給換熱器提供余熱。這里的換熱器由液氧和氦氣螺旋管組成，安裝在渦輪排氣管的殼體內(nèi)，來自渦輪的熱氣加熱液氧螺旋管和氦氣螺旋管里面的液氧與氦氣，分別給液氧貯箱和燃料貯箱增壓（增壓的目的，筆者在之前的文章中已解釋）。給換熱器加熱之后，渦輪管內(nèi)的排氣使命還有最后一項(xiàng)要完成，那就是冷卻火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的延伸段。最后，全部進(jìn)入尾焰中燃燒。

紅色方框內(nèi)是換熱器的位置，其中液氧螺旋管內(nèi)的液氧流量為3~5磅/秒，氦氣螺旋管內(nèi)的氦流量為0.4~1.0磅/秒

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)推力向量控制，推力向量變化由整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)獲取。常平座軸承位于推力室頂部，作動(dòng)器連接點(diǎn)由推力室上兩外伸支架提供。作動(dòng)器并非發(fā)動(dòng)機(jī)部件，發(fā)動(dòng)機(jī)繞常平座承軸在每一個(gè)作動(dòng)面方向上最大可正負(fù)位移6度。

F-1發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命啟動(dòng)20次，總工作時(shí)間2250秒。研制中，發(fā)動(dòng)機(jī)總工作時(shí)間超過了5000秒，但液氧泵葉輪和渦輪泵集合管是在3500秒時(shí)更換的。很顯然，F(xiàn)-1發(fā)動(dòng)機(jī)大大超過了設(shè)計(jì)規(guī)范。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)壽命記錄

以毒攻毒 燃燒不穩(wěn)定問題巧妙解決

F-1發(fā)動(dòng)機(jī)的研制之路并非是一帆風(fēng)順，如此巨大的單燃燒室液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，解決其燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象是緊要問題。所謂燃燒不穩(wěn)定，簡(jiǎn)單來說就是推進(jìn)劑在燃燒室內(nèi)沒有充分混合燃燒，造成一邊冷一邊熱的難題。

當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)還處于萌芽階段，不可能在電腦中模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的狀態(tài)。但美國(guó)工程師想到一個(gè)“以毒攻毒”的辦法，在燃燒的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)放置炸藥，誘發(fā)不穩(wěn)定燃燒情況，借此觀察火焰的變化規(guī)律。在3年的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過2000多次試驗(yàn)，測(cè)試了14種噴注器方案，終將難題解決。

重新設(shè)計(jì)后的噴注盤防止了燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，上圖噴注器平面的最靠近中心的那一圈有18個(gè)鉆孔，用來噴射煤油。再往外一圈18個(gè)鉆孔，用來噴射液氧。以這樣的間隔排列，由中心向外圍擴(kuò)展，使得煤油與液氧交替噴射，均勻混合，穩(wěn)定燃燒

“土星五號(hào)”三級(jí)結(jié)構(gòu) 托舉飛船登陸月球

在“土星五號(hào)”的第一級(jí)底部，配備著5臺(tái)巨型的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)海平面推力約680噸，在5臺(tái)并聯(lián)的情況下，可以將起飛重量3000多噸的“土星五號(hào)”推離地球。火箭在點(diǎn)火后數(shù)秒鐘開始起飛，5臺(tái)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)讓火箭從發(fā)射臺(tái)上飛行到距離地球68千米處，速度高達(dá)9800km/h。當(dāng)所有燃料用完后，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，爆炸裝置啟動(dòng)，讓第一級(jí)和級(jí)間環(huán)斷開。第一級(jí)會(huì)在發(fā)射點(diǎn)至少500千米外落入大海。

第二級(jí)火箭依靠5臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，以液氧/液氫為推進(jìn)劑，將飛船加速使其進(jìn)入大氣層上層，將火箭及載荷運(yùn)送到175千米高空，速度達(dá)到24600km/h，接近軌道速度。它會(huì)點(diǎn)火6分鐘，之后與第三級(jí)分離，落入地球，和發(fā)射點(diǎn)至少相距4000千米。

第三級(jí)由一臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)組成，會(huì)被點(diǎn)火兩次。第一次是在第二級(jí)分離后，點(diǎn)火2.75分鐘，將飛船送入地球軌道，速度達(dá)到28000km/h。此后三級(jí)火箭不會(huì)立刻與飛船分離，發(fā)動(dòng)機(jī)第二次點(diǎn)火，速度達(dá)到39000km/h，飛向月球。當(dāng)?shù)谌��?jí)火箭燃盡時(shí)，它可能進(jìn)入太陽軌道，也可能墜落到月球。

J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高度約3.38米，噴口直徑約2.07米，每秒燃燒204kg液氧和37kg液氫

第一級(jí)火箭的燃料貯箱在氧化劑貯箱下方，第二級(jí)與第三級(jí)火箭的燃料貯箱在氧化劑貯箱上方。注意：五臺(tái)F-1與J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的并聯(lián)排列方式

結(jié)束語

1966年至1973年，共有13枚“土星五號(hào)”運(yùn)載火箭升空，不僅支持了“阿波羅”計(jì)劃，也將“天空實(shí)驗(yàn)室”送入太空。而作為核心動(dòng)力的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)曾生產(chǎn)交付了98臺(tái)，有65臺(tái)參加過13次飛行，其可靠性達(dá)100%。當(dāng)時(shí)就有美國(guó)專家幽默地稱道，5臺(tái)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率是驚人的，“土星五號(hào)”第一級(jí)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于往返于芝加哥與紐約的列車產(chǎn)生的功率，其輸出的能量等于85個(gè)胡佛大壩。