土星五號的F1火箭發(fā)動機：單燃燒室最強推力，實現(xiàn)“阿波羅”登月

【文/科工力量 柳葉刀】

冷戰(zhàn)期間，誰能第一個登上月球是美蘇兩國相互比拼的重點之一。承載著蘇聯(lián)人載人登月夢想的N-1火箭，其第一級安裝的30臺NK-15發(fā)動機讓人“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，因此未能實現(xiàn)蘇聯(lián)人的登月夢想。現(xiàn)在，這一重任就落到了美國人身上。

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），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)濟上的深刻分歧讓兩個超級大國產(chǎn)生了競爭，引發(fā)了冷戰(zhàn)。盡管雙方?jīng)]有發(fā)生正面沖突，兩國還是不斷尋求優(yōu)勢以便威懾對方。通過發(fā)展宇航技術(shù)，雙方不僅展示了自己多么先進，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人，為了趕上蘇聯(lián)，美國總統(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”計劃誕生了。該計劃從1961年運行到1972年，在鼎盛時期，它共雇傭了40萬人，前后花費了240億美元，相當于今天的1100億美元。

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

“阿波羅”計劃是美國國家航空航天局（NASA）運行的第三個載人航天工程。最早的工程“水星”計劃起始于1958年，結(jié)束于1963年。它的目標是送一臺載人航天器進入地心軌道，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”計劃，這一計劃在1961年到1966年與“阿波羅”計劃并行。“雙子星座”計劃的目標是測試“阿波羅”計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接技術(shù)，這對月球著陸至關(guān)重要。（參考[英]扎克﹒斯科特：《阿波羅 一部看得見的航天史》）

洛克達因努力不白費 單室最強發(fā)動機為NASA設(shè)計

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)的團隊專門設(shè)計了“土星五號”火箭來完成“阿波羅”計劃。它是一臺三級火箭，三個部分可以逐一點火，每個部分使用后都可以分離。

發(fā)射架上的“土星五號”運載火箭整體結(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”火箭箭體（三級火箭）

矗立在發(fā)射架上的“土星五號”火箭高度達到111米，比自由女神像還高18米。在裝入全部推進劑后，火箭總重量達到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)動機。NASA明智的選擇了洛克達因公司研制的F-1火箭發(fā)動機，作為“土星五號”的一級動力。

其實，F(xiàn)-1火箭發(fā)動機最初并非專門為載人登月設(shè)計的。1955年，洛克達因公司接到研制重型火箭發(fā)動機的任務(wù)，那時的美軍需要一款推力強大的火發(fā)動機，為今后的重型洲際彈道導彈進行技術(shù)儲備。

洛克達因公司很快就推出了E-1火箭發(fā)動機，但是對于這款可靠性高、推力性能一般的發(fā)動機，美國空軍不太滿意，要求洛克達因公司繼續(xù)研發(fā)推力更強的液體火箭發(fā)動機。對于軍方的要求，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)動機，推力高達680噸的F-1火箭發(fā)動機的原型因此誕生。

讓洛克達因公司研發(fā)人員“無語”的是，因為F-1火箭發(fā)動機推力太大，而美國空軍的洲際彈道導彈的起飛只有105噸，因為擔心推力如此巨大的發(fā)動機可能存在可靠性問題，所以美國空軍沒有將F-1發(fā)動機作為選項。但是沒過多久，剛成立的美國國家航空航天局（NASA）找到了洛克達因，因為他們需要這款大推力發(fā)動機。

大功率泵壓循環(huán) 單室最強推力F-1火箭發(fā)動機

F-1火箭發(fā)動機是人類有史以來制造的推力最大的單燃燒室火箭發(fā)動機，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)動機，但因為蘇聯(lián)人沒有克服大單室穩(wěn)定燃燒問題，所以RD-170發(fā)動機有四個燃燒室。

F-1火箭發(fā)動機

洛克達因公司研制的這款發(fā)動機使用液氧/煤油作為推進劑，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)動機由七個工作系統(tǒng)組成，分別是：推進劑供應(yīng)系統(tǒng)（壓送推進劑進入燃燒室及向發(fā)動機控制系統(tǒng)和常平座作動器（用于調(diào)整發(fā)動機噴射方向）供給燃料（液壓）壓力）、點火系統(tǒng)（使燃燒室和燃氣發(fā)生器中推進劑開始燃燒）、燃氣發(fā)生器系統(tǒng)（產(chǎn)生驅(qū)動渦輪泵能量及控制推進劑貯箱的增壓）、發(fā)動機控制系統(tǒng)（保證發(fā)動機啟動和關(guān)機）、飛行測試系統(tǒng)（測量選定的發(fā)動機參數(shù)、以便監(jiān)控和計算發(fā)動機的工作特性）、環(huán)境控制系統(tǒng)（保護發(fā)動機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)動機直立高度約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)動力原理相似，F(xiàn)-1采用燃氣發(fā)生器渦輪動力循環(huán)方式，將低混合比的推進劑導入燃氣發(fā)生器進行富燃燃燒（即氧氣少，燃料多），產(chǎn)生1500華氏度的氣體驅(qū)動渦輪泵，將推進劑從貯箱里面泵出。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)動機渦輪泵的切面圖，單軸結(jié)構(gòu)

推進劑被泵出后，除了少部分導入燃氣發(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)動機噴管表面，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)，燃氣發(fā)生器（預(yù)燃室）里面的燃氣最終排入尾焰，沒有前蘇聯(lián)RD-170的全流量分級燃燒循環(huán)先進，但F-1的這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，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要完成，那就是冷卻火箭發(fā)動機噴管的延伸段。最后，全部進入尾焰中燃燒。

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

對于發(fā)動機推力向量控制，推力向量變化由整臺發(fā)動機擺動獲取。常平座軸承位于推力室頂部，作動器連接點由推力室上兩外伸支架提供。作動器并非發(fā)動機部件，發(fā)動機繞常平座承軸在每一個作動面方向上最大可正負位移6度。

F-1發(fā)動機設(shè)計壽命啟動20次，總工作時間2250秒。研制中，發(fā)動機總工作時間超過了5000秒，但液氧泵葉輪和渦輪泵集合管是在3500秒時更換的。很顯然，F(xiàn)-1發(fā)動機大大超過了設(shè)計規(guī)范。

F-1火箭發(fā)動機試驗壽命記錄

以毒攻毒 燃燒不穩(wěn)定問題巧妙解決

F-1發(fā)動機的研制之路并非是一帆風順，如此巨大的單燃燒室液體火箭發(fā)動機，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，簡單來說就是推進劑在燃燒室內(nèi)沒有充分混合燃燒，造成一邊冷一邊熱的難題。

當時的計算機仿真技術(shù)還處于萌芽階段，不可能在電腦中模擬發(fā)動機內(nèi)部流場的狀態(tài)。但美國工程師想到一個“以毒攻毒”的辦法，在燃燒的F-1發(fā)動機內(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年的時間內(nèi)，經(jīng)過2000多次試驗，測試了14種噴注器方案，終將難題解決。

重新設(shè)計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個鉆孔，用來噴射煤油。再往外一圈18個鉆孔，用來噴射液氧。以這樣的間隔排列，由中心向外圍擴展，使得煤油與液氧交替噴射，均勻混合，穩(wěn)定燃燒

“土星五號”三級結(jié)構(gòu) 托舉飛船登陸月球

在“土星五號”的第一級底部，配備著5臺巨型的F-1火箭發(fā)動機，單臺海平面推力約680噸，在5臺并聯(lián)的情況下，可以將起飛重量3000多噸的“土星五號”推離地球。火箭在點火后數(shù)秒鐘開始起飛，5臺F-1火箭發(fā)動機讓火箭從發(fā)射臺上飛行到距離地球68千米處，速度高達9800km/h。當所有燃料用完后，發(fā)動機熄火，爆炸裝置啟動，讓第一級和級間環(huán)斷開。第一級會在發(fā)射點至少500千米外落入大海。

第二級火箭依靠5臺J-2發(fā)動機，以液氧/液氫為推進劑，將飛船加速使其進入大氣層上層，將火箭及載荷運送到175千米高空，速度達到24600km/h，接近軌道速度。它會點火6分鐘，之后與第三級分離，落入地球，和發(fā)射點至少相距4000千米。

第三級由一臺J-2發(fā)動機組成，會被點火兩次。第一次是在第二級分離后，點火2.75分鐘，將飛船送入地球軌道，速度達到28000km/h。此后三級火箭不會立刻與飛船分離，發(fā)動機第二次點火，速度達到39000km/h，飛向月球。當?shù)谌�級火箭燃盡時，它可能進入太陽軌道，也可能墜落到月球。

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

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

結(jié)束語

1966年至1973年，共有13枚“土星五號”運載火箭升空，不僅支持了“阿波羅”計劃，也將“天空實驗室”送入太空。而作為核心動力的F-1火箭發(fā)動機曾生產(chǎn)交付了98臺，有65臺參加過13次飛行，其可靠性達100%。當時就有美國專家幽默地稱道，5臺F-1發(fā)動機產(chǎn)生的功率是驚人的，“土星五號”第一級功率遠遠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個胡佛大壩。