土星五號的F1火箭發動機:單燃燒室最強推力,實現「阿波羅」登月

2020-12-06 騰訊網

【文/科工力量 柳葉刀】

冷戰期間,誰能第一個登上月球是美蘇兩國相互比拼的重點之一。承載著蘇聯人載人登月夢想的N-1火箭,其第一級安裝的30臺NK-15發動機讓人「嘆為觀止」,但是糟糕的可靠性問題使得火箭發射屢屢失敗,因此未能實現蘇聯人的登月夢想。現在,這一重任就落到了美國人身上。

1957年,蘇聯已經發射了第一顆衛星(「斯普特尼克」1號),後來又將第一名太空人尤裡﹒加加林(Yuri Gagarin)在1961年送上了太空,美國明顯落後了。作為第二次世界大戰的遺產,政治和經濟上的深刻分歧讓兩個超級大國產生了競爭,引發了冷戰。儘管雙方沒有發生正面衝突,兩國還是不斷尋求優勢以便威懾對方。通過發展宇航技術,雙方不僅展示了自己多麼先進,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,美國總統甘迺迪提出了挑戰,「讓人類登上月球,再安全地返回地球」。於是,「阿波羅」計劃誕生了。該計劃從1961年運行到1972年,在鼎盛時期,它共僱傭了40萬人,前後花費了240億美元,相當於今天的1100億美元。

1962年9月,美國總統甘迺迪在萊斯大學發表了著名的「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」計劃起始於1958年,結束於1963年。它的目標是送一臺載人太空飛行器進入地心軌道,完成四次飛行。NASA證明了他們可以將人送入太空後,就開始了「雙子星座」計劃,這一計劃在1961年到1966年與「阿波羅」計劃並行。「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,研發和論證兩架太空飛行器在太空中對接技術,這對月球著陸至關重要。(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 單室最強發動機為NASA設計

要想把航天員和設備送上月球,就需要一枚巨大的火箭,產生足夠的推力擺脫地球的引力牽制。為此,由馮﹒布勞恩帶領的團隊專門設計了「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,每個部分使用後都可以分離。

發射架上的「土星五號」運載火箭整體結構,包括了發射逃逸系統、指揮/服務艙、登月車與月球車、設備模塊、「土星五號」火箭箭體(三級火箭)

矗立在發射架上的「土星五號」火箭高度達到111米,比自由女神像還高18米。在裝入全部推進劑後,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,推力大的火箭發動機。NASA明智的選擇了洛克達因公司研製的F-1火箭發動機,作為「土星五號」的一級動力。

其實,F-1火箭發動機最初並非專門為載人登月設計的。1955年,洛克達因公司接到研製重型火箭發動機的任務,那時的美軍需要一款推力強大的火發動機,為今後的重型洲際彈道飛彈進行技術儲備。

洛克達因公司很快就推出了E-1火箭發動機,但是對於這款可靠性高、推力性能一般的發動機,美國空軍不太滿意,要求洛克達因公司繼續研發推力更強的液體火箭發動機。對於軍方的要求,公司內部的工程師也很無奈,只能遵從指示,繼續研製更大推力的火箭發動機,推力高達680噸的F-1火箭發動機的原型因此誕生。

讓洛克達因公司研發人員「無語」的是,因為F-1火箭發動機推力太大,而美國空軍的洲際彈道飛彈的起飛只有105噸,因為擔心推力如此巨大的發動機可能存在可靠性問題,所以美國空軍沒有將F-1發動機作為選項。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動機。

大功率泵壓循環 單室最強推力F-1火箭發動機

F-1火箭發動機是人類有史以來製造的推力最大的單燃燒室火箭發動機,也是僅次於前蘇聯RD-170的世界第二大推力的液體火箭發動機,但因為蘇聯人沒有克服大單室穩定燃燒問題,所以RD-170發動機有四個燃燒室。

F-1火箭發動機

洛克達因公司研製的這款發動機使用液氧/煤油作為推進劑,這裡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火箭發動機由七個工作系統組成,分別是:推進劑供應系統(壓送推進劑進入燃燒室及向發動機控制系統和常平座作動器(用於調整發動機噴射方向)供給燃料(液壓)壓力)、點火系統(使燃燒室和燃氣發生器中推進劑開始燃燒)、燃氣發生器系統(產生驅動渦輪泵能量及控制推進劑貯箱的增壓)、發動機控制系統(保證發動機啟動和關機)、飛行測試系統(測量選定的發動機參數、以便監控和計算發動機的工作特性)、環境控制系統(保護髮動機在飛行期間免受由火焰輻射和回流產生的極高溫影響)、清洗和排洩系統(防止汙染、便於將用完的流體排出火箭外)。

F-1火箭發動機直立高度約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生渦輪驅動力原理相似,F-1採用燃氣發生器渦輪動力循環方式,將低混合比的推進劑導入燃氣發生器進行富燃燃燒(即氧氣少,燃料多),產生1500華氏度的氣體驅動渦輪泵,將推進劑從貯箱裡面泵出。這裡的渦輪泵是單軸結構,速度分級的燃料泵與氧化劑泵分別位於渦輪的兩側。

F-1火箭發動機渦輪泵的切面圖,單軸結構

推進劑被泵出後,除了少部分導入燃氣發生器,其餘部分全部注入燃燒室,但是與液氧直接送入燃燒室不同,煤油燃料需要先經過火箭發動機噴管表面,冷卻噴管並預熱煤油,之後再被注入燃燒室。

開式泵壓循環,燃氣發生器(預燃室)裡面的燃氣最終排入尾焰,沒有前蘇聯RD-170的全流量分級燃燒循環先進,但F-1的這種設計結構簡單,更為可靠

環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,小管子裡面流過低溫煤油既冷卻了推力室,又預熱了推進劑。排氣管下部,是噴管延伸段,渦輪排氣流經延伸段,起到冷卻作用,最終在尾焰中燃盡

另一方面,流經渦輪後的廢氣被排出之前,需要再給換熱器提供餘熱。這裡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,來自渦輪的熱氣加熱液氧螺旋管和氦氣螺旋管裡面的液氧與氦氣,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)。給換熱器加熱之後,渦輪管內的排氣使命還有最後一項要完成,那就是冷卻火箭發動機噴管的延伸段。最後,全部進入尾焰中燃燒。

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

對於發動機推力向量控制,推力向量變化由整臺發動機擺動獲取。常平座軸承位於推力室頂部,作動器連接點由推力室上兩外伸支架提供。作動器並非發動機部件,發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發動機設計壽命啟動20次,總工作時間2250秒。研製中,發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-1發動機大大超過了設計規範。

F-1火箭發動機試驗壽命記錄

以毒攻毒 燃燒不穩定問題巧妙解決

F-1發動機的研製之路並非是一帆風順,如此巨大的單燃燒室液體火箭發動機,解決其燃燒不穩定現象是緊要問題。所謂燃燒不穩定,簡單來說就是推進劑在燃燒室內沒有充分混合燃燒,造成一邊冷一邊熱的難題。

當時的計算機仿真技術還處於萌芽階段,不可能在電腦中模擬發動機內部流場的狀態。但美國工程師想到一個「以毒攻毒」的辦法,在燃燒的F-1發動機內放置炸藥,誘發不穩定燃燒情況,藉此觀察火焰的變化規律。在3年的時間內,經過2000多次試驗,測試了14種噴注器方案,終將難題解決。

重新設計後的噴注盤防止了燃燒不穩定現象,上圖噴注器平面的最靠近中心的那一圈有18個鑽孔,用來噴射煤油。再往外一圈18個鑽孔,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,穩定燃燒

「土星五號」三級結構 託舉飛船登陸月球

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

第二級火箭依靠5臺J-2發動機,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,之後與第三級分離,落入地球,和發射點至少相距4000千米。

第三級由一臺J-2發動機組成,會被點火兩次。第一次是在第二級分離後,點火2.75分鐘,將飛船送入地球軌道,速度達到28000km/h。此後三級火箭不會立刻與飛船分離,發動機第二次點火,速度達到39000km/h,飛向月球。當第三級火箭燃盡時,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火箭發動機的並聯排列方式

結束語

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火箭發動機曾生產交付了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發動機產生的功率是驚人的,「土星五號」第一級功率遠遠大於往返於芝加哥與紐約的列車產生的功率,其輸出的能量等於85個胡佛大壩。

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