土星5號火箭為什麼如此強大?

土星5號火箭「強大」的一個關鍵原因（我說的是「有效載荷」），是它的第二級J-2發動機的比衝（Isp）性能（相對而言）有了巨大的提升。我們可以看到，前蘇聯設計並製造了N-1這種巨型火箭，這個巨大的火箭產生的推力比土星5號還高50％，但是它的有效載荷大大低於土星5號。 怎麼會這樣呢？是因為土星5號使用了更高級的引擎，而且使用液氧(LOX)和高精煉煤油(RP-1)作為推進劑。儘管N1使用了非常雄心勃勃的熱力學循環（LOX的富氧分級燃燒）運行，但是它的發動機的效率(Isp)卻遠遠落後於J-2發動機。

發動機測試

土星5號的五架F1發動機的容量幾乎是太空梭的5倍

我們應該記住，儘管F-1的發動機統計數據顯然是最高級的，但當運載火箭開始在其較高級飛行時，它就成為「 Isp的全部」。因此，在150萬磅推力（海平面）的作用下，土星V的5架F1擁有足夠的動力來舉起36層樓高的巨型火箭，並向軌道輸送119噸的負載。它幾乎是太空梭容量的五倍。總之，F-1發動機仍然是有史以來最強大的單燃燒液體推進火箭發動機。

甘迺迪航天中心展出的土星5號火箭上安

土星五號火箭的功率和扭矩是多少？

每個F1發動機都有一個燃氣發生器，可提供55,000制動馬力（41 MW），每秒可將976升RP-1和1,565升的液氧泵入燃燒室。這與為現在的超深水鑽探船所提供的16公裡鑽杆旋轉鑽入海底8公裡所需發動機的功率大致相同，但這只是為一臺火箭發動機輸送燃料的功率。將發動機功率與火箭推力聯繫起來很困難，活塞發動機本身不會移動飛行器，因此通常根據其傳遞給驅動軸的功率來進行計算，該值與節氣門直接相關。火箭可立即提供推力，因此可通過直接推力進行評估，該值會隨氣壓和飛行器速度而變化。活塞發動機將具有恆定的100％功率，螺旋槳的推力將隨速度變化。火箭將具有恆定的100％推力，功率將隨速度而變化。

土星5號火箭助推器

每架F1產生6770千牛的推力

這樣測試可以得出一些獨特的結果，每臺F1發動機在制動板上產生了6770千牛（1,746,000磅）的推力。但是直到火箭開始移動之前，任何火箭發動機的推力都是零，此靜態測試在零馬力的情況下聲音非常大。F1發動機在燃盡時產生了7766千牛（1,746,000磅）的推力，此時飛船以6,000 mph 即：每秒2.68公裡(1.67英裡)的速度運動。那就是說每個引擎1,746,000lb（磅） * 8,800ft（英尺）/ 550 = 27,936,000hp（馬力），那第一級燃盡，四個引擎總功率為111,744,000hp（馬力）。但這是一個無意義的數字，這就是為什麼火箭通常不以馬力來計算。

5號

但土星5號火箭會產生馬力嗎？

火箭不會產生馬力，馬力是「功率」的單位，它是工作的時間導數。火箭也不產生正常意義上的「功」。諸如渦輪發電廠或汽車發動機之類的東西會產生「功」，即它們會「產生」以給定速度旋轉的軸，並能夠在傳遞給定扭矩的同時以該速度旋轉。輸出軸的扭矩和速度的乘積是功率，可以用馬力來額定。因此，土星5號火箭（或其他火箭）不會產生任何一種。火箭只會產生一件事，而只會產生一件事，這很重要，有些人聲稱，火箭至少在某種意義上產生了「功」，因為當乘以推力時，火箭當前的飛行速度等於「動力」的單位。 但是，由於以下原因，即使這樣也會產生誤導。不管發動機本身是否在運轉，渦輪發電或汽車發動機發電都會產生相同的功率。 對於火箭，靜態發射（速度=零）時產生的「功率」（根據此定義）等於零。因此，我們將計算的「功率」是火箭飛行條件的強大函數。而且，這些飛行條件可以像靜態射擊一樣任意改變。因此，（至少以我的經驗）這樣的定義沒有用。

1967年11月9日土星5號的首次發射

火箭的「力量」是什麼？

有時還將火箭發動機的「功率」引用為燃料的質量流率，即僅燃料（不計算氧化劑）乘以燃料的「熱值」或「燃燒熱」。因此，這可能也不是最有用的定義。因為按照定義，以這種方式產生的大量「力量」沒有用，但經常被媒體引用。根據以上定義，土星5號在其第一級F-1發動機上運行時的「功率」 約為160,000,000馬力。2013年，從事下一代SLS火箭研究的NASA工程師啟動了一項程序，從土星5號的第一階段開始對F-1發動機進行重新測試，以更深入地了解它的製造方式和工作方式。新的數據將幫助那些工程師將太空人重返月球，這些組件的工作涉及熱火測試，3D掃描和氣體發生器測試。

土星5號發射

土星五號為何如此劇烈搖晃？

這本質上是前兩個階段龐大的規模以及工程師對如此大的階段缺乏經驗的結果。F1在洛克達來說是有史以來最強大的內置引擎，即使今天，也是如此，在燃燒室中的不穩定性可能會形成強大的諧波足以毀滅發動機。 但這是在60年代中期，他們顯然解決了這一問題，方法是用手在燃料入口上隨機增加一些孔，直到獲得可接受的結果為止。但是，F1發動機仍然是「搖搖欲墜」的動力裝置。要知道，至少兩種諧波放大使這種情況變得更糟，甚至更糟。首先是燃料箱和氧化劑箱的振動，由於這些設備各載有幾十噸重，很容易就摧毀一個發射臺。解決方法是安裝擋板以減慢設備內部的晃動和移動。

土星5號和德裔火箭專家沃納·馮·布勞恩

什麼是POGO？

第二個是饋線振蕩，這可能會導致推力振蕩（POGO）。這可能會增加饋線的振蕩。它可能會創建一個反饋迴路，然後……「砰」。在土星5號火箭上以多種方式處理了POGO ，但從未完全解決。直到阿波羅13號，第二級中央引擎被認為由於POGO導致失靈，隨後的飛行被提前結束。為了解決這個問題進行了許多修改，最顯著的是，第二級中央引擎被設置為提前關閉。第一級中央發動機已經提前關閉以限制G力負載。

土星5號（SA-508）搭載阿波羅13號在197

在阿波羅13號（Apollo 13）發射期間，第二級中央引擎在無法關閉之前發生了故障。並且據了解，其饋送線由於搖晃而失效。工程師將其設置為在此之後更早關閉，並且在隨後的飛行沒有進一步的問題。簡而言之，答案就是，每當擁有一臺強大的機器，在充滿大量鬆散物質的密閉空間中釋放大量能量時，這就有了災難的根源，船舶和飛機墜毀僅僅是因為貨物質量的意外變化。

搭載阿波羅12的土星5號火箭在裝配大樓塗裝

題外話：為什麼土星5號火箭被塗成黑色和白色？

在土星5號被刷成白色為主，主要是因為它坐落在炎熱的佛羅裡達州發射臺，為保持火箭的體溫降低了燃油的蒸發並提高了總體安全性。當飛船在起飛時圍繞其垂直軸旋轉時，黑色標記是有助於地面相機進行滾動測量。有一個很酷的答案，這一切都歸結為溫度。在土星5號是一個標誌性的火箭，它的黑色和白色的油漆計劃是非常容易辨認。就像它的技術遺產一樣，我們也可以將其風格根源追溯到二戰德國。

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