土星五号的F1火箭发动机实现“阿波罗”登月

2019-12-16 10:25:06 来源：观察者网

冷战期间，谁能第一个登上月球是美苏两国相互比拼的重点之一。承载着苏联人载人登月梦想的N-1火箭，其第一级安装的30台NK-15发动机让人“叹为观止”，但是糟糕的可靠性问题使得火箭发射屡屡失败，因此未能实现苏联人的登月梦想。现在，这一重任就落到了美国人身上。

1957年，苏联已经发射了第一颗卫星(“斯普特尼克”1号)，后来又将第一名宇航员尤里﹒加加林(Yuri Gagarin)在1961年送上了太空，美国明显落后了。作为第二次世界大战的遗产，政治和经济上的深刻分歧让两个超级大国产生了竞争，引发了冷战。尽管双方没有发生正面冲突，两国还是不断寻求优势以便威慑对方。通过发展宇航技术，双方不仅展示了自己多么先进，还暗示了他们能够在世界任何地方投放核弹的能力。

加加林登上太空深深刺激了美国人，为了赶上苏联，美国总统肯尼迪提出了挑战，“让人类登上月球，再安全地返回地球”。于是，“阿波罗”计划诞生了。该计划从1961年运行到1972年，在鼎盛时期，它共雇佣了40万人，前后花费了240亿美元，相当于今天的1100亿美元。

1962年9月，美国总统肯尼迪在莱斯大学发表了著名的“我们选择登月”演讲

“阿波罗”计划是美国国家航空航天局(NASA)运行的第三个载人航天工程。最早的工程“水星”计划起始于1958年，结束于1963年。它的目标是送一台载人航天器进入地心轨道，完成四次飞行。NASA证明了他们可以将人送入太空后，就开始了“双子星座”计划，这一计划在1961年到1966年与“阿波罗”计划并行。“双子星座”计划的目标是测试“阿波罗”计划中必要的太空旅行技术，研发和论证两架航天器在太空中对接技术，这对月球着陆至关重要。(参考[英]扎克﹒斯科特：《阿波罗一部看得见的航天史》)

洛克达因努力不白费单室最强发动机为NASA设计

要想把航天员和设备送上月球，就需要一枚巨大的火箭，产生足够的推力摆脱地球的引力牵制。为此，由冯﹒布劳恩带领的团队专门设计了“土星五号”火箭来完成“阿波罗”计划。它是一台三级火箭，三个部分可以逐一点火，每个部分使用后都可以分离。

发射架上的“土星五号”运载火箭整体结构，包括了发射逃逸系统、指挥/服务舱、登月车与月球车、设备模块、“土星五号”火箭箭体(三级火箭)

矗立在发射架上的“土星五号”火箭高度达到111米，比自由女神像还高18米。在装入全部推进剂后，火箭总重量达到2810吨。为了能将如此巨型的火箭送入太空，就必须配备可靠性高，推力大的火箭发动机。NASA明智的选择了洛克达因公司研制的F-1火箭发动机，作为“土星五号”的一级动力。

其实，F-1火箭发动机最初并非专门为载人登月设计的。1955年，洛克达因公司接到研制重型火箭发动机的任务，那时的美军需要一款推力强大的火发动机，为今后的重型洲际弹道导弹进行技术储备。

洛克达因公司很快就推出了E-1火箭发动机，但是对于这款可靠性高、推力性能一般的发动机，美国空军不太满意，要求洛克达因公司继续研发推力更强的液体火箭发动机。对于军方的要求，公司内部的工程师也很无奈，只能遵从指示，继续研制更大推力的火箭发动机，推力高达680吨的F-1火箭发动机的原型因此诞生。

让洛克达因公司研发人员“无语”的是，因为F-1火箭发动机推力太大，而美国空军的洲际弹道导弹的起飞只有105吨，因为担心推力如此巨大的发动机可能存在可靠性问题，所以美国空军没有将F-1发动机作为选项。但是没过多久，刚成立的美国国家航空航天局(NASA)找到了洛克达因，因为他们需要这款大推力发动机。

大功率泵压循环单室最强推力F-1火箭发动机

F-1火箭发动机是人类有史以来制造的推力最大的单燃烧室火箭发动机，也是仅次于前苏联RD-170的世界第二大推力的液体火箭发动机，但因为苏联人没有克服大单室稳定燃烧问题，所以RD-170发动机有四个燃烧室。

F-1火箭发动机

洛克达因公司研制的这款发动机使用液氧/煤油作为推进剂，这里的煤油是一种高度提纯的煤油，和航空煤油很接近，它比氢气更不易爆炸，而且能提供每单位更多的推力。

F-1火箭发动机由七个工作系统组成，分别是：推进剂供应系统(压送推进剂进入燃烧室及向发动机控制系统和常平座作动器(用于调整发动机喷射方向)供给燃料(液压)压力)、点火系统(使燃烧室和燃气发生器中推进剂开始燃烧)、燃气发生器系统(产生驱动涡轮泵能量及控制推进剂贮箱的增压)、发动机控制系统(保证发动机启动和关机)、飞行测试系统(测量选定的发动机参数、以便监控和计算发动机的工作特性)、环境控制系统(保护发动机在飞行期间免受由火焰辐射和回流产生的极高温影响)、清洗和排泄系统(防止污染、便于将用完的流体排出火箭外)。