f1火箭引擎擎可不可以用匹代表?

经济方面问题是一方面F1是洛克達因研发,该公司作为美国火箭发动机领域实力最强的公司之一旗下有众多性能优异的发动机型号,但统一的特点就是——贵到现在為止还是这样,航天飞机的主发动机SSME和半人马上面级的RL-10系列直到现在都贵的让客户无奈但是贵是有贵的道理的,F1是人类迄今为止推理最夶的单燃烧室液体火箭发动机虽然绝对推力不如前苏联的RD-170,但是为了解决大功率涡轮泵、耦合振动、以及最难缠的燃烧稳定性方面洛克达因做了巨量的试验和工作,不严谨的说是基本是用大量的实际点火试验堆成的F1发动机但在土星五号退役之后,F1的弊端就逐步暴露出來了首先是航天飞机为了考虑一定程度的可复用性,采用了可重复使用的分级燃烧氢氧发动机RS-25也叫SSME(Space Shuttle Main Engine),同样为洛克达因研制助推器采用大推力分段式固体火箭助推器。落选航天飞机后其他运载火箭限于F1的燃气发生器循环和高额成本,加之推力过大落选了其他运载火箭的起飞级发动机选型。因此洛克达因根据NASA要求只能封存技术资料和生产线。但后来的事情大家都知道再也没有人用过F1,現在美国正在研制新一代重型运载火箭太空发射系统(SLS)其中也用到了分段式大推力固体火箭发动机作为助推器,但是NASA对于固体助推器嘚低比冲不甚满意所以推出了先进助推器计划,拟采用重启F-1生产线生产其改进型F-1A来替换固体助推器,但是看目前SLS的糟糕进度先进助嶊器的需求并不强烈。所以该计划最终估计也是大概率搁浅

【文/科工力气 柳叶刀】

暗斗期间谁能榜首个登上月球是美苏两国彼此比拼的要点之一。承载着苏联人载人登月愿望的N-1火箭其榜首级设备的30台NK-15发起机让人“拍案叫绝”,可是糟糕的牢靠性问题使得火箭发射屡次失利因而未能完结苏联人的登月愿望。现在这一重担就落到了美国人身上。

1957年苏联现已發射了榜首颗卫星(“斯普特尼克”1号),后来又将榜首名宇航员尤里﹒加加林(Yuri Gagarin)在1961年送上了太空美国显着落后了。作为第2次国际大戰的遗产政治和经济上的深入不合让两个超级大国发生了竞赛,引发了暗斗虽然两边没有发生正面抵触,两国仍是不断寻求优势以便震慑对方通过开展宇航技能,两边不只展现了自己多么先进还暗示了他们能够在国际任何地方投进核弹的才能。

加加林登上太空深深影响了美国人为了赶上苏联,美国总统肯尼迪提出了应战“让人类登上月球,再安全地回来地球”所以,“阿波罗”方案诞生了該方案从1961年运转到1972年,在鼎盛时期它共雇佣了40万人,前后花费了240亿美元相当于今日的1100亿美元。

1962年9月美国总统肯尼迪在莱斯大学宣布叻闻名的“咱们挑选登月”讲演

“阿波罗”方案是美国国家航空航天局(NASA)运转的第三个载人航天工程。最早的工程“水星”方案起始于1958姩完毕于1963年。它的方针是送一台载人航天器进入地心轨迹完结四次飞翔。NASA证明了他们能够将人送入太空后就开端了“双子星座”方案,这一方案在1961年到1966年与“阿波罗”方案并行“双子星座”方案的方针是测验“阿波罗”方案中必要的太空游览技能,研发和证明两架航天器在太空中对接技能这对月球着陆至关重要。(参阅[英]扎克﹒斯科特:《阿波罗 一部看得见的航天史》)

洛克达因尽力不白搭 单室朂强发起机为NASA规划

要想把航天员和设备送上月球就需求一枚巨大的火箭,发生满足的推力脱节地球的引力操控为此,由冯﹒布劳恩带領的团队专门规划了“土星五号”火箭来完结“阿波罗”方案它是一台三级火箭,三个部分能够逐个焚烧每个部分运用后都能够别离。

发射架上的“土星五号”运载火箭全体结构包含了发射逃逸体系、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”火箭高度到达111米,比自在女神像还高18米在装入悉数推进剂后,火箭总分量到达2810吨为了能將如此巨型的火箭送入太空,就必须装备牢靠性高推力大的火箭发起机。NASA正确的挑选了洛克达因公司研发的F-1火箭发起机作为“土星五號”的一级动力。

其实F-1火箭发起机开端并非专门为载人登月规划的。1955年洛克达因公司接到研发重型火箭发起机的任务,那时的美军需求一款推力强壮的火发起机为往后的重型洲际弹道导弹进行技能储备。

洛克达因公司很快就推出了E-1火箭发起机可是关于这款牢靠性高、推力功能一般的发起机,美国空军不太满足要求洛克达因公司持续研发推力更强的液体火箭发起机。关于军方的要求公司内部的工程师也很无法,只能遵照指示持续研发更大推力的火箭发起机,推力高达680吨的F-1火箭发起机的原型因而诞生

让洛克达因公司研发人员“無语”的是,由于F-1火箭发起机推力太大而美国空军的洲际弹道导弹的起飞只要105吨,由于忧虑推力如此巨大的发起机或许存在牢靠性问题所以美国空军没有将F-1发起机作为选项。可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,由于他们需求这款大推力发起机

大功率泵压循环 单室最强推力F-1火箭发起机

F-1火箭发起机是人类有史以来制作的推力最大的单焚烧室火箭发起机,也是仅次于前苏联RD-170的國际第二大推力的液体火箭发起机但由于苏联人没有战胜大单室安稳焚烧问题,所以RD-170发起机有四个焚烧室

洛克达因公司研发的这款发起机运用液氧/火油作为推进剂,这儿的火油是一种高度提纯的火油和航空火油很挨近,它比氢气更不易爆破并且能供给每单位更多的嶊力。

F-1火箭发起机由七个作业体系组成别离是:推进剂供给体系(压送推进剂进入焚烧室及向发起机操控办理体系和常平座作动器(用於调整发起机喷发方向)供给燃料(液压)压力)、焚烧体系(使焚烧室和燃气发生器中推进剂开端焚烧)、燃气发生器体系(发生驱动渦轮泵能量及操控推进剂贮箱的增压)、发起机操控办理体系(确保发起机发起和关机)、飞翔测验体系(丈量选定的发起机参数、以便監控和核算发起机的作业特性)、环境操控办理体系(维护发起机在飞翔期间免受由火焰辐射和回流发生的极高温影响)、清洗和排泄体系(避免污染、便于将用完的流体排出火箭外)。

F-1火箭发起机直立高度约5.64米喷口直径约3.71米,每秒中能够焚烧1790kg液氧和788kg火油

与此前介绍的双氧水分化发生涡轮驱动力原理类似F-1选用燃气发生器涡轮动力循环方法,将低混合比的推进剂导入燃气发生器进行富燃焚烧(即氧气少燃料多),发生1500华氏度的气体驱动涡轮泵将推进剂从贮箱里边泵出。这儿的涡轮泵是单轴结构速度分级的燃料泵与氧化剂泵别离坐落渦轮的两边。

F-1火箭发起机涡轮泵的切面图单轴结构

推进剂被泵出后,除了少部分导入燃气发生器其余部分悉数注入焚烧室,可是与液氧直接送入焚烧室不同火油燃料需求先通过火箭发起机喷管外表,冷却喷管并预热火油之后再被注入焚烧室。

开式泵压循环燃气发苼器(预燃室)里边的燃气终究排入尾焰,没有前苏联RD-170的全流量分级焚烧循环先进但F-1的这种规划结构相对比较简略,更为牢靠

环抱喷管外周的是涡轮排气管其上部分为推力室,是由178根管子焊接而成小管子里边流过低温火油既冷却了推力室,又预热了推进剂排气管下蔀,是喷管延伸段涡轮排气流经延伸段,起到冷却效果终究在尾焰中燃尽

另一方面,流经涡轮后的废气被排出之前需求再给换热器供给余热。这儿的换热器由液氧和氦气螺旋管组成设备在涡轮排气管的壳体内,来自涡轮的热气加热液氧螺旋管和氦气螺旋管里边的液氧与氦气别离给液氧贮箱和燃料贮箱增压(增压的意图,笔者在之前的文章中已解说)给换热器加热之后,涡轮管内的排气任务还有朂终一项要完结那便是冷却火箭发起机喷管的延伸段。最终悉数进入尾焰中焚烧。

赤色方框内是换热器的方位其间液氧螺旋管内的液氧流量为3~5磅/秒,氦气螺旋管内的氦流量为0.4~1.0磅/秒

关于发起机推力向量操控推力向量改变由整台发起机摇摆获取。常平座轴承坐落推力室頂部作动器连接点由推力室上两外伸支架供给。作动器并非发起机部件发起机绕常平座承轴在每一个作动面方向上最大可正负位移6度。

F-1发起机规划寿数发起20次总作业时间2250秒。研发中发起机总作业时间超过了5000秒,但液氧泵叶轮和涡轮泵调集管是在3500秒时替换的很显然,F-1发起机大大超过了规划规范

F-1火箭发起机实验寿数记载

以毒攻毒 焚烧不安稳问题奇妙处理

F-1发起机的研发之路并非是一往无前,如此巨大嘚单焚烧室液体火箭发起机处理其焚烧不安稳现象是重要问题。所谓焚烧不安稳简略来说便是推进剂在焚烧室内没有充沛混合焚烧,形成一边冷一边热的难题

其时的核算机仿真技能还处于萌发阶段,不或许在电脑中模仿发起机内部流场的状况但美国工程师想到一个“以毒攻毒”的方法,在焚烧的F-1发起机内放置炸药诱发不安稳焚烧状况,借此调查火焰的改变规则在3年的时间内,通过2000屡次实验测驗了14种喷注器方案,终将难题处理

从头规划后的喷注盘避免了焚烧不安稳现象,上图喷注器平面的最靠近中心的那一圈有18个钻孔用来噴发火油。再往外一圈18个钻孔用来喷发液氧。以这样的间隔摆放由中心向外围扩展,使得火油与液氧替换喷发均匀混合,安稳焚烧

“土星五号”三级结构 托举飞船登陆月球

在“土星五号”的榜首级底部装备着5台巨型的F-1火箭发起机,单台海平面推力约680吨在5台并联的狀况下,能够将起飞分量3000多吨的“土星五号”推离地球火箭在焚烧后数秒钟开端起飞,5台F-1火箭发起机让火箭从发射台上飞翔到间隔地球68芉米处速度高达9800km/h。当一切燃料用完后发起机熄火,爆破设备发起让榜首级和级间环断开。榜首级会在发射点至少500千米外落入大海

苐二级火箭依托5台J-2发起机,以液氧/液氢为推进剂将飞船加快使其进入大气层上层,将火箭及载荷运送到175千米高空速度到达24600km/h,挨近轨迹速度它会焚烧6分钟,之后与第三级别离落入地球,和发射点至少相距4000千米

第三级由一台J-2发起机组成,会被焚烧两次榜首次是在第②级别离后,焚烧2.75分钟将飞船送入地球轨迹,速度到达28000km/h尔后三级火箭不会马上与飞船别离,发起机第2次焚烧速度到达39000km/h,飞向月球當第三级火箭燃尽时,它或许进入太阳轨迹也或许坠落到月球。

J-2火箭发起机高度约3.38米喷口直径约2.07米,每秒焚烧204kg液氧和37kg液氢

榜首级火箭嘚燃料贮箱在氧化剂贮箱下方第二级与第三级火箭的燃料贮箱在氧化剂贮箱上方。留意:五台F-1与J-2火箭发起机的并联摆放方法

1966年至1973年共囿13枚“土星五号”运载火箭升空,不只支撑了“阿波罗”方案也将“天空实验室”送入太空。而作为中心动力的F-1火箭发起机曾出产交付叻98台有65台参加过13次飞翔,其牢靠性达100%其时就有美国专家诙谐地称道,5台F-1发起机发生的功率是惊人的“土星五号”榜首级功率远远大於往复于芝加哥与纽约的列车发生的功率,其输出的能量等于85个胡佛大坝

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