F-1火箭发动机

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
F-1火箭发动机参数

F-1火箭发动机(以下简称F-1)是美国洛克达因公司设计制造的一款煤油液氧发动机,用于農神五号运载火箭(也称土星五号运载火箭)的第一级。F-1是投入使用过的推力最大的单喷嘴(单燃烧室)液体火箭发动机,也是仅次于俄罗斯RD-170的推力最大的液体引擎(RD-170发动机有4个燃烧室,一台涡轮泵和2个预燃室)。

历史[编辑]

F-1在宇航火箭中心展出

洛克达因最初设计F-1只是出于美国空军在1955年提出的制造超大型火箭发动机的要求。公司最后设计出两个版本,一个E-1,一个更大的F-1。E-1虽然在静态点火试验中取得成功,但很快这款发动机被视为没有前途,而且有更强大的F-1存在,E-1计划被搁浅了。然而美国空军发现没有使用如此强大的发动机的必要,F-1的研究计划也随之中止。刚刚成立的NASA看中了这款发动机,并与洛克达因签约,要求尽快完成研发。1957年,发动机进行了局部试验,而整机的静态点火试验也在1959年3月取得成功。

F-1在随后七年的测试中,其燃烧不稳定性逐渐暴露出来,并可能导致灾难性事故。[1]攻克这个技术难题的工作最初进展十分缓慢,因为这种故障的发生是不可预知的。最终,工程师们想出了解决办法,他们将少量的爆轰炸药放在燃烧室中,并在发动机运转时引爆炸药,以此测试燃烧室在压力变化时将作何反应。设计师随后测试了几种不同的燃料喷射器,并得到了最佳匹配方案。这个问题从1959年一直拖到1961年才算告一段落。

设计细节[编辑]

F-1以燃气发生器循环为基础。即在炉外燃烧室里燃烧一小部分燃料,以燃气驱动涡轮泵将燃料和氧化剂泵入主燃室。发动机的核心组件是推力室,燃料和氧化剂混合并燃烧产生推力。发动机顶部是一个半球形小室,即做输送液氧的歧管,也做万向轴承的支撑架,连接发动机和火箭箭体。小室之下是喷射器,用来混合燃料和氧化剂。一部分燃料从另一个歧管进入喷射器,另一部分燃料通过178根管道直接通入推力室,盘旋的管道形成了推力室的上半部分,还可以起到给推力室降温的作用。

燃料和液氧由不同的泵泵入,但泵由同一个涡轮驱动。涡轮转速为5,500 RPM,产生55,000制动马力(41 MW)。在此功率下,工作泵每分钟可以泵入15,471 加仑(58,564 )煤油和24,811加仑(93,920升)液氧。涡轮泵被设计得可以应付严酷的温度环境:煤气的温度高达1,500 °F (816 °C),而液氧的温度低至-300 °F (-184 °C)。一些燃料煤油被充作涡轮的润滑剂和冷却剂。

推力室下方是喷嘴的延伸,大致延伸到发动机的一半长度位置。延伸部分将发动机的膨胀比从10:1提高到16:1。涡轮机排除的低温气体通过锥形歧管进入延伸部分,保护喷嘴在高温(5,800 °F, 3,200 °C)下不受损坏。[2]

F-1每秒消耗3,945磅(1,789 kg)液氧,1,738磅(788 kg)煤油,产生1,500,000磅力(6.7 MN)的推力。在两分半钟的运转中,土星五号凭借F-1上升42英里(68 km)高度,达到6,164英里每小时(9,920 km/h)的速度。土星五号每秒的推进剂流量是12,710升,可以在8.9秒内清空一个容量110,000升的游泳池。[2]每台F-1发动机的推力都比航天飞机上三台发动机总和还多。[3]

参数[编辑]

阿波罗 4、6、8 阿波罗 9
推力(海平面): 1,500,000 磅力(667吨) 1,522,000 磅力(677吨)
燃烧时间: 150 s 165s
比冲 260 s (2.55 kN·s/kg) 263 s (2.58 kN·s/kg)
净重: 18,416 磅 (8,353 kg) 18,500 磅 (8,391 kg)
燃尽重量: 20,096 磅 (9,115 kg) 20,180 磅 (9,153 kg)
高度: 19 ft (5.79 m)
直径: 12.3 ft (3.76 m)
喷口面积比: 16:1
推进剂: LOX & RP-1
混合比: 2.27:1 氧化剂:燃料
制造商: 北美航空/洛克达因
应用: 土星五号 V / S-IC - 5台

来源:[2][4]

阿波罗任务期间的改进[编辑]

F-1在阿波罗8号(SA-503)和阿波罗17号(SA-512)任务期间得到改进。因为随着任务的进展,土星五号的负荷也逐渐增大。每次任务对发动机的性能要求都略有差异,用于阿波罗15号的F-1发动机性能为:

  • 每台平均海平面推力:1,553,200 磅力(690吨)
  • 燃烧时间:159 s
  • 比冲:264.72 s
  • 混合比:2.2674
  • S-IC级总海平面推力:7,766,000 磅力(3455吨)

发动机推力实测值与标称值有差异,阿波罗15号所用的发动机其起飞推力为7,823,000磅力(3480吨),而F-1的平均值是1,565,000磅力(696吨)。

阿波罗任务之后的归宿[编辑]

60年代,洛克达因在对F-1的持续研究之后,曾试图开发F-1A发动机,虽然二者外观相似,但F-1A比F-1更轻,且推力更大,可以满足阿波罗计划之后时期的土星五号需求,然而随着土星五号生产线的停产,研究终止。

当时有提议在诺瓦火箭的第一级使用八个F-1,从70年代至今,还不断有各种关于使用F-1来开发新型火箭的意见,但都未能成行。

F-1一直保持着最大推力液態发动机的地位,直到苏联RD-170出现,但F-1在单喷嘴发动机领域的第一的位置依然没有动摇。

参考[编辑]

注释[编辑]

  1. ^ Ellison, Renea; Moser, Marlow, Combustion Instability Analysis and the Effects of Drop Size on Acoustic Driving Rocket Flow, Huntsville, Alabama: Propulsion Research Center, University of Alabama in Huntsville 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Saturn V News Reference: F-1 Engine Fact Sheet, National Aeronautics and Space Administration, 3–3,3–4, December 1968 [June 1, 2008] 
  3. ^ NSTS 1988 News Reference Manual, NASA, [July 3, 2008] 
  4. ^ F-1 Engine (chart), NASA Marshall Space Flight Center, [June 1, 2008], MSFC-9801771 

外部链接[编辑]