F-1火箭引擎
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![]() F-1 rocket engine specifications | |
原產國 | 美利堅合眾國 |
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製造者 | 洛克達因公司 |
液態火箭發動機 | |
推進劑 | LOX / RP-1 |
系統 | 燃氣發生器循環 |
性能 | |
推力(海平面) | 1,522,000 lbf(6,770 kN) |
燃燒室壓力 | 70巴(1,015磅力每平方英寸;7百萬帕斯卡) |
比衝(海平面) | 263秒(2.58公里每秒) |
F-1火箭引擎(以下簡稱F-1)是美國洛克達因公司設計製造的一款煤油液氧引擎,用於農神5號運載火箭的第一級。F-1是投入使用過的推力最大的單噴嘴(單燃燒室)液體火箭引擎,也是僅次於俄羅斯RD-170的推力最大的液體引擎(RD-170引擎有4個燃燒室,一台渦輪泵和2個預燃室)。
歷史
[編輯]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/42/F-1_rocket_engine_at_United_States_Space_and_Rocket_Center_in_2006.jpg/200px-F-1_rocket_engine_at_United_States_Space_and_Rocket_Center_in_2006.jpg)
洛克達因最初設計F-1只是出於美國空軍在1955年提出的製造超大型火箭引擎的要求。公司最後設計出兩個版本,一個E-1,一個更大的F-1。E-1雖然在靜態點火試驗中取得成功,但很快這款引擎被視為沒有後續價值,而且有更強大的F-1存在,E-1計劃被中止了。然而美國空軍發現沒有使用如此強大的引擎的必要,F-1的研究計劃也隨之中止。剛剛成立的NASA看中了這款引擎,並與洛克達因簽約,要求儘快完成研發。1957年,引擎進行了局部試驗,而整機的靜態點火試驗也在1959年3月取得成功。
F-1在隨後七年的測試中,其燃燒不穩定性逐漸暴露出來,並可能導致災難性事故。[1]攻克這個技術難題的工作最初進展十分緩慢,因為這種故障的發生是不可預知的。最終,工程師們想出了解決辦法,他們將少量的爆轟炸藥放在燃燒室中,並在引擎運轉時引爆炸藥,以此測試燃燒室在壓力變化時將作何反應。設計師隨後測試了幾種不同的燃料噴射器,並得到了最佳匹配方案。這個問題從1959年一直拖到1961年才算告一段落。
設計細節
[編輯]F-1以燃氣發生器循環為基礎。即在爐外燃燒室里燃燒一小部分燃料,以燃氣驅動渦輪泵將燃料和氧化劑泵入主燃室。引擎的核心組件是推力室,燃料和氧化劑混合併燃燒產生推力。引擎頂部是一個半球形小室,即做輸送液氧的歧管,也做萬向軸承的支撐架,連接引擎和火箭箭體。小室之下是噴射器,用來混合燃料和氧化劑。一部分燃料從另一個歧管進入噴射器,另一部分燃料通過178根管道直接通入推力室,盤旋的管道形成了推力室的上半部分,還可以起到給推力室降溫的作用。
燃料和液氧由不同的泵泵入,但泵由同一個渦輪驅動。渦輪轉速為5,500 RPM,產生55,000煞車馬力(41 MW)。在此功率下,工作泵每分鐘可以泵入15,471 加侖(58,564 升)煤油和24,811加侖(93,920升)液氧。渦輪泵被設計得可以應付嚴酷的溫度環境:煤氣的溫度高達1,500 °F (816 °C),而液氧的溫度低至-300 °F (-184 °C)。一些燃料煤油被充作渦輪的潤滑劑和冷卻劑。
推力室下方是噴嘴的延伸,大致延伸到引擎的一半長度位置。延伸部分將引擎的膨脹比從10:1提高到16:1。渦輪機排除的低溫氣體通過錐形歧管進入延伸部分,保護噴嘴在高溫(5,800 °F, 3,200 °C)下不受損壞。[2]
F-1每秒消耗3,945磅(1,789 kg)液氧,1,738磅(788 kg)煤油,產生1,500,000磅力(6.7 MN)的推力。在兩分半鐘的運轉中,農神五號憑藉F-1上升42英里(68 km)高度,達到6,164英里每小時(9,920 km/h)的速度。農神五號每秒的推進劑流量是12,710升,可以在8.9秒內清空一個容量110,000升的游泳池。[2]每台F-1引擎的推力都比穿梭機上三台引擎總和還多。[3]
參數
[編輯]太陽神 4、6、8 | 太陽神 9-17 | |
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推力(海平面): | 1,500,000 磅力(6.7MN) | 1,522,000 磅力(6.77MN) |
燃燒時間: | 150 s | 165s |
比衝: | 260 s (2.55 kN·s/kg) | 263 s (2.58 kN·s/kg) |
淨重: | 18,416 磅 (8,353 kg) | 18,500 磅 (8,391 kg) |
燃盡重量: | 20,096 磅 (9,115 kg) | 20,180 磅 (9,153 kg) |
高度: | 19 ft (5.79 m) | |
直徑: | 12.3 ft (3.76 m) | |
噴口面積比: | 16:1 | |
推進劑: | LOX & RP-1 | |
混合比: | 2.27:1 氧化劑:燃料 | |
製造商: | 北美航空/洛克達因 | |
應用: | 農神五號 V / S-IC - 5台 |
太陽神任務期間的改進
[編輯]F-1在太陽神8號(SA-503)和太陽神17號(SA-512)任務期間得到改進。因為隨着任務的進展,農神五號的負荷也逐漸增大。每次任務對引擎的性能要求都略有差異,用於太陽神15號的F-1引擎性能為:
- 每台平均海平面推力:1,553,200 磅力(6.909 MN)
- 燃燒時間:159 s
- 比衝:264.72 s
- 混合比:2.2674
- S-IC級總海平面推力:7,766,000 磅力(34.54 MN)
引擎推力實測值與標稱值有差異,太陽神15號所用的引擎其起飛推力為7,823,000磅力(34.80 MN),而F-1的平均值是1,565,000磅力(6.96 MN)。
太陽神任務之後的歸宿
[編輯]60年代,洛克達因在對F-1的持續研究之後,曾試圖開發F-1A引擎,雖然二者外觀相似,但F-1A比F-1更輕,且推力更大,可以滿足太陽神計劃之後時期的農神五號需求,然而隨着農神五號生產線的停產,研究終止。
當時有提議在諾瓦火箭的第一級使用八個F-1,從70年代至今,還不斷有各種關於使用F-1來開發新型火箭的意見,但都未能成行。
F-1一直保持着最大推力液態引擎的地位,直到蘇聯的RD-170出現,但F-1在單噴嘴引擎領域的第一的位置依然沒有動搖。
參考
[編輯]- 太陽神15號宣傳資料(頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- Saturn V Launch Vehicle, Flight Evaluation Report, AS-510, MSFC-MPR-SAT-FE-71-2, October 28, 1971
- 農神五號資料
- F-1說明書,December 1968
註釋
[編輯]- ^ Ellison, Renea; Moser, Marlow, Combustion Instability Analysis and the Effects of Drop Size on Acoustic Driving Rocket Flow (PDF), Huntsville, Alabama: Propulsion Research Center, University of Alabama in Huntsville, [2008-07-22], (原始內容 (PDF)存檔於2006-09-07)
- ^ 2.0 2.1 2.2 Saturn V News Reference: F-1 Engine Fact Sheet (PDF), National Aeronautics and Space Administration: 3–3,3–4, December 1968 [2008-06-01], (原始內容 (PDF)存檔於2016-04-13)
- ^ NSTS 1988 News Reference Manual, NASA, [2008-07-03], (原始內容存檔於2019-11-30)
- ^ F-1 Engine (chart), NASA Marshall Space Flight Center, [2008-06-01], MSFC-9801771, (原始內容存檔於2011-06-05)
外部連結
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