火箭發動機，人類玩火的極致（六）——單燃燒室最強推力，實現“阿波羅”登月計劃-科工力量
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火箭發動機，人類玩火的極致（二）——美國紅石火箭，V2的改良升級
火箭發動機，人類玩火的極致（五）——RD-170火箭發動機誕生，至今難以被超越
【文/科工力量 柳葉刀】
冷戰期間，誰能第一個登上月球是美蘇兩國相互比拼的重點之一。承載着蘇聯人載人登月夢想的N-1火箭，其第一級安裝的30台NK-15發動機讓人“歎為觀止”，但是糟糕的可靠性問題使得火箭發射屢屢失敗，因此未能實現蘇聯人的登月夢想。現在，這一重任就落到了美國人身上。
1957年，蘇聯已經發射了第一顆衞星（“斯普特尼克”1號），後來又將第一名宇航員尤里﹒加加林（Yuri Gagarin）在1961年送上了太空，美國明顯落後了。作為第二次世界大戰的遺產，政治和經濟上的深刻分歧讓兩個超級大國產生了競爭，引發了冷戰。儘管雙方沒有發生正面衝突，兩國還是不斷尋求優勢以便威懾對方。通過發展宇航技術，雙方不僅展示了自己多麼先進，還暗示了他們能夠在世界任何地方投放核彈的能力。
加加林登上太空深深刺激了美國人，為了趕上蘇聯，美國總統肯尼迪提出了挑戰，“讓人類登上月球，再安全地返回地球”。於是，“阿波羅”計劃誕生了。該計劃從1961年運行到1972年，在鼎盛時期，它共僱傭了40萬人，前後花費了240億美元，相當於今天的1100億美元。
1962年9月，美國總統肯尼迪在萊斯大學發表了著名的“我們選擇登月”演講
“阿波羅”計劃是美國國家航空航天局（NASA）運行的第三個載人航天工程。最早的工程“水星”計劃起始於1958年，結束於1963年。它的目標是送一台載人航天器進入地心軌道，完成四次飛行。NASA證明了他們可以將人送入太空後，就開始了“雙子星座”計劃，這一計劃在1961年到1966年與“阿波羅”計劃並行。“雙子星座”計劃的目標是測試“阿波羅”計劃中必要的太空旅行技術，研發和論證兩架航天器在太空中對接技術，這對月球着陸至關重要。（參考[英]扎克﹒斯科特：《阿波羅 一部看得見的航天史》）
洛克達因努力不白費 單室最強發動機為NASA設計
要想把航天員和設備送上月球，就需要一枚巨大的火箭，產生足夠的推力擺脱地球的引力牽制。為此，由馮﹒布勞恩帶領的團隊專門設計了“土星五號”火箭來完成“阿波羅”計劃。它是一台三級火箭，三個部分可以逐一點火，每個部分使用後都可以分離。
發射架上的“土星五號”運載火箭整體結構，包括了發射逃逸系統、指揮/服務艙、登月車與月球車、設備模塊、“土星五號”火箭箭體（三級火箭）
矗立在發射架上的“土星五號”火箭高度達到111米，比自由女神像還高18米。在裝入全部推進劑後，火箭總重量達到2810噸。為了能將如此巨型的火箭送入太空，就必須配備可靠性高，推力大的火箭發動機。NASA明智的選擇了洛克達因公司研製的F-1火箭發動機，作為“土星五號”的一級動力。
其實，F-1火箭發動機最初並非專門為載人登月設計的。1955年，洛克達因公司接到研製重型火箭發動機的任務，那時的美軍需要一款推力強大的火發動機，為今後的重型洲際彈道導彈進行技術儲備。
洛克達因公司很快就推出了E-1火箭發動機，但是對於這款可靠性高、推力性能一般的發動機，美國空軍不太滿意，要求洛克達因公司繼續研發推力更強的液體火箭發動機。對於軍方的要求，公司內部的工程師也很無奈，只能遵從指示，繼續研製更大推力的火箭發動機，推力高達680噸的F-1火箭發動機的原型因此誕生。
讓洛克達因公司研發人員“無語”的是，因為F-1火箭發動機推力太大，而美國空軍的洲際彈道導彈的起飛只有105噸，因為擔心推力如此巨大的發動機可能存在可靠性問題，所以美國空軍沒有將F-1發動機作為選項。但是沒過多久，剛成立的美國國家航空航天局（NASA）找到了洛克達因，因為他們需要這款大推力發動機。
大功率泵壓循環 單室最強推力F-1火箭發動機
F-1火箭發動機是人類有史以來製造的推力最大的單燃燒室火箭發動機，也是僅次於前蘇聯RD-170的世界第二大推力的液體火箭發動機，但因為蘇聯人沒有克服大單室穩定燃燒問題，所以RD-170發動機有四個燃燒室。
F-1火箭發動機
洛克達因公司研製的這款發動機使用液氧/煤油作為推進劑，這裏的煤油是一種高度提純的煤油，和航空煤油很接近，它比氫氣更不易爆炸，而且能提供每單位更多的推力。
F-1火箭發動機由七個工作系統組成，分別是：推進劑供應系統（壓送推進劑進入燃燒室及向發動機控制系統和常平座作動器（用於調整發動機噴射方向）供給燃料（液壓）壓力）、點火系統（使燃燒室和燃氣發生器中推進劑開始燃燒）、燃氣發生器系統（產生驅動渦輪泵能量及控制推進劑貯箱的增壓）、發動機控制系統（保證發動機啓動和關機）、飛行測試系統（測量選定的發動機參數、以便監控和計算發動機的工作特性）、環境控制系統（保護發動機在飛行期間免受由火焰輻射和迴流產生的極高温影響）、清洗和排泄系統（防止污染、便於將用完的流體排出火箭外）。
F-1火箭發動機直立高度約5.64米，噴口直徑約3.71米，每秒中可以燃燒1790kg液氧和788kg煤油
與此前介紹的雙氧水分解產生渦輪驅動力原理相似，F-1採用燃氣發生器渦輪動力循環方式，將低混合比的推進劑導入燃氣發生器進行富燃燃燒（即氧氣少，燃料多），產生1500華氏度的氣體驅動渦輪泵，將推進劑從貯箱裏面泵出。這裏的渦輪泵是單軸結構，速度分級的燃料泵與氧化劑泵分別位於渦輪的兩側。
F-1火箭發動機渦輪泵的切面圖，單軸結構
推進劑被泵出後，除了少部分導入燃氣發生器，其餘部分全部注入燃燒室，但是與液氧直接送入燃燒室不同，煤油燃料需要先經過火箭發動機噴管表面，冷卻噴管並預熱煤油，之後再被注入燃燒室。
開式泵壓循環，燃氣發生器（預燃室）裏面的燃氣最終排入尾焰，沒有前蘇聯RD-170的全流量分級燃燒循環先進，但F-1的這種設計結構簡單，更為可靠
環抱噴管外周的是渦輪排氣管，其上部分為推力室，是由178根管子焊接而成，小管子裏面流過低温煤油既冷卻了推力室，又預熱了推進劑。排氣管下部，是噴管延伸段，渦輪排氣流經延伸段，起到冷卻作用，最終在尾焰中燃盡
另一方面，流經渦輪後的廢氣被排出之前，需要再給換熱器提供餘熱。這裏的換熱器由液氧和氦氣螺旋管組成，安裝在渦輪排氣管的殼體內，來自渦輪的熱氣加熱液氧螺旋管和氦氣螺旋管裏面的液氧與氦氣，分別給液氧貯箱和燃料貯箱增壓（增壓的目的，筆者在之前的文章中已解釋）。給換熱器加熱之後，渦輪管內的排氣使命還有最後一項要完成，那就是冷卻火箭發動機噴管的延伸段。最後，全部進入尾焰中燃燒。
紅色方框內是換熱器的位置，其中液氧螺旋管內的液氧流量為3~5磅/秒，氦氣螺旋管內的氦流量為0.4~1.0磅/秒
對於發動機推力向量控制，推力向量變化由整台發動機擺動獲取。常平座軸承位於推力室頂部，作動器連接點由推力室上兩外伸支架提供。作動器並非發動機部件，發動機繞常平座承軸在每一個作動面方向上最大可正負位移6度。
F-1發動機設計壽命啓動20次，總工作時間2250秒。研製中，發動機總工作時間超過了5000秒，但液氧泵葉輪和渦輪泵集合管是在3500秒時更換的。很顯然，F-1發動機大大超過了設計規範。
F-1火箭發動機試驗壽命記錄
以毒攻毒 燃燒不穩定問題巧妙解決
F-1發動機的研製之路並非是一帆風順，如此巨大的單燃燒室液體火箭發動機，解決其燃燒不穩定現象是緊要問題。所謂燃燒不穩定，簡單來説就是推進劑在燃燒室內沒有充分混合燃燒，造成一邊冷一邊熱的難題。
當時的計算機仿真技術還處於萌芽階段，不可能在電腦中模擬發動機內部流場的狀態。但美國工程師想到一個“以毒攻毒”的辦法，在燃燒的F-1發動機內放置炸藥，誘發不穩定燃燒情況，藉此觀察火焰的變化規律。在3年的時間內，經過2000多次試驗，測試了14種噴注器方案，終將難題解決。
重新設計後的噴注盤防止了燃燒不穩定現象，上圖噴注器平面的最靠近中心的那一圈有18個鑽孔，用來噴射煤油。再往外一圈18個鑽孔，用來噴射液氧。以這樣的間隔排列，由中心向外圍擴展，使得煤油與液氧交替噴射，均勻混合，穩定燃燒
“土星五號”三級結構 託舉飛船登陸月球
在“土星五號”的第一級底部，配備着5台巨型的F-1火箭發動機，單台海平面推力約680噸，在5台並聯的情況下，可以將起飛重量3000多噸的“土星五號”推離地球。火箭在點火後數秒鐘開始起飛，5台F-1火箭發動機讓火箭從發射台上飛行到距離地球68千米處，速度高達9800km/h。當所有燃料用完後，發動機熄火，爆炸裝置啓動，讓第一級和級間環斷開。第一級會在發射點至少500千米外落入大海。
第二級火箭依靠5台J-2發動機，以液氧/液氫為推進劑，將飛船加速使其進入大氣層上層，將火箭及載荷運送到175千米高空，速度達到24600km/h，接近軌道速度。它會點火6分鐘，之後與第三級分離，落入地球，和發射點至少相距4000千米。
第三級由一台J-2發動機組成，會被點火兩次。第一次是在第二級分離後，點火2.75分鐘，將飛船送入地球軌道，速度達到28000km/h。此後三級火箭不會立刻與飛船分離，發動機第二次點火，速度達到39000km/h，飛向月球。當第三級火箭燃盡時，它可能進入太陽軌道，也可能墜落到月球。
J-2火箭發動機高度約3.38米，噴口直徑約2.07米，每秒燃燒204kg液氧和37kg液氫
第一級火箭的燃料貯箱在氧化劑貯箱下方，第二級與第三級火箭的燃料貯箱在氧化劑貯箱上方。注意：五台F-1與J-2火箭發動機的並聯排列方式
結束語
1966年至1973年，共有13枚“土星五號”運載火箭升空，不僅支持了“阿波羅”計劃，也將“天空實驗室”送入太空。而作為核心動力的F-1火箭發動機曾生產交付了98台，有65台參加過13次飛行，其可靠性達100%。當時就有美國專家幽默地稱道，5台F-1發動機產生的功率是驚人的，“土星五號”第一級功率遠遠大於往返於芝加哥與紐約的列車產生的功率，其輸出的能量等於85個胡佛大壩。
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