土星五号的F1火箭发动机：单燃烧室最强推力，实现“阿波罗”登月

【文/科工力量 柳叶刀】

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）。

F-1火箭发动机直立高度约5.64米，喷口直径约3.71米，每秒中可以燃烧1790kg液氧和788kg煤油

与此前介绍的双氧水分解产生涡轮驱动力原理相似，F-1采用燃气发生器涡轮动力循环方式，将低混合比的推进剂导入燃气发生器进行富燃燃烧（即氧气少，燃料多），产生1500华氏度的气体驱动涡轮泵，将推进剂从贮箱里面泵出。这里的涡轮泵是单轴结构，速度分级的燃料泵与氧化剂泵分别位于涡轮的两侧。

F-1火箭发动机涡轮泵的切面图，单轴结构

推进剂被泵出后，除了少部分导入燃气发生器，其余部分全部注入燃烧室，但是与液氧直接送入燃烧室不同，煤油燃料需要先经过火箭发动机喷管表面，冷却喷管并预热煤油，之后再被注入燃烧室。

开式泵压循环，燃气发生器（预燃室）里面的燃气最终排入尾焰，没有前苏联RD-170的全流量分级燃烧循环先进，但F-1的这种设计结构简单，更为可靠

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，小管子里面流过低温煤油既冷却了推力室，又预热了推进剂。排气管下部，是喷管延伸段，涡轮排气流经延伸段，起到冷却作用，最终在尾焰中燃尽

另一方面，流经涡轮后的废气被排出之前，需要再给换热器提供余热。这里的换热器由液氧和氦气螺旋管组成，安装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面的液氧与氦气，分别给液氧贮箱和燃料贮箱增压（增压的目的，笔者在之前的文章中已解释）。给换热器加热之后，涡轮管内的排气使命还有最后一项要完成，那就是冷却火箭发动机喷管的延伸段。最后，全部进入尾焰中燃烧。

红色方框内是换热器的位置，其中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

对于发动机推力向量控制，推力向量变化由整台发动机摆动获取。常平座轴承位于推力室顶部，作动器连接点由推力室上两外伸支架提供。作动器并非发动机部件，发动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发动机设计寿命启动20次，总工作时间2250秒。研制中，发动机总工作时间超过了5000秒，但液氧泵叶轮和涡轮泵集合管是在3500秒时更换的。很显然，F-1发动机大大超过了设计规范。

F-1火箭发动机试验寿命记录

以毒攻毒 燃烧不稳定问题巧妙解决

F-1发动机的研制之路并非是一帆风顺，如此巨大的单燃烧室液体火箭发动机，解决其燃烧不稳定现象是紧要问题。所谓燃烧不稳定，简单来说就是推进剂在燃烧室内没有充分混合燃烧，造成一边冷一边热的难题。

当时的计算机仿真技术还处于萌芽阶段，不可能在电脑中模拟发动机内部流场的状态。但美国工程师想到一个“以毒攻毒”的办法，在燃烧的F-1发动机内放置炸药，诱发不稳定燃烧情况，借此观察火焰的变化规律。在3年的时间内，经过2000多次试验，测试了14种喷注器方案，终将难题解决。

重新设计后的喷注盘防止了燃烧不稳定现象，上图喷注器平面的最靠近中心的那一圈有18个钻孔，用来喷射煤油。再往外一圈18个钻孔，用来喷射液氧。以这样的间隔排列，由中心向外围扩展，使得煤油与液氧交替喷射，均匀混合，稳定燃烧

“土星五号”三级结构 托举飞船登陆月球

在“土星五号”的第一级底部，配备着5台巨型的F-1火箭发动机，单台海平面推力约680吨，在5台并联的情况下，可以将起飞重量3000多吨的“土星五号”推离地球。火箭在点火后数秒钟开始起飞，5台F-1火箭发动机让火箭从发射台上飞行到距离地球68千米处，速度高达9800km/h。当所有燃料用完后，发动机熄火，爆炸装置启动，让第一级和级间环断开。第一级会在发射点至少500千米外落入大海。

第二级火箭依靠5台J-2发动机，以液氧/液氢为推进剂，将飞船加速使其进入大气层上层，将火箭及载荷运送到175千米高空，速度达到24600km/h，接近轨道速度。它会点火6分钟，之后与第三级分离，落入地球，和发射点至少相距4000千米。

第三级由一台J-2发动机组成，会被点火两次。第一次是在第二级分离后，点火2.75分钟，将飞船送入地球轨道，速度达到28000km/h。此后三级火箭不会立刻与飞船分离，发动机第二次点火，速度达到39000km/h，飞向月球。当第三级火箭燃尽时，它可能进入太阳轨道，也可能坠落到月球。

J-2火箭发动机高度约3.38米，喷口直径约2.07米，每秒燃烧204kg液氧和37kg液氢

第一级火箭的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。注意：五台F-1与J-2火箭发动机的并联排列方式

结束语

1966年至1973年，共有13枚“土星五号”运载火箭升空，不仅支持了“阿波罗”计划，也将“天空实验室”送入太空。而作为核心动力的F-1火箭发动机曾生产交付了98台，有65台参加过13次飞行，其可靠性达100%。当时就有美国专家幽默地称道，5台F-1发动机产生的功率是惊人的，“土星五号”第一级功率远远大于往返于芝加哥与纽约的列车产生的功率，其输出的能量等于85个胡佛大坝。