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单燃烧室最强推力,实现“阿波罗”登月计划

www.ighdhair.com2020-02-07

洛克希德的努力没有白费。单人房间里最强的发动机是为美国宇航局设计的。要把宇航员和设备送上月球,需要一个巨大的火箭来产生足够的推力来摆脱地球的引力。为此,冯布劳恩(von Braun)领导的团队专门设计了土星五号火箭来完成阿波罗计划。它是一个三级火箭,三个部分可以一个一个点燃,每个部分使用后可以分开。

发射器上土星五号运载火箭的整体结构,包括发射逃逸系统、指挥/服务模块、月球车和漫游者、设备模块、“土星五号”火箭体(三级火箭)

站在发射器上的土星五号火箭高111米,比自由女神像高18米。装载完所有推进剂后,火箭的总重量达到2810吨。为了将如此巨大的火箭送入太空,有必要装备高可靠性和高推力的火箭发动机。美国宇航局明智地选择洛克希德公司开发的F-1火箭发动机作为土星五号的主要动力。事实上,F-1火箭发动机最初并不是专门为载人登月设计的。1955年,洛克希德公司接受了开发重型火箭发动机的任务。当时,美国陆军需要一台强大的消防车来储存未来重型洲际弹道导弹的技术。

洛克希德公司很快推出了E-1火箭发动机,但美国空军对这种具有平均推力性能的高度可靠的发动机不满意,并要求洛克希德公司继续开发推力更强的液体火箭发动机。至于军方的要求,公司的工程师们也很无奈。他们只能按照指令继续开发更大推力的火箭发动机。结果,推力为680吨的F-1火箭发动机原型诞生了。

让洛克希德公司研究人员“无语”的是,美国空军没有选择F-1火箭发动机,因为它推力太大,而美国空军的洲际弹道导弹只有105吨要起飞,因为它担心推力如此大的发动机可能会出现可靠性问题。但是不久,新成立的美国国家航空航天局(美国航天局)发现了洛克希德,因为他们需要大推力发动机。

大功率泵循环单室最大推力F-1火箭发动机

F-1火箭发动机是人类制造的推力最大的单室火箭发动机,也是仅次于前苏联RD-170的世界第二大推力液体火箭发动机。然而,因为苏联没有克服大单室稳定燃烧的问题,研发-170发动机有四个燃烧室。

F-1火箭发动机由七个工作系统组成。它们是:推进剂供应系统(将推进剂压入燃烧室,并将燃料(液压)压力供应给发动机控制系统和通常为平座的致动器(用于调节发动机的喷射方向)、点火系统(用于启动推进剂在燃烧室和气体发生器中的燃烧)、气体发生器系统(用于产生能量以驱动涡轮泵并控制推进剂箱的加压), 发动机控制系统(确保发动机的启动和关闭)、飞行试验系统(测量选定的发动机参数,以便监控和计算发动机的运行特性)、环境控制系统(保护发动机免受飞行过程中火焰辐射和回流造成的极高温度)、清洁和排水系统(防止污染并促进排出火箭的排出流体)。

洛克希德公司使用液氧/煤油作为推进剂开发了这种发动机。煤油是一种高度提纯的煤油,非常接近航空煤油。它的爆炸力比氢小,每单位能提供更大的推力。

F-1火箭发动机由七个工作系统组成。它们是:推进剂供应系统(将推进剂压入燃烧室,并将燃料(液压)压力供应给发动机控制系统和通常为平座的致动器(用于调节发动机的喷射方向)、点火系统(用于启动推进剂在燃烧室和气体发生器中的燃烧)、气体发生器系统(用于产生能量以驱动涡轮泵并控制推进剂箱的加压), 发动机控制系统(确保发动机的启动和关闭)、飞行试验系统(测量选定的发动机参数,以便监控和计算发动机的运行特性)、环境控制系统(保护发动机免受飞行过程中火焰辐射和回流造成的极高温度)、清洁和排水系统(防止污染并促进排出火箭的排出流体)。

F-1火箭发动机的垂直高度约为5.64米,喷嘴直径约为3.71米。它每秒能燃烧1790公斤液氧和788公斤煤油。

与过氧化氢分解产生涡轮驱动力的原理相似,F-1采用燃气发生器涡轮动力循环模式,将低混合比推进剂引入燃气发生器进行富燃(即氧气较少,燃料较多),产生1500华氏度的气体,驱动涡轮泵,并将推进剂泵出储罐。这里的涡轮泵为单轴结构,燃料泵和氧化剂泵分别位于涡轮的两侧。

F-1火箭的剖视图

开式泵压循环(Open pump pressure cycle),气体发生器(预燃室)中的气体最终排入尾焰,尾焰不如前苏联RD-170全流分级燃烧循环先进。然而,F-1设计结构简单,更可靠

涡轮排气管环绕喷嘴的外周,其上部是推力室,由178根管子焊接而成。流经小管的低温煤油不仅冷却推力室,还加热推进剂。排气管的下部是排气管的延伸部分。涡轮废气流过延伸段,起到冷却作用,最后在尾焰中燃尽。

另一方面,流经涡轮机的废气在排放之前需要向热交换器提供废热。这里的热交换器由液氧和氦螺旋管组成,安装在涡轮排气管的外壳中。涡轮产生的热气加热液氧螺旋管和氦螺旋管中的液氧和氦,分别对液氧储罐和燃料储罐加压(加压的目的已在前一篇文章中由作者解释过)。加热热交换器后,涡轮管中的排气任务还有最后一项任务要完成,即冷却火箭发动机喷嘴的延伸部分。最后,它们都进入尾部火焰燃烧。热交换器的位置显示在

红色方框中,其中液氧螺旋管中的液氧流量为3-5磅/秒,氦螺旋管中的氦流量为0.4-1.0磅/秒

对于发动机推力矢量控制,推力矢量变化是通过摆动整个发动机获得的。通常平坦的阀座轴承位于推力室的顶部,致动器连接点由推力室上的两个支腿提供。致动器不是发动机部件,发动机可以围绕通常平坦的座椅轴承轴在每个致动表面的方向上移动至正负6度。

F-1发动机设计为启动20次,总工作时间为2250秒。在开发过程中,发动机的总工作时间超过5000秒,但液氧泵的叶轮和涡轮泵的歧管在3500秒时更换。显然,F-1发动机已经大大超过了设计规格。

F-1火箭发动机测试寿命记录

用毒药解决燃烧不稳定性

F-1火箭发动机的发展并不总是一帆风顺。解决如此巨大的单燃烧室液体火箭发动机的燃烧不稳定性是一个迫切的问题。所谓的不稳定燃烧仅仅意味着推进剂没有在燃烧室中充分混合和燃烧,导致冷却时加热的难题。

当时,计算机模拟技术还处于起步阶段,不可能在计算机中模拟发动机的内部流场。然而,美国工程师想出了一种“用毒攻毒”的方法。他们在燃烧的F-1发动机中放置炸药,以引起不稳定的燃烧,从而观察火焰的变化规律。在3年内,经过2000多次测试,14种注射器方案已经过测试,问题最终将得到解决。

重新设计的喷射器板防止燃烧不稳定。上图中最靠近喷射器平面中心的圆有18个喷射煤油的孔。另外钻了18个孔来注入液氧。煤油和液氧以这样的间隔排列并从中心延伸到外围,交替喷射、均匀混合并稳定燃烧。“土星五号”的三级结构将飞船举升到月球上。“土星五号”第一级底部装有五个巨大的F-1火箭发动机,在一个台湾海峡内的飞机推力为680吨。在五个平行平面的情况下,起飞重量超过3000吨的土星五号可以被推出地球。火箭点火几秒钟后开始起飞。五个F-1火箭发动机让火箭以9800公里/小时的速度从发射台飞到离地球68公里的地方。当所有的燃料用完时,发动机将关闭,爆炸装置将启动,打破第一级和级间环。第一阶段将在距离发射场至少500公里的地方坠入大海。

第二级火箭依靠五个J-2发动机,使用液氧/液氢作为推进剂,加速宇宙飞船进入高层大气,将火箭及其载荷以的速度运送到175公里的高度

第一级火箭的燃料箱在氧化剂箱下方,第二级和第三级火箭的燃料箱在氧化剂箱上方。注:五个F-1和J-2火箭发动机的平行排列

结论

从1966年到1973年,总共发射了13个土星五号运载火箭,不仅支持阿波罗计划,还将天空实验室送入太空。作为核心动力,F-1火箭发动机交付了98台,65台参加了13次飞行,可靠性100%。当时,一些美国专家幽默地称赞五个F-1发动机产生的动力惊人。土星五号的一级动力远远大于芝加哥和纽约之间的火车产生的动力,其输出相当于85胡佛大坝(Hoover Dam)。

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