土星五号火箭发动机为了680吨大推力做了多大的“弊”

土星五号火箭发动机为了680吨大推力做了多大的“弊”

最近十年间，中美俄又开始了载人登月计划的竞争，其中我国专为载人登月研制的长征9号超重型运载火箭一级火箭搭载的YF130型480吨级液氧煤油火箭发动机，在2020年底已经顺利完成核心的涡轮泵联调试验，在今年五月初的时候航天九院也第一次公布了YF130型500吨级液氧煤油火箭发动机的原型机模型。而同时期美国的SLS超重型运载火箭因为大量使用成熟部件，现阶段已经准备进行原型机芯一级试飞测试，而俄罗斯也早在2019年初就公布了其载人登月计划的安加拉7型超重型运载火箭的研制计划和项目进度情况，可以说在未来十年内基本上再次实现载人登月已经是“触手可及”了。

当然说起载人登月还得从上世纪50年代底开始的“美苏太空争霸”说起，虽然苏联第一个实现了卫星发射和载人进入太空的伟大创举，但是美国也在顺利完成苏联走过的航天发展之路后，为了进一步拉开与苏联之间的航天差距，美国赶在苏联之前进行了举世瞩目的“阿波罗载人登月计划”，而阿波罗载人登月计划的巨大成功，背后离不开起飞推力超过3400吨的土星五号超重型运载火箭的加持，毕竟在阿波罗载人登月的9次发射和两次天空实验室发射任务中，土星五号都稳稳当当地完成了整个航天发射任务，可以说土星五号当年没有被航天飞机项目所取代的话，放到今天都是一款无论是近地轨道大型航天器发射、还是载人登月、载人登火等星际飞船发射的最佳载具。

土星五号这样一枚一生毫无败绩的巨型运载火箭的巨大成功，更离不开冯布劳恩博士所带领的洛克达因航天团队所研制的F-1液氧煤油火箭发动机，因为单台F-1火箭发动机的海平面推力就高达680吨，五台F-1火箭发动机就能满足起飞推力重量超过2700吨的土星五号超重型运载火箭的发射需求。但是 你知道这样一台单台推力达到680吨的F-1火箭发动机为了达到这么大的超大推力输出，背后所舞出的“弊”有多大吗？

如果排位全球液体火箭发动机排行榜的话，F-1的680吨海平面推力虽然相比苏联研制的RD-171MV火箭发动机超过800吨的海平面推力还有很大的差距，但是RD-171MV是有四个燃烧室、四个喷管的液体火箭发动机，如果平均一下的话其单个燃烧室推力也只有200吨出头，但是F-1液体火箭发动机可以只有一个燃烧室、一个喷管就能产生680吨推力的单喷管液体火箭发动机，也就是说如果按照喷管数量评价的话，F-1将是全球推力最强的单喷管液体火箭发动机。

其实F-1火箭发动机最开始推力并没有这么强，最开始的时候也就是F-1火箭发动机还处于原型机项目开发阶段的时候，其原型机E-1液体火箭发动机只是一台单台推力不过370吨的液体火箭发动机， 而且整体结构和循环模式上使用的还是液体火箭发动机运行工况中结构最简单、也是运行效率最低的燃气发生器循环模式。

到1958年NASA正式成立，并确定开展超重型运载火箭项目后，冯布劳恩老爷子带领的洛克达因团队才正式为E-1火箭发动机开始整合“外挂套件”，使得其推力更大。首先E-1火箭发动机使用的燃气发生器循环模式虽然具有结构简单的优势，但是不可避免的天生存在很多先天不足，比如燃气发生器的循环工况使得其运行效率很低，在燃料量一定的限制下，其航天发射载荷较低也是很大的不足，其次燃气发生器的循环工况下，火箭发动机的比冲很低，而且推力提升很有限，这些缺点都将造成E-1液体火箭发动机成为一款性能不那么强、也不可能达到NASA需要的液体火箭发动机。

火箭发动机的比冲高低主要衡量的就是燃料混合燃烧产生高温高压燃气后的喷出速度高低对于所有包含固体和液体的火箭发动机而言，火箭发动机的比冲高低主要和使用的燃料和循环模式有直接关系，按照燃料划分的话，比如液氢和液氧混合燃烧后的比冲最高、最传统的四氧化二氮+偏二甲阱的比冲则最低，液氧煤油则次之、近几年主流的液氧甲烷则稍微比液氧煤油高一点；如果按照循环模式划分的话，则是燃气发生器结构最简单、比冲也最低，全流量分级燃烧的循环模式下其比冲最高、富氧燃烧或者富燃燃烧则处于燃气发生器和全流量分级燃烧之间。

对于上世纪60年代的美国而言，E-1液体火箭发动机根本不可能在当时还处于提纯难度大、提纯成本高昂的液氢液氧燃料，而且当时全球还没有哪个国家或者企业成熟掌握全流量分级燃烧工况，所以对于当时只掌握燃气发生器循环模式和液氧煤油燃料的美国洛克达因公司而言，就只能基于使用液氧煤油燃料、燃气发生器运行工况的E-1液体火箭发动机基础上，研制推力翻了近一倍的F-1液体火箭发动机了。

首先是如何降低燃气发生器循环模式下，用于驱动涡轮泵运转的预燃室燃气运转后被直接排掉废弃的问题，因为这部分用于驱动涡轮泵运转的燃气仍然具备很大的热值，如果将其直接排掉的话不仅会浪费燃料，而且也无形中浪费了巨大的热值和造成了推力损失。 冯布劳恩老爷子给出的建议是“将驱动涡轮泵运转后产生的高温高压废气不直接排出、而是排进发动机喷管内，这样既可以利用喷管的”拉瓦尔效应“引流使得喷管的流速更快，也就是比冲更高，而且排进喷管内的高温燃气二次燃烧后还能增加推力， 等于说将用于涡轮泵运转的高温燃气排进喷管内后，既解决了燃气排除造成的浪费问题，而且能够略微提升比冲和提升推力，可谓是一箭三雕。

其次比冲和推力之间也存在关联，同时比冲和推力又都和液体火箭发动机的喷管曲率和长度有直接关系，套用拉瓦尔喷管效应来说的话，当高温燃气流过喷管内壁的时候，喷管内壁的流经距离要比喷管中心流过的距离长一些，按照伯努利原理来说的话，高温燃气流过喷管内壁的流速要比流过喷管中心位置的流速快很多，也就是说如果刻意的延长喷管长度的话，就会使得火箭发动机的比冲更高一些，喷管内的压力也更大一些继而使得火箭发动机的推力更大一些。也就是说E-1火箭发动机为了将推力增大至更大成为标配的F-1液体火箭发动机，还故意延长了喷管的长度，这一点其实我们可以从F-1火箭发动机的喷管末端和里面的结构不同就能看明白，最末端的喷管就是故意加长的喷管，而且这种喷管延长来增加推力和比冲的技术，后面美国还在半人马座上面级的RL-10氢氧火箭发动机上采用过。

总结来说的话，土星五号超重型运载火箭搭载的F-1液氧煤油火箭发动机看似超强的推力背后，除了有较低的比冲和较大的质量和较低的循环工况外， 为了降低这些缺点的放大和故意增加推力的提升，冯布劳恩老爷子在F-1这款液体火箭发动机的推力提升上，可是背后舞出了很多的”弊“才得到的高分。返回搜狐，查看更多