F-1火箭發動機
 F-1 rocket engine specifications | |
| 原產國 | 美利堅合眾國 |
|---|---|
| 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，用於土星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發動機有4個燃燒室，一台渦輪泵和2個預燃室）。
歷史
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
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。發動機的核心組件是推力室，燃料和氧化劑混合併燃燒產生推力。發動機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制動馬力（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，大致延伸到發動機的一半長度位置。延伸部分將發動機的膨脹比從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，土星五號憑藉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。土星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發動機的推力都比航天飛機上三台發動機總和還多。[3]
參數
| 阿波羅 4、6、8 | 阿波羅 9-17 | |
|---|---|---|
| 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 |
| 比沖： | 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 | |
阿波羅任務期間的改進
F-1在阿波羅8號（SA-503）和阿波羅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，用於阿波羅15號的F-1發動機性能為：
- 每台平均海平面推力：1,553,200 磅力（6.909 MN）
- 燃燒時間：159 s
- 比沖：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，阿波羅15號所用的發動機其起飛推力為7,823,000磅力（34.80 MN），而F-1的平均值是1,565,000磅力（6.96 MN）。
阿波羅任務之後的歸宿
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，可以滿足阿波羅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發動機的地位，直到蘇聯的RD-170出現，但F-1在單噴嘴發動機領域的第一的位置依然沒有動搖。
參考
- 阿波羅15號宣傳資料（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- 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
注釋
- ^ 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
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
