托起人類(lèi)登月夢(mèng)想F—1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

鹿鳴

“土星”5號(hào)上的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)至今仍然是世界上推力最大的單燃燒室火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。有關(guān)她的發(fā)展歷程和技術(shù)細(xì)節(jié)一直為人們所關(guān)注。這款托舉起了“土星”5號(hào)火箭和人類(lèi)登月夢(mèng)想的發(fā)動(dòng)機(jī)是人類(lèi)在大推力液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上的不僻探索的智慧結(jié)晶。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)洛克達(dá)因公司設(shè)計(jì)制造的一款液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，也是有史以來(lái)人類(lèi)制造的推力最大的單燃燒室液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)還是推力是推力僅次于俄羅斯RD-170的世界第二大推力的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。（RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)有4個(gè)燃燒室，一臺(tái)渦輪泵和2個(gè)預(yù)燃室。）

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)海平面推力為150萬(wàn)磅力（約680.39噸）。這樣大的推力能夠在5臺(tái)并聯(lián)的時(shí)候，將起飛重量3000多噸的“土星”5號(hào)火箭在150秒的時(shí)間內(nèi)推到6萬(wàn)4千米的高度，同時(shí)達(dá)到9 920千米每小時(shí)（2.76千米每秒）的速度?？雌饋?lái)，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)像是為“土星”5號(hào)量身打造的，其巨大的推力能夠讓人類(lèi)登月的夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。但是，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)藍(lán)圖的出現(xiàn)實(shí)際上要早于“阿波羅”計(jì)劃的全面實(shí)施。

早在1955年，洛克達(dá)因公司就接到了研制重型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)。不過(guò)，那是美國(guó)空軍提出的概念。空軍需要研發(fā)一款推力強(qiáng)大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，為今后可能會(huì)研發(fā)的重型洲際彈道導(dǎo)彈進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。洛克達(dá)因公司很快就推出了一款名為E-1的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，美國(guó)空軍對(duì)這款雖然可靠性極佳但是推力性能平平的發(fā)動(dòng)機(jī)不是很滿(mǎn)意。他們認(rèn)為今后的洲際彈道需要更大的發(fā)動(dòng)機(jī)，要求洛克達(dá)因公司繼續(xù)摸索液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力極限。因此，靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)驗(yàn)收通過(guò)的E-1發(fā)動(dòng)機(jī)被擱置了起來(lái)。洛克達(dá)因公司的工程師們?cè)緦?duì)E-1抱有很大希望，但是面對(duì)美國(guó)空軍的要求，他們能做的不多，只有忍住想要抱怨的東西，開(kāi)始研制更大推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。于是，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的雛形誕生了！

洛克達(dá)因F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，噴口直徑3.76米，單個(gè)噴管可以做成美國(guó)空軍所謂的重型洲際彈道導(dǎo)彈的裙子，還會(huì)顯得有些寬松（泰坦Ⅱ的直徑為3.05米）。這回美國(guó)空軍算是傻眼了：他們實(shí)在是想象不到今后的導(dǎo)彈會(huì)需要這么大個(gè)兒的發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)軍方還是用了比較保守的發(fā)動(dòng)機(jī)方案。畢竟，他們的洲際彈道導(dǎo)彈的最大起飛重量只有105.142噸，單臺(tái)推力680.39噸的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)軍方來(lái)說(shuō)有些太大了。于是，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目也被擱置了。

不過(guò)，洛克達(dá)因公司沒(méi)有消沉多久。1958年7月29日，美國(guó)宇航局（NASA）成立了。他們需要這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然當(dāng)時(shí)NASA沒(méi)有跟洛克達(dá)因提太多要求，但是，洛克達(dá)因的工程師們隱約感到了自己的使命感，這可以從后來(lái)的洛克達(dá)因一些工程師們提到這段往事的文字中看出來(lái)：

“NASA的人找到了我們，說(shuō)是很中意我們的發(fā)動(dòng)機(jī)。我在想，天哪，美國(guó)空軍拋棄了我們兩次，這次又輪到新成立的NASA了吧。不過(guò)，他們的人看起來(lái)很真誠(chéng)，而且仿佛不太關(guān)心地球上的事情，對(duì)洲際導(dǎo)彈的項(xiàng)目也不感興趣。我們覺(jué)得他們應(yīng)該是要把我們的發(fā)動(dòng)機(jī)用在地球之外的事情上。這讓我們感到很興奮。”

F-1發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)在1959年3月獲得了成功。后來(lái)，該發(fā)動(dòng)機(jī)被迅速運(yùn)到了NASA的馬歇爾航天中心，進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。680.3噸的推力，讓馬歇爾航天中心周?chē)鷰资椎娜藗兌俭w會(huì)到了地動(dòng)山搖的感受。

1961年11月，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在馬歇爾航天中心進(jìn)行了定型試驗(yàn)。6萬(wàn)馬力的功率帶著巨大的火焰和震耳欲聾的嘯叫噴薄而出！這讓洛克達(dá)因的技術(shù)人員又驚喜又害怕，喜的是，他們?cè)O(shè)計(jì)的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)能夠有如此強(qiáng)悍的力量，怕的是NASA會(huì)認(rèn)為F-1的推力太強(qiáng)，而像美國(guó)空軍那樣最終拋棄F-1發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，洛克達(dá)因的工程師們很快就放心了。因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)，NASA的技術(shù)人員們比他們還要興奮。

NASA愛(ài)上這款發(fā)動(dòng)機(jī)了。1964年3月30日，NASA發(fā)布采購(gòu)計(jì)劃，當(dāng)時(shí)決定購(gòu)買(mǎi)76臺(tái)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)。（實(shí)際上，到了1966年3月24日，NASA又再次簽署了新的合同，追加購(gòu)買(mǎi)了33臺(tái)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)，隨著后來(lái)阿波羅計(jì)劃的終結(jié)，最終還是實(shí)際買(mǎi)了98臺(tái)，這是后話了。）

這款在當(dāng)時(shí)，在人類(lèi)技術(shù)史上出現(xiàn)的推力最大的液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的RD-170還沒(méi)出現(xiàn)），注定要遠(yuǎn)離冷戰(zhàn)期間的核威懾游戲，在NASA和洛克達(dá)因的工程師的努力下，成長(zhǎng)為一款為人類(lèi)登月計(jì)劃量身打造的發(fā)動(dòng)機(jī)，走向了幫助人類(lèi)邁向太空文明的道路。

跨過(guò)燃燒不穩(wěn)定這道檻兒

然而，就像其他幾乎所有的劃時(shí)代的產(chǎn)品一樣，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展也并不是一帆風(fēng)順的。在人類(lèi)想要突破火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力極限的時(shí)候，大自然和物理定律設(shè)計(jì)了一系列陷阱，讓工程師們由興奮逐漸轉(zhuǎn)入了冷靜而堅(jiān)定的思考。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在上世紀(jì)50年代末和60年代初的那些年的試驗(yàn)中，逐漸暴露出了燃燒不穩(wěn)定的問(wèn)題。甚至在一些試驗(yàn)中，無(wú)法控制的燃燒徑向流燒蝕了F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的噴注面，出現(xiàn)了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰在內(nèi)部將自己燒毀的情況。在1960年的一次點(diǎn)火試驗(yàn)中，F(xiàn)-1發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出了一聲響亮的悲鳴，震得一些試驗(yàn)人員趕緊捂住耳朵。而經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員立刻切斷了燃料供應(yīng)，避免了一場(chǎng)大悲劇的出現(xiàn)。他聽(tīng)懂了F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在爆炸之前向人類(lèi)發(fā)出的警告聲。F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為什么會(huì)燒毀自己DR？工程師們百思不得其解，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)還處在萌芽階段，幾乎不可能讓人們?cè)陔娔X中模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的狀態(tài)。怎么辦？

工程師們發(fā)明了摸索的方法：在燃燒的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)中釋放炸藥，誘發(fā)燃燒不穩(wěn)定的出現(xiàn)，并在實(shí)際點(diǎn)火過(guò)程中觀察火焰的變化規(guī)律。原來(lái)的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料和氧化劑的噴注孔的直徑是相同的，這樣，燃料和氧化劑會(huì)在同一個(gè)平面上相遇，從而形成振蕩（尤其是在440Hz、450Hz和540Hz頻率）。于是，當(dāng)測(cè)試人員聽(tīng)到嘯叫之后，燃燒不穩(wěn)定就會(huì)出現(xiàn)了。2000多次試驗(yàn)之后，工程師們重新設(shè)計(jì)了噴注孔的直徑和排列方式。經(jīng)過(guò)歷時(shí)3年，總計(jì)2000多次的試驗(yàn)之后，工程師們測(cè)試了14種不同的噴注器方案和15種隔板結(jié)構(gòu)的組合之后，終于解決了燃燒不穩(wěn)定問(wèn)題。如今，這些經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)寫(xiě)入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的教材中，為后來(lái)的設(shè)計(jì)師們提供了寶貴的參考。

F-1的總體設(shè)計(jì)

F-1以燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)為基礎(chǔ)。在預(yù)燃燒室里燃燒一小部分燃料，以燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪泵將燃料和氧化劑泵入主燃燒室。煤油泵和液氧泵實(shí)際上是由同一個(gè)渦輪驅(qū)動(dòng)的。這個(gè)渦輪的轉(zhuǎn)速為5 500轉(zhuǎn)每分鐘，是有史以來(lái)人類(lèi)建造的功率最大的火箭渦輪泵——5.5萬(wàn)馬力，41兆瓦！

在5.5萬(wàn)馬力的渦輪泵的驅(qū)動(dòng)下，液氧管線每分鐘要流過(guò)93 920升的液氧，煤油管線則會(huì)流過(guò)58 564升的煤油。這個(gè)渦輪泵如果用來(lái)泵水的話，用1秒鐘就能夠灌滿(mǎn)將近135個(gè)飲水機(jī)用的標(biāo)準(zhǔn)18.9升純凈水水桶。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管直徑為3.76米。整個(gè)大噴管由178根管子焊接而成。小管子里面流過(guò)的低溫推進(jìn)劑既保護(hù)了噴管，使其免受烈火炙烤之苦，同時(shí)又充分預(yù)熱了推進(jìn)劑自身。說(shuō)起F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的焊接，可謂是十分不易。洛克達(dá)因經(jīng)過(guò)數(shù)年攻關(guān)，終于在1961年琢磨出了釬焊法。他們建造了世界上最大的燃?xì)忖F焊爐子，把小管子們并排焊接成了具有內(nèi)型面的大噴管。首個(gè)釬焊F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管于1961年8月17日出廠。噴管材料采用鎳基合金，具體標(biāo)號(hào)是Inconel X-750。這是一種有著良好高溫性能和力學(xué)性能的合金。該系列合金還用到了X-15驗(yàn)證機(jī)、SpaceX的火箭、F1方程式賽車(chē)、特斯拉的Model S等產(chǎn)品上面。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)有趣的設(shè)計(jì)是盤(pán)繞在噴管一周的像一個(gè)大尾巴一樣的管路內(nèi)有—段呈波紋狀的管子。這里面是F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱器。這個(gè)直徑1.0922米，長(zhǎng)1.4732米的部件有重要的作用。換熱器里面有兩套螺旋管，其中一套通液氧，另一套通氦氣。大尾巴里面灼熱的渦輪燃?xì)饧訜嵋貉趼菪?，使其壓力增加，而這個(gè)壓力被通到上方巨大的液氧貯箱中，成為了增大液氧貯箱壓力的氣源。加壓之后的氦氣則被通到上方的煤油貯箱中。別看這么大的火箭，貯箱又這么?。ǖ谝患?jí)的儲(chǔ)箱最厚的地方也只有6.35毫米，薄的地方只有4.8毫米厚。從下到上，分為8段，逐段減薄。）但是，在工作狀態(tài)下，貯箱是很結(jié)實(shí)的，有緊繃繃的感覺(jué)。這個(gè)就像我們觸碰尚未打開(kāi)的大瓶可樂(lè)的感覺(jué)。瓶子摸起來(lái)很結(jié)實(shí)，而敞開(kāi)瓶蓋，讓里面的氣體散失之后，瓶子就軟了。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)很有趣的創(chuàng)意是煤油不僅僅是燃料，還是發(fā)動(dòng)機(jī)液壓伺服機(jī)構(gòu)的工作液體。F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有依賴(lài)外界提供的液壓油，自己靠自己的燃料就能夠驅(qū)動(dòng)本身的所有作動(dòng)機(jī)構(gòu)。從渦輪泵那里接過(guò)來(lái)的煤油自身帶著127千克每平方厘米的壓力。設(shè)計(jì)師巧妙地利用了這個(gè)壓力。不過(guò)，煤油有一定的腐蝕性，粘度小，而且潤(rùn)滑性能也不佳，用作液壓作動(dòng)器的工作液體是不方便的。然而，設(shè)計(jì)師們還是通過(guò)設(shè)計(jì)三級(jí)伺服閥解決了這一系列問(wèn)題。這個(gè)設(shè)計(jì)使發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性大幅提高（零件數(shù)量很少，實(shí)際上省去了整個(gè)5606液壓系統(tǒng)）。

F-1能否重生？

有關(guān)重新啟用F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用于深空探測(cè)的提議自從阿波羅17號(hào)完成任務(wù)之后，就一直沒(méi)有斷過(guò)。F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，擁有680.39噸的推力。洛克達(dá)因交付的98臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，在各種測(cè)試和載人登月、發(fā)射天空實(shí)驗(yàn)室等任務(wù)中，表現(xiàn)出色，全任務(wù)周期成功率為100%。讓這樣一款發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)活，重新應(yīng)用在人類(lèi)的大推力運(yùn)載火箭上難道不是一件很好的事情么？其實(shí)，問(wèn)題沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。雖然有關(guān)所謂的F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)圖紙丟失的傳言不知怎么地就讓很多人相信了。但是實(shí)際上，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的大量設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)至今保存完好。

在1971年到1972年，洛克達(dá)因公司專(zhuān)門(mén)組織人力物力，對(duì)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的各種細(xì)節(jié)進(jìn)行重新研究和記錄，形成的卷宗保存到磁帶中，錄滿(mǎn)了24盤(pán)大型磁帶記錄裝置。另外，對(duì)加工工藝的全過(guò)程，他們按照不同的生產(chǎn)流程，拍攝成了多集紀(jì)錄片。關(guān)鍵的加工設(shè)備也進(jìn)行了封存。他們把這些東西一直留到了1994年，直到當(dāng)時(shí)為了生產(chǎn)德?tīng)査鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的廠房實(shí)在沒(méi)地方放置F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)設(shè)備的時(shí)候，才把一些大型設(shè)備移入庫(kù)房。如果在1994年之前，讓洛克達(dá)因恢復(fù)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的話，其準(zhǔn)備時(shí)間不會(huì)超過(guò)半年。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的停用實(shí)際上和兩個(gè)因素有關(guān)：一是那個(gè)純粹的科學(xué)探索的時(shí)代已經(jīng)遠(yuǎn)去，人們?cè)谧隹茖W(xué)研究的時(shí)候難免會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益聯(lián)系在一起；另一個(gè)是F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)本身的工作方式的問(wèn)題。第一個(gè)因素就不詳細(xì)說(shuō)了。第二個(gè)因素，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式。這使得發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑組合密度較低，在產(chǎn)生大推力的同時(shí)，幾乎不可避免地需要一個(gè)非常大的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸。如今，更好的大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式實(shí)際上是補(bǔ)燃循環(huán)。按照迄今為止，火箭工程師們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的了解，補(bǔ)燃循環(huán)的比沖比燃?xì)獍l(fā)生器的比沖要高10%左右。雖然補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)難度要高一些，但是能夠讓運(yùn)載火箭擁有更好的性能，全壽命周期的成本也會(huì)大幅下降。

今后，即使是有重返月球或者載人登火星這樣的項(xiàng)目，也大多會(huì)選用液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)或者補(bǔ)燃循環(huán)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的這樣的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了她的歷史使命，其今后的主要任務(wù)，是向后人講述那個(gè)曾經(jīng)為了踏上月球的土地而努力奮斗的時(shí)代！

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)