F-1史上推力最強的單燃燒室液體火箭發動機

□ 邢強

F-1史上推力最強的單燃燒室液體火箭發動機

□ 邢強

土星5號火箭

托舉起了“土星”5號火箭和人類登月夢想的F-1火箭發動機至今仍然是世界上推力最大的單燃燒室發動機，而且有關復活F-1火箭發動機的呼聲從上世紀70年代末開始到現在，是始終存在的。

F-1火箭發動機是美國洛克達因公司設計制造的一款液氧煤油發動機。它的經歷，堪稱一段傳奇。

發動機的誕生

F-1火箭發動機的設計海平面推力約為680.39噸。這樣大的推力能夠在5臺并聯的時候，將起飛質量3000多噸的“土星”5號火箭在150秒的時間內推到64千米的高度，同時達到2.76千米/秒的速度。

看起來，F-1火箭發動機像是為土星5號量身打造的，其巨大的推力能夠讓人類登月的夢想變為現實。但是，F-1火箭發動機的設計藍圖的出現實際上要早于阿波羅計劃的全面實施。早在1955年，洛克達因公司就接到了研制重型火箭發動機的任務。不過，那時候是美國空軍提出的概念?？哲娦枰邪l一款推力強大的火箭發動機，為了今后可能會研發的重型洲際彈道導彈進行技術儲備。洛克達因公司很快就推出了一款名為E-1的火箭發動機。然而，美國空軍對這款雖然可靠性極佳但是推力性能平平的發動機不是很滿意。他們認為今后的洲際彈道需要更大的發動機，要求洛克達因公司繼續摸索液體火箭發動機的推力極限。因此，靜態點火試驗驗收通過的E-1發動機被擱置了起來。

洛克達因公司的工程師們原本對E-1抱有很大希望，但是面對美國空軍的要求，他們能做的不多，只有忍住想要抱怨的東西，開始研制更大推力的火箭發動機。于是，F-1火箭發動機的雛形誕生了！

洛克達因F-1火箭發動機，噴口直徑3.76米，比美國空軍裝備的“大力神”II彈道導彈的直徑還要大，單個噴管可以做成美國空軍所謂的重型洲際彈道導彈的裙子，還會顯得有些寬松（“大力神”II的直徑為3.05米）。這回美國空軍算是傻眼了：他們實在是想象不到今后的導彈會需要這么大個兒的發動機。美國軍方還是用了比較保守的發動機方案。畢竟，他們的洲際彈道導彈的最大起飛重量只有105.142噸，單臺推力680.39噸的發動機對軍方來說有些太大了。于是，F-1火箭發動機項目也被擱置了。

不過，洛克達因公司沒有消沉多久。1958年7月29日，美國航宇局（NASA）成立了。他們需要這樣的發動機！雖然當時NASA沒有跟洛克達因提太多要求，但是，洛克達因的工程師們隱約感到了自己的使命感，這個可以從后來的洛克達因一些工程師們提到這段往事的文字中看出來：

大力神2號

“NASA的人找到了我們，說是很中意我們的發動機。我在想，天哪，美國空軍拋棄了我們兩次，這次又輪到新成立的NASA了吧。不過，他們的人看起來很真誠，而且仿佛不太關心地球上的事情，對洲際導彈的項目也不感興趣。我們覺得他們應該是要把我們的發動機用在地球之外的事情上。這讓我們感到很興奮。”

F-1發動機的整機靜態點火試驗在1959年3月獲得了成功。后來，該發動機被迅速運到了NASA的馬歇爾航天中心，進行進一步的測試。680.3噸的推力，讓馬歇爾航天中心周圍幾十千米的人們都體會到了地動山搖的感受。

當時NASA的馬歇爾航天中心給出了這樣的數據：F-1火箭發動機的瞬時功率為當時的胡佛水壩裝機容量的17倍！ 1961年11月，F-1火箭發動機在馬歇爾航天中心進行了定型試驗。6萬馬力的功率帶著巨大的火焰和震耳欲聾的嘯叫噴薄而出！這讓洛克達因的技術人員又驚喜又害怕，喜的是，他們設計的F-1發動機能夠有如此強悍的力量，怕的是NASA會認為F-1的推力太強，而像美國空軍那樣最終拋棄F-1發動機。

然而，洛克達因的工程師們很快就放心了。因為他們發現，NASA的技術人員們比他們還要興奮。NASA愛上這款發動機了！1964年3月30日，NASA發布采購計劃，當時決定購買76臺F-1發動機。（實際上，到了1966年3月24日，NASA又再次簽署了新的合同，追加購買了33臺F-1火箭發動機。不過，隨著后來阿波羅計劃的終結，最終實際買了98臺，這是后話了。）

這款在當時，在人類技術史上出現的推力最大的液體燃料火箭發動機（當時蘇聯的RD-170還沒出現），注定要遠離冷戰期間的核威懾游戲，在NASA和洛克達因的工程師的努力下，成長為一款為人類登月計劃量身打造的發動機，走向了幫助人類邁向太空文明的道路。

燃燒穩定性

然而，就像其他幾乎所有的劃時代的產品一樣，F-1火箭發動機的發展也并不是一帆風順的。在人類想要突破火箭發動機的推力極限的時候，大自然和物理定律設計了一系列陷阱，讓工程師們由興奮逐漸轉入了冷靜而堅定的思考。

F-1火箭發動機在上世紀50年代末和60年代初的那些年的試驗中，逐漸暴露出了燃燒不穩定的問題。甚至在一些試驗中，無法控制的燃燒徑向流燒蝕了F-1火箭發動機內部的噴注面，出現了火箭發動機的火焰在內部將自己燒毀的情況。在1960年的一次點火試驗中，F-1發動機發出了一聲響亮的悲鳴，震得一些試驗人員趕緊捂住耳朵。而經驗豐富的操作員立刻切斷了燃料供應，避免了一場大悲劇的出現。他聽懂了F-1火箭發動機在爆炸之前向人類發出的警告聲。

F-1火箭發動機為什么會燒毀自己呢？工程師們百思不得其解，當時計算機數值仿真技術還處在萌芽階段，幾乎不可能讓人們在電腦中模擬發動機內流場的狀態。怎么辦？

工程師們發明了摸索的方法：在燃燒的F-1發動機中釋放炸藥，誘發燃燒不穩定的出現，并在實際點火過程中觀察火焰的變化規律。經過歷時3年，總計2000多次的試驗之后，工程師們測試了14種不同的噴注器方案和15種隔板結構的組合之后，終于解決了燃燒不穩定問題。如今，這些經驗已經寫入火箭發動機設計的教材中，為后來的設計師們提供了寶貴的參考。

原來的F-1火箭發動機的燃料和氧化劑的噴注孔的直徑是相同的，這樣，燃料和氧化劑會在同一個平面上相遇，從而形成振蕩（尤其是在440Hz 、450Hz和540Hz頻率）。于是，當測試人員聽到嘯叫之后，燃燒不穩定就會出現了。關于這個嘯叫聽起來是怎樣的，應該可以從頻率上分析出來。2000多次試驗之后，工程師們是怎樣解決燃燒不穩定問題的呢？答案是：重新設計噴注孔的直徑和排列方式。如果把噴注器看作是一個靶標的話，不看靶心部分，最靠近靶心部分的有孔的那一圈，鉆了18個孔，用來噴射煤油。往外一圈，可以看到兩兩一組，共9組18個孔，用來噴射液態氧。再往外，能看到兩兩一組，共9組18個孔，用來噴射煤油。以此類推，噴注盤的每一圈孔都是煤油噴射孔和液氧噴射孔交替排布的。小孔的直徑比例經過2000多次試驗后，有了明確的規格：最內圈的若定義為標準1的話，往外一圈為1.627，再往外一圈為2.217，又往外一圈為2.739。內圈連通的環形小孔再往外，是分成4大區的噴注孔。依然是氧化劑圈與燃料圈交錯排布。不過，不同的是，最內圈為液氧噴注圈，有24個孔。往外一圈為煤油噴注圈，有40個孔。然后是48、56、64等數量。最外部分是分為8大區的噴注孔，規律與4大區相似，不再贅述。

F-1火箭發動機

2000次試驗后，改進的噴注管

F-1火箭發動機正在進行點火測試

發動機的總體設計

F-1以燃氣發生器循環為基礎，在預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燒室。那個在噴口外面環繞的“大尾巴”就是燃氣發生器的廢氣排放管。該發動機的煤油泵和液氧泵實際上是由同一個渦輪驅動的。這個渦輪（位于“大尾巴”的根部里面）的轉速為每分鐘5500轉。這是有史以來人類建造的功率最大的火箭渦輪泵（功率足足有5.5萬馬力，也就是41兆瓦。）在5.5萬馬力的渦輪泵的驅動下，液氧管線每分鐘要流過93920升的液氧，煤油管線則會流過58564升的煤油。大概算一下，這個渦輪泵如果用來泵水的話，用1秒鐘就能夠灌滿將近135個飲水機用的標準18.9升純凈水水桶。

F-1火箭發動機擁有巨大的燃氣發生器排氣管道

整個大噴管是由178根管子焊接而成的。小管子里面流過的低溫推進劑既保護了噴管，使其免受烈火炙烤之苦，同時又充分預熱了推進劑自身。說起F-1火箭發動機噴管的焊接，可謂是十分不易。洛克達因經過數年攻關，終于在1961年琢磨出了釬焊法。他們建造了世界上最大的燃氣釬焊爐子，把小管子們并排焊接成了具有內型面的大噴管。噴管材料使用了鎳基合金，具體標號是Inconel X-750。Inconel X-750有良好的高溫性能和力學性能。這個系列的合金還用到了X-15驗證機、SpaceX的火箭、F1方程式賽車、特斯拉的Model S等產品上面。

差點兒忘了說F-1火箭發動機的另一個有趣的設計了。大尾巴的尾巴根處，有一段呈波紋狀的管子外壁。嗯，這個就叫做波紋管。這里面是F-1火箭發動機的換熱器。這個直徑1.0922米，長1.4732米的部件有重要的作用。這個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氣加熱液氧螺旋管，使其壓力增加，而這個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。因此，別看這么大的火箭，貯箱又這么?。ǖ谝患壍膬ο渥詈竦牡胤揭仓挥?.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，在工作狀態下，貯箱是很結實的，有緊繃繃的感覺。這個就像我們觸碰尚未打開的大瓶可樂的感覺。瓶子摸起來很結實，而敞開瓶蓋，讓里面的氣體散失之后，瓶子就軟了。

F-1火箭發動機的另一個很有趣的創意是煤油不僅僅是燃料，還是發動機液壓伺服機構的工作液體。嗯，沒錯，F-1火箭發動機沒有依賴外界提供的液壓油，自己靠自己的燃料就能夠驅動本身的所有作動機構。從渦輪泵那里接過來的煤油自身帶著127千克/平方厘米的壓力。F-1火箭發動機的設計師巧妙地利用了這個壓力。不過，煤油有一定的腐蝕性，粘度小，而且潤滑性能也不佳，當做液壓作動器的工作液體來用是不方便的。然而，設計師們還是通過設計三級伺服閥解決了這一系列問題。

關于F-1火箭發動機的重生

有關重新啟用F-1火箭發動機用于深空探測的提議自從阿波羅17號完成任務之后，就一直沒有斷過。F-1火箭發動機，擁有680.39噸的推力。洛克達因交付的98臺發動機，在各種測試和載人登月、發射天空實驗室等任務中，表現出色，全任務周期成功率為100%。

讓這樣一款發動機復活，重新應用在人類的大推力運載火箭上難道不是一件很好的事情么？其實，問題沒有這么簡單。雖然有關所謂的F-1火箭發動機圖紙丟失的傳言不知怎么地就讓很多人相信了。但是實際上，F-1火箭發動機的大量設計細節至今保存完好。在1971年到1972年，洛克達因公司專門組織人力物力，對F-1火箭發動機的各種細節進行重新研究和紀錄，形成的卷宗保存到磁帶中，錄滿了24盤大型磁帶記錄裝置。另外，對加工工藝的全過程，他們按照不同的生產流程，拍攝成了多集的紀錄片。關鍵的加工設備也進行了封存。他們把這些東西一直留到了1994年，直到當時為了生產德爾它火箭發動機的廠房實在沒地方放置F-1火箭發動機的生產設備的時候，才把一些大型設備移入庫房。如果在1994年之前，讓洛克達因恢復F-1發動機生產的話，其準備時間不會超過半年。

F-1火箭發動機的停用實際上和兩個因素有關：一是那個純粹的科學探索的時代已經遠去，人們在做科學研究的時候難免會和經濟效益聯系在一起；另一個是F-1火箭發動機本身的工作方式的問題。第一個因素就不詳細說了。第二個因素，就是燃氣發生器循環方式。這種方式使得火箭發動機的推進劑組合密度較低，在產生大推力的同時，幾乎不可避免地需要一個非常大的發動機尺寸。如今，更好的大推力液體火箭發動機的工作方式實際上是補燃循環。按照迄今為止，火箭工程師們對發動機的了解，補燃循環的比沖比燃氣發生器的比沖要高10%左右。雖然補燃循環發動機的研發難度要高一些，但是能夠讓運載火箭擁有更好的性能，全壽命周期的成本也會大幅下降。

今后，F-1火箭發動機的這樣的設計將會繼續留在博物館中或靜靜地矗立在一塊人跡罕至的空地上，為后人講述那個曾經為了踏上月球的土地而努力奮斗的時代?！?/p>