□ 邢強(qiáng)

F-1史上推力最強(qiáng)的單燃燒室液體火箭發(fā)動機(jī)

□ 邢強(qiáng)

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(fā)動機(jī)至今仍然是世界上推力最大的單燃燒室發(fā)動機(jī)，而且有關(guān)復(fù)活F-1火箭發(fā)動機(jī)的呼聲從上世紀(jì)70年代末開始到現(xiàn)在，是始終存在的。

F-1火箭發(fā)動機(jī)是美國洛克達(dá)因公司設(shè)計制造的一款液氧煤油發(fā)動機(jī)。它的經(jīng)歷，堪稱一段傳奇。

發(fā)動機(jī)的誕生

F-1火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計海平面推力約為680.39噸。這樣大的推力能夠在5臺并聯(lián)的時候，將起飛質(zhì)量3000多噸的“土星”5號火箭在150秒的時間內(nèi)推到64千米的高度，同時達(dá)到2.76千米/秒的速度。

看起來，F(xiàn)-1火箭發(fā)動機(jī)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?yōu)楝F(xiàn)實。但是，F(xiàn)-1火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計藍(lán)圖的出現(xiàn)實際上要早于阿波羅計劃的全面實施。早在1955年，洛克達(dá)因公司就接到了研制重型火箭發(fā)動機(jī)的任務(wù)。不過，那時候是美國空軍提出的概念?？哲娦枰邪l(fā)一款推力強(qiáng)大的火箭發(fā)動機(jī)，為了今后可能會研發(fā)的重型洲際彈道導(dǎo)彈進(jìn)行技術(shù)儲備。洛克達(dá)因公司很快就推出了一款名為E-1的火箭發(fā)動機(jī)。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(fā)動機(jī)不是很滿意。他們認(rèn)為今后的洲際彈道需要更大的發(fā)動機(jī)，要求洛克達(dá)因公司繼續(xù)摸索液體火箭發(fā)動機(jī)的推力極限。因此，靜態(tài)點火試驗驗收通過的E-1發(fā)動機(jī)被擱置了起來。

洛克達(dá)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(fā)動機(jī)。于是，F(xiàn)-1火箭發(fā)動機(jī)的雛形誕生了！

洛克達(dá)因F-1火箭發(fā)動機(jī)，噴口直徑3.76米，比美國空軍裝備的“大力神”II彈道導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)彈會需要這么大個兒的發(fā)動機(jī)。美國軍方還是用了比較保守的發(fā)動機(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，單臺推力680.39噸的發(fā)動機(jī)對軍方來說有些太大了。于是，F(xiàn)-1火箭發(fā)動機(jī)項目也被擱置了。

不過，洛克達(dá)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(fā)動機(jī)！雖然當(dāng)時NASA沒有跟洛克達(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，這個可以從后來的洛克達(dá)因一些工程師們提到這段往事的文字中看出來：

大力神2號

“NASA的人找到了我們，說是很中意我們的發(fā)動機(jī)。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(guān)心地球上的事情，對洲際導(dǎo)彈的項目也不感興趣。我們覺得他們應(yīng)該是要把我們的發(fā)動機(jī)用在地球之外的事情上。這讓我們感到很興奮。”

F-1發(fā)動機(jī)的整機(jī)靜態(tài)點火試驗在1959年3月獲得了成功。后來，該發(fā)動機(jī)被迅速運到了NASA的馬歇爾航天中心，進(jìn)行進(jìn)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(dāng)時NASA的馬歇爾航天中心給出了這樣的數(shù)據(jù)：F-1火箭發(fā)動機(jī)的瞬時功率為當(dāng)時的胡佛水壩裝機(jī)容量的17倍！ 1961年11月，F(xiàn)-1火箭發(fā)動機(jī)在馬歇爾航天中心進(jìn)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(dá)因的技術(shù)人員又驚喜又害怕，喜的是，他們設(shè)計的F-1發(fā)動機(jī)能夠有如此強(qiáng)悍的力量，怕的是NASA會認(rèn)為F-1的推力太強(qiáng)，而像美國空軍那樣最終拋棄F-1發(fā)動機(jī)。

然而，洛克達(dá)因的工程師們很快就放心了。因為他們發(fā)現(xiàn)，NASA的技術(shù)人員們比他們還要興奮。NASA愛上這款發(fā)動機(jī)了！1964年3月30日，NASA發(fā)布采購計劃，當(dāng)時決定購買76臺F-1發(fā)動機(jī)。（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(fā)動機(jī)。不過，隨著后來阿波羅計劃的終結(jié)，最終實際買了98臺，這是后話了。）

這款在當(dāng)時，在人類技術(shù)史上出現(xiàn)的推力最大的液體燃料火箭發(fā)動機(jī)（當(dāng)時蘇聯(lián)的RD-170還沒出現(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，成長為一款為人類登月計劃量身打造的發(fā)動機(jī)，走向了幫助人類邁向太空文明的道路。

燃燒穩(wěn)定性

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

F-1火箭發(fā)動機(jī)在上世紀(jì)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(wěn)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(fā)動機(jī)內(nèi)部的噴注面，出現(xiàn)了火箭發(fā)動機(jī)的火焰在內(nèi)部將自己燒毀的情況。在1960年的一次點火試驗中，F(xiàn)-1發(fā)動機(jī)發(fā)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(jīng)驗豐富的操作員立刻切斷了燃料供應(yīng)，避免了一場大悲劇的出現(xiàn)。他聽懂了F-1火箭發(fā)動機(jī)在爆炸之前向人類發(fā)出的警告聲。

F-1火箭發(fā)動機(jī)為什么會燒毀自己呢？工程師們百思不得其解，當(dāng)時計算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)還處在萌芽階段，幾乎不可能讓人們在電腦中模擬發(fā)動機(jī)內(nèi)流場的狀態(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)動機(jī)中釋放炸藥，誘發(fā)燃燒不穩(wěn)定的出現(xiàn)，并在實際點火過程中觀察火焰的變化規(guī)律。經(jīng)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(jié)構(gòu)的組合之后，終于解決了燃燒不穩(wěn)定問題。如今，這些經(jīng)驗已經(jīng)寫入火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計的教材中，為后來的設(shè)計師們提供了寶貴的參考。

原來的F-1火箭發(fā)動機(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(dāng)測試人員聽到嘯叫之后，燃燒不穩(wěn)定就會出現(xiàn)了。關(guān)于這個嘯叫聽起來是怎樣的，應(yīng)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(wěn)定問題的呢？答案是：重新設(shè)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(biāo)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(tài)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(jīng)過2000多次試驗后，有了明確的規(guī)格：最內(nèi)圈的若定義為標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)圈連通的環(huán)形小孔再往外，是分成4大區(qū)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(nèi)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(shù)量。最外部分是分為8大區(qū)的噴注孔，規(guī)律與4大區(qū)相似，不再贅述。

F-1火箭發(fā)動機(jī)

2000次試驗后，改進(jìn)的噴注管

F-1火箭發(fā)動機(jī)正在進(jìn)行點火測試

發(fā)動機(jī)的總體設(shè)計

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)動渦輪泵將燃料和氧化劑泵入主燃燒室。那個在噴口外面環(huán)繞的“大尾巴”就是燃?xì)獍l(fā)生器的廢氣排放管。該發(fā)動機(jī)的煤油泵和液氧泵實際上是由同一個渦輪驅(qū)動的。這個渦輪（位于“大尾巴”的根部里面）的轉(zhuǎn)速為每分鐘5500轉(zhuǎn)。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(qū)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(jī)用的標(biāo)準(zhǔn)18.9升純凈水水桶。

F-1火箭發(fā)動機(jī)擁有巨大的燃?xì)獍l(fā)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(jìn)劑既保護(hù)了噴管，使其免受烈火炙烤之苦，同時又充分預(yù)熱了推進(jìn)劑自身。說起F-1火箭發(fā)動機(jī)噴管的焊接，可謂是十分不易。洛克達(dá)因經(jīng)過數(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。噴管材料使用了鎳基合金，具體標(biāo)號是Inconel X-750。Inconel X-750有良好的高溫性能和力學(xué)性能。這個系列的合金還用到了X-15驗證機(jī)、SpaceX的火箭、F1方程式賽車、特斯拉的Model S等產(chǎn)品上面。

差點兒忘了說F-1火箭發(fā)動機(jī)的另一個有趣的設(shè)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(fā)動機(jī)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?xì)饧訜嵋貉趼菪?，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(tài)下，貯箱是很結(jié)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(jié)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(fā)動機(jī)的另一個很有趣的創(chuàng)意是煤油不僅僅是燃料，還是發(fā)動機(jī)液壓伺服機(jī)構(gòu)的工作液體。嗯，沒錯，F(xiàn)-1火箭發(fā)動機(jī)沒有依賴外界提供的液壓油，自己靠自己的燃料就能夠驅(qū)動本身的所有作動機(jī)構(gòu)。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(fā)動機(jī)的設(shè)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(dāng)做液壓作動器的工作液體來用是不方便的。然而，設(shè)計師們還是通過設(shè)計三級伺服閥解決了這一系列問題。

關(guān)于F-1火箭發(fā)動機(jī)的重生

有關(guān)重新啟用F-1火箭發(fā)動機(jī)用于深空探測的提議自從阿波羅17號完成任務(wù)之后，就一直沒有斷過。F-1火箭發(fā)動機(jī)，擁有680.39噸的推力。洛克達(dá)因交付的98臺發(fā)動機(jī)，在各種測試和載人登月、發(fā)射天空實驗室等任務(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)動機(jī)復(fù)活，重新應(yīng)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(guān)所謂的F-1火箭發(fā)動機(jī)圖紙丟失的傳言不知怎么地就讓很多人相信了。但是實際上，F(xiàn)-1火箭發(fā)動機(jī)的大量設(shè)計細(xì)節(jié)至今保存完好。在1971年到1972年，洛克達(dá)因公司專門組織人力物力，對F-1火箭發(fā)動機(jī)的各種細(xì)節(jié)進(jìn)行重新研究和紀(jì)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(chǎn)流程，拍攝成了多集的紀(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)時為了生產(chǎn)德爾它火箭發(fā)動機(jī)的廠房實在沒地方放置F-1火箭發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)設(shè)備的時候，才把一些大型設(shè)備移入庫房。如果在1994年之前，讓洛克達(dá)因恢復(fù)F-1發(fā)動機(jī)生產(chǎn)的話，其準(zhǔn)備時間不會超過半年。

F-1火箭發(fā)動機(jī)的停用實際上和兩個因素有關(guān)：一是那個純粹的科學(xué)探索的時代已經(jīng)遠(yuǎn)去，人們在做科學(xué)研究的時候難免會和經(jīng)濟(jì)效益聯(lián)系在一起；另一個是F-1火箭發(fā)動機(jī)本身的工作方式的問題。第一個因素就不詳細(xì)說了。第二個因素，就是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式。這種方式使得火箭發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑組合密度較低，在產(chǎn)生大推力的同時，幾乎不可避免地需要一個非常大的發(fā)動機(jī)尺寸。如今，更好的大推力液體火箭發(fā)動機(jī)的工作方式實際上是補(bǔ)燃循環(huán)。按照迄今為止，火箭工程師們對發(fā)動機(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)動機(jī)的研發(fā)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(xiàn)-1火箭發(fā)動機(jī)的這樣的設(shè)計將會繼續(xù)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(jīng)為了踏上月球的土地而努力奮斗的時代。★