土星5號(hào)運(yùn)載火箭(土星5號(hào)運(yùn)載火箭造價(jià))
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2023-04-20
土星五號(hào)不用是因?yàn)樾詢r(jià)比太低和費(fèi)用問題。
1、性價(jià)比太低。美蘇太空競賽傾全國之力,不計(jì)成本造出的土星五號(hào),除了獲得首次登上月球的名譽(yù)之外,并沒什么實(shí)際收益。所以美國就把研發(fā)重心轉(zhuǎn)向國際空間站和各種衛(wèi)星,放棄了土星五號(hào)。
2、費(fèi)用問題。以1960到1970年代的美元計(jì)算,土星五號(hào)研發(fā)費(fèi)用是60多億美元,消費(fèi)太高。
擴(kuò)展資料:
土星5號(hào)超重型運(yùn)載火箭是僅次于蘇聯(lián)能源號(hào)運(yùn)載火箭的推力第二大運(yùn)載火箭。在1967年-1973年間共發(fā)射了13枚“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭,它們保持著完美的發(fā)射記錄。共有9枚“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭將載人的“阿波羅”號(hào)宇宙飛船送上月球軌道。
土星5號(hào)”運(yùn)載火箭的生產(chǎn)線于1970年關(guān)閉。“土星5號(hào)”的最后一次發(fā)射是在1973年,這次發(fā)射將“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站送入了近地軌道。續(xù)任者太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS系統(tǒng)),號(hào)稱史上最強(qiáng)運(yùn)載火箭系統(tǒng)。
[img]土星5號(hào)火箭的資料土星5號(hào)運(yùn)載火箭(Saturn V),又譯農(nóng)神五號(hào),亦稱為月球火箭,是美國國家航空航天局(NASA)在阿波羅計(jì)劃和天空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃兩項(xiàng)太空計(jì)劃中使用的多級(jí)可拋式液體燃料火箭。土星5號(hào)運(yùn)載火箭是僅次于蘇聯(lián)能源號(hào)運(yùn)載火箭的推力第二大運(yùn)載火箭。在1967年-1973年間共發(fā)射了13枚“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭,它們保持著完美的發(fā)射記錄。共有9枚“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭將載人的“阿波羅”號(hào)宇宙飛船送上月球軌道。土星5號(hào)”運(yùn)載火箭的生產(chǎn)線于1970年關(guān)閉。“土星5號(hào)”的最后一次發(fā)射是在1973年,這次發(fā)射將“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站送入了近地軌道。
基本資料:
所屬國家/組織:美國
生產(chǎn)單位(S-IC):波音公司
生產(chǎn)單位(S-II):北美人航空公司
生產(chǎn)單位(S-IVB):道格拉斯飛行器公司
整體組裝地點(diǎn):飛行器裝配大樓(Audlo Video Bridging)
首飛:1967年11月9日
發(fā)射場:肯尼迪航天中心
發(fā)射臺(tái)編號(hào):LC-39A(除阿波羅10號(hào)以外)、LC-39B(阿波羅10號(hào))
起飛推力:34020千牛
參數(shù)列表
第一級(jí)
一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序:首先中央發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,隨后周圍相對的發(fā)動(dòng)機(jī)以300毫秒的間隔點(diǎn)火。
一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的五臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的液氧和煤油分別由一臺(tái)液氧泵和一臺(tái)煤油泵提供,其中液氧泵的流量為每秒24 811加侖,煤油泵的流量為每秒15 741加侖。液氧泵的工作溫度為-185℃,煤油泵的工作溫度為15℃
液氧泵和煤油泵由一臺(tái)55 000馬力的渦輪機(jī)提供動(dòng)力,渦輪泵的工作溫度為650℃
第二級(jí)
第三級(jí)
運(yùn)載能力
近地軌道:119000千克
月球軌道:45000千克
發(fā)射紀(jì)錄
土星5號(hào),人類火箭巨無霸土星5號(hào)火箭的研究背景很簡單:60年代,火箭運(yùn)載能力已經(jīng)成為限制美國航天發(fā)展的最核心因素。
因?yàn)?0年代,美國航天發(fā)展最重要的目標(biāo)是阿波羅登月。正如肯尼迪總統(tǒng)1961年在萊斯大學(xué)演講時(shí)說的那樣:“我們選擇登陸月球,不是因?yàn)樗唵危且驗(yàn)樗娴暮茈y”。
當(dāng)時(shí),為了阿波羅登月,一系列輔助工程上馬。
1961-1965年,9個(gè)游騎兵(Ranger)任務(wù),全方面獲得月球表面情況。
1966-1967年,5個(gè)月球軌道器(Lunar Orbiter)任務(wù),重點(diǎn)勘查適合載人登陸的區(qū)域并繪制出詳細(xì)地形地貌圖。
阿波羅12號(hào)任務(wù)時(shí)降落地點(diǎn)就在為它做前期準(zhǔn)備的測量員附近,也造就了人類兩個(gè)航天任務(wù)在月球表面相遇的神奇紀(jì)錄
1966-1968年,7個(gè)測量員(Surveyor)任務(wù),著陸器直接降落月球,獲得未來阿波羅載人登月著陸地區(qū)的第一手資料,其中5個(gè)任務(wù)著陸成功。
1964-1966年,12個(gè)雙子座(Gemini)載人航天任務(wù),驗(yàn)證了出艙行走、交會(huì)對接等核心技術(shù),所有的阿波羅登月宇航員都是這個(gè)項(xiàng)目培養(yǎng)出來的。
也就是說,在阿波羅登月之前,NASA(美國國家航空航天局)已經(jīng)完全了解了月球著陸區(qū)的環(huán)境、相關(guān)的載人航天技術(shù)都儲(chǔ)備完畢。例如,阿姆斯特朗在雙子座8號(hào)任務(wù)時(shí)成為世界首個(gè)完成航天器交會(huì)對接任務(wù)的人,登月第一人的資格足夠。
但是,當(dāng)時(shí)還有極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié):怎么過去?火箭怎么辦?
登月遠(yuǎn)比地球附近的載人航天復(fù)雜,近地軌道運(yùn)力幾噸、幾十噸的火箭遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,火箭成為限制載人登月方案的最大因素。
當(dāng)時(shí)總共有四種方案。1.月球直接往返;2.月球表面集合,用重型火箭分兩次任務(wù)發(fā)射;3.地球軌道集合,用大中型火箭多次發(fā)射,在地球附近組裝后載人登月;4.月球軌道集合,飛船到月球后,一部分登陸,一部分留軌。
選擇第4種方案的阿波羅飛船實(shí)際上也由4個(gè)部分組成
第1種方案要求重達(dá)4000-5000噸級(jí)別的火箭,實(shí)在太難,人類也許在阿波羅登月后100年內(nèi)都不會(huì)造出來。因?yàn)槲覀冊诘窃?0年后,連土星5號(hào)級(jí)別的火箭都還沒造出來;第2種,對月球著陸技術(shù)要求太高,幾乎不可能;第3種,當(dāng)時(shí)交會(huì)對接技術(shù)還沒突破,多次對接風(fēng)險(xiǎn)也特別大。最終,阿波羅載人登月選擇了方案4,它需要一枚近地軌道運(yùn)力達(dá)到140噸級(jí)、月球轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力達(dá)到45噸級(jí)的火箭。
馮·布勞恩站在他的得意作品土星5號(hào)“前”
任務(wù)最后落到了馮·布勞恩團(tuán)隊(duì)頭上,這位在二戰(zhàn)結(jié)束后被“回紋針”絕密行動(dòng)帶回美國的德國火箭專家事后也被證明是人類史上最偉大的火箭科學(xué)家、沒有之一,他在二戰(zhàn)后幾乎主導(dǎo)了美國所有火箭的研發(fā)。1961年登月計(jì)劃公布后,他們獲得天量的資金。
那時(shí)候,錢不是問題,問題是能不能把“問題”解決。馮·布勞恩團(tuán)隊(duì)不負(fù)眾望,在他們此前的研究基礎(chǔ)上,最終給出了土星A(Saturn-A1,Saturn-A2)、土星B(Saturn-B1)和土星C(Saturn-C1、Saturn-C2、Saturn-C3、Saturn-C4、Saturn-C5)的龐大土星系列火箭家族。當(dāng)然,馮·布勞恩還提出了C8這個(gè)型號(hào),它理論上可以完成直接登月、直接返回(前文方案1),不過以當(dāng)時(shí)的資源、甚至今天的資源都很難實(shí)現(xiàn)。
土星是個(gè)龐大的載人火箭家族,只不過土星5號(hào)(C5)實(shí)在太出名掩蓋了其他的光輝
人們常說的土星5號(hào),就是指Saturn-C5這一個(gè)型號(hào)。
土星5號(hào)的很多指標(biāo)是非常驚人的,它的總重量約為2970噸,最大直徑10.1米,高度110.6米,近地軌道運(yùn)力140噸,地月轉(zhuǎn)移軌道極限運(yùn)力48.6噸。以中國現(xiàn)役最強(qiáng)火箭長征5號(hào)對比而言,長征5號(hào)總重量約為867噸,最大直徑5米,高度57米,近地軌道運(yùn)力25噸,地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力8噸。
那個(gè)時(shí)代孕育了多么恐怖的鋼鐵巨獸,可見一斑。
火箭第一級(jí)總重約2290噸,其中殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量僅為130噸,2160噸都為燃料,為液氧煤油,發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)流程為165秒,發(fā)動(dòng)機(jī)總推力達(dá)到了驚人的3510噸!第一級(jí)平均每一秒燃燒13.1噸燃料,換算成汽油差不多夠一輛百公里油耗10升的小 汽車 圍繞地球赤道開4圈半!
第二級(jí)總重約496噸,其中殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量僅為40噸,456噸都為燃料,為液氧液氫,發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)流程為360秒,發(fā)動(dòng)機(jī)總推力為514噸;對于第二級(jí)消耗的燃料(液氧液氫能量密度是液氧煤油的1.6倍左右),足夠開車?yán)@地球赤道250圈。
第三級(jí)總重約123噸,其中殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量僅為13噸,110噸都為燃料,為液氧液氫,發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)流程為兩次共計(jì)500秒,發(fā)動(dòng)機(jī)總推力為100噸。第三級(jí)的燃料夠開車?yán)@地球60圈。
美麗的《地出》來自阿波羅8號(hào)任務(wù),人類首次到月球附近,阿波羅11號(hào)時(shí)才著陸
更驚人之處在于,這個(gè)火箭的可靠性也是很高的。1967年11月9日,阿波羅4號(hào)無人測試任務(wù),土星5號(hào)成功首飛。但是,1968年的12月11日,它就已經(jīng)送阿波羅8號(hào)乘組前往月球,他們也拍下來載入史冊的經(jīng)典圖片《地出》,這是人類首次從月球看地球。從1967年到1973年,土星5號(hào)火箭完成了13次發(fā)射任務(wù)(12次阿波羅,1次天空實(shí)驗(yàn)室)。除了阿波羅6號(hào)無人測試時(shí)出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)問題、但并未釀成大禍,其余都是完全成功,運(yùn)送了24人前往月球,最終12人登陸月球。
這12人也因而被命名為新物種:能生存在地球和月球的生物。
土星5號(hào)對比N1(右)
相比較而言,蘇聯(lián)同時(shí)代的登月火箭N1卻反復(fù)遭遇失敗,連續(xù)4次試射均在升空后不久爆炸,成為人類載入史冊的最強(qiáng)人工(非核)爆炸,蘇聯(lián)最終退出登月競賽,秘密開始載人空間站計(jì)劃,也就是禮炮1-7號(hào)共計(jì)9個(gè)空間站(7個(gè)成功)。禮炮1號(hào)在1971年4月19日秘密升空,隨后震驚世人,美國在載人空間站領(lǐng)域被蘇聯(lián)超越。
此時(shí),又是土星5號(hào)脫穎而出,把天空實(shí)驗(yàn)室空間站(Skylab)送入太空。這個(gè)空間站的設(shè)計(jì)邏輯可以這么簡化為“來不及了,還設(shè)計(jì)啥空間站,直接把土星5號(hào)的最上級(jí)裝大量儀器不就行了,做個(gè)百噸級(jí)的空間站夠用么?而且所有儀器你地面都裝好,不用螞蟻搬家往天上運(yùn),反正我們能一次發(fā)上去!”。至于載人飛船,則使用阿波羅18-20號(hào)飛船,這幾個(gè)原計(jì)劃登月的任務(wù)在后期被取消。
從各方面指標(biāo)來看,天空實(shí)驗(yàn)室都遠(yuǎn)超禮炮系列空間站
1973年5月14日,天空實(shí)驗(yàn)室升空,它由土星5號(hào)的第三級(jí)S-IVB改造而來,有軌道艙、空間望遠(yuǎn)鏡、對接艙、氣閘艙、服務(wù)單元、儀器單元等部分,空重77噸,對接阿波羅飛船狀態(tài)下超過90噸。內(nèi)部加壓空間超過351立方米,相當(dāng)于一棟巨大的房子飛在空中。載人對接任務(wù)時(shí),甚至不需要用巨大的土星5號(hào)火箭,用近地軌道運(yùn)力在20噸的土星IB火箭發(fā)射阿波羅飛船即可。
相比較而言,蘇聯(lián)首個(gè)空間站禮炮1號(hào)重18.4噸、加壓空間99立方米。
強(qiáng)大土星5號(hào)火箭的存在,使得美國立即又在空間站領(lǐng)域趕上并超過蘇聯(lián)。但是,在70年代后,土星5號(hào)還是遺憾退役了。有一系列原因。
首先,它實(shí)在太貴了。以1960-1970年代的美元計(jì),土星5號(hào)研發(fā)費(fèi)用是64億美元,一次發(fā)射的價(jià)格就是1.8億美元,那個(gè)年代的1.8億美元大概可以等同于今天的12億美元。
其次,應(yīng)用需求不再。美國靠著這個(gè)火箭,登上月球,在太空競賽中制霸蘇聯(lián),在冷戰(zhàn)中占據(jù)先機(jī),在東西方兩大陣營對抗中重奪主動(dòng)權(quán)。但1975年前后,蘇美簽訂了一系列協(xié)議,中止太空競賽,雙方砍掉了大量航天項(xiàng)目,尤其是需要重型火箭的任務(wù),土星5號(hào)一下失去了需求。
蘇聯(lián)解體后,更沒有需求。

土星5號(hào)創(chuàng)造了人類火箭天頂 科技 ,那是特殊政治的時(shí)代、不計(jì)成本的投入、深厚積累的技術(shù)等一系列原因共同促成的,如今很難再有機(jī)會(huì)達(dá)到當(dāng)年那個(gè)狀態(tài)了。
如果刻意追求復(fù)現(xiàn)甚至超過土星5號(hào),是極其不明智的決定,時(shí)代變了。
NASA在研的新一代重型火箭太空發(fā)射系統(tǒng)和獵戶座飛船同樣昂貴,目前研制花費(fèi)已經(jīng)近400億美元
目前,世界各航天大國都在“慢慢來”,NASA的太空發(fā)射系統(tǒng)、SpaceX的大獵鷹火箭、藍(lán)色起源的新阿姆斯特朗、俄羅斯的新聯(lián)盟和安加拉、中國的長征9號(hào)都處在在研或論證階段,它們的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)都是達(dá)到土星5號(hào)的級(jí)別,但達(dá)到這種成熟版本預(yù)計(jì)都會(huì)在2030年以后。
也就是說,土星5號(hào)成功后,60多年內(nèi)都沒有對手。
而要想超過土星5號(hào),例如達(dá)到曾經(jīng)的土星C8級(jí)別,就目前的環(huán)境來看,阿波羅登月后100周年紀(jì)念時(shí)能實(shí)現(xiàn)就已經(jīng)是人類航天的新奇跡。
美國土星5號(hào)運(yùn)載火箭淺析導(dǎo)讀: 土星5號(hào)運(yùn)載火箭(英文:Saturn V),譯農(nóng)神五號(hào),亦稱為月球火箭,是美國國家航空航天局(NASA)在阿波羅計(jì)劃和天空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃兩項(xiàng)太空計(jì)劃中使用的多級(jí)可拋式液體燃料火箭。
一、
土星運(yùn)載火箭簡介
土星5號(hào)運(yùn)載火箭是土星運(yùn)載火箭系列的一個(gè)型號(hào)。土星運(yùn)載火箭是在紅石導(dǎo)彈(Redstone)和丘辟特導(dǎo)彈(Jupiter)的基礎(chǔ)上開始研究的,包括土星1號(hào)、土星1B號(hào)和土星5號(hào)三個(gè)型號(hào),由馬歇爾太空飛行中心總指揮沃納?馮?布勞恩與他的火箭團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)。
起初,馬歇爾太空飛行中心為執(zhí)行不同的航天任務(wù)而設(shè)計(jì)了不同的幾種火箭,其中C-1火箭是土星1號(hào)運(yùn)載火箭的原型,C-2、C-3和C-4火箭都終止于設(shè)計(jì)階段。直到1961年下半年,C-5火箭的構(gòu)型得到確認(rèn)。1963年,NASA確認(rèn)選擇C-5火箭作為阿波羅計(jì)劃的運(yùn)載火箭,同時(shí)給了這枚火箭一個(gè)新的名字——土星5號(hào)。
二、
土星運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
1、H-1發(fā)動(dòng)機(jī)
土星1號(hào)和土星1B號(hào)的第一級(jí)均采用8臺(tái)H-1發(fā)動(dòng)機(jī)。H-1是一種液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī),源自于納瓦霍導(dǎo)彈,能產(chǎn)生20萬磅力(約90噸)推力。后來發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加到20.5萬磅力(約93噸)。
2、RL10發(fā)動(dòng)機(jī)
土星1號(hào)第二級(jí)采用6臺(tái)RL10發(fā)動(dòng)機(jī)。RL10發(fā)動(dòng)機(jī)是美國研制的第一種液氫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī),其改進(jìn)版被用于多種運(yùn)載器。該發(fā)動(dòng)機(jī)第一次地面試車是在1959年,成品的第一次飛行是在1963年11月。RL10發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展出了眾多的型號(hào),包括RL10A-1、RL10A-3、RL10A-3A、RL10A-4、RL10A-4-1、RL10A-4-2、RL10A-5、RL10A-5KA、RL10B-2、RL10C等;目前應(yīng)用較為廣泛的型號(hào)是RL10B-2,用于德爾塔3型和德爾塔4型火箭的第二級(jí)。
在NASA于2005年宣布的獵戶座宇宙飛船計(jì)劃中,月球著陸艙(LSAM)采用四臺(tái)RL10為下降段提供主動(dòng)力,這能為NASA在登月項(xiàng)目上節(jié)約大量資金。另外,通用可擴(kuò)展低溫發(fā)動(dòng)機(jī)(CECE)正是依據(jù)RL10發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造的。
3、F-1發(fā)動(dòng)機(jī)
與土星1號(hào)和土星1B號(hào)不同的是,土星5號(hào)第一級(jí)放棄了H-1發(fā)動(dòng)機(jī),而是采用了推力更大的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)。
F-1發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程
F-1發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡稱F-1)是在美國航宇局和馬歇爾太空飛行中心領(lǐng)導(dǎo)下于1958-1967年由洛克達(dá)因公司研制和生產(chǎn)的。發(fā)動(dòng)機(jī)在1967到1973年服役。F-1最早的研制時(shí)間可以再上溯到1955年美國空軍提出的445噸推力發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃。經(jīng)過兩年的技術(shù)攻關(guān),參與計(jì)劃的工程師們完成了各種技術(shù)細(xì)節(jié)的研究,做出了包括一臺(tái)全尺寸的推力室在內(nèi)的一些測試部件。1959年3月,原型機(jī)開始正式點(diǎn)火測試,成功達(dá)到了445噸的推力要求。
1959年1月,NASA與洛克達(dá)因公司簽訂了F-1的設(shè)計(jì)和研制合同,隨即開始了F-1的研制。1959年初,做出使用InconelX管制成再生冷卻推力室的決定(InconelX系列的合金后來還用到了X-15驗(yàn)證機(jī)、SpaceX的火箭、F1方程式賽車、特斯拉的ModelS等產(chǎn)品上面)。
為了將管束固緊在一起,美國修建了最大的燃?xì)忖F焊爐,并成功研制了釬焊法,第一臺(tái)燃燒室于1961年8月17日釬焊成功。其他主要工程均于計(jì)劃開始后三個(gè)月內(nèi)展開。1959年2月,開始建造愛德華基地,建設(shè)三個(gè)試車臺(tái)和地面設(shè)備。
1960年3月,全尺寸燃?xì)獍l(fā)生器建造完成,同年11月,渦輪泵制造并組裝完成。1961年4月,安裝了以上兩個(gè)部件的系統(tǒng)首次短程試車成功,峰值推力達(dá)到729.5噸。1961年7月整臺(tái)F-1于100萬磅(453噸)推力下首次通過短程熱試車。
1961年11月,F(xiàn)-1渦輪泵首次以全功率(6萬馬力)工作時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)。6個(gè)月后,F(xiàn)-1以150萬磅(680噸)全推力在大約2.5分鐘飛行時(shí)間下進(jìn)行了試車。在不到2個(gè)月后,NASA宣布批準(zhǔn)洛克達(dá)因公司生產(chǎn)55臺(tái)F-1的合同,并繼續(xù)進(jìn)行研究直到1966年。
1964年12月16日,F(xiàn)-1完成了飛行額定試驗(yàn)。NASA宣布準(zhǔn)備并聯(lián)試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。這些試驗(yàn)僅在一個(gè)月內(nèi)就完成了,而通常需二到三個(gè)月才能完成。F-1組合件試驗(yàn)于1966年初夏完成。最后的鑒定試驗(yàn)于1966年9月完成。發(fā)動(dòng)機(jī)首次飛行是在1967年11月9日進(jìn)行的。
F-1發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與性能
F-1發(fā)動(dòng)機(jī)以燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)為基礎(chǔ),在燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)燃燒一小部分燃料,產(chǎn)生燃?xì)庖则?qū)動(dòng)渦輪泵將燃料和氧化劑泵入主燃室,燃料和氧化劑混合并燃燒產(chǎn)生推力。發(fā)動(dòng)機(jī)頂部是一個(gè)半球形小室,小室之下是噴射器,用來混合燃料和氧化劑。
一部分燃料進(jìn)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,管道里面流過的低溫燃料可以起到給推力室降溫的作用,同時(shí)又充分預(yù)熱了燃料自身。
燃料和液氧由不同的泵泵入,但泵由同一個(gè)渦輪驅(qū)動(dòng)。渦輪轉(zhuǎn)速為5500RPM,可產(chǎn)生55000制動(dòng)馬力(41MW)。在此功率下,每分鐘可泵入58564升煤油和93920升液氧。渦輪泵可以應(yīng)付嚴(yán)酷的溫度環(huán)境:煤氣的溫度高達(dá)816℃,而液氧的溫度低至-184℃。一些燃料煤油被用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(fā)動(dòng)機(jī)的一半長度位置。延伸部分將發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比從10:1提高到16:1。渦輪機(jī)排出的低溫氣體通過錐形歧管進(jìn)入延伸部分,保護(hù)噴嘴在高溫(3200℃)下不受損壞。
隨著任務(wù)的進(jìn)展,土星5號(hào)火箭的負(fù)荷逐漸增大,每次任務(wù)對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求略有差異。
洛克達(dá)因公司在F-1基礎(chǔ)上開發(fā)出了新款的F-1A發(fā)動(dòng)機(jī)。F-1A比F-1更輕,且推力更大(達(dá)到927噸),然而隨著土星5號(hào)生產(chǎn)線的停產(chǎn),F(xiàn)-1A發(fā)動(dòng)機(jī)從未使用過。從上世紀(jì)70年代開始,不斷有各種關(guān)于使用F-1來開發(fā)新型火箭的意見,但都未能成行。F-1一直保持著最強(qiáng)單燃燒室液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的地位。
4、J-2發(fā)動(dòng)機(jī)
J-2發(fā)動(dòng)機(jī)概況
J-2發(fā)動(dòng)機(jī)由洛克達(dá)因公司制造,發(fā)動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)可以追溯到1959年Silverstein委員會(huì)的建議。洛克達(dá)因公司在1960年6月獲得了研發(fā)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的許可,初次飛行在1966年2月26日進(jìn)行。
J-2發(fā)動(dòng)機(jī)以低溫液氫(LH2)和液氧(LOX)為推進(jìn)劑,是美國在RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)之前曾生產(chǎn)的最大的液氫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī),每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在真空中能產(chǎn)生105噸的推力。J-2真空比沖為421秒,海平面比沖為200秒,質(zhì)量約為1788kg。除了土星5號(hào),曾有在其他大型火箭的上面級(jí)上使用多臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的提議,例如Nova火箭。
J-2發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理如下:少量氧和氫進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器并燃燒,產(chǎn)生的燃?xì)庖来瓮苿?dòng)氫渦輪泵和氧渦輪泵,最后將燃?xì)庾⑷雵姽茏鳛闅饽だ鋮s。液氫由氫泵加壓后,先全部用于冷卻噴管,然后大部分進(jìn)入燃燒室作為燃料,小部分進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器。液氧由氧泵加壓后大部分直接進(jìn)入燃燒室,小部分進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器。J-2只有主泵,沒有預(yù)壓泵。
J-2發(fā)動(dòng)機(jī)用于土星5號(hào)的S-IVB級(jí)時(shí),能在關(guān)機(jī)之后再次點(diǎn)火。第一次點(diǎn)火持續(xù)約2分鐘,將阿波羅飛船送入一個(gè)近地停泊軌道。在乘員確認(rèn)飛船運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常之后,J-2發(fā)動(dòng)機(jī)重新點(diǎn)火,將航天器組合體加速送上奔月軌道。
J-2發(fā)動(dòng)機(jī)在它的 歷史 中進(jìn)行了數(shù)次較小的改進(jìn),以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。此外還有2次大型升級(jí)計(jì)劃,包括采用拉伐爾噴管的J-2S和采用塞式噴管的J-2T,但兩者在阿波羅計(jì)劃結(jié)束后都被取消了。
J-2S
1964年,洛克達(dá)因公司為了改進(jìn)J-2的性能而研發(fā)了這個(gè)試驗(yàn)版本,最主要的改動(dòng)是將燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)換成抽氣循環(huán),即通過燃燒室上的管道供應(yīng)熱氣體,而不是通過獨(dú)立的燃燒器。這些改動(dòng)除了要移除發(fā)動(dòng)機(jī)上部分結(jié)構(gòu),還降低了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的難度并妥善地協(xié)調(diào)了各燃燒室的關(guān)系。
其他的改動(dòng)還包括節(jié)流系統(tǒng)、可變的燃料混合系統(tǒng)。還有一個(gè)新的“空閑模式”,它提供很少的推力,可用于在軌機(jī)動(dòng),或在再次燃燒之前穩(wěn)定燃料箱。
試驗(yàn)中,洛克達(dá)因公司生產(chǎn)了六臺(tái)樣機(jī),命名為J-2S。從1965到1972年,這些樣機(jī)總共試車30858秒。1972年,美國當(dāng)局決定不再生產(chǎn)土星5號(hào),該發(fā)動(dòng)機(jī)的研制也告一段落。而NASA考慮將J-2S用于其他用途,在眾多航天飛機(jī)方案中,其中就有用五臺(tái)J-2S來驅(qū)動(dòng)的方案。
J-2T
J-2T是給J-2S加裝一個(gè)新的塞式噴管,這會(huì)顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。試驗(yàn)用的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),J-2T-200k達(dá)到了20萬磅力(90噸)的推力,J-2T-250k達(dá)到了25萬磅力(113噸)。J-2T的研制工作也隨著阿波羅計(jì)劃的停止而停止。
J-2X
J-2X是J-2的一個(gè)新版本,它曾被計(jì)劃用于已經(jīng)取消的 星座 計(jì)劃和奧賴恩載人飛船。原先的計(jì)劃是使用兩臺(tái)J-2X來驅(qū)動(dòng)地球出發(fā)級(jí)(EDS),每臺(tái)J-2X將提供29.4萬磅力(133噸)。J-2X將比J-2效率更高且更簡單,但比航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)成本低。J-2X的研究工作持續(xù)到2013年,目前已暫停。
三、
星5號(hào)火箭一級(jí)(S-IC級(jí))
土星5號(hào)第一級(jí)(S-IC級(jí))的兩個(gè)箭體試制件由馬歇爾太空飛行中心制造,并分別在阿波羅4號(hào)和阿波羅6號(hào)中得到驗(yàn)證。1961年12月,波音公司拿到了S-IC級(jí)的生產(chǎn)合同,S-IC推進(jìn)器在位于路易斯安那州新奧爾良的波音公司密喬裝配廠中建造。這家工廠也負(fù)責(zé)建造航天飛機(jī)外部燃料箱。
S-IC級(jí)推進(jìn)器的高度達(dá)42米,直徑10米(不包含尾翼),凈重131噸,裝滿燃料后重量將近2300噸。五個(gè)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)排成十字型,中心的發(fā)動(dòng)機(jī)位置固定,周圍的四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過液壓轉(zhuǎn)向以控制火箭。
在飛行中,中央的發(fā)動(dòng)機(jī)要比周圍的發(fā)動(dòng)機(jī)早關(guān)閉26秒,以限制加速度。在發(fā)射中,S-IC推進(jìn)器將工作168秒鐘(升空7秒前點(diǎn)火),隨后發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。此時(shí)火箭的高度大約是68千米,而火箭大約飛行了93千米,速度達(dá)到2390米/秒。
在發(fā)射時(shí),5臺(tái)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生3405噸的推力,這么大的推力需要堅(jiān)固的承力結(jié)構(gòu)。S-IC級(jí)有著整個(gè)火箭上最大的零件:5臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)的承力支架主梁,重21噸。
S-IC級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反映了F-1發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑、控制、儀器和連接系統(tǒng)的要求,結(jié)構(gòu)的主要材料為鋁合金。主要包括:前裙、氧化劑箱、箱間段、燃料箱和推力結(jié)構(gòu)。
前裙
前裙連接氧化劑箱與S-II級(jí),包括前脫落插頭連接板、電氣和電子儀器盒、液氧箱和級(jí)間段的排氣系統(tǒng)。前裙的外蒙皮用7075-T6鋁合金制成,并用隔框和桁條進(jìn)行了加強(qiáng)。
氧化劑箱
氧化劑箱的容量約136萬升,箱壁由經(jīng)機(jī)械銑成的T形剖面整體加筋加強(qiáng),加筋上連接環(huán)形隔板。箱底上安裝的十字形板用來防晃和消旋。貯箱為一個(gè)2219-T87鋁合金的圓筒,上、下有兩個(gè)半橢球形的箱底。氧化劑箱蒙皮厚度不等,后段厚0.25英寸,前段厚0.19英寸,分八段逐漸變薄。
箱間段
箱間段結(jié)構(gòu)用來保持液氧箱和燃料箱之間的連續(xù)性,內(nèi)部有與箱間脫落插頭連接的液氧加注和排泄接頭。蒙皮壁板和環(huán)框全部用7075-T6鋁合金制成。
燃料箱
燃料箱容量約817649升,上、下有兩個(gè)半橢球形的箱底,貯箱內(nèi)壁上安裝防晃板,箱底有十字形消旋板。由液氧箱引出的五條輸送管穿過燃料箱,通到F-1發(fā)動(dòng)機(jī)。箱底內(nèi)部粘一層輕質(zhì)泡沫填料,作為燃料吸除器,使貯箱中殘留的無用燃料減到最少。貯箱蒙皮用2219-T87鋁合金制成,后段厚0.193英寸,前段厚0.17英寸,分四段逐漸變薄。
推力結(jié)構(gòu)
推力結(jié)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件、底部熱防護(hù)板、發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩和尾翼、推進(jìn)劑管路、反推火箭以及環(huán)境控制管路的支撐結(jié)構(gòu),把五臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的集中載荷分散成均勻載荷。推力結(jié)構(gòu)的外蒙皮由7075-T6鋁合金制成。
位于S-IC級(jí)底部發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)平面前部的熱防護(hù)板,在飛行時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組件和底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱防護(hù)。熱防護(hù)板是一種蜂窩結(jié)構(gòu)壁板,由15-7PH不銹鋼箔制成的蜂窩芯板和厚0.254毫米的面板釬焊而成。每臺(tái)外圍F-1發(fā)動(dòng)機(jī)外部都用錐形整流罩保護(hù)著,以防止氣動(dòng)加載。整流罩內(nèi)部有反推火箭和發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)器的支架。
四、
星5號(hào)火箭二級(jí)(S-II級(jí))
土星5號(hào)第二級(jí)(S-II級(jí))由北美航空公司(北美航空公司作為洛克維爾國際的一部分于1996年被波音公司收購)制造。S-II級(jí)使用液氫和液氧作為燃料,共有5個(gè)J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。S-II級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排列也呈十字形,外部的發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供控制能力。
S-II級(jí)有24.8米高,直徑與S-IC級(jí)相同,都是10米。S-II的凈重大約36噸,加滿燃料后重達(dá)490噸。S-II級(jí)兩個(gè)低溫儲(chǔ)箱(液氫儲(chǔ)箱和液氧儲(chǔ)箱)之間只用了一層板子相隔,這個(gè)隔板中間采用了苯酚蜂窩夾層結(jié)構(gòu),兩側(cè)用鋁箔覆蓋,需要承受兩個(gè)燃料箱之間70℃的溫度差。
S-II級(jí)可以在大氣層外為土星5號(hào)提供大約36噸的推力。這級(jí)火箭的箭體主要用7075系的鋁合金制成。
S-II級(jí)結(jié)構(gòu)由殼體(包括前裙、后裙和級(jí)間段)、推進(jìn)劑箱(包括液氫箱和液氧箱)和推力結(jié)構(gòu)組成。殼體結(jié)構(gòu)傳遞第一、第二級(jí)的助推載荷(軸向載荷、剪切和彎矩)以及相鄰級(jí)、推進(jìn)劑箱和推力結(jié)構(gòu)之間的殼體彎曲和縱向力。
推進(jìn)劑箱內(nèi)裝液氫和液氧推進(jìn)劑,也是前裙和后裙之間的結(jié)構(gòu)支撐。推力結(jié)構(gòu)把五臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的推力傳給殼體結(jié)構(gòu),承受發(fā)動(dòng)機(jī)推力產(chǎn)生的壓縮載荷和承受發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)重量產(chǎn)生的拉伸載荷以及S-II級(jí)助推時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)重量產(chǎn)生的懸臂載荷。
殼體結(jié)構(gòu)
殼體結(jié)構(gòu)部件的結(jié)構(gòu)形式相同,其中后裙和級(jí)間段因受力較大,故為較重型結(jié)構(gòu)(前裙蒙皮厚度為0.04英寸,后裙和級(jí)間段為0.071英寸)。每段均為半硬殼式簡殼,由7075號(hào)鋁合金制成,外部用帽形截面桁條加強(qiáng),內(nèi)部用隔框增加穩(wěn)定性。
推力結(jié)構(gòu)
推力結(jié)構(gòu)也是半硬殼式結(jié)構(gòu),但其形狀為截錐形,錐的下底直徑為18英尺,上底直徑33英尺。推力結(jié)構(gòu)同樣用隔框和帽形截面的桁條加強(qiáng)。四對推力縱梁(在每臺(tái)外圍發(fā)動(dòng)機(jī)處有兩條)和一個(gè)中心發(fā)動(dòng)機(jī)十字形支撐梁承受和分散J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的推力載荷。推力結(jié)構(gòu)用7075鋁合金制成,結(jié)構(gòu)下部安裝有玻璃纖維蜂窩夾層熱防護(hù)板。推力結(jié)構(gòu)還用來安裝S-II級(jí)攜帶的大部分系統(tǒng)組件。
推進(jìn)劑箱結(jié)構(gòu)
液氫箱由圓筒形箱壁和上、下兩個(gè)橢球形箱底組成,箱壁由六個(gè)短筒組成,各段用縱向和環(huán)向加強(qiáng)件加強(qiáng)。箱壁和箱底均由2014鋁合金材料制成,并用熔焊方法焊接在一起。
貯箱共底(液氫箱的下底也是液氧箱的上底)為一種粘接的蜂窩夾層結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可有助于保持液氫和液氧的低溫特性。夾層結(jié)構(gòu)的面板用2014鋁合金板制成,為橢球形殼;中間的蜂窩夾芯用玻璃纖維/酚醛材料制成,夾芯的厚度不等,頂端厚約5英寸,周邊厚0.008英寸。
液氧箱由上、下兩個(gè)半橢形底組成,箱底由瓜瓣形板拼成,內(nèi)表面銑成網(wǎng)格形。貯箱內(nèi)部安裝的三塊環(huán)形防晃板抑制液氧晃動(dòng)和液面擾動(dòng);貯箱下底液氧出口處安裝了十字形消漩板,以消除液氧箱出口處產(chǎn)生的漩渦和使貯箱中推進(jìn)劑剩余量最少。
系統(tǒng)隧道管
半圓形的系統(tǒng)隧道管安裝在S-II級(jí)外部,從后裙部通到前裙段,內(nèi)裝有電纜、增壓管路和貯箱推進(jìn)劑消散用的火工品。S-IC級(jí)與儀器艙連接的電纜也通過這條隧道管。
五、
土星5號(hào)火箭三級(jí)(S-IVB級(jí))
土星5號(hào)第三級(jí)(S-IVB級(jí))由道格拉斯飛行器公司(于1967年與麥克唐納公司合并,1997年一同并入波音公司)制造。除了級(jí)間的調(diào)整結(jié)構(gòu)和重啟動(dòng)的能力,這一級(jí)幾乎和土星1B號(hào)第二級(jí)完全一致。S-IVB級(jí)高18米,直徑6.6米,凈重11噸,加滿燃料后重114噸。它使用了一個(gè)J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī),在兩個(gè)燃料柜間也使用了共享箱壁。
S-IVB級(jí)在任務(wù)過程中會(huì)使用兩次,在S-II級(jí)關(guān)閉后點(diǎn)火工作2.5分鐘,在月球轉(zhuǎn)移軌道射入階段點(diǎn)火大約6分鐘。兩個(gè)加滿液體燃料的輔助推進(jìn)設(shè)備裝在S-IVB級(jí)尾部,用來在待機(jī)軌道和月球轉(zhuǎn)移階段控制火箭的高度。
S-IVB級(jí)的基本結(jié)構(gòu)組成:前裙、推進(jìn)劑箱、后裙、推力結(jié)構(gòu)和后級(jí)間段。除推進(jìn)劑箱外,其他部分全為蒙皮桁條鋁合金結(jié)構(gòu)。
前裙段
前裙為液氫箱和儀器艙之間的支撐結(jié)構(gòu),由儀器艙上的檢修門(參見儀器艙照片)可以檢查前裙中的設(shè)備。前裙內(nèi)有五塊環(huán)境調(diào)節(jié)板,用來支撐各種電子組件,并對它們進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。前裙外面安裝了前脫落插頭連接板、天線、液氫箱排氣口和遂道管整流罩等。
推進(jìn)劑箱
推進(jìn)劑箱是一個(gè)圓筒狀容器,兩端有半球形底。中間的共底為半球形蜂窩夾層結(jié)構(gòu),夾層結(jié)構(gòu)的上、下兩個(gè)半球形面板由2014-T6鋁合金制成,玻璃纖維/酚醛材料制成的蜂窩夾芯粘接在兩塊面板中間,液氫箱的內(nèi)表面銑成網(wǎng)格形,網(wǎng)格形的內(nèi)壁粘有聚氨酯泡沫瓦,瓦上用涂了密封膠的玻璃纖維布覆蓋。
貯箱的箱壁承受前裙對接面前部的所有載荷,并把發(fā)動(dòng)機(jī)的推力傳給有效載荷。液氫箱內(nèi)部有一個(gè)34英尺長的連續(xù)電容傳感器、9個(gè)冷氦氣瓶、溫度和液位傳感器、預(yù)冷泵、防晃板、防晃致偏器,以及加注、增壓與排氣管等。液氧箱內(nèi)部有防晃板、預(yù)冷泵、13.5英尺長的連續(xù)電容傳感器、溫度和液位傳感器,以及加注、增壓與排氣管等。
推力結(jié)構(gòu)
推力結(jié)構(gòu)是一個(gè)倒置的截錐殼,連接液氧箱后底與發(fā)動(dòng)機(jī)支座。它為發(fā)動(dòng)機(jī)提供連接點(diǎn),并把發(fā)動(dòng)機(jī)的推力均勻地傳給整個(gè)貯箱的周邊。推力結(jié)構(gòu)外部安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)管、電纜和對接板、氦氣瓶、液壓系統(tǒng)、氧/氫燃燒器,以及某些發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧箱的儀器。
后裙部
圓筒形的后裙是液氫箱與后級(jí)間段中間的承力結(jié)構(gòu)。一個(gè)易斷的張緊連接件在S-II級(jí)分離時(shí)斷開,使后裙與級(jí)間段分離。
后級(jí)間段
后級(jí)間段是一個(gè)截錐形殼體,是S-IVB級(jí)與S-II級(jí)之間的承力結(jié)構(gòu),也是S-II級(jí)和S-IVB級(jí)之間所需要的電氣和機(jī)械連接的會(huì)合處。S-II級(jí)的反推火箭安裝在級(jí)間段上,分離時(shí)級(jí)間段仍與S-II級(jí)連接。
六、
土星5號(hào)儀器艙
儀器艙由IBM制造,是裝在土星5號(hào)S-IVB級(jí)頂部的一個(gè)圓筒形結(jié)構(gòu)。它的內(nèi)壁分布著土星5號(hào)火箭的彈道計(jì)算機(jī)、姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)等關(guān)鍵部件,是整枚火箭的大腦。
儀器艙的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)由鋁合金蜂窩夾層材料制成的短圓筒,這是由三塊長度相等的蜂窩夾層板拼成的,前后端框由擠壓成的特制鋁型材制成,型材粘接到蜂窩夾層上。之所以用此種結(jié)構(gòu),是因?yàn)樗哂休^高的強(qiáng)度重量比、良好的隔音和熱傳導(dǎo)特性。儀器艙的三塊弧形板分別是檢修壁板(Fin-A)、飛行控制計(jì)算機(jī)壁板(Fin-B)和慣性導(dǎo)航平臺(tái)壁板(Fin-C)。
在上圖中,左下方有一個(gè)檢修門,這附近就是Fin-A。檢修門旁邊有個(gè)黑色的管子,這管子和上面的整個(gè)環(huán)形的管路是連在一起的,是用來控制土星5號(hào)大腦溫度的環(huán)境控制管路。黑色管子下面藏著一個(gè)2.7升的小氣瓶,內(nèi)有高純氨氣。黑色管子右側(cè)的圓柱形罐子是儲(chǔ)水箱。水箱左側(cè)的紅色盒子是D-30電池系統(tǒng)。
水箱右側(cè)是彈載計(jì)算機(jī)和彈載數(shù)據(jù)記錄儀。圖片正下方(記錄儀右側(cè))的盒子里是控制指令分配器和遙測遙控指令譯碼器。這個(gè)盒子右邊的那些盒子是遙測天線對應(yīng)的電子器件盒,包括VHF遙測天線、c波段天線、PCMCCS天線等。
圖片右側(cè)的那個(gè)大球就是存放氨氣的地方,供氣壓力為703噸/平方米。大球旁邊是ST-124-M3慣性導(dǎo)航陀螺儀。
圖片右上方的大方盒子為土星5號(hào)火箭的ST-124-M3慣性導(dǎo)航陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的控制電路。平臺(tái)旁邊是加速度計(jì)信號(hào)調(diào)節(jié)器和專門供給導(dǎo)航系統(tǒng)用的56伏電源。另外的電源系統(tǒng)還有28伏直流電源,供小負(fù)載的電氣系統(tǒng)使用,另有5伏直流電源供傳感器使用。
七、
星5號(hào)運(yùn)載火箭應(yīng)用情況
八、
土星5號(hào)之后美國重型運(yùn)載火箭的發(fā)展
以上就是網(wǎng)站小編空城舊憶據(jù)網(wǎng)絡(luò)最新關(guān)于“土星5號(hào)運(yùn)載火箭(土星5號(hào)運(yùn)載火箭造價(jià))”報(bào)道資料整理發(fā)布相關(guān)事件細(xì)節(jié)!轉(zhuǎn)載請注明來
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