土星5号

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土星5号的三件神器

无比经典的土星5号火箭,并不是凭空就能竖立起来,并飞到太空去的,它是建立在结结实实的基础之上,一点一滴地成长壮大起来的。很多人将之归结到某个德国人身上,好像

缺了这个人月亮就上不去了,这是中国传统的错误思想:伟人情结(衍生物有清官情结、君情结、救星情结、大侠情结、高人情结等)在作祟。其实,这是非常不合理的,譬如,倘若没有数以百万计的打工仔打工妹的努力,某伟人在南海边画的那个圈圈,和涂鸦也木有分别。
在土星5号的基础性技术之中,有三件东西是值得一提的,因为它们的重要性、独创性和变态性都是世所罕见:
重要性体现在,没有它们,土星5号就飞不起来;独创性体现在,这些技术到今天也是世间罕有,至于变态,那是自然的。同时,这三件神器,可偏偏与某个德国人没有什么关系。

神器之一:F-1火箭发动机
F-1火箭发动机是土星5号的第一级发动机,是阿波罗计划的基石,世界上最大最重的火箭,就是由5台这样的发动机抬上天空去的。它的特点第一是大,它是迄今为止推力最大的单燃烧室单喷管发动机(俄国的RD-170推力稍微大一些,但有四个燃烧室、四个喷管,共用一个涡轮泵、两个燃气发生器)第二是高可靠性,上天的65台发动机,全部工作正常,圆满完成使命(第二级的J-2发动机,可不止一次发生严重故障),可以说,土星5号与阿波罗飞船的第一功臣,就是这可靠的巨人---F-1火箭发动机。
F-1的简历:
19591月,NASA与洛克达因公司签订研制合同;1962526日,F-1全功率试车成功;
1967119日,F-1随着阿波罗4号飞船首次升空;

1969716日,F-1将首次登月的阿波罗11号送上太空;1973514日,土星5号最后一次发射,将天空试验室发射上天。这种发动机总共生产了98F-1的详细数据:
燃烧形式:燃气发生器开式循环,液-液燃烧推进剂:煤油-液氧推力:海平面690.988真空793.683
比冲:海平面255.4秒(70台发动机平均值)真空304.1直径:3.645长度:5.598总重:8451.66公斤
工作时推进剂流量:煤油:838.2公斤/,液氧1784.7公斤/涡轮泵功率:46225千瓦设计启动次数:20设计寿命:2250F-1火箭高可靠性的原因
注意,这里没有什么让人津津乐道的内幕、神话,都是实打实的科学技术。(其实,土5号的成功率,也不令人惊奇,更高的也不是没有,比如俄国“联盟”号的1750次发射,失败在个位数,美国三叉戟2潜射洲际导弹自1990年以来,连续110次发射成功,这些事实很少有人知道罢了。
第一,就是简单、可靠的技术形式,稳妥第一,不惜降低比冲,也就是降低效率,效率低了体积补。在火箭发动机的三种循环中,燃器发生器循环效率最低,分级燃烧循环居中,膨胀循环最高,但技术复杂性的排名,则是倒过来的,同样,风险的排名也是倒过来的。F-1就采用了燃气发生器开式循环,液-液直接燃烧,燃烧效率只有94.3%(其他循环形式能达97%以上)燃烧室压力只有7.8MPA相比较采用分级燃烧循环的RD-170则高达24.5MPA海平面比冲只有255秒,RD-170则高达303秒(有趣的是,尽管RD170效率高的多,但四个燃烧室和喷管增大的重量,推重比反而提高有限,f-176RD17078
第二,巨大的设计余量与丰富、全面、高强度的测试
虽然F-1是一次性使用的,但设计时仍然按照反复启动20次的要求,设计寿命2250秒更是远远超过了实际工作时间。实际上,在实际测试中,用来试验的发动机的启动次数和工作时间都远远超过了设计:例如
107-1号,启动38次,工作5011038号,启动38次,工作5042035号,启动54次,工作5924

单台测试在加州爱德华基地进行,总计2771次,239124秒;恢宏无比的5台并联测试在阿拉巴马州亨茨维尔进行,总计34次,16043秒。按照前面列出的推进剂流量,仅单台测试就用去煤油200434吨,液氧426765(不可能全程满功率,实际数量要少,但也够惊人)。可以说,这种高可靠性就是试验试出来的,拿钱砸出来的。
相比较而言,更大的俄国RD-170在测试方面就差的多,设计启动次数只有10次,是F-1的一半,从70年代开始研制,到19935月,只试车911次,10多万秒。(能源火箭1974年到1987年,研制费用达到140亿卢布,苏联的卢布可是比美元贵的。火星的费用60年代的96亿美元,能源是780年代的200亿美元。96也好,200也好,测试10秒也好,23万秒也好,对我国航天都是不可想象的)
F-1测试猛图F-1的小故事:
1F-1在地面试车时,为了检验发动机在干扰下自动维持推力能力,曾经在喷管中人为制造爆炸,结果发动机毫发无损,工作正常;
2F-1的喷管可以做6度的摆动,此时作动器将产生56750公斤的侧向推力,刚好和目前推力最大的航空发动机GE90-115B相当。
3F-1的推力是可调的,567.5吨到835.4吨,变推力试验进行了194次,累计24000秒,其中最大推力进行了16次试验,累计1700秒,此时,RD-170就不是其对手,F-1成为世界第一的发动机。
4、在90年代初期,美国人曾经认真考虑过重启F-1与土星5,用来进行月球与太空登月的计划。恢复老的发动机生产不是不可能,洛克达因公司曾经在1987年重新生产70年代初就停产的RS-27发动机。
5、洛克达因公司的F-1发动机资料都保存的很好,90年代初它曾宣称,只要1.5亿美元,就可以重开F-1的生产。


神器之二,爬行者运输车
土星5号是个旷世未有的超级大家伙,与之配套使用的移动勤务塔高达136米,也是个庞然大物,但是,从垂直组装大楼到著名的39号发射工位,有5.5公里的距离,要运输这两个大家伙,第二件神器就要粉末登场了,这就是爬行者运输车。
爬行者运输车是迄今为止最大、最重的陆地运输机械,由著名的巨型矿山机械制造商---俄亥俄州马里恩公司制造,简历如下:
19633月,NASA与马里恩公司签订爬行者运输车合同1965123日,爬行者运输车首次试车
1965622日,爬行者运输车首次运输荷载—移动勤务塔1966525日,首次运载完整土星5号和阿波罗飞船19757月,最后一次运送阿波罗飞船,然后休息了4197951日,首次运送航天飞机---企业号
19801229日,首次运送上天的航天飞机---哥伦比亚号
2006年,两台爬行者运输车服役了40年,共爬行5630多公里,将土星5号和110多架次航天飞机送上发射台,它还将继续服役下去
运送土星5号和勤务塔
运送航天飞机与活动平台

基本数据:
41.2米、宽34.7
高度6.1-7.9米(随千斤顶伸缩)自重:2495
速度:空载3.2公里/小时,负载1.6公里/小时乘员:18

最大总重:运送土星58200吨,运送航天飞机约7950吨(航天飞机+活动平台)行走部分为4组共8条履带,每条履带宽长接地12.6米,2.3米,2台电动机驱动;每组履带由11000千瓦发电机提供电力,另有2750千瓦交流发电机为液压系统提供动力。
总造价:1369万美元几个小故事
1、这两个大家伙只能走5.5公里专用道路,是世界上路面结构最厚的路,厚达22、它们巨大的履带中沾满泥土,竟然长出不少杂草和灌木来340年来,除了一些小修小补外,没有大的毛病4、爬行者在2003年加装了一套消音设施,用于降低噪声
5、制造商马里恩公司在60年代曾经制造过重10000吨以上的超级挖掘机,所以这两个大家伙不代表它的最高水平。
神器之三,VAB
为了垂直组装120米高的土星5号,NASA1966年建成了这个庞然大物:VAB,垂直组装大楼长182米,132米,134米,大门也有130米以上,土星5可以竖着进来,竖着出去剖面图
土星5出门




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