【文/科工力气 柳叶刀】
暗斗期间，谁能榜首个登上月球是美苏两国彼此比拼的要点之一。承载着苏联人载人登月愿望的N-1火箭，其榜首级设备的30台NK-15发起机让人“拍案叫绝”，可是糟糕的牢靠性问题使得火箭发射屡次失利，因而未能完结苏联人的登月愿望。现在，这一重担就落到了美国人身上。
1957年，苏联现已发射了榜首颗卫星（“斯普特尼克”1号），后来又将榜首名宇航员尤里﹒加加林（Yuri Gagarin）在1961年送上了太空，美国显着落后了。作为第2次国际大战的遗产，政治和经济上的深入不合让两个超级大国发生了竞赛，引发了暗斗。虽然两边没有发生正面抵触，两国仍是不断寻求优势以便震慑对方。通过开展宇航技能，两边不只展现了自己多么先进，还暗示了他们能够在国际任何地方投进核弹的才能。
加加林登上太空深深影响了美国人，为了赶上苏联，美国总统肯尼迪提出了应战，“让人类登上月球，再安全地回来地球”。所以，“阿波罗”方案诞生了。该方案从1961年运转到1972年，在鼎盛时期，它共雇佣了40万人，前后花费了240亿美元，相当于今日的1100亿美元。
1962年9月，美国总统肯尼迪在莱斯大学宣布了闻名的“咱们挑选登月”讲演
“阿波罗”方案是美国国家航空航天局（NASA）运转的第三个载人航天工程。最早的工程“水星”方案起始于1958年，完毕于1963年。它的方针是送一台载人航天器进入地心轨迹，完结四次飞翔。NASA证明了他们能够将人送入太空后，就开端了“双子星座”方案，这一方案在1961年到1966年与“阿波罗”方案并行。“双子星座”方案的方针是测验“阿波罗”方案中必要的太空游览技能，研发和证明两架航天器在太空中对接技能，这对月球着陆至关重要。（参阅[英]扎克﹒斯科特：《阿波罗 一部看得见的航天史》）
洛克达因尽力不白搭 单室最强发起机为NASA规划
要想把航天员和设备送上月球，就需求一枚巨大的火箭，发生满足的推力脱节地球的引力操控。为此，由冯﹒布劳恩带领的团队专门规划了“土星五号”火箭来完结“阿波罗”方案。它是一台三级火箭，三个部分能够逐个焚烧，每个部分运用后都能够别离。
发射架上的“土星五号”运载火箭全体结构，包含了发射逃逸体系、指挥/服务舱、登月车与月球车、设备模块、“土星五号”火箭箭体（三级火箭）
矗立在发射架上的“土星五号”火箭高度到达111米，比自在女神像还高18米。在装入悉数推进剂后，火箭总分量到达2810吨。为了能将如此巨型的火箭送入太空，就必须装备牢靠性高，推力大的火箭发起机。NASA正确的挑选了洛克达因公司研发的F-1火箭发起机，作为“土星五号”的一级动力。
其实，F-1火箭发起机开端并非专门为载人登月规划的。1955年，洛克达因公司接到研发重型火箭发起机的任务，那时的美军需求一款推力强壮的火发起机，为往后的重型洲际弹道导弹进行技能储备。
洛克达因公司很快就推出了E-1火箭发起机，可是关于这款牢靠性高、推力功能一般的发起机，美国空军不太满足，要求洛克达因公司持续研发推力更强的液体火箭发起机。关于军方的要求，公司内部的工程师也很无法，只能遵照指示，持续研发更大推力的火箭发起机，推力高达680吨的F-1火箭发起机的原型因而诞生。
让洛克达因公司研发人员“无语”的是，由于F-1火箭发起机推力太大，而美国空军的洲际弹道导弹的起飞只要105吨，由于忧虑推力如此巨大的发起机或许存在牢靠性问题，所以美国空军没有将F-1发起机作为选项。可是没过多久，刚成立的美国国家航空航天局（NASA）找到了洛克达因，由于他们需求这款大推力发起机。
大功率泵压循环 单室最强推力F-1火箭发起机
F-1火箭发起机是人类有史以来制作的推力最大的单焚烧室火箭发起机，也是仅次于前苏联RD-170的国际第二大推力的液体火箭发起机，但由于苏联人没有战胜大单室安稳焚烧问题，所以RD-170发起机有四个焚烧室。
F-1火箭发起机
洛克达因公司研发的这款发起机运用液氧/火油作为推进剂，这儿的火油是一种高度提纯的火油，和航空火油很挨近，它比氢气更不易爆破，并且能供给每单位更多的推力。
F-1火箭发起机由七个作业体系组成，别离是：推进剂供给体系（压送推进剂进入焚烧室及向发起机操控办理体系和常平座作动器（用于调整发起机喷发方向）供给燃料（液压）压力）、焚烧体系（使焚烧室和燃气发生器中推进剂开端焚烧）、燃气发生器体系（发生驱动涡轮泵能量及操控推进剂贮箱的增压）、发起机操控办理体系（确保发起机发起和关机）、飞翔测验体系（丈量选定的发起机参数、以便监控和核算发起机的作业特性）、环境操控办理体系（维护发起机在飞翔期间免受由火焰辐射和回流发生的极高温影响）、清洗和排泄体系（避免污染、便于将用完的流体排出火箭外）。
F-1火箭发起机直立高度约5.64米，喷口直径约3.71米，每秒中能够焚烧1790kg液氧和788kg火油
与此前介绍的双氧水分化发生涡轮驱动力原理类似，F-1选用燃气发生器涡轮动力循环方法，将低混合比的推进剂导入燃气发生器进行富燃焚烧（即氧气少，燃料多），发生1500华氏度的气体驱动涡轮泵，将推进剂从贮箱里边泵出。这儿的涡轮泵是单轴结构，速度分级的燃料泵与氧化剂泵别离坐落涡轮的两边。
F-1火箭发起机涡轮泵的切面图，单轴结构
推进剂被泵出后，除了少部分导入燃气发生器，其余部分悉数注入焚烧室，可是与液氧直接送入焚烧室不同，火油燃料需求先通过火箭发起机喷管外表，冷却喷管并预热火油，之后再被注入焚烧室。
开式泵压循环，燃气发生器（预燃室）里边的燃气终究排入尾焰，没有前苏联RD-170的全流量分级焚烧循环先进，但F-1的这种规划结构相对比较简略，更为牢靠
环抱喷管外周的是涡轮排气管，其上部分为推力室，是由178根管子焊接而成，小管子里边流过低温火油既冷却了推力室，又预热了推进剂。排气管下部，是喷管延伸段，涡轮排气流经延伸段，起到冷却效果，终究在尾焰中燃尽
另一方面，流经涡轮后的废气被排出之前，需求再给换热器供给余热。这儿的换热器由液氧和氦气螺旋管组成，设备在涡轮排气管的壳体内，来自涡轮的热气加热液氧螺旋管和氦气螺旋管里边的液氧与氦气，别离给液氧贮箱和燃料贮箱增压（增压的意图，笔者在之前的文章中已解说）。给换热器加热之后，涡轮管内的排气任务还有最终一项要完结，那便是冷却火箭发起机喷管的延伸段。最终，悉数进入尾焰中焚烧。
赤色方框内是换热器的方位，其间液氧螺旋管内的液氧流量为3~5磅/秒，氦气螺旋管内的氦流量为0.4~1.0磅/秒
关于发起机推力向量操控，推力向量改变由整台发起机摇摆获取。常平座轴承坐落推力室顶部，作动器连接点由推力室上两外伸支架供给。作动器并非发起机部件，发起机绕常平座承轴在每一个作动面方向上最大可正负位移6度。
F-1发起机规划寿数发起20次，总作业时间2250秒。研发中，发起机总作业时间超过了5000秒，但液氧泵叶轮和涡轮泵调集管是在3500秒时替换的。很显然，F-1发起机大大超过了规划规范。
F-1火箭发起机实验寿数记载
以毒攻毒 焚烧不安稳问题奇妙处理
F-1发起机的研发之路并非是一往无前，如此巨大的单焚烧室液体火箭发起机，处理其焚烧不安稳现象是重要问题。所谓焚烧不安稳，简略来说便是推进剂在焚烧室内没有充沛混合焚烧，形成一边冷一边热的难题。
其时的核算机仿真技能还处于萌发阶段，不或许在电脑中模仿发起机内部流场的状况。但美国工程师想到一个“以毒攻毒”的方法，在焚烧的F-1发起机内放置炸药，诱发不安稳焚烧状况，借此调查火焰的改变规则。在3年的时间内，通过2000屡次实验，测验了14种喷注器方案，终将难题处理。
从头规划后的喷注盘避免了焚烧不安稳现象，上图喷注器平面的最靠近中心的那一圈有18个钻孔，用来喷发火油。再往外一圈18个钻孔，用来喷发液氧。以这样的间隔摆放，由中心向外围扩展，使得火油与液氧替换喷发，均匀混合，安稳焚烧
“土星五号”三级结构 托举飞船登陆月球
在“土星五号”的榜首级底部，装备着5台巨型的F-1火箭发起机，单台海平面推力约680吨，在5台并联的状况下，能够将起飞分量3000多吨的“土星五号”推离地球。火箭在焚烧后数秒钟开端起飞，5台F-1火箭发起机让火箭从发射台上飞翔到间隔地球68千米处，速度高达9800km/h。当一切燃料用完后，发起机熄火，爆破设备发起，让榜首级和级间环断开。榜首级会在发射点至少500千米外落入大海。
第二级火箭依托5台J-2发起机，以液氧/液氢为推进剂，将飞船加快使其进入大气层上层，将火箭及载荷运送到175千米高空，速度到达24600km/h，挨近轨迹速度。它会焚烧6分钟，之后与第三级别离，落入地球，和发射点至少相距4000千米。
第三级由一台J-2发起机组成，会被焚烧两次。榜首次是在第二级别离后，焚烧2.75分钟，将飞船送入地球轨迹，速度到达28000km/h。尔后三级火箭不会马上与飞船别离，发起机第2次焚烧，速度到达39000km/h，飞向月球。当第三级火箭燃尽时，它或许进入太阳轨迹，也或许坠落到月球。
J-2火箭发起机高度约3.38米，喷口直径约2.07米，每秒焚烧204kg液氧和37kg液氢
榜首级火箭的燃料贮箱在氧化剂贮箱下方，第二级与第三级火箭的燃料贮箱在氧化剂贮箱上方。留意：五台F-1与J-2火箭发起机的并联摆放方法
完毕语
1966年至1973年，共有13枚“土星五号”运载火箭升空，不只支撑了“阿波罗”方案，也将“天空实验室”送入太空。而作为中心动力的F-1火箭发起机曾出产交付了98台，有65台参加过13次飞翔，其牢靠性达100%。其时就有美国专家诙谐地称道，5台F-1发起机发生的功率是惊人的，“土星五号”榜首级功率远远大于往复于芝加哥与纽约的列车发生的功率，其输出的能量等于85个胡佛大坝。
