F-1:史上最强的单燃烧室液体火箭发动机
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
在大家的鼓励下，小火箭决定把土星5号上的F-1火箭发动机的发展历程和部分技术细节写一下。毕竟这款托举起了土星5号火箭和人类登月梦想的发动机至今仍然是世界上推力最大的单燃烧室火箭发动机，而且有关复活F-1火箭发动机的呼声从上世纪70年代末开始到现在，是始终存在的。
冯·布劳恩博士与土星5号火箭的合影，摄于1969年的阿拉巴马的亨兹维尔。5台F-1火箭发动机以其3.76米的直径与霸气的冯·布劳恩博士相映成趣。
F-1火箭发动机是美国洛克达因公司设计制造的一款液氧煤油发动机。F-1火箭发动机是有史以来人类制造的推力最大的单燃烧室液体火箭发动机，也是推力仅次于俄罗斯RD-170的世界第二大推力的液体火箭发动机。（RD-170发动机有4个燃烧室，一台涡轮泵和2个预燃室。）
关于F-1火箭发动机的诞生
F-1火箭发动机的设计海平面推力为150万磅力（约680.39吨）。这样大的推力能够在5台并联的时候，将起飞重量3000多吨的土星5号火箭在150秒的时间内推到6万4千米的高度，同时达到9920千米每小时（2.76千米每秒）的速度。（有关土星5号这枚有史以来最大的火箭，详见小火箭的微信公众号文章《土星5号：最高最重推力最大的火箭》）。
看起来，F-1火箭发动机像是为土星5号量身打造的，其巨大的推力能够让人类登月的梦想变为现实。但是，F-1火箭发动机的设计蓝图的出现实际上要早于阿波罗计划的全面实施。
早在1955年，洛克达因公司就接到了研制重型火箭发动机的任务。不过，那时候是美国空军提出的概念。空军需要研发一款推力强大的火箭发动机，为了今后可能会研发的重型洲际弹道导弹进行技术储备。图为正在发射的由泰坦II型洲际弹道改造而来的一枚运载火箭。
洛克达因公司很快就推出了一款名为E-1的火箭发动机。然而，美国空军对这款虽然可靠性极佳但是推力性能平平的发动机不是很满意。他们认为今后的洲际弹道需要更大的发动机，要求洛克达因公司继续摸索液体火箭发动机的推力极限。因此，静态点火试验验收通过的E-1发动机被搁置了起来。
洛克达因公司的工程师们原本对E-1抱有很大希望，但是面对美国空军的要求，他们能做的不多，只有忍住想要抱怨的东西，开始研制更大推力的火箭发动机。于是，F-1火箭发动机的雏形诞生了！
洛克达因F-1火箭发动机，喷口直径3.76米，比上面那枚泰坦II的直径还要大，单个喷管可以做成美国空军所谓的重型洲际弹道弹道的裙子，还会显得有些宽松（泰坦II的直径为3.05米）。这回美国空军算是傻眼了：他们实在是想象不到今后的导弹会需要这么大个儿的发动机。
美国军方还是用了比较保守的发动机方案。毕竟，他们的洲际弹道导弹的最大起飞重量只有105.142吨，单台推力680.39吨的发动机对军方来说有些太大了。于是，F-1火箭发动机项目也被搁置了。
不过，洛克达因公司没有消沉多久。1958年7月29日，美国宇航局（NASA）成立了。他们需要这样的发动机！虽然当时NASA没有跟洛克达因提太多要求，但是，洛克达因的工程师们隐约感到了自己的使命感，这个可以从后来的洛克达因一些工程师们提到这段往事的文字中看出来：
“NASA的人找到了我们，说是很中意我们的发动机。我在想，天哪，美国空军抛弃了我们两次，这次又轮到新成立的NASA了吧。不过，他们的人看起来很真诚，而且放佛不太关心地球上的事情，对洲际导弹的项目也不感兴趣。我们觉得他们应该是要把我们的发动机用在地球之外的事情上。这让我们感到很兴奋。”
NASA马歇尔航天中心正在全力打造人类历史上最大的火箭发动机试车台。从这个试车台的尺寸上，我们能够明显地感受到NASA对大推力火箭发动机的渴望。
F-1发动机的整机静态点火试验在1959年3月获得了成功。后来，该发动机被迅速运到了NASA的马歇尔航天中心，进行进一步地测试。680.3吨的推力，让马歇尔航天中心周围几十公里的人们都体会到了地动山摇的感受。
当时NASA的马歇尔航天中心给出了这样的数据：F-1火箭发动机的瞬时功率为当时的胡佛水坝装机容量的17倍！这让这座曾经关押过威震天的水坝汗颜了吧。
1961年11月，F-1火箭发动机在马歇尔航天中心进行了定型试验。6万马力的功率带着巨大的火焰和震耳欲聋的啸叫喷薄而出！这让洛克达因的技术人员又惊喜又害怕，喜的是，他们设计的F-1发动机能够有如此强悍的力量，怕的是NASA会认为F-1的推力太强，而像美国空军那样最终抛弃F-1发动机。
然而，洛克达因的工程师们很快就放心了。因为他们发现，NASA的技术人员们比他们还要兴奋。
NASA爱上这款发动机了！1964年3月30日，NASA发布采购计划，当时决定购买76台F-1发动机。（实际上，到了1966年3月24日，NASA又再次签署了新的合同，追加购买了33台F-1火箭发动机。不过，随着后来阿波罗计划的终结，最终还是实际买了98台，这是后话了。）
这款在当时，在人类技术史上出现的推力最大的液体燃料火箭发动机（当时苏联的RD-170还没出现），注定要远离冷战期间的核威慑游戏，，在NASA和洛克达因的工程师的努力下，成长为一款为人类登月计划量身打造的发动机，走向了帮助人类迈向太空文明的道路。图为当年的F-1火箭发动机试车台在现在的样子，功成名就之后，剩下的，只有淡然。
关于F-1火箭发动机的燃烧不稳定
然而，就像其他几乎所有的划时代的产品一样，F-1火箭发动机的发展也并不是一帆风顺的。在人类想要突破火箭发动机的推力极限的时候，大自然和物理定律设计了一系列陷阱，让工程师们由兴奋逐渐转入了冷静而坚定的思考。
F-1火箭发动机在上世纪50年代末和60年代初的那些年的试验中，逐渐暴露出了燃烧不稳定的问题。甚至在一些试验中，无法控制的燃烧径向流烧蚀了F-1火箭发动机内部的喷注面，出现了火箭发动机的火焰在内部将自己烧毁的情况。
在1960年的一次点火试验中，F-1发动机发出了一声响亮的悲鸣，震得一些试验人员赶紧捂住耳朵。而经验丰富的操作员立刻切断了燃料供应，避免了一场大悲剧的出现。他听懂了F-1火箭发动机在爆炸之前向人类发出的警告声。
F-1火箭发动机为什么会烧毁自己呢？工程师们百思不得其解，当时计算机数值仿真技术还处在萌芽阶段，几乎不可能让人们在电脑中模拟发动机内流场的状态。怎么办？
工程师们发明了摸索的方法：在燃烧的F-1发动机中释放炸药，诱发燃烧不稳定的出现，并在实际点火过程中观察火焰的变化规律。
经过历时3年，总计2000多次的试验之后，工程师们测试了14种不同的喷注器方案和15种隔板结构的组合之后，终于解决了燃烧不稳定问题。
如今，这些经验已经写入火箭发动机设计的教材中，为后来的设计师们提供了宝贵的参考。
以下三张图是小火箭从火箭发动机设计教材中截取的。其中，Fuel指火箭的燃料，对于F-1来说，是煤油。Oxidizer为氧化剂，对于F-1来说，是液态氧。
干柴遇烈火方能燃起火焰。燃料与氧化剂虽然都蕴含着巨大的能量，但是只有在燃烧室中充分混合后才能够把能量迸发出来。这里，燃料和氧化剂分别通过管路输送到喷注器，然后，每一路管路都有两个小孔，喷出的燃料和氧化剂雾化后，在燃烧室里相遇。
这两种设计，让燃料和氧化剂从小孔中一喷出来就会遇到。
这是洛克达因公司设计的F-1火箭发动机的喷注盘剖视图。注意里面的细小管路设计。
从喷管往里看去，我们能够看到F-1火箭发动机喷注器的样子（喷管往里，最内侧的深色圆盘）。
这块板子上面的密密麻麻的小孔就用来向火箭发动机燃烧室中喷注煤油和液态氧的。
但是，F-1火箭发动机的燃烧不稳定性正是来自于这样的早期设计。原来的F-1火箭发动机的燃料和氧化剂的喷注孔的直径是相同的，这样，燃料和氧化剂会在同一个平面上相遇，从而形成振荡。（尤其是在440Hz 450Hz 和540Hz 频率）。于是，当测试人员听到啸叫之后，燃烧不稳定就会出现了。
关于这个啸叫听起来是怎样的，应该可以从频率上分析出来。小火箭查到拥有占后口面积30%的音窗的二胡，其空气柱基频降低小二度音程的实际频率在500Hz附近，与F-1火箭燃烧不稳定发生时的振荡频率比较接近。
2000多次试验之后，工程师们是怎样解决燃烧不稳定问题的呢？
答案是：重新设计喷注孔的直径和排列方式。上图为重新设计后的防止燃烧不稳定出现的喷注盘。
小火箭可以在这里多说几句。如果你把这个喷注器看做是一个靶标的话，不看靶心部分，最靠近靶心部分的有孔的那一圈，钻了18个孔，用来喷射煤油。往外一圈，可以看到两两一组，共9组的18个孔，用来喷射液态氧。再往外，能看到两两一组，共9组的18个孔，用来喷射煤油。以此类推，喷注盘的每一圈孔都是煤油喷射孔和液氧喷射孔交替排布的。
小孔的直径比例经过2000多次试验后，有了明确的规格：最内圈的若定义为标准1的话，往外一圈为1.627，再往外一圈为2.217，再往外一圈为2.739。
内圈连通的环形小孔再往外，是分成4大区的喷注孔。依然是氧化剂圈与燃料圈交错排布。不过，不同的是，最内圈为液氧喷注圈，有24个孔。往外一圈为煤油喷注圈，有40个孔。然后是48、56、64等数量。
最外部分是分为8大区的喷注孔，规律与4大区相似，不再赘述。
关于F-1火箭发动机的总体设计
从肯尼迪航天中心陈列的这颗F-1火箭发动机的照片中，我们能大致看到F-1火箭发动机的概貌。F-1以燃气发生器循环为基础。在预燃烧室里燃烧一小部分燃料，以燃气驱动涡轮泵将燃料和氧化剂泵入主燃烧室。
图中那个在喷口外面环绕的“大尾巴”就是燃气发生器的废气排放管。
换个角度看，能够发现燃气发生器管分出了两个歧管。
另外，看发动机顶部，有两组涂上不同颜色的管路。从上面不同颜色的管路可以看出，燃料（煤油）和液氧通过不同的泵来泵入。
不过，在这里小火箭要强调的是，煤油泵和液氧泵实际上是由同一个涡轮驱动的。这个涡轮（位于“大尾巴”的根部里面）的转速为5500转每分钟。这是有史以来人类建造的功率最大的火箭涡轮泵（5.5万马力，41兆瓦！）
绿色的为液氧主管线，红色的为煤油主管线。这两套管线压力山大，在5.5万马力的涡轮泵的驱动下，液氧管线每分钟要流过93920升的液氧，煤油管线则会流过58564升的煤油。
小火箭大概算了一下，这个涡轮泵如果用来泵水的话，用1秒钟就能够灌满将近135个饮水机用的标准18.9升纯净水水桶。
F-1火箭发动机的大尾巴卷着的就是喷管了。喷管直径3.76米。从这张照片中，我们能够看到大喷管实际上是由密密麻麻的小管子组成的。
这是F-1喷管的外面
整个大喷管是由178根管子焊接而成的。小管子里面流过的低温推进剂既保护了喷管，使其免受烈火炙烤之苦，同时又充分预热了推进剂自身。
说起F-1火箭发动机喷管的焊接，可谓是十分不易。洛克达因经过数年攻关，终于在1961年琢磨出了钎焊法。他们建造了世界上最大的燃气钎焊炉子，把小管子们并排焊接成了具有内型面的大喷管。（首个钎焊F-1火箭发动机喷管于1961年8月17日出厂。）
另外，小火箭在这里要说一下喷管材料。这是镍基合金，具体标号是Inconel X-750。上图为750的晶相。
Inconel X-750有良好的高温性能和力学性能。这个系列的合金还用到了X-15验证机、SpaceX的火箭（有关SpaceX火箭，详见小火箭的微信公众号文章《猎鹰9号：SpaceX公司的成名之作》）、F1方程式赛车、特斯拉的Model S等产品上面。
差点儿忘了说F-1火箭发动机的另一个有趣的设计了。大尾巴的尾巴根处，有一段呈波纹状的管子外壁。嗯，这个就叫做波纹管。这里面是F-1火箭发动机的换热器。这个直径1.0922米，长1.4732米的部件有重要的作用。
这个换热器里面有两套螺旋管，其中一套通液氧，另一套通氦气。大尾巴里面灼热的涡轮燃气加热液氧螺旋管，使其压力增加，而这个压力被通到上方巨大的液氧贮箱中，成为了增大液氧贮箱压力的气源。加压之后的氦气则被通到上方的煤油贮箱中。
因此，别看这么大的火箭，贮箱又这么薄（第一级的储箱最厚的地方也只有6.35毫米，薄的地方只有4.8毫米厚。从下到上，分为8段，逐段减薄。）但是，在工作状态下，贮箱是很结实的，有紧绷绷的感觉。这个就像我们触碰尚未打开的大瓶可乐的感觉。瓶子摸起来很结实，而敞开瓶盖，让里面的气体散失之后，瓶子就软了。
F-1火箭发动机每秒消耗1789千克液氧和788千克煤油，因此试车台要准备硕大的储罐。
1965年3月1日，马歇尔飞行测试中心的工程师们正在准备将一台F-1火箭发动机连接到土星5号第一级火箭的箭体上，进行静力测试。每台F-1火箭发动机的净重为8.353吨。
洛克达因公司专门设计的用于安装F-1火箭发动机的液压推举设备。
关于F-1火箭发动机的煤油
F-1火箭发动机的另一个很有趣的创意是煤油不仅仅是燃料，还是发动机液压伺服机构的工作液体。嗯，没错，F-1火箭发动机没有依赖外界提供的液压油，自己靠自己的燃料就能够驱动本身的所有作动机构。
从涡轮泵那里接过来的煤油自身带着127千克每平方厘米的压力。F-1火箭发动机的设计师巧妙地利用了这个压力。不过，煤油有一定的腐蚀性，粘度小，而且润滑性能也不佳，当做液压作动器的工作液体来用是不方便的。然而，设计师们还是通过设计三级伺服阀解决了这一系列问题。
当然，虽然算弹道的工程师们非常欢迎这个设计（让F-1火箭发动机的重量大幅减小），但是做测试的工程师们不太接受。他们可不想整天在测试厂房里和大量的闪点只有43℃的煤油呆在一起。因此，在F-1火箭发动机进行测试的时候，他们用5606系列的航空液压油代替了煤油。
F-1火箭发动机的这个设计使其可靠性大幅提高（零件数量很少，实际上省去了整个5606液压系统。）
而有关煤油的另外的细节，小火箭准备在今后讲到苏联登月火箭使用的RD-170火箭发动机的时候再详述。
平躺着的F-1火箭发动机。从这个角度我们能够看到发动机的燃料注入口（长椭圆矩形内）。
2013年7月19日，NASA宣布在大西洋的海底，发现了一枚F-1火箭发动机的残骸。
因为每台F-1火箭发动机都有自己独特的出厂编号，所以这台编号为2044的发动机被立刻确认为属于阿波罗11号任务的那枚土星5号火箭。该火箭在1969年7月20日，让人类实现了登上月球的梦想。
关于F-1火箭发动机的重生
有关重新启用F-1火箭发动机用于深空探测的提议自从阿波罗17号完成任务之后，就一直没有断过。
F-1火箭发动机，拥有680.39吨的推力。洛克达因交付的98台发动机，在各种测试和载人登月、发射天空实验室等任务中，表现出色，全任务周期成功率为100%。
让这样一款发动机复活，重新应用在人类的大推力运载火箭上难道不是一件很好的事情么？其实，问题没有这么简单。虽然有关所谓的F-1火箭发动机图纸丢失的传言不知怎么地就让很多人相信了。但是实际上，F-1火箭发动机的大量设计细节至今保存完好。
在1971年到1972年，洛克达因公司专门组织人力物力，对F-1火箭发动机的各种细节进行重新研究和纪录，形成的卷宗保存到磁带中，录满了24盘大型磁带记录装置。另外，对加工工艺的全过程，他们按照不同的生产流程，拍摄成了多集的纪录片。关键的加工设备也进行了封存。他们把这些东西一直留到了1994年，直到当时为了生产德尔塔火箭发动机的厂房实在没地方放置F-1火箭发动机的生产设备的时候，才把一些大型设备移入库房。如果在1994年之前，让洛克达因恢复F-1发动机生产的话，其准备时间不会超过半年。
F-1火箭发动机的停用实际上和两个因素有关：一是那个纯粹的科学探索的时代已经远去，人们在做科学研究的时候难免会和经济效益联系在一起；另一个是F-1火箭发动机本身的工作方式的问题。
第一个因素就不详细说了。第二个因素，说到F-1火箭发动机的工作方式，小火箭之前提到了，是燃气发生器循环方式。这种方式使得火箭发动机的推进剂组合密度较低，在产生大推力的同时，几乎不可避免地需要一个非常大的发动机尺寸。如今，更好的大推力液体火箭发动机的工作方式实际上是补燃循环。按照迄今为止，火箭工程师们对发动机的了解，补燃循环的比冲比燃气发生器的比冲要高10%左右。虽然补燃循环发动机的研发难度要高一些，但是能够让运载火箭拥有更好的性能，全寿命周期的成本也会大幅下降。
今后，即使是有重返月球或者载人登火星这样的项目，也大多会选用液氢液氧发动机或者补燃循环的液氧煤油发动机。（当然，液氢液氧发动机在使用过程中还有一些技术难点需要突破，详见小火箭的微信公众号文章《液态氢，一匹桀骜不驯的野马》。）
今后，F-1火箭发动机的这样的设计将会继续留在博物馆中或静静地矗立在一块人迹罕至的空地上，为后人讲述那个曾经为了踏上月球的土地而努力奋斗的时代！
最后，附上上世纪60年代，NASA首次进行土星5号火箭第一级5台F-1火箭发动机同时点火测试的珍贵视频。一起感受3400吨推力的震撼吧！看一看相当于85座当时的胡佛水坝的瞬时功率释放起来是个怎样的场面！（5.1声道）
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