F-1火箭发动机

美国洛克达因公司设计制造的液氧煤油发动机

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。

研制历史

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。

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。”

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。

F-1在随后七年的测试中，其燃烧不稳定性逐渐暴露出来，并可能导致灾难性事故。攻克这个技术难题的工作最初进展十分缓慢，因为这种故障的发生是不可预知的。最终，工程师们想出了解决办法，他们将少量的爆轰炸药放在燃烧室中，并在发动机运转时引爆炸药，以此测试燃烧室在压力变化时将作何反应。设计师随后测试了几种不同的燃料喷射器，并得到了最佳匹配方案。这个问题从1959年一直拖到1961年才算告一段落。

发动机结构

F-1发动机由7个工作系统组成。各分系统介绍如下:

1.推进剂供应系统，压送推进剂进入燃烧室及向发动机控制系统和常平座作动器供给燃料(液压)压力，

2.点火系统，使燃烧室和燃气发生器开始燃烧，

3.燃气发生器系统，产生驱动涡轮泵能量及控制推进剂贮箱的增压，

4.发动机控制系统，保证发动机起动和关机，

5.飞行测试系统，测量选定的发动机参数，以便监控和计算发动机的工作特性，

6.环境控制系统，保护发动机在飞行期间免受由火焰辐射和回流产生的极高温影响，

7.清洗和排泄系统，防止污染，便于将用完流体排出箭外。

工作特性

F-1以燃气发生器循环为基础。即在炉外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室。发动机的核心组件是推力室，燃料和氧化剂混合并燃烧产生推力。发动机顶部是一个半球形小室，即做输送液氧的歧管，也做万向轴承的支撑架，连接发动机和火箭箭体。小室之下是喷射器，用来混合燃料和氧化剂。一部分燃料从另一个歧管进入喷射器，另一部分燃料通过178根管道直接通入推力室，盘旋的管道形成了推力室的上半部分，还可以起到给推力室降温的作用。

燃料和液氧由不同的泵泵入，但泵由同一个涡轮驱动。涡轮转速为5500 RPM，产生55000制动马力(41 MW)。在此功率下，工作泵每分钟可以泵入15471 加仑(58,564 升)煤油和24811加仑(93,920升)液氧。涡轮泵被设计得可以应付严酷的温度环境：煤气的温度高达1500 °F (816 °C)，而液氧的温度低至-300 °F (-184 °C)。一些燃料煤油被充作涡轮的润滑剂和冷却剂。

推力室下方是喷嘴的延伸，大致延伸到发动机的一半长度位置。延伸部分将发动机的膨胀比从10:1提高到16:1。涡轮机排除的低温气体通过锥形歧管进入延伸部分，保护喷嘴在高温(5800 °F, 3,200 °C)下不受损坏。

F-1每秒消耗3945磅(1789 kg)液氧，1738磅(788 kg)煤油，产生150万磅力(6.7 MN)的推力。在两分半钟的运转中，土星五号凭借F-1上升42英里(68 km)高度，达到6164英里每小时(9920 km/h)的速度。土星五号每秒的推进剂流量时12710升，可以在8.9秒内清空一个容量11万升的游泳池。每台F-1发动机的推力都比航天飞机上三台发动机总和还多。

改进

F-1在阿波罗8号(SA-503)和阿波罗17号(SA-512)任务期间得到改进。因为随着任务的进展，土星五号的负荷也逐渐增大。每次任务对发动机的性能要求都略有差异，用于阿波罗15号的F-1发动机性能为：

每台平均海平面推力：1,553,200 磅力 (6.909 MN)

燃烧时间: 159 s

比冲: 264.72 s

混合比: 2.2674

S-IC级总海平面推力：7,766,000 磅力 (34.55 MN)

发动机推力实测值与标称值有差异，阿波罗15号所用的发动机其起飞推力为7,823,000磅力(34.8 MN)，而F-1的平均值是1,565,000磅力(6.962 MN)。

发展

60年代，洛克达因在对F-1的持续研究之后，开发出了新款的F-1A发动机，虽然二者外观相似，但F-1A比F-1更轻，且推力更大（达到9.1 MN）。可以满足后阿波罗时期的土星五号需求，然而随着土星五号生产线的停产，F-1A从未使用过。

当时有提议在新星火箭的第一级使用八个F-1，从70年代至今，还不断有各种关于如果使用F-1来开发新型火箭的意见，但都未能成行。

F-1一直保持着最大推力液体发动机的地位，直到苏联的RD-170出现。