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土星5號運載火箭

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土星5號運載火箭(Saturn V),又譯神農五號,亦稱為月球火箭,是美國國家航空航天局(NASA)在阿波羅計劃和天空實驗室兩項太空計劃中使用的多級可拋式液體燃料火箭。截至2013年,土星5號仍是歷史上、土星火箭成員中最大的火箭,高達110.6米,更是目前(21世紀初)使用過的最高、最重、推力最強的運載火箭。

1 土星5號運載火箭 -簡介

土星5號運載火箭土星5號運載火箭

土星5號運載火箭(Saturn V),由馬歇爾航天飛行中心總指揮沃納·馮·布勞恩和阿瑟·魯道夫以及他們的德國火箭團隊擔任設計研發的工作,主要的承包商包括波音公司、北美人航空、道格拉斯飛行器公司以及IBM。

1967年至1973年期間NASA在佛羅里達州的肯尼迪航天中心共發射了13枚土星5號火箭,從來沒有過損失有效載荷的事故發生(雖然阿波羅6號和阿波羅13號曾出現過推進器失靈的問題,但箭載電腦都能夠通過延長剩餘推進器燃燒時間的辦法以保持飛行)。

除了一次例外,所有其他土星5號的發射都有三級:S-IC一級、S-II二級和S-IVB三級。每一級都使用液態氧(LOX)作為氧化劑。第一級使用高精鍊煤油(RP-1)作為燃料,其他兩級使用液態氫(LH2)作為燃料。一般來說,一次發射任務的前20分鐘左右由火箭推動。土星5號的主要載荷是載著宇航員成功登月的阿波羅航天器。最後一次土星5號的發射將天空實驗室的空間站送入太空。

2 土星5號運載火箭 -歷史

研製背景

在1946年9月美國總統杜魯門開展的迴紋針行動中,德國科學家沃納·馮·布勞恩在這次行動中被選為引入美國的大約700名科學家的一員。從那時起,土星5號運載火箭的設想就開始了。

1957年,蘇聯發射了斯普特尼克一號衛星,美國政府和軍方才開始正式的考慮將美國人送上太空的計劃。由於馮·布勞恩和他的團隊在這些年間已經研製並試驗了木星系列火箭,美國政府最終找到了他們。

木星C火箭在1958年1月成功的將美國的第一顆人造衛星送入太空。木星系列火箭是馮·布勞恩研製土星火箭的重要階段,後來他稱之為土星嬰兒期。

1961年4月12日,蘇聯宇航員尤里·加加林成為第一個進入太空的人類。1961年5月25日,肯尼迪總統宣布美國會在1970年之前將宇航員送上月球。當時,美國唯一的一次載人太空任務是艾倫·謝潑德的自由7號;僅在太空停留了15分鐘,且未進入近地軌道。當時世界上沒有火箭能夠一次運送可登月的航天器。土星1號火箭當時還在研製過程中,但由於其推力遠遠不夠,需要若干次發射才能將登月所需要的各個部件送入軌道。 

設計
土星5號運載火箭土星5號運載火箭

土星5號的設計起源於V-2火箭和木星系列火箭。由於木星系列火箭的成功,新一代的土星系列火箭開始出現。首先是土星1號和1B號,最終是土星5號。在設計過程中,馮·布勞恩的團隊決定拋棄V-2火箭中的單引擎的設計思路,轉而設計多級火箭。

1962年1月10日,NASA做出了最終計劃,決定按照馮·布勞恩的土星設計方案繼續研究,而這也為阿波羅計劃贏得了時間。這枚火箭仍然由三級組成,第一級包括五個F-1發動機,第二級包括5個J-2發動機,而第三級是另外一個J-2發動機。C-5火箭的運載能力更強,可以直接完成一次月球任務。它可以將41噸的載荷送上月球。

C-5火箭的測試在第一個模型完成前就開始進行了。火箭的第三極被用作C-IB火箭的第二級,而C-IB火箭將要測試C-5火箭的設計概念和可行性,同時也用來提供對C-5火箭的繼續研究非常重要的飛行數據。除了對每個重要部件進行測試以外,C-5火箭也進行了整體測試,也就是一次包含了所有三級的第一次測試飛行。通過一次測試所有部件,試驗飛行所需次數大大降低了。

1963年,NASA確認了選擇C-5火箭作為阿波羅計劃的運載火箭,同時給了這枚火箭一個新的名字──土星5號。

建造

這隻火箭的建造過程自頂向下分為三個部分:S-IC、S-II和S-IVB,每一部分都由馮·布勞恩在亨茨維爾設計,由其它合同商負責製造,如波音、北美航空、道格拉斯飛行器公司以及IBM。

選擇任務模式

在登月計劃的計劃階段初期,NASA曾考慮過三個主要的設想:地球軌道集合、直接起飛以及月球軌道集合(LOR)。由於當時人類連地球軌道集合都沒有執行過,更不用說難度更大的月球軌道集合,NASA起初沒有考慮這一方案。後來,由於月球軌道集合方案由於能夠縮短任務時間縮,而且相對其他兩種方法更為簡單,這一方案最終被採納。

3 土星5號運載火箭 -結構特點

土星5號的巨大體積和在和容量遠遠超過了之前曾經成功飛行過的火箭。將阿波羅宇宙飛船放置在其頂端后,其總高度達到111米,直徑達10米。加滿燃料以後,總重量達到3000噸,可以將118噸重的物體送到近地軌道。作為對比,土星5號的高度僅比倫敦聖保羅大教堂低一英尺。而美國第一次載人太空飛行所用的火箭僅比土星五號的第三級長3.4米,甚至還不如阿波羅指令艙的逃生系統火箭的力量大。

土星5號基本上是由在阿拉巴馬州的亨茨維爾的馬歇爾航天飛行中心設計完成的,而其中也有很多主要的系統,如推進系統等是由分包商設計。它使用了大推力的新型火箭發動機F1和J-2作為推進設備。在測試時,這些發動機震碎了周圍房屋的窗戶。設計者很早就決定在土星1號計劃中儘可能多的使用新技術。因此,土星5號的第三級S-IVB實際上就是基於土星1號的第二級S-IV。控制土星5號的儀器設備和土星1號的也有共同之處。

有一個流行的傳說認為土星5號的設計圖紙已經丟失了或者是故意的銷毀了。實際上設計圖紙仍然保存在馬歇爾航天飛行中心的縮微膠捲上。

分級
土星5號運載火箭土星五號結構

土星5號共包括三級:第一級S-IC,第二級S-II,和第三級S-IVB,以及設備單元。所有的三級發動機都使用液氧作為氧化劑。第一級使用RP-1煤油作為燃料,第二級和第三級都使用了液氫作為燃料,每一級的上一級都使用了小的固體燃料發動機以將其與下一級分離,同時保證液體推進劑在正確的位置注入泵中。

S-IC 第一級

S-IC推進器在位於路易斯安那州新奧爾良的波音公司密喬裝配廠中建造。這家工廠也負責建造太空梭外部燃料箱。發射時它的兩千多噸重量中的絕大部分都是推進劑,也就是RP-1和液氧氧化劑。它的高度達42米,直徑10米,可以提供34兆牛頓的推力,可以使火箭上升至61千米高。這一級推進器的凈重131噸,裝滿燃料后重量將達到2300噸。

五個F-1發動機排成十字型,中心的發動機位置固定,而周圍的四個發動機可以通過液壓轉向以控制火箭。在飛行中,中央的發動機要比周圍的發動機早關閉26秒,以限制加速度。在發射中,S-IC推進器將工作168秒鐘(升空7秒前點火),隨後發動機關閉。此時火箭的高度大約是68千米,而火箭大約飛行了93千米,速度達到2390米/秒。

S-II 第二級

S-II推進器由位於加利福尼亞州的北美航空建造。這個推進器使用液氫和液氧作為燃料,共有5個J-2火箭發動機。和第一級的S-IC推進器類似,發動機的排列仍呈十字形,外部的發動機可以提供控制能力。

S-II推進器有24.9米高,直徑與S-IC推進器相同,都是10米。S-II的凈重大約36噸,當加滿燃料后重達480噸。第二級可以在大氣層外為土星5號提供大約360千牛頓的推力。儘管加滿燃料以後90%以上的重量都是推進劑,超輕的設計在結構測試中導致了兩次失敗。

在S-IC推進器中,通過內部燃料箱的結構將兩個燃料箱完全分開,但是在S-II中沒有採用這種方法。S-II推進器的液氧燃料箱的頂部與液氫燃料箱的底部使用了一個共同的箱壁,這個箱壁由中間夾有酚醛樹脂的蜂窩狀結構的兩片鋁板構成。這個箱壁需要承受兩個燃料箱之間70°C的溫度差。共用箱壁的設計節省了3.6噸的重量。S-II和S-IC推進器都是通過海運運抵裝配大樓的。

S-IVB 第三級

S-IVB推進器由位於加利福尼亞州的道格拉斯飛行器公司建造。它使用了一個J-2火箭發動機,和S-II推進器一樣都使用了液氫和液氧作為燃料。S-IVB推進器在兩個燃料櫃間也使用了共用箱壁。這個推進器有17.85米高,直徑6.6米,重量也盡量的減輕了,儘管減輕的程度不如S-II那樣大。

S-IVB的凈重11噸,加滿燃料后重119噸。這一級在任務過程中會使用兩次,首先在第二級活動及關閉后,S-IVB點火工作2.5分鐘,然後在月球轉移軌道射入階段點火大約6分鐘。兩個加滿液體燃料的的輔助推進設備裝在推進器尾部,用來在待機軌道和月球轉移階段控制火箭的高度。這兩個輔助推進設備也用作姿態控制以幫助燃料在月球轉移軌道上射入點火前處於正確的位置。

S-IVB推進器是土星5號唯一的可以使用空運的的一級。除了級間的調整結構和重啟動的能力,這一級推進器幾乎和土星1B號的第二級完全一致。

控制設備單元

控制設備單元由IBM製造,放在第三級的頂端。它在位於亨茨維爾的空間系統中心建造。這個計算機控制了火箭從起飛前一直到拋棄S-IVB推進器的操作過程。它包含了為火箭導航和遙測的系統。通過測量加速度和火箭的高度,它可以計算出火箭的位置和速度,同時對偏向做出修正。

安全距離

在出現事故需要火箭自毀的時候,負責安全距離的官員會用遙控方式關閉發動機,在幾秒鐘后發出另一條指令引爆貼在火箭外表面上的炸藥。爆炸會切斷燃料和氧化劑箱體並將燃料迅速釋出,盡量減少燃料的混合。這些動作之間的暫停時間用於讓飛船成員通過阿波羅飛船的救生塔或者服務艙推進系統逃離。第三個命令用於在S-IVB推進器到達軌道后使自毀系統永久失效。當火箭在發射場時,這個系統也是不激活的。

4 土星5號運載火箭 -組裝過程

土星5號運載火箭土星五號

每一級推進器建造完成並在地面測試結束以後,將會被運往肯尼迪航天中心。前兩級推進器過於巨大,只能通過駁船運輸。S-IC在路易斯安那州的新奧爾良製造,首先要通過密西西比河向南運輸到墨西哥灣。在佛羅里達州拐一個彎,將被向北通過內部沿海水運運送到垂直裝配大樓(現在稱為運載具裝配大樓)。這和現在NASA運送太空梭外部燃料箱的路線是一樣的。S-II是在加利福尼亞製造的,因此運輸需要通過巴拿馬運河。第三級和控制設備單元可以通過懷孕孔雀魚和超級孔雀魚等大型運輸機進行運輸,但是在需要的時候也可以通過駁船運輸。

到達垂直裝配大樓以後,每一級推進器在移動至垂直位置前都處於水平狀態。NASA也建造了大型的線軸型結構替代推進器,以備某一級推遲到達。這些線軸型結構的高度、質量以及內部的電路連接都與實際的推進器一致。

NASA在一個移動發射平台上組裝土星5號火箭。這個發射平台上包括一個發射控制塔,塔上有9個臂,其中一個是用於宇航員通道,有一個塔式起重機,還有一個將要在發射前激活的水滅火系統。裝配完成以後,火箭整體將使用履帶式運輸車從裝配大樓移動到發射場。這輛履帶式運輸車由馬里昂動力鏟公司製造,現在仍然用於運輸較小、較輕的太空梭。履帶式運輸車有四條履帶,每一條履帶有57節,每一節重達900千克。這個運輸車也要求在運輸至發射場的5千米路程中保持火箭的高度,尤其是在到達發射場使的約3%的梯度。運輸車也需要運輸移動服務結構,它可以讓技術人員在發射前八小時以前進入火箭,這時它大約移動到了裝配大樓和兩個發射場連接處。

5 土星5號運載火箭 -使用資金

從1964年至1973年,土星5號的總撥款高達65億美元,在1966年達到最高,僅一年中就撥了12億美元。

阿波羅計劃被縮減的主要原因是資金。1966年,美國國家航空航天局的年度政府撥款高達45億美元,約為當時美國國民生產總值(GDP)的0.5%。同年,國防部的政府撥款為635億美元。

6 土星5號運載火箭 -技術參數

土星5號運載火箭土星5號運載火箭

所屬國家/組織 美國
生產單位 波音公司(S-IC)
北美人航空公司(S-II)
道格拉斯飛行器公司(S-IVB)
首飛 1967年11月9日
發射場 肯尼迪航天中心,LC-39
起飛推力 34020千牛
外形和質量參數
全長 110.6米
芯級最大直徑 10.1米
起飛質量 3038500千克
第一級
名稱 S-IC
發動機 5台F-1
推進劑 煤油/液氧
單台推力 6700~6909千牛(海平面)
總推力 34020千牛(海平面)
工作時間 150秒
第二級
名稱 S-II
發動機 5台J-2
推進劑 液氫/液氧
單台推力 1000千牛(真空)
總推力 5000千牛
工作時間 360秒
比沖 421秒
第三級
名稱 S-IVB
發動機 1台J-2
推進劑 液氫/液氧
單台推力 1000千牛
工作時間 165 + 335秒(兩次點火)
比沖 421秒
運載能力
近地軌道 118000千克
月球軌道 47000千克

7 土星5號運載火箭 -土星5號的各次發射

序列號任務發射日期備註
SA-501阿波羅4號1967年11月9日首次實驗飛行
SA-502阿波羅6號1968年4月4日第二次實驗飛行
SA-503阿波羅8號1968年12月21日土星5號的第一次載人飛行以及首次由載人飛行器環繞月球
SA-504阿波羅9號1969年3月3日登月艙地球軌道測試
SA-505阿波羅10號1969年5月18日登月艙月球軌道測試
SA-506阿波羅11號1969年7月16日人類首次登月
SA-507阿波羅12號1969年11月14日降落在調查員3號附近
SA-508阿波羅13號1970年4月11日任務被放棄,成員返回地球
SA-509阿波羅14號1971年1月31日降落在法拉·毛羅高地附近
SA-510阿波羅15號1971年7月26日首次使用月球車
SA-511阿波羅16號1972年4月16日降落在笛卡爾環形山
SA-512阿波羅17號1972年12月6日唯一一次夜間發射,最後一次阿波羅月球任務
SA-513天空實驗室1號1973年5月14日雙級天空實驗室版
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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