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重箭巨发 太空探索的朝代召唤

重箭巨发 太空探索的朝代召唤 探索未知,航向远方的冲动来自人类的求知本能。在上世纪50年代到70年代的这段时间里,太空不再是遥不可及的只能抬头仰望的虚空,而是一个展示人类技术发展水平的舞台,一个奋勇争先的竞技
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重箭巨发 太空探索的朝代召唤 探索未知,航向远方的冲动来自人类的求知本能。在上世纪50年代到70年代的这段时间里,太空不再是遥不可及的只能抬头仰望的虚空,而是一个展示人类技术发展水平的舞台,一个奋勇争先的竞技场。正如普希金在其诗篇中所说,“我记得那美妙的一瞬:在我的眼前出现了你,有如昙花一现的幻影,有如纯洁至美的精灵。”
  诗人对爱情的理解却也恰似人类对技术本身的体悟。在不懈的探索中,人们逐步认识到,液氧煤油火箭发动机是大推力火箭的可靠动力来源。要想从近地轨道载人飞行的技术层面向更加深远的太空飞去,液氧煤油发动机是必须要掌握的关键技术之一。重型火箭,这种起飞重量比2艘驱逐舰还要重的飞行器,总是能够时刻提醒着我们,那个勇敢无畏,挑战工程极限的时代的存在。推力为600吨级以上的巨型发动机受到太空探索的时代召唤,来到了世间。现在,就让我们回顾那段波澜壮阔的历史,同时也展望一下人类太空探索的明天。
  披坚执锐奋力擎天
  1961年4月12日,苏联宇航员尤里·加加林成为了首次进入太空的人类,惊醒了在太空竞赛中稍有怠惰的美国人。这直接促使原本对探索月球热情不高的约翰·肯尼迪总统改变了主意。1961年5月25日,肯尼迪在参众两院特别会议中宣布了“阿波罗”计划的蓝图:
  “我相信这个国家能够齐聚一心全力以赴达成这个目标,即在1970年以前,人类将乘坐宇宙飞船登陆月球并且安全返回。没有任何一个太空项目能够超越它对人类的影响,超越它对宇宙远程空间探索的重大作用,也没有一个太本文由毕业论文网http://www.lw54.com收集整理空项目开发如此困难而且花费如此昂贵。”
  “阿波罗”计划稳步推进。虽然“阿波罗”1号出现了致命的火灾事故,但是,在技术人员的坚持下,无论是火箭还是飞船都逐步满足了工程需要。用于“阿波罗”计划的“土星”5号火箭全高110.6米,直径10.1米,发射质量3039吨。美国二战时期的“巴格里”级驱逐舰的标准排水量为1500吨。“土星”5号的发射质量相当于这样的两艘驱逐舰。
  1961年12月15日,波音公司拿到了S-IC(“土星”5号火箭第一级的内部编号)的生产合同,与此同时美国宇航局马歇尔航天飞行中心(MSFC)的工程师们则正在紧锣密鼓地选定新的总工程师。第一级火箭的生产与总工程师的选任几乎同时进行,这表明了美国宇航局对波音公司的充分信任。波音显然是把这第一级火箭当成飞机来造了。他们没有一个接一个地生产,而是很快就实现了批量化。并且,他们对第一级火箭的箭体进行了总体设计优化,减轻了560千克的质量。代入到三级火箭的动力学方程中,我们可以发现,这样的优化相当于增加了36千克的有效载荷。
  火箭的第一级采用5台F-1液氧煤油火箭发动机,起飞时将产生33 400千牛的推力,在150秒左右的时间内将火箭推到6万4千米的高空。这么大的推力,需要坚固的承力结构。“土星”5号火箭的第一级上有着整个火箭上最大的零件:5台主发动机的承力支架主梁,重21吨。另外,第一级上面有4个重816千克的铝制件,这是当时美国能够加工的最大规格的铝制零件。
  “土星”5号火箭的第二级由北美航空制造。这个研制了P-51、F-86、B-25和X-15的公司用苯酚蜂窝夹层结构的挡板放在了液氢储箱和液氧储箱之间,硬是顶住了两侧高达70%的温差,比采用传统隔离结构的火箭节省了3.6吨的质量。第三级由道格拉斯公司制造。紧凑的外形和可多次重复启动的动力系统让土星5号最终具备了将“阿波罗”飞船送上月球的能力。1967年11月9日,“阿波罗”4号任务开始执行,这是“土星”5号火箭的首次发射,同时也是专门为这种世界上最大的运载火箭建造的39号发射台的首次启用。这枚比自由女神像和她的基座加起来还要高不少的火箭象征了人类挣脱地球引力的渴望。
  最终在1969年7月21日凌晨2点56分(UTC),宇航员尼尔·阿姆斯特朗的左脚踏上了月球。“这是一个人的一小步,却是人类的一大步。”(That's one small step for a man,one giant leap for mankind.)这句话宣告了人类开始以更坚定的步伐迈进深空。而这一切,都有着“土星”5号这个推力强大的幕后英雄在做着贡献。F-1液氧煤油发动机则至今仍保持着680.39吨的单燃烧室液体火箭发动机的推力纪录。
  执着坚韧不言放弃
  实际上,苏联人并不是在肯尼迪宣布“阿波罗”计划之后才着手准备把宇航员送上月球的。早在1959年,科罗廖夫就已在准备重型运载火箭,而这一系列火箭为包括载人登月在内的大型航天项目预留了运载能力。这就是N-1重型运载火箭的前身。该火箭以其30台并联的一级火箭布局给人留下了深刻的印象。
  其实,原本N-1不必使用这么多台发动机。在N-1火箭的总体方案刚刚提出时,苏联火箭发动机设计师古舒高就给出了设计一款推力强大的火箭发动机的方案。当时该发动机被命名为RD-270。这款于1962年6月26日开始设计的发动机的燃烧室压力高达26.1兆帕,其海平面推力6270千牛。美国“土星”5号火箭的F-1发动机的海平面推力为6 770千牛。而“土星”5号火箭的发射重量为3 039吨,N-1火箭的发射重量为2 735吨。“土星”5号与N-1的第一级的设计工作时间均为150秒量级。因此,可以说,N-1运载火箭可以采用5台RD-270火箭发动机并联的方式。
  可是,为什么N-1火箭没有采用RD-270火箭发动机呢?这与科罗廖夫本人的设计思想有关。RD-270火箭发动机的推力虽大,但是其燃料体系为偏二甲肼/四氧化二氮。虽然这种常温推进剂能够非常可靠地工作,并且有着不错的性能。但是,科罗廖夫早就对这种火箭发动机表现出了不满的情绪。偏二甲肼为剧毒燃料,而且从比冲和未来更大推力的火箭发动机的需求的角度来看,液氧煤油火箭发动机取代偏二甲肼/四氧化二氮火箭发动机是个可以预见的趋势。于是,科罗廖夫极力反对古舒高的RD-270火箭发动机方案。古舒高认为受到了排挤,终止了与科罗廖夫的合作。(后来,古舒高其实还是研制出了液氧煤油火箭发动机,而且是迄今为止,世界上推力最大的多燃烧室液体火箭发动机RD-170,但这已经是十几年后的事情了。) 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/20170601/7032410.html   

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