马歇尔航天中心的工程师们研究了一系列可供他们使用的潜在型号,最终决定采用一种超级运载火箭方案--土星V火箭。这一方案可以通过两次发射完成一次地球轨道交会任务,或者只通过一次发射可完成一次月球轨道交会任务。加上顶部的阿波罗飞船和发射逃逸系统,火箭是一个高度达110米的庞然大物,分为三级。每一级的制造都通过严格投标承包给不同的公司,产品的每一部件都由NASA工程师严密监督。每一级的尺寸和动力都不同,对于设计者来说,每一级都存在不同的难点。 1.7.3.1 第一级: S-IC原始功率 尽管S-IC是土星V各级中最大的一级,但它的制造商波音公司却几乎没有遇到什么问题,其设计方案相当保守,主要采用直接扩展当时技术的方式。为了托起土星V 3000吨的重量,5个F-1发动机捆一起安装在S-IC底部。由安装在万向支架上的4个外发动机提供控制,利用来自火箭制导系统的信号实现精确瞄准,将它们的巨大推力指向宇宙飞船将要前往的方向。本级的其他部分长42米,由2个巨大的储箱构成,每个储箱直径10米,一个摞在另一个上面。超过80万升的精炼煤油燃料(称作RP-1,与喷气式飞机使用的很相似)存储在下面的储箱中。在S-IC第一级底部的5个F-1发动机 上面的储箱更大,装填了130万升极冷的液氧(LOX) 。液氧是一种低温推进剂,保存温度必须低于零下183℃才能保证氧为液态。尽管这些液氧储箱非常大,但据说储箱内部连一个指纹都不允许留下,以免在泵入液氧时引起爆炸。5个巨大的隔热管道从液氧储箱向下穿过储箱,向5个发动机提供氧化剂。 尽管S-IC在土星V火箭飞行过程中占主导,但它为阿波罗飞行做贡献的持续时间不过两分半多一点,此后便被抛弃落入距发射台650千米远的大西洋,现在那里有13个S-IC散落在海底。 1.7.3.2 第三级: S-IVB温度的极限 S-IVB是土星V火箭的最小一级,且最早开始飞行。麦道公司已经生产它们作为土星IB火箭的第二级,因此几乎不需要任何改进就可以让它同土星V其余部分一起工作。它利用了在单个可重新启动J-2发动机中燃烧的液氢液氧高能化合作用。 液氢是另一种低温推进剂,虽然在这种情况下需要将温度降到20K,即绝对零度以上仅20℃,或者说零下253℃,才能保证其为液态。设计时没有采用两者间需要沉重支撑结构的两个分离储箱,而是建造一个大型储箱来装载这两种低温推进剂,以节省质量。用一个绝热隔板将液氧隔在下层,而上部是液氢形成的椭球空间。由于在这样的极低温度下材料可能出现某些奇异特性,为保护储箱的铝质外壳,在储箱的内部以精加工块料形式进行隔热处理。加上圆锥形的级间连接部分,该级总长为18米,其中储箱直径为6.6米。 在肯尼迪航天中心装配期间的 阿波罗8号的第一级 超大飞机装运中的阿波罗12号的S-IVB级 1.7.3.3 第二级: S-II艰难的诞生 准备装配成运载火箭的 阿波罗10号的S-II级S-II级是土星火箭待开发三级中的最后一级,尽管其他两级都面临难以克服的工程问题,但都没有S-II给NASA和承研合同商北美航空公司的管理者带来的麻烦大。S-II级不仅必须携带低温推进剂,而且体积十分庞大,与直径达10米的S-IC不相上下,将近25米长。此外,由于其他两级的设计早已开始,所以希望从S-II减轻重量。开发过程中S-II重量不断减少导致了测试期间报废了两个S-II级,一段时间内S-II成了登月竞赛中的关键问题。对北美航空公司(正在同时建造S-II和阿波罗飞船)管理模式的严厉批评报告,差点儿在阿波罗1号的惨剧发生后断送阿波罗计划。 乍看起来,S-II很像大号的S-IVB,其储箱设计基本一样,只是北美航空公司采用液氢低温下增加强度的合金来制造储箱舱壁而节省重量。不过这需要在外面加隔热层,这是一项很困难的任务,原因是黏合剂的工作温度要保持在20K。隔热层与储箱壁间不能留有空隙,以免空隙中的空气凝结导致贴板松动或脱落。最后,通过在隔热层中加入沟槽,并在燃料加注全过程中注入氦气(氦气不会像空气那样凝结)来挤排空气。S-II级安装了5个不可重启的J-2发动机,它们可以产生相当于520吨的合成推力。 1.7.3.4 仪器单元: 火箭的大脑 阿波罗/土星工程师们在设计上所做的一个幸运选择是火箭首先应当依靠其自身的自主导航系统,而不是由飞船导航系统控制。控制火箭所需要的所有设备都装入仪器单元。这是一个安装在S-IVB顶部的6.6米直径的环,使火箭高度增加了1米。土星IB和土星V仪器单元环内都装着控制整个发射和上升入轨所需的所有设备,包括1台数字计算机、1个稳定制导平台、程序仪等。另外,还做了安排,一旦失效可由阿波罗飞船控制土星V火箭。组装过程中的阿波罗17号的仪器单元 1969年11月的阿波罗12号飞行证明了工程师们这一决策的正确,当时飞行器刚发射不久就被闪电击中,指令舱制导系统遭到突发电涌的短时冲击,但是土星火箭在其自己仪器单元的控制下继续飞行,从而使得任务控制中心和宇航员有足够时间从混乱中恢复过来。如果由飞船系统进行控制,飞行器就会偏离预定弹道,任务也会随发射逃逸系统发动机点火而宣告失败。 1.7.4 土星火箭的遗产 美国许多公司从土星火箭研制中学到了很多东西,这些经验用到了它们承研的其他系列火箭,如宇宙神、德尔它和大力神系列的改进型。不过,这些一次性火箭花费了30多年时间才赶上土星IB火箭的推力,而土星IB火箭的功率仅相当于土星V底部一个F-1发动机的推力。阿波罗任务之后,美国的航天重型运载能力交由航天飞机承担。航天飞机只有在使用大型固体燃料火箭助推器时,才能达到与土星V火箭相当的起飞推力,但这严重损害了飞船上升段的安全性。 采用航天飞机系统运载大量有效载荷进入太空的效费比是否更高一直存在争议。不过,不仅土星火箭在它呼啸着进入太空时从未导致任何人死亡,而且还在飞行的每一阶段为宇航员提供出现灾难时逃逸的办法。然而,尽管它如此惊人地成功,但剩下的土星V火箭各级不是挂在博物馆中作展品,就是放在各NASA中心的草坪上作为装饰品。精心制造的F-1和J-2发动机也在佛罗里达州淋大雨,供众多好奇的游客触摸和摆弄。总有一天幸存的航天飞机也会加入其中。第2章阿波罗飞行简史
阿波罗是如何飞到月球的——1.7.3 土星V火箭
书名: 阿波罗是如何飞到月球的
作者: W·David Woods
出版社: 清华大学出版社
译者: 董光亮 | 孙威 | 李平
出版年: 2012-3
页数: 378
定价: 69.00元
装帧: 平装
ISBN: 9787302275497