土星五号·前传
2019-07-01 10:22

土星五号·前传

本文来自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:天才琪露诺,标题图来自东方IC,原标题《The first step on the moon | 土星五号·前传》


1969年,50年前的6月1日,执行“阿波罗11号”任务的土星五号运载火箭在卡纳维拉尔角39-A发射架上进行了飞行时序测试。


不得不提的是……这发火箭在5月20号总装完出厂,当天就送上卡角39-A发射架了。要知道那个时候“阿波罗10号”还在奔月的路上呢……美国人为了实现先总统肯尼迪“1960年代实现载人登月”这一遗愿也真是拼尽了全力。


对航天稍有兴趣的读者,基本都绕不过“土星五号”这个人类历史上的推进之王(……)。3000吨的起飞质量相当于把一艘“基林”级驱逐舰发射升空,而近月球轨道(LMO)45吨的运力相当于把上面的一座炮塔送入月球轨道。


这期我们先来讲讲它的前传——土星-1以及土星-1B运载火箭的故事


其实在肯尼迪总统慷慨激昂的演(shu)(flag)之前,美国人早就开始琢磨载人登月技术了。


钱学森老先生在1963年出版的《星际航行概论》中就已经介绍到了美国人打算使用C-1“土星”运载火箭开展登月计划,当然在下一页,他就说还是先把C-5整出来比较现实。




钱学森《星际航行概论》第一章《星际航行与宇宙航行》第2节 《现代的火箭技术》[1]


这个表单中C-1火箭的数据实际上对应的是土星-1号的内容,就是下图中最左边那枚火箭,除了构型有差异(实际二级用6枚RL-10)以及高度为162英尺(49米)之外其他参数都是颇为接近的。


土星-1、土星-1B和土星5号的区别。来源:NASA


必须指出的是,C-1运载火箭其实早在1957年4月的时候就提出来了,那个时候甚至离苏联人发射人类第一颗人造地球卫星还有半年时间。那会儿定下的指标是要能把20000-40000磅(9~18吨)的载荷送入近地轨道,把6000-12000磅(2.7~5.4吨)的载荷送出地球引力圈。在那个两眼一抹黑的时代,曾经的科学家们居然敢定下即使放到今天来看也丝毫不会逊色的指标,足以说明当时的科学界是有多么的敢想敢干。


更敢想敢干的是C-1的芯一级居然有8台H-1发动机,难怪钱老接着就毫不留情地讽刺了美国人一把。当然这个操作还不是最莽的,毕竟论芯一级发动机谁多,苏联人表示你们美国人胆子还是太小,我们30多个发动机都没说什么。更莽的是,为了保证每台发动机都能有足够的助燃剂能进入,这个液氧贮箱愣是给设计成了长条形的,在煤油贮箱旁边围了一圈。最后还搞得突出了一点,让芯一级外观整体看起来稍微有点奇怪。


芯一级的简版结构,注意尾部。来源:NASA[2]


实际吊装中的芯一级。来源:NASA[2]


最要命的是这帮美国人居然还莽成了!


1961年10月27日,C-1运载火箭成功带着模拟载荷升空。当然钱老表示这在意料之内,接下来还有很长一段路要走。而事实上也确实如他所言,C-1的运力太小,很难满足载人登月的需求,如果用C-1运载火箭送人到月球,仅从运力来考虑也需要至少10次发射,在近地轨道对接才能成型。而这种技术即使在今天也是颇有难度的。


因此,靠C-1(1963年更名为土星-1)以及C-1B(即土星-1B)来完成载人登月是远远不够的,所以最终美国人还是选用了C-5运载火箭(就是如今的土星五号)来达到载人登月的目的。


C-1(后来的土星-1)火箭起飞瞬间。来源:NASA[3]


前面说到,1961年首次发射的C-1火箭携带的第二级和第三级是模拟载荷,其中第二级模拟的是S-IV,第三级模拟的是S-V。S-IV的改型(即换发J-2发动机以及拉皮型号)S-IVB日后不仅成为了土星-1B的芯二级,更是成为了土星五号的第三级。事实上,正是S-IVB带着“阿波罗”宇宙飞船完成了圆化轨道以及奔向月球的目标。


(左)首次发射的C-1火箭搭载模拟载荷的构型;(右)C-1(土星-1)后来搭载登月飞船模型的构型。来源:NASA[2]


从任务整体上看,C-1运载火箭利用已有的技术基础,验证了S-IV上面级技术、飞航控制、仪器仪表技术,并且还在接下来被用于发射10吨级的大型载荷(飞马座气象卫星,首射于1965年)以及阿波罗模型的验证飞行。


土星-1运载火箭的任务。来源:NASA [4]


看到这里不得不感慨:航天科学的发展,甚至包括人类科学的发展,很多里程碑式的成功都算得上“草蛇灰线,伏行千里”——往往觉得“突然”就完成的事情,早在几年前,甚至几十年前就已经做了许多准备。


当然,由于钱老是1955年回国的,自此之后也很难再通过渠道了解美国航天计划的一些细节性内容了。比如在1961年的5月份,NASA决定除非特殊的发射任务,否则一般不携带第三级S-V了;以及LR-115此前作为与LR-119发动机竞争的产品,获得了胜利,并被安装在C-1上,但NASA在1961年3月决定放弃继续研制LR-119改为研究RL-10发动机,而RL-10发动机在同年11月研制成功,因此此后发射的C-1火箭芯二级的发动机均为RL-10,且把原定用在上面级的发动机挪了下来,给二级搭载6台……


依旧是1961年,C-5的构型得到确认,S-IC为芯一级,S-II为芯二级,S-IVB为芯三级(就是下图最右边的那个庞然大物),且分别确定了承包商为波音公司、北美航空公司以及道格拉斯公司,其中的各种甲方的微调操作按下不表。也就是说,1961年的上半年还是百家争鸣构型设计的时代,而下半年就连承包商都确定了。这是何等可怕的效率!


土星-1、土星-1B和土星5号的区别。来源:NASA


而火箭发动机的研制要更加早。土星-1所使用的8台H-1发动机在1958年就基于前身S-3D火箭发动机研制完毕,在1959年即成熟下线,甚至在1961年就开展了发动机复用的验证!


钱学森《星际航行概论》第三章《火箭发动机的技术实现》第3节《几种液体火箭发动机》


没错,把火箭从海水里打捞上来看看能不能用,在50年前就有人在做了。来源:NASA[2]


而作为S-II与S-IVB级发动机的J-2在1963年11月完成了8分钟的加长程试车。


J-2发动机燃烧时间长,条件也更苛刻一些,研究所需时间也比较长。来源:NASA[2]


作为S-IC级主发动机,关系到土星五号能不能正常起飞的F-1大推力发动机,则在1962年经历了3年研制后,完成了全推力长程试车。


想象一下这头巨兽的怒吼吧!来源:NASA[2]


火箭发动机这部分的进展就是酱紫了,而载荷能不能与最后的火箭部分适配,那是另一个问题了。“阿波罗”飞船的部分是与S-IVB上面级进行连接的,要想完整验证飞船-火箭部分的运行能力,势必要开展飞船-上面级联合飞行试验。


也由此,C-1B(1963年定名为土星-1B)作为一个过渡型号被搬上了台面。


土星-1、1B和5号上的S-IV/S-IVB级位置及形貌。来源:NASA[5]


土星-1B在土星-1的基础上将尾翼改为8片小尾翼(KSP玩家喜欢做的事情+1),省去了一些冗余结构,改装了一个S-IVB型的上面级。这些内容虽然看起来很简单,但实际上由于土星-1B需要承担载人发射的任务,其可靠性要求上了不止一个台阶,因此土星-1B的在1966年2月26日完成的首次发射,是搭载着“阿波罗”飞船开展了亚轨道飞行。


AS-201任务,土星-1B的首次飞行。来源:NASA [2]


载人测试原定在1967年1月27日,AS-204任务(也就是阿波罗1号)中开展,但这次原计划为期14天的载人测试没能实现。那一天发生了什么,想必很多读者都知道……指令舱在测试中发生大火,3名宇航员不幸殉职。


烧毁的阿波罗1号指令舱内部残骸。来源:NASA[6]


此后,土星-1B的载人飞行最终在1968年10月11日的阿波罗7号任务中完成。而此时,距离肯尼迪总统提出的deadline已经不足14个月了。


从整体任务上看,土星-1B运载火箭利用土星-1运载火箭取得的一系列技术成果,直接对“阿波罗”飞船进行了一系列飞行试验,包括但不限于:


整机轨道飞行测试,登陆器飞行测试,再入回收测试;飞船轨道规划;在轨人员训练;大推力发动机验证(J-2);改进S-IV上面级为S-IVB以适配土星五号任务需求;20吨级重型卫星的发射……


土星-1B运载火箭的任务。来源:NASA [4]


实际上,土星-1B与土星五号携带的S-IVB上面级也存在一些差异。按照土星-1B的飞行时序,S-IVB仅仅需要飞行十几分钟,而土星五号的飞行时序要求S-IVB能飞行4.5小时。作为氢氧上面级,“氢漏”的问题自S-IV上面级任务的诞生起,就困扰着道格拉斯公司的工程师们。液氢的泄漏率在S-IV中为110升每分钟,地面上等待起飞的时候,可以通过源源不断地补充液氢来解决,但天上怎么办?因此,为了补齐4.5小时的泄露量,S-IVB的液氢储罐在原计划253000升的基础上又增加到了272000升。而同样由于其它工况的不同,用在土星-1B上的S-IVB上面级跟用在土星五号上的S-IVB上面级在其他方面势必还会产生一些微调。


土星-1B与土星五号所使用的S-IVB上面级的差异。来源:NASA[5]


从上图也可以看出,土星五号的S-IVB级要重一些


这些多出来的质量包括:


前部裙环——土星五号需要加载更多的载荷(比如一个满油的登陆器)


辅助推进系统以及损耗部分——土星五号需要更少的液氢蒸发率以及以及更精确的入轨要求;


后部裙环——土星五号需要加载更多的载荷(比如前面的一堆东西)


推进系统——土星五号为了减少液氢蒸发率,使用了更多的液氦进行冷却,同时J-2发动机需要实现二次点火以将“阿波罗”飞船推入地月转移轨道;


级间段——下面一级的直径增大了。


就这样,为了攒出土星五号运载火箭的全部前置条件,NASA的工程师们设计了两款运载火箭,四款发动机,攻克了大大小小的难关,在最短的时间内,用尽可能少的资源,验证了尽可能多的内容。


这是NASA面对苏联航天节节推进的压力之下产生的动力,也正是NASA的这份效率,让美国总统肯尼迪敢于在1962年发表演说,称人类要在1970年之前登上月球。


“MAGA”不是靠嘴上说就能说来的,这背后需要千千万万的一线技术工人、一线科研人员的奋斗以及努力才能换来的。当我在看到这些内容的时候,不得不佩服当年美国人在这种压力下的强大斗志。


而现在,什么都有了,一架划时代的运载工具即将诞生。


参考:

[1] 钱学森. (1963). 星际航行概论. 科学出版社.

[2] SATURN | ILLUSTRATED CHRONOLOGY - Saturn's First Eleven Years: April 1957 through April 1968  https://history.nasa.gov/MHR-5/contents.htm

[3] https://www.nasa.gov/centers/marshall/history/this-week-in-nasa-history-first-saturn-rocket-sa-1-launches-oct-27-1961.html

[4] https://history.nasa.gov/MHR-5/app_a.htm

[5] SP-4206 Stages to Saturn

https://history.nasa.gov/SP-4206/contents.htm

[6] https://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/apollo/apollo1/html/s67-21294.html


本文来自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:天才琪露诺,标题图来自东方IC,原标题《The first step on the moon | 土星五号·前传》

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