世界上載重最大的火箭
世界上載重最大的火箭
世界上載重最大的火箭是哪個呢?接下來讓小編帶你去了解一下吧!
基本介紹
土星5號運載火箭(Saturn V)，又譯農(nóng)神五號，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計劃兩項太空計劃中使用的多級可拋式液體燃料火箭。土星5號超重型運載火箭是僅次于蘇聯(lián)能源號運載火箭的推力第二大運載火箭。在1967年-1973年間共發(fā)射了13枚“土星5號”運載火箭，它們保持著完美的發(fā)射記錄。共有9枚“土星5號”運載火箭將載人的“阿波羅”號宇宙飛船送上月球軌道。土星5號”運載火箭的生產(chǎn)線于1970年關(guān)閉。“土星5號”的最后一次發(fā)射是在1973年，這次發(fā)射將“天空實驗室”空間站送入了近地軌道。續(xù)任者太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS系統(tǒng)),號稱史上最強運載火箭系統(tǒng)。
美國土星5號是截至目前仍是人類歷史上使用過的自重最大的運載火箭，高達110.6米，起飛重量3038.5噸;總推力達3408噸，月球軌道運載能力45噸，近地軌道運載能力118噸。土星5號是三級火箭，由S-1C第一級、S-2第
土星5號(SA-501)攝于阿波羅4號發(fā)射前二級、S-4B第三級、儀器艙和有效載荷組成。第一級長42米，直徑10米，到尾段底部直徑增大到13米。尾段上裝有4個穩(wěn)定尾翼，翼展約18米。第一級采用5臺F-1發(fā)動機，推進劑為液氧和煤油，2個10米直徑的鋁制推進劑貯箱用桁條和隔框加強。第二級長25米，直徑10米，采用液氧液氫推進劑 ，共用5臺J-2發(fā)動機。第三級長18.8米，直徑6.6米，1臺J-2發(fā)動機，推進劑為液氧液氫。盡管NASA曾設(shè)想過更大的火箭(例如新星火箭)，土星5號是歷史上、土星號運載火箭成員中最大的火箭，[1] 土星5號由馬歇爾太空飛行中心總指揮沃納·馮·布勞恩與他的德國火箭團隊擔任設(shè)計研發(fā)工作，主要的承包商包括波音公司、北美人航空公司、道格拉斯飛行器公司以及IBM。除了最后一次發(fā)射天空實驗室沒有使用S-IVB(第三級)之外，所有其他土星5號的發(fā)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(tài)氧(LOX)作為氧化劑。第一級使用高精煉煤油(RP-1)作為燃料，其他兩級使用液態(tài)氫(LH2)作為燃料。一般來說，一次發(fā)射任務(wù)的前20分鐘左右由火箭推動。
火箭主要設(shè)計者之一—馮布勞恩1967年至1973年期間NASA共發(fā)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(fā)生(雖然阿波羅6號和阿波羅13號曾出現(xiàn)過推進器失靈的問題，但艦載電腦都能夠通過延長剩余推進器燃燒時間的辦法以保持飛行)。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。最后一次土星5號的發(fā)射將天空實驗室的空間站送入太空。[2]
背景
20世紀60年代初期，蘇聯(lián)在太空競賽領(lǐng)先于其對手美國。1957年蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星史潑尼克一號，1961年4月12日，蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林成為第一個進入太空的人類。為了在太空領(lǐng)域領(lǐng)先蘇聯(lián)， 1961年5月25日，肯尼迪總統(tǒng)宣布美國會在1970年之前將宇航員送上月球。那時，美國唯一的一次載人太空任務(wù)是艾倫·謝潑德的水星-紅石3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號火箭當時還在研制過程中，但由于其推力遠遠不夠，需要若干次發(fā)射才能將登月所需要的各個部件送入軌道。在登月計劃的計劃階段初期，NASA曾考慮過三個主要的設(shè)想：地球軌道交會、直接起飛以及月球軌道交會(LOR)。盡管NASA起初沒有考慮月球軌道集合，因為人類當時連地球軌道集合都沒有執(zhí)行過，更不用說難度更大的月球軌道集合了。后來，由于能夠使任務(wù)時間縮短以及較其他兩種方法簡單，月球軌道集合仍然被采納。
級火箭發(fā)動機點火順序：首先中央發(fā)動機點火，隨后周圍相對的發(fā)動機以300毫秒的間隔點火。一級火箭發(fā)動機的五臺發(fā)動機所需的液氧和煤油分別由一臺液氧泵和一臺煤油泵提供，其中液氧泵的流量為每秒24 811加侖，煤油泵的流量為每秒15 741加侖。液氧泵的工作溫度為-185℃，煤油泵的工作溫度為15℃液氧泵和煤油泵由一臺55 000馬力的渦輪機提供動力，渦輪泵的工作溫度為650℃
設(shè)計與制造
土星5號的設(shè)計起源于V-2火箭和木星系列火箭。由于木星系列火箭的成功，新一代的土星系列火箭開始出現(xiàn)。首先是土星1號和1B號，最終是土星5號。馮·布勞恩在馬歇爾航天飛行中心領(lǐng)導(dǎo)了一個團隊來建造一個足以將一艘宇宙飛船送上登月軌道的運載火箭[4] 。在他們轉(zhuǎn)為NASA工作以前，馮·布勞恩的團隊就已經(jīng)開始進行增加推力、減少操作系統(tǒng)復(fù)雜度和設(shè)計更好的力學(xué)系統(tǒng)的工作了[4] 。在設(shè)計過程中，他們決定拋棄V-2火箭中的單引擎的設(shè)計思路，轉(zhuǎn)而設(shè)計多級火箭。土星1號和1B號反映了這些設(shè)計思想的變化，但是仍不足以將一艘載人宇宙飛船送上月球[4] ，需要若干次發(fā)射才能將登月所需要的各個部件送入軌道。但是在NASA做出最優(yōu)登月方式的決定的過程中，他們的這些設(shè)計仍然提供了一個基準參考。土星5號的最終設(shè)計有若干個關(guān)鍵特征。工程師們認為，最多好的發(fā)動機使用F-1火箭發(fā)動機配合新型的稱為J-2火箭發(fā)動機的液氫推進系統(tǒng)，這可以使土星C-5的配置達到最優(yōu)。1962年，NASA做出了最終計劃，決定按照馮·布勞恩的土星設(shè)計方案繼續(xù)研究，而這也為阿波羅計劃贏得了時間。。隨著火箭的配置工作的完成，NASA開始考慮選擇登月的任務(wù)模式。在爭論之后，NASA決定采用月球軌道交會的方法。在推進燃料的選擇、燃料需求量和火箭制造過程等等問題都得到了解決之后，土星5號被選為登月飛船的運載火箭。這只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(shè)計，由其它合同商負責(zé)制造，如波音、北美航空、道格拉斯飛行器公司以及IBM。
技術(shù)細節(jié)
控制設(shè)備單元控制設(shè)備單元由IBM制造，放在第三級的頂端。它在位于亨茨維爾的空間系統(tǒng)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(dǎo)航和遙測的系統(tǒng)。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(xiàn)事故需要火箭自毀的時候，靶場安全官員會用遙控方式關(guān)閉發(fā)動機，在幾秒鐘后發(fā)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并將燃料迅速釋出，盡量減少燃料的混合。這些動作之間的暫停時間用于讓飛船成員通過阿波羅飛船的救生塔或者服務(wù)艙推進系統(tǒng)逃離。第三個命令用于在S-IVB推進器到達軌道后使自毀系統(tǒng)永久失效。當火箭在發(fā)射場時，這個系統(tǒng)也是不激活的。
研制過程
從C-1到C-4在1960年到1962年間，馬歇爾航天飛行中心為執(zhí)行不同的航天任務(wù)而設(shè)計了不同的幾類火箭。C-1火箭是土星1號運載火箭的原型，C-2火箭設(shè)計在計劃早期就被拋棄了，而隨后開始了C-3火箭設(shè)計。這枚火箭試圖使用兩個F-1火箭發(fā)動機作為第一級，四個J-2火箭發(fā)動機作為第二級，而第三級使用六個RL10火箭發(fā)動機。NASA計劃使用C-3作為地球軌道交會的運載火箭，這樣完成一次任務(wù)需要四到五次的發(fā)射，但是這時馬歇爾航天飛行中心已經(jīng)開始設(shè)計更大的火箭了，C-4，使用四個F-1火箭發(fā)動機作為第一級，擴大了C-3火箭的第二級，而第三級使用一個J-2發(fā)動機。如果使用C-4的話，僅需兩次發(fā)射就可以完成地球軌道交會的任務(wù)[4] 。
C-5火箭1962年1月10日，NASA宣布了建造C-5火箭的計劃。這枚火箭仍然由三級組成，第一級包括五個F-1發(fā)動機，第二級包括5個J-2發(fā)動機，而第三級是另外一個J-2發(fā)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(wù)。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(shè)計概念和可行性，同時也用來提供對C-5火箭的繼續(xù)研究非常重要的飛行數(shù)據(jù)。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(shù)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[4] 。
發(fā)射紀錄
土星5號最后一次任務(wù)所發(fā)射的天空實驗室“土星5號”火箭于1962年開始研制，1967年11月9日首次飛行，1973年5月末次飛行，計劃發(fā)射19次，后來取消2次，實際發(fā)射了17次成，成功率達到100%。其中第1～3次是不載人模擬環(huán)地飛行，第4次是不載人試飛，從第7號開始是載人飛行。1968年12月21日發(fā)射的“阿波羅8號”載著3名航天員完成了人類第一次繞月飛，隨后，又發(fā)射了7次登月飛船。“土星5號”的最后一次發(fā)射是在1973年，這次發(fā)射將“太空實驗室”送入了近地軌道[5] 。
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，約為當時美國國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的0.5%。同年，國防部的政府撥款為635億美元，阿波羅計劃總共耗資約240億美元。[1] ，因此有人認為，資金是美國能夠領(lǐng)先一步登陸月球的最大因素。
展出
至今為止還有幾枚土星5號火箭在美國不同地方展出[7] ，展出的地方如下：
一枚火箭在約翰遜航天中心中展覽，這枚火箭的第一級推進器來自SA-514，第二級來自SA-515，第三級來自SA-513(SA-513的第三級被替換成了天空實驗室)。這些推進器在1977年到1979年間運抵航天中心，一直開放展出，直至2005年在其周圍建造保護結(jié)構(gòu)才暫停展出。這也是唯一的一枚展出中的完整的土星5號，其各級推進器都是為發(fā)射而制造的。一枚火箭在肯尼迪航天中心，它由S-IC測試推進器和SA-514的第二級、第三級推進器組成。它已經(jīng)在室外展出了數(shù)十年，1996年，它被封閉起來以進行保護。兩枚火箭保存在亨茨維爾的美國航天火箭中心：水平展出包括S-IC-D、S-II-F/D 和 S-IVB-D推進器，這些推進器都是用作測試的，而不是用于飛行。這枚火箭在室外展覽了數(shù)十年，然后重新修復(fù)，在戴維森航天探索中心進行展出。垂直展出的是在1999年建造的復(fù)制品。SA-515的S-IC推進器在路易斯安那州的密喬裝配廠展出。SA-515的S-IVB推進器用作天空實驗室的備份，在華盛頓的國家航空航天博物館進行展出。
火箭圖紙丟失事件及辟謠編輯長久以來，土星五號設(shè)計藍圖遭銷毀的流言就沒有斷過，NASA官員出面澄清，土星五號設(shè)計藍圖依然完好。只不過，完全再照原樣重建會浪費巨大資源，沒有任何實際意義 。
圖紙丟失美國國家航空航天管理局官員否認了某書作者的一項聲明，該作者宣稱用來將阿波羅宇航員送入月球的強大的土星5號火箭設(shè)計藍圖已遺失。該否認聲明是因太空網(wǎng)上的一則報道所引起，該報道敘述了約翰.劉易斯在他的1996年版的《挖掘太空》一書中所作的一項宣稱，他說若干年前他一直在搜尋關(guān)于土星5號的設(shè)計藍圖，所得出的結(jié)論是它們令人難以置信地“遺失”了 。
NASA辟謠保羅.肖克羅斯，來自美國國家航空航天管理局檢查長辦公室的一位官員對此作了官方辯護刊登在CCNet(一學(xué)術(shù)性電子通訊期刊，內(nèi)容是關(guān)于小行星和慧星所構(gòu)成的威脅)上。肖克羅斯說土星5號藍圖保存在馬歇爾太空飛行中心的縮微膠片上。“打算試著重建土星5號是毫無意義的.....問題的關(guān)鍵在于，那些成千上萬的零部件已不再生產(chǎn)。“位于喬治亞州東點的聯(lián)邦檔案部門同樣也擁有2,900立方英尺的關(guān)于土星的文件資料，”他說，“在土星5號的技術(shù)資料保留計劃中有數(shù)十卷宗的相關(guān)資料. 這項工作起于60年代末，目的是為了記錄F1和J2引擎生產(chǎn)的方方面面，以便對將來重新啟動土星5號計劃有所幫助 。”
“重建土星5號所面臨的問題并不是要找到它的設(shè)計藍圖，而是要找到那些能夠提供20世紀60年代中期老的硬件設(shè)備的廠商，”他寫道，“事實是，發(fā)射臺和運載火箭裝配車間已改裝成建航天飛機之用，所以也就沒有地方用來作為發(fā)射場所了。 “等到以適合目前可利用的硬件設(shè)備為基礎(chǔ)來重新設(shè)計和改造發(fā)射臺時，你們最好還是從一張空白清晰的草圖開始，”他寫道。
續(xù)任者由于重開土星五號生產(chǎn)線花費巨大，而且土星五號是美國20世紀60年代的科技產(chǎn)物與現(xiàn)在的美國航天技術(shù)相比已經(jīng)嚴重落后，為了滿足日益重要的高邊疆戰(zhàn)略計劃，NASA決定開發(fā)續(xù)任者太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS系統(tǒng))繼續(xù)美國的開拓天疆戰(zhàn)略，“太空發(fā)射系統(tǒng)”將有能力向太空發(fā)射77到130噸貨物，可用于發(fā)射6人獵戶座多功能乘員艙，最終的運載能力將達到143噸，甚至有可能達到165噸。相比之下，曾將宇航員送上月球的長期休眠的土星V型火箭運載能力為130噸，航天飛機的運載能力為27噸，當前最大的無人火箭更是只有25噸左右。