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(gè)呢?接下來讓小編帶你去了解一下吧!
基本介紹
土星5號(hào)運(yùn)載火箭(Saturn V)，又譯農(nóng)神五號(hào)，亦稱為月球火箭，是美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在阿波羅計(jì)劃和天空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃兩項(xiàng)太空計(jì)劃中使用的多級(jí)可拋式液體燃料火箭。土星5號(hào)超重型運(yùn)載火箭是僅次于蘇聯(lián)能源號(hào)運(yùn)載火箭的推力第二大運(yùn)載火箭。在1967年-1973年間共發(fā)射了13枚“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭，它們保持著完美的發(fā)射記錄。共有9枚“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭將載人的“阿波羅”號(hào)宇宙飛船送上月球軌道。土星5號(hào)”運(yùn)載火箭的生產(chǎn)線于1970年關(guān)閉。“土星5號(hào)”的最后一次發(fā)射是在1973年，這次發(fā)射將“天空實(shí)驗(yàn)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(hào)稱史上最強(qiáng)運(yùn)載火箭系統(tǒng)。
美國(guó)土星5號(hào)是截至目前仍是人類歷史上使用過的自重最大的運(yùn)載火箭，高達(dá)110.6米，起飛重量3038.5噸;總推力達(dá)3408噸，月球軌道運(yùn)載能力45噸，近地軌道運(yùn)載能力118噸。土星5號(hào)是三級(jí)火箭，由S-1C第一級(jí)、S-2第
土星5號(hào)(SA-501)攝于阿波羅4號(hào)發(fā)射前二級(jí)、S-4B第三級(jí)、儀器艙和有效載荷組成。第一級(jí)長(zhǎng)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(gè)穩(wěn)定尾翼，翼展約18米。第一級(jí)采用5臺(tái)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑為液氧和煤油，2個(gè)10米直徑的鋁制推進(jìn)劑貯箱用桁條和隔框加強(qiáng)。第二級(jí)長(zhǎng)25米，直徑10米，采用液氧液氫推進(jìn)劑 ，共用5臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)。第三級(jí)長(zhǎng)18.8米，直徑6.6米，1臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)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(hào)是歷史上、土星號(hào)運(yùn)載火箭成員中最大的火箭，[1] 土星5號(hào)由馬歇爾太空飛行中心總指揮沃納·馮·布勞恩與他的德國(guó)火箭團(tuán)隊(duì)擔(dān)任設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室沒有使用S-IVB(第三級(jí))之外，所有其他土星5號(hào)的發(fā)射都有三級(jí)：S-IC(一級(jí))、S-II(二級(jí))和S-IVB(三級(jí))。每一級(jí)都使用液態(tài)氧(LOX)作為氧化劑。第一級(jí)使用高精煉煤油(RP-1)作為燃料，其他兩級(jí)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(dòng)。
火箭主要設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)和阿波羅13號(hào)曾出現(xiàn)過推進(jìn)器失靈的問題，但艦載電腦都能夠通過延長(zhǎng)剩余推進(jìn)器燃燒時(shí)間的辦法以保持飛行)。土星5號(hào)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(hào)的發(fā)射將天空實(shí)驗(yàn)室的空間站送入太空。[2]
背景
20世紀(jì)60年代初期，蘇聯(lián)在太空競(jìng)賽領(lǐng)先于其對(duì)手美國(guó)。1957年蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星史潑尼克一號(hào)，1961年4月12日，蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林成為第一個(gè)進(jìn)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(guó)會(huì)在1970年之前將宇航員送上月球。那時(shí)，美國(guó)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(hào);僅在太空停留了15分鐘，且未進(jìn)入近地軌道。當(dāng)時(shí)世界上沒有火箭能夠一次運(yùn)送可登月的航天器。土星1號(hào)火箭當(dāng)時(shí)還在研制過程中，但由于其推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要若干次發(fā)射才能將登月所需要的各個(gè)部件送入軌道。在登月計(jì)劃的計(jì)劃階段初期，NASA曾考慮過三個(gè)主要的設(shè)想：地球軌道交會(huì)、直接起飛以及月球軌道交會(huì)(LOR)。盡管NASA起初沒有考慮月球軌道集合，因?yàn)槿祟惍?dāng)時(shí)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(shí)間縮短以及較其他兩種方法簡(jiǎn)單，月球軌道集合仍然被采納。
級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序：首先中央發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，隨后周圍相對(duì)的發(fā)動(dòng)機(jī)以300毫秒的間隔點(diǎn)火。一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的五臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的液氧和煤油分別由一臺(tái)液氧泵和一臺(tái)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(tái)55 000馬力的渦輪機(jī)提供動(dòng)力，渦輪泵的工作溫度為650℃
設(shè)計(jì)與制造
土星5號(hào)的設(shè)計(jì)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(hào)和1B號(hào)，最終是土星5號(hào)。馮·布勞恩在馬歇爾航天飛行中心領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)來建造一個(gè)足以將一艘宇宙飛船送上登月軌道的運(yùn)載火箭[4] 。在他們轉(zhuǎn)為NASA工作以前，馮·布勞恩的團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)開始進(jìn)行增加推力、減少操作系統(tǒng)復(fù)雜度和設(shè)計(jì)更好的力學(xué)系統(tǒng)的工作了[4] 。在設(shè)計(jì)過程中，他們決定拋棄V-2火箭中的單引擎的設(shè)計(jì)思路，轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)多級(jí)火箭。土星1號(hào)和1B號(hào)反映了這些設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)仍然提供了一個(gè)基準(zhǔn)參考。土星5號(hào)的最終設(shè)計(jì)有若干個(gè)關(guān)鍵特征。工程師們認(rèn)為，最多好的發(fā)動(dòng)機(jī)使用F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)配合新型的稱為J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液氫推進(jìn)系統(tǒng)，這可以使土星C-5的配置達(dá)到最優(yōu)。1962年，NASA做出了最終計(jì)劃，決定按照馮·布勞恩的土星設(shè)計(jì)方案繼續(xù)研究，而這也為阿波羅計(jì)劃贏得了時(shí)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(zhēng)論之后，NASA決定采用月球軌道交會(huì)的方法。在推進(jìn)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(hào)被選為登月飛船的運(yùn)載火箭。這只火箭的建造過程自頂向下分為三個(gè)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(jì)，由其它合同商負(fù)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(xì)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(jí)的頂端。它在位于亨茨維爾的空間系統(tǒng)中心建造。這個(gè)計(jì)算機(jī)控制了火箭從起飛前一直到拋棄S-IVB推進(jìn)器的操作過程。它包含了為火箭導(dǎo)航和遙測(cè)的系統(tǒng)。通過測(cè)量加速度和火箭的高度，它可以計(jì)算出火箭的位置和速度，同時(shí)對(duì)偏向做出修正。
安全距離在出現(xiàn)事故需要火箭自毀的時(shí)候，靶場(chǎng)安全官員會(huì)用遙控方式關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，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(huì)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(dòng)作之間的暫停時(shí)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(jìn)系統(tǒng)逃離。第三個(gè)命令用于在S-IVB推進(jìn)器到達(dá)軌道后使自毀系統(tǒng)永久失效。當(dāng)火箭在發(fā)射場(chǎng)時(shí)，這個(gè)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(jì)了不同的幾類火箭。C-1火箭是土星1號(hào)運(yùn)載火箭的原型，C-2火箭設(shè)計(jì)在計(jì)劃早期就被拋棄了，而隨后開始了C-3火箭設(shè)計(jì)。這枚火箭試圖使用兩個(gè)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為第一級(jí)，四個(gè)J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為第二級(jí)，而第三級(jí)使用六個(gè)RL10火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。NASA計(jì)劃使用C-3作為地球軌道交會(huì)的運(yùn)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(shí)馬歇爾航天飛行中心已經(jīng)開始設(shè)計(jì)更大的火箭了，C-4，使用四個(gè)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為第一級(jí)，擴(kuò)大了C-3火箭的第二級(jí)，而第三級(jí)使用一個(gè)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)。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(huì)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(jì)劃。這枚火箭仍然由三級(jí)組成，第一級(jí)包括五個(gè)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)包括5個(gè)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，而第三級(jí)是另外一個(gè)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)。C-5火箭的運(yùn)載能力更強(qiáng)，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(cè)試在第一個(gè)模型完成前就開始進(jìn)行了。火箭的第三極被用作C-IB火箭的第二級(jí)，而C-IB火箭將要測(cè)試C-5火箭的設(shè)計(jì)概念和可行性，同時(shí)也用來提供對(duì)C-5火箭的繼續(xù)研究非常重要的飛行數(shù)據(jù)。除了對(duì)每個(gè)重要部件進(jìn)行測(cè)試以外，C-5火箭也進(jìn)行了整體測(cè)試，也就是一次包含了所有三級(jí)的第一次測(cè)試飛行。通過一次測(cè)試所有部件，試驗(yàn)飛行所需次數(shù)大大降低了。1963年，NASA確認(rèn)了選擇C-5火箭作為阿波羅計(jì)劃的運(yùn)載火箭，同時(shí)給了這枚火箭一個(gè)新的名字──土星5號(hào)[4] 。
發(fā)射紀(jì)錄
土星5號(hào)最后一次任務(wù)所發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室“土星5號(hào)”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(jì)劃發(fā)射19次，后來取消2次，實(shí)際發(fā)射了17次成，成功率達(dá)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(hào)開始是載人飛行。1968年12月21日發(fā)射的“阿波羅8號(hào)”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(hào)”的最后一次發(fā)射是在1973年，這次發(fā)射將“太空實(shí)驗(yàn)室”送入了近地軌道[5] 。
資金
從1964年至1973年，土星5號(hào)的總撥款高達(dá)65億美元，在1966年達(dá)到最高，僅一年中就撥了12億美元。阿波羅計(jì)劃被縮減的主要原因是資金。1966年，美國(guó)國(guó)家航空航天局的年度政府撥款高達(dá)45億美元，約為當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的0.5%。同年，國(guó)防部的政府撥款為635億美元，阿波羅計(jì)劃總共耗資約240億美元。[1] ，因此有人認(rèn)為，資金是美國(guó)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(hào)火箭在美國(guó)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(jí)推進(jìn)器來自SA-514，第二級(jí)來自SA-515，第三級(jí)來自SA-513(SA-513的第三級(jí)被替換成了天空實(shí)驗(yàn)室)。這些推進(jìn)器在1977年到1979年間運(yùn)抵航天中心，一直開放展出，直至2005年在其周圍建造保護(hù)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(hào)，其各級(jí)推進(jìn)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(cè)試推進(jìn)器和SA-514的第二級(jí)、第三級(jí)推進(jìn)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(jìn)行保護(hù)。兩枚火箭保存在亨茨維爾的美國(guó)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(jìn)器，這些推進(jìn)器都是用作測(cè)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(jìn)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(jìn)器在路易斯安那州的密喬裝配廠展出。SA-515的S-IVB推進(jìn)器用作天空實(shí)驗(yàn)室的備份，在華盛頓的國(guó)家航空航天博物館進(jìn)行展出。
火箭圖紙丟失事件及辟謠編輯長(zhǎng)久以來，土星五號(hào)設(shè)計(jì)藍(lán)圖遭銷毀的流言就沒有斷過，NASA官員出面澄清，土星五號(hào)設(shè)計(jì)藍(lán)圖依然完好。只不過，完全再照原樣重建會(huì)浪費(fèi)巨大資源，沒有任何實(shí)際意義 。
圖紙丟失美國(guó)國(guó)家航空航天管理局官員否認(rèn)了某書作者的一項(xiàng)聲明，該作者宣稱用來將阿波羅宇航員送入月球的強(qiáng)大的土星5號(hào)火箭設(shè)計(jì)藍(lán)圖已遺失。該否認(rèn)聲明是因太空網(wǎng)上的一則報(bào)道所引起，該報(bào)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(xiàng)宣稱，他說若干年前他一直在搜尋關(guān)于土星5號(hào)的設(shè)計(jì)藍(lán)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(guó)國(guó)家航空航天管理局檢查長(zhǎng)辦公室的一位官員對(duì)此作了官方辯護(hù)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(hào)藍(lán)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(hào)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(diǎn)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(hào)的技術(shù)資料保留計(jì)劃中有數(shù)十卷宗的相關(guān)資料. 這項(xiàng)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(duì)將來重新啟動(dòng)土星5號(hào)計(jì)劃有所幫助 。”
“重建土星5號(hào)所面臨的問題并不是要找到它的設(shè)計(jì)藍(lán)圖，而是要找到那些能夠提供20世紀(jì)60年代中期老的硬件設(shè)備的廠商，”他寫道，“事實(shí)是，發(fā)射臺(tái)和運(yùn)載火箭裝配車間已改裝成建航天飛機(jī)之用，所以也就沒有地方用來作為發(fā)射場(chǎng)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(jì)和改造發(fā)射臺(tái)時(shí)，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(hào)生產(chǎn)線花費(fèi)巨大，而且土星五號(hào)是美國(guó)20世紀(jì)60年代的科技產(chǎn)物與現(xiàn)在的美國(guó)航天技術(shù)相比已經(jīng)嚴(yán)重落后，為了滿足日益重要的高邊疆戰(zhàn)略計(jì)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(guó)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(yùn)載能力將達(dá)到143噸，甚至有可能達(dá)到165噸。相比之下，曾將宇航員送上月球的長(zhǎng)期休眠的土星V型火箭運(yùn)載能力為130噸，航天飛機(jī)的運(yùn)載能力為27噸，當(dāng)前最大的無人火箭更是只有25噸左右。