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The first step on the moon——土星五號:前傳


知乎專欄年前的今天,執行「阿波羅號」任務的土星五號運載火箭在卡納維拉爾角-A發射架上進行了飛行時序測試。嗯,至於為什麼不在出廠這種更具有里程...

- 2019年6月01日13時33分
- 科學文摘 / 知乎專欄

知乎專欄

50年前的今天,執行「阿波羅11號」任務的土星五號運載火箭在卡納維拉爾角39-A發射架上進行了飛行時序測試。

嗯,至於為什麼不在出廠這種更具有里程碑意義的時間點上發,是因為我才發現這發火箭在5月20號就總裝完出廠,當天就送上卡角39-A發射架了。要知道那個時候「阿波羅10號」還在奔月的路上,美國人為了實現先總統甘迺迪「1960年代實現載人登月」這一遺願也真是拼盡了全力。

在知乎航天板塊待過的,不管是掃了一眼還是有深入的閱讀,基本都繞不過「土星五號」這個人類歷史上的推進之王(……)。3000噸的起飛質量相當於把一艘「基林」級驅逐艦發射升空,LMO(近月球軌道)45噸的運力相當於再把上面的一座炮塔送入月球軌道。


當然這裡今天主要講講它的前傳——土星-1以及土星-1B運載火箭的故事,以及別的一些小內容。

在甘迺迪總統慷慨激昂的演(shu)說(flag)之前,美國人早就研究了載人登月的事項,錢學森老先生在1963年出版的《星際航行概論》中也指出了這一點,提到美國人打算使用C-1「土星」運載火箭開展登月計劃,當然在下一頁,他就說把C-5整出來比較現實。

這個表單實際上是對應的Saturn-1的內容,就是題圖第一枚火箭,除了構型有差異(實際二級用6枚RL-10)以及高度為162英尺(49m)之外還是頗為接近的,當然錢老的吐槽也很犀利

不過值得說明的是,C-1運載火箭早就在1957年4月的時候就提出來了,那個時候甚至離蘇聯人發射人類第一顆人造地球衛星還有半年時間。那會兒定下的指標是要能把20000-40000磅(9-18噸)的載荷送入近地軌道,把6000-12000磅(2.7-5.4噸)的載荷送出地球引力圈。在那個兩眼一抹黑的時代,過去的科學家居然敢定下即使放到今天來看也絲毫不會遜色的指標,足以說明當時的科學界是有多麼的敢想敢幹。

更敢想敢幹的就是C-1的芯一級居然有8台H-1發動機。難怪錢老在下面就毫不留情地諷刺了美國人一把。當然這個操作不是最騷氣的,畢竟論芯一級發動機誰多,蘇聯人表示你們美國人膽子還是太小,我們30多個發動機都沒說什麼。更騷氣的做法是,為了保證每台發動機都能有足夠的助燃劑能進入,這個液氧貯箱愣是給設計成長條形的,在煤油貯箱旁邊圍了一圈。最後還搞得突出了一點,讓芯一級外觀整體看起來稍微有點奇怪。

芯一級的簡版結構,注意這菊花


實際吊裝中的芯一級

最要命的是這幫美國人居然還莽成了!

1961年10月27日,C-1運載火箭成功帶著模擬載荷升空。當然錢老表示這在意料之內,還有很長一段路要走。而事實上也確實如他所言,用C-1運載火箭送人到月球,需要至少10次的發射,在近地軌道對接才能成型。而這種技術即使在今天也是頗有難度的。因此靠C-1(1963年更名為土星-1)以及C-1B(即土星-1B)是遠遠不夠的,所以最後美國人選用了C-5運載火箭(就是如今的土星5號)來達到載人登月的目的。

C-1起飛瞬間

而1961年C-1的起飛內容如前面所言,攜帶了第二級與第三級的模擬載荷,而第二級的模擬載荷模擬的是S-IV,第三級模擬的是S-V。其中,S-IV的改型(即換髮J-2發動機以及拉皮型號)S-IVB日後不僅成為了土星-1B的芯二級,更是成為了土星五號的第三級,且就是S-IVB帶著「阿波羅」宇宙飛船完成了圓化軌道以及奔向月球的目標。

左邊即為搭載模擬載荷的構型,右邊即為搭載登月飛船模型的構型

從任務整體上看,C-1運載火箭利用現有已有的技術技術,用來驗證S-IV上面級技術;飛航控制、儀器儀表技術;並且利用它來發射10噸級的大型載荷(飛馬座氣象衛星,首射於1965年)以及阿波羅模型的驗證飛行。

土星-1運載火箭的任務

所以你們可以在這裡看到,航天科學的發展,甚至包括人類科學的發展,還是很符合所謂「草蛇灰線,伏行千里」的含義的。往往覺得「突然」就完成的事情,早在幾年前,甚至幾十年前就已經做好準備了。

當然錢老由於是1955年回國的,自此之後也很難再通過渠道了解美國航天計劃的一些細節性內容了。比如在1961年的5月份,NASA決定除非特殊的發射任務,否則一般不攜帶S-V上面級;以及LR-115此前作為與LR-119發動機競爭的產品,獲得了勝利,並被安裝在C-1上,但NASA在1961年3月決定放棄繼續研製LR-119改為研究RL-10發動機,而RL-10發動機在同年11月研製成功,因此此後的C-1芯二級的發動機均為RL-10,且把原定用在上面級的發動機挪了下來,給二級搭載6台。

依舊是1961年,C-5的構型得到確認,S-1C為芯一級,S-II為芯二級,S-IVB為芯三級(就是題圖最右邊的那個龐然大物),且分別確定了承包商為波音公司、北美航空公司以及道格拉斯公司。其中的各種甲方的微調操作按下不表,1961年的上半年還是百家爭鳴構型設計的時代,而下半年就連承包商都確定了。這是何等可怕的效率!

而火箭發動機的研製要更加早。土星-1所使用的8台H-1發動機在1958年就基於前身S-3D火箭發動機研製完畢,在1959年即成熟下線,甚至在1961年開展了發動機復用的驗證!

沒錯,把火箭從海水裡打撈上來看看能不能用,在50年前就有人在做了

而作為S-II與S-IVB級發動機的J-2在1963年12月完成了8分鐘的加長程試車,正式可用。

J-2發動機燃燒時間長,條件也更苛刻一些,研究所需時間也比較長

作為S-IC級主發動機,關係到土星五號能不能正常起飛的F-1大推力發動機,則在1962年經歷了3年研製後,完成了全推力長程試車,正式可用。

你可以想像一下這頭巨獸的怒吼

火箭發動機這部分的測試已經在1963年全線完成,而載荷能不能與最後的火箭部分適配,那是另一回事。「阿波羅」飛船的部分是與S-IVB上面級進行連接的,要想完整驗證飛船-火箭部分的運行能力,勢必要開展飛船-上面級聯合飛行試驗。

也由此,C-1B(1963年定名為土星-1B)作為一個過渡型號被搬上了台面。

S-IV/S-IVB在土星系列運載火箭上的位置及形貌

土星-1B在土星-1的基礎上將尾翼改為8片小尾翼(KSP玩家喜歡做的事情+1),省去了一些冗餘結構,改裝了一個S-IVB型的上面級。這些內容雖然看起來很簡單,實際上,由於土星-1B需要承擔載人發射的任務,其可靠性要求上了不止一個台階,也正是由於這樣的原因,土星-1B的首次發射在1966年2月26日完成,搭載了「阿波羅」飛船開展了亞軌道飛行。


AS-201任務,土星-1B的首次飛行

載人測試原定在1967年1月27日,AS-204任務開展。但大家都知道那一天發生了慘案,3名太空人不幸在大火中殉職。此后土星-1B的載人飛行在1968年10月11日阿波羅7號任務中完成。而此時,距離甘迺迪總統提出的deadline已經不足14個月了。

從整體任務上看,土星-1B運載火箭利用土星-1運載火箭取得的一系列技術成果,將直接對「阿波羅」飛船進行飛行試驗,包括但不限於整機軌道飛行測試,登陸器飛行測試,再入回收測試;飛船軌道規劃;在軌人員訓練;大推力發動機驗證(J-2);改進S-IV上面級為S-IVB以適配土星五號任務需求;20噸級重型衛星的發射。

土星-1B運載火箭的任務

實際上,土星-1B與土星五號攜帶的S-IVB上面級也存在一些差異。按照土星-1B的飛行時序,S-IVB僅僅需要飛行十幾分鐘,而土星五號的飛行時序要求S-IVB能飛行4.5小時。作為氫氧上面級,「氫漏」的問題從S-IV上面級任務一誕生,就困擾著道格拉斯公司的工程師們。液氫的泄漏率在S-IV中為110L每分鐘,地面上等待起飛的時候,可以通過源源不斷地補充液氫來解決,而天上怎麼辦?因此為了補齊4.5小時的泄露量,S-IVB的液氫儲罐在原計劃253000L的基礎上又增加到了272000L。而同樣由於其它工況的不同,用在土星-1B上的S-IVB上面級跟用在土星五號上的S-IVB上面級在其他方面勢必還要產生一些微調。

土星-1B與土星五號所使用的S-IVB上面級的差異

可以看出,土星五號的S-IVB級需要重一些。

這些多出來的質量包括:

前部裙環——土星五號需要加載更多的載荷(比如一個滿油的登陸器);

輔助推進系統以及損耗部分——土星五號需要更少的液氫蒸發率以及以及更精確的入軌要求;

後部裙環——土星五號需要加載更多的載荷(比如前面的一堆東西);

推進系統——土星五號為了減少液氫蒸發率將使用更多的液氦進行冷卻,同時J-2發動機需要實現二次點火以將「阿波羅」飛船推入地月轉移軌道;

級間段——下面一級的直徑增大了。

為了攢出土星五號運載火箭的全部前置條件,NASA的工程師們設計了兩款運載火箭,四款發動機,攻克了大大小小的難關,在最短的時間內,用儘可能少的資源,驗證了儘可能多的內容。這是NASA面對蘇聯人在航天事業上節節推進壓力下的動力,也正是NASA的這份效率,讓美國總統甘迺迪敢於在1962年發表演說,稱人類要在1970年之前登上月球。「MAGA」不是靠嘴上說就能說來的,這背後需要千千萬萬的一線技術工人、一線科研人員的奮鬥以及努力才能換來的。當我在看到這些內容的時候,不得不佩服當年美國人在這種壓力下的強大鬥志。

現在,什麼都有了,一架劃時代的運載工具即將揭曉。


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