M-1火箭發動機

M-1火箭發動機是有史以來被設計並測試過的最大的液氫液氧火箭發動機。M-1火箭發動機被設計為海平面推力6670千牛(150萬磅力),真空推力8000千牛(180萬磅力)。如果完成,M-1火箭發動機將比著名的F-1火箭發動機更強大、更高效。

基本介紹

  • 中文名:M-1火箭發動機
  • 外文名:M-1 rocket engine
  • 質量:9068 kg
  • 長度:7.72 m
  • 直徑:4.28米
  • 氧化劑:液態氧
  • 燃料:液態氫
  • 海平面推力:6670千牛
  • 真空推力:8000千牛
  • 海平面比沖:428秒
  • 室壓:6900千帕
  • 動力循環:燃氣發生器循環
研究歷程,技術說明,

研究歷程

美國國家航空航天局(NASA)在1958年成立時,就開始計畫登月。他們的阿波羅計畫要求直接著陸月球表面,這需要一枚強大的火箭,將太空飛行器發射到地球低軌道。在NASA接管韋納·馮·布勞恩為美國軍方設計的“土星系列”運載火箭之前,他們沒有自己的超大型火箭設計。於是,他們啟動了一個名為新星火箭的研究計畫。最初,NASA對有效載荷要求相當小。最優秀的新星火箭設計使用了四台F-1發動機作為一級,能運送23,000千克(50,000磅)的有效載荷。這些設計於1959年1月27日提交給德懷特·德森·艾森豪總統。
然而,阿波羅計畫對載荷的要求迅速增長。計畫需要向月球發射三名航天員與一艘4500千克(10,000磅)的太空飛行器,這需要往地球低軌道發射57,000千克(12.5萬磅)的載荷。擁有這種能力的新星火箭需要多達8台F-1發動機作為第一級,還需要更強大的上面級,即需要M-1發動機。因此,在短暫的時間內,M-1發動機被選定用於NASA和空軍的登月計畫。
1961年,甘迺迪總統宣布,要在十年之內將航天員送往月球。經過短暫的爭論,NASA的計畫獲勝了。然而,製造新星火箭需要NASA當時並不具有的強大的生產能力,而且NASA不清楚在1970年之前能否及時啟動火箭的建造。到1962年,他們決定使用馮·布勞恩的土星系列火箭設計,該設計經歷了重製後,可以在加利福尼亞州和路易斯安那州的現有設施中建造火箭。
在土星系列火箭被選後,M-1發動機就被放棄了。但在不久後,在火星上載人登入的計畫被提出了。即使用像阿波羅計畫那樣的儘可能輕量化的方案,火星任務也需要大約450噸的低地球軌道運載能力。於是新的新星火箭計畫上馬了。
新設計使用M-1發動機作為其第二級引擎,但還要求更高的運載能力。為了實現這些目標,M-1發動機的推力從5300千牛(120萬磅力)提升到6670千牛(150萬磅力)。設計師加大了渦輪泵的動力,使其能產生8000千牛(180萬磅力)的真空推力,並且有潛力產生高達8900千牛(200萬磅力)的推力。此外,M-1發動機甚至被考慮用於許多其他火箭的第一級,代替F-1火箭發動機或4.6米(180英寸)的固體火箭發動機
隨著阿波羅計畫的擴大,美國航天局開始為M-1發動機項目削減資金,以便首先完成與土星五號火箭有關的設計。在1965年,NASA提出了土星五號火箭的升級版本,其第二級使用的是五台J-2火箭發動機,而不是M-1發動機。
在阿波羅計畫的後期,NASA關於資金的預期並不樂觀,於是決定終止一部分項目。結果新星火箭項目於1966年下馬,M-1發動機也隨之下馬。關於M-1發動機的設計就此結束。

技術說明

M-1使用燃氣發生器循環,它的液氫和液氧的渦輪泵完全分開,而不是共用一個渦輪泵。M-1使用的液氫和液氧泵是當時有史以來最強大的,液氫泵的功率為55,000千瓦(7.5萬馬力),液氧泵的功率為20,000千瓦(2700馬力)。
在大多數美式設計中,燃氣發生器發動機從渦輪機中直接排出廢氣。而對於M-1,它的渦輪機廢氣溫度相對更低,所以將其引導到發動機裙部下部的冷卻管中。這意味著僅需要在發動機的高熱區域(燃燒室噴嘴和裙部的上部部分)用液態氫冷卻,從而顯著降低冷卻管線的複雜性。廢氣在約371°C(700°F)進入裙部區域,加熱到約538°C(1000°F),然後通過裙部末端的一系列小噴嘴排出。廢氣產生了120 kN(28,000磅力)的推力。
啟動發動機時,需要使用儲存在單獨的高壓容器中的氦氣驅動泵。之後,燃料流入主燃燒室和燃氣發生器。主燃燒室由電點火點燃,然後火焰延伸到燃燒區域。關閉發動機時,只需簡單地切斷燃氣發生器的燃料供應,渦輪泵就會自身減速,最終關閉主燃燒室。
M-1在設計時,建造了一些渦輪泵和其他組件用於測試。在項目正式施行到下馬的三年中,共建成了八個燃燒室(其中兩個沒有冷卻系統),十一個燃氣發生器,四個液氧泵以及未完成的四個液氫泵。

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