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性能强悍：是什么原因使土星5号的推力如此强大？

土星5号火箭“强大”的一个关键原因（我说的是“有效载荷”） ， 是它的第二级J-2发动机的比冲（Isp）性能（相对而言）有了巨大的提升 。 我们可以看到 ， 前苏联设计并制造了N-1这种巨型火箭 ， 这个巨大的火箭产生的推力比土星5号还高50％ ， 但是它的有效载荷大大低于土星5号 。 怎么会这样呢？是因为土星5号使用了更高级的引擎 ， 而且使用液氧(LOX)和高精炼煤油(RP-1)作为推进剂 。 尽管N1使用了非常雄心勃勃的热力学循环（LOX的富氧分级燃烧）运行 ， 但是它的发动机的效率(Isp)却远远落后于J-2发动机 。
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发动机测试
土星5号的五架F1发动机的容量几乎是航天飞机的5倍
我们应该记住 ， 尽管F-1的发动机统计数据显然是最高级的 ， 但当运载火箭开始在其较高级飞行时 ， 它就成为“Isp的全部” 。 因此 ， 在150万磅推力（海平面）的作用下 ， 土星V的5架F1拥有足够的动力来举起36层楼高的巨型火箭 ， 并向轨道输送119吨的负载 。 它几乎是航天飞机容量的五倍 。 总之 ， F-1发动机仍然是有史以来最强大的单燃烧室液体推进火箭发动机 。
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肯尼迪航天中心展出的土星5号火箭上安装的五台F1火箭发动机之一
土星五号火箭的功率和扭矩是多少？
每个F1发动机都有一个燃气发生器 ， 可提供55,000制动马力（41MW） ， 每秒可将976升RP-1和1,565升的液氧泵入燃烧室 。 这与为现在的超深水钻探船所提供的16公里钻杆旋转钻入海底8公里所需发动机的功率大致相同 ， 但这只是为一台火箭发动机输送燃料的功率 。 将发动机功率与火箭推力联系起来很困难 ， 活塞发动机本身不会移动飞行器 ， 因此通常根据其传递给驱动轴的功率来进行计算 ， 该值与节气门直接相关 。 火箭可立即提供推力 ， 因此可通过直接推力进行评估 ， 该值会随气压和飞行器速度而变化 。 活塞发动机将具有恒定的100％功率 ， 螺旋桨的推力将随速度变化 。 火箭将具有恒定的100％推力 ， 功率将随速度而变化 。
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土星5号火箭助推器
每架F1产生6770千牛的推力
这样测试可以得出一些独特的结果 ， 每台F1发动机在制动板上产生了6770千牛（1,746,000磅）的推力 。 但是直到火箭开始移动之前 ， 任何火箭发动机的推力都是零 ， 此静态测试在零马力的情况下声音非常大 。 F1发动机在燃尽时产生了7766千牛（1,746,000磅）的推力 ， 此时飞船以6,000mph即：每秒2.68公里(1.67英里)的速度运动 。 那就是说每个引擎1,746,000lb（磅）*8,800ft（英尺）/550=27,936,000hp（马力） ， 那第一级燃尽 ， 四个引擎总功率为111,744,000hp（马力） 。 但这是一个无意义的数字 ， 这就是为什么火箭通常不以马力来计算 。
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土星VF-1火箭发动机 ， 在新墨西哥太空历史博物馆
但土星5号火箭会产生马力吗？
火箭不会产生马力 ， 马力是“功率”的单位 ， 它是工作的时间导数 。 火箭也不产生正常意义上的“功” 。 诸如涡轮发电厂或汽车发动机之类的东西会产生“功” ， 即它们会“产生”以给定速度旋转的轴 ， 并能够在传递给定扭矩的同时以该速度旋转 。 输出轴的扭矩和速度的乘积是功率 ， 可以用马力来额定 。 因此 ， 土星5号火箭（或其他火箭）不会产生任何一种 。 火箭只会产生一件事 ， 而只会产生一件事 ， 这很重要 ， 有些人声称 ， 火箭至少在某种意义上产生了“功” ， 因为当乘以推力时 ， 火箭当前的飞行速度等于“动力”的单位 。 但是 ， 由于以下原因 ， 即使这样也会产生误导 。 不管发动机本身是否在运转 ， 涡轮发电或汽车发动机发电都会产生相同的功率 。 对于火箭 ， 静态发射（速度=零）时产生的“功率”（根据此定义）等于零 。 因此 ， 我们将计算的“功率”是火箭飞行条件的强大函数 。 而且 ， 这些飞行条件可以像静态射击一样任意改变 。 因此 ， （至少以我的经验）这样的定义没有用 。
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1967年11月9日土星5号的首次发射
火箭的“力量”是什么？
有时还将火箭发动机的“功率”引用为燃料的质量流率 ， 即仅燃料（不计算氧化剂）乘以燃料的“热值”或“燃烧热” 。 因此 ， 这可能也不是最有用的定义 。 因为按照定义 ， 以这种方式产生的大量“力量”没有用 ， 但经常被媒体引用 。 根据以上定义 ， 土星5号在其第一级F-1发动机上运行时的“功率”约为160,000,000马力 。 2013年 ， 从事下一代SLS火箭研究的NASA工程师启动了一项程序 ， 从土星5号的第一阶段开始对F-1发动机进行重新测试 ， 以更深入地了解它的制造方式和工作方式 。 新的数据将帮助那些工程师将宇航员重返月球 ， 这些组件的工作涉及热火测试 ， 3D扫描和气体发生器测试 。
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土星5号发射
土星五号为何如此剧烈摇晃？
这本质上是前两个阶段庞大的规模以及工程师对如此大的阶段缺乏经验的结果 。 F1在洛克达来说是有史以来最强大的内置引擎 ， 即使今天 ， 也是如此 ， 在燃烧室中的不稳定性可能会形成强大的谐波足以毁灭发动机 。 但这是在60年代中期 ， 他们显然解决了这一问题 ， 方法是用手在燃料入口上随机增加一些孔 ， 直到获得可接受的结果为止 。 但是 ， F1发动机仍然是“摇摇欲坠”的动力装置 。 要知道 ， 至少两种谐波放大使这种情况变得更糟 ， 甚至更糟 。 首先是燃料箱和氧化剂箱的振动 ， 由于这些设备各载有几十吨重 ， 很容易就摧毁一个发射台 。 解决方法是安装挡板以减慢设备内部的晃动和移动 。
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土星5号和德裔火箭专家沃纳·冯·布劳恩
什么是POGO？
第二个是馈线振荡 ， 这可能会导致推力振荡（POGO） 。 这可能会增加馈线的振荡 。 它可能会创建一个反馈回路 ， 然后……“砰” 。 在土星5号火箭上以多种方式处理了POGO ， 但从未完全解决 。 直到阿波罗13号 ， 第二级中央引擎被认为由于POGO导致失灵 ， 随后的飞行被提前结束 。 为了解决这个问题进行了许多修改 ， 最显着的是 ， 第二级中央引擎被设置为提前关闭 。 第一级中央发动机已经提前关闭以限制G力负载 。
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土星5号（SA-508）搭载阿波罗13号在1970年4月11日发射
在阿波罗13号（Apollo13）发射期间 ， 第二级中央引擎在无法关闭之前发生了故障 。 并且据了解 ， 其馈送线由于摇晃而失效 。 工程师将其设置为在此之后更早关闭 ， 并且在随后的飞行没有进一步的问题 。 简而言之 ， 答案就是 ， 每当拥有一台强大的机器 ， 在充满大量松散物质的密闭空间中释放大量能量时 ， 这就有了灾难的根源 ， 船舶和飞机坠毁仅仅是因为货物质量的意外变化 。
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搭载阿波罗12的土星5号火箭在装配大楼涂装
题外话：为什么土星5号火箭被涂成黑色和白色？
在土星5号被刷成白色为主 ， 主要是因为它坐落在炎热的佛罗里达州发射台 ， 为保持火箭的体温降低了燃油的蒸发并提高了总体安全性 。 当飞船在起飞时围绕其垂直轴旋转时 ， 黑色标记是有助于地面相机进行滚动测量 。 有一个很酷的答案 ， 这一切都归结为温度 。 在土星5号是一个标志性的火箭 ， 它的黑色和白色的油漆计划是非常容易辨认 。 就像它的技术遗产一样 ， 我们也可以将其风格根源追溯到二战德国 。
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