打开

土星5火箭有多暴力?每秒烧掉3940kg煤油,功率超5个三峡电站

subtitle
一千零一味 2020-12-21 23:34

美国上世纪六七十年代用于登月的土星五火箭,使用5台F1火箭发动机。

5台F1发动机并联,推力3500吨,总功率高达1.18亿千瓦。

打开网易新闻 查看更多图片

三峡水电站的机组满发功率为2250万千瓦,所以土星5号的功率已经超过了5个三峡电站。

这个数字实在是太夸张了,远远超出通常的想象,有些吃瓜群众对这个数字表示怀疑,现在我们就算一下。

F1火箭发动机使用的燃料是煤油,使用的氧化剂是液氧。

一台F1火箭发动机每秒钟消耗788公斤煤油,5台火箭发动机每秒钟一共消耗3940公斤煤油。

煤油的燃烧热是4.6×10的7次方焦耳,3940公斤煤油可以释放出的能量为3940×4.6×10^7=181240000000焦耳,相当于1.8124亿千焦。因为能量是在一秒钟之内释放出来的,所以理论计算出来的5台火箭发动机的燃烧功率是1.8124亿千瓦。

喷气引擎的功率都远远的超过内燃机的功率。一般的情况下,航空喷气发动机的功率超过同等重量内燃机的两个数量级以上,而火箭发动机又比航空发动机的功率高两个数量级以上。

所以,火箭发动机的功率高的看起来非常夸张。

大功率液体火箭发动机使用的燃料消耗速度非常快,如何让这些燃料在短时间内充分燃烧是一个大的难题,这也是火箭发动机设计上的难点。

煤油的密度比水低。一台F1发动机,每秒钟要向燃烧室内喷射接近一立方米的煤油,怎么能够保证充分燃烧?

除此以外,每台F1发动机每秒钟还要消耗1790公斤的液氧。

泵送煤油、液氧的涡轮泵是用火箭本身的燃料驱动的。

●包在发动机外面的很粗的这个排气管,就是涡轮泵的废气排泄装置。

F1发动机涡轮泵消耗的燃料是不产生推力的,因此土星5号的总功率只有1.18亿千瓦,而不是燃烧的热功率1.8亿千瓦。

火箭的燃料进入燃烧室之前,必须呈气态才能够充分燃烧,而液氧是低温液态,煤油在常温下是液态。

所以在进入发动机的主燃烧室之前,必须预热。F1发动机喷管上部是燃烧室,密排在燃烧室外部的小管道内部流动的,就是需要预热的工质。

同时这部分工质也在预热的过程中冷却了发动机主燃烧室的外壁。

加热后的燃料和氧化剂,通过燃烧室顶部的喷射盘喷出。

●这个多孔的结构,像煤气炉火眼一样的东西就是喷射盘。

喷射盘上的喷射孔呈同心圆状分布,间隔喷射燃料和氧化剂。

这样就能保证氧化剂和燃料比较充分混合,所以每台发动机每秒钟喷射1立方米煤油也不会熄火。

即便如此,就像上文中所计算的那样,燃料的热效率只能达到65%。

只要能增加10%的燃烧效率,就能够提高10%的荷载。这10%的荷载基本上就可以让火箭的有效载荷翻一翻,所以提高火箭发动机的燃烧效率,非常有意义。

为了达到这个目的,现在新研制的火箭发动机都采用了全流量分级燃烧的方式。

也就是说火箭发动机的燃料在进入主燃烧室之前先燃烧一次,然后再进入主燃烧室燃烧。

●全流量分级燃烧火箭发动机的工作示意图。

分级燃烧分成两部分,一部分是少量氧化剂和大量的燃料混燃,另一部分是大量氧化剂和少量的燃料混燃,分别产生富燃燃气和富氧燃气,然后在主燃烧室汇合二次点燃(又称高压补燃)。

与F1发动机相比,分级燃烧发动机的燃料泵燃烧后产生的废气也会产生推力,这样就提高了效率。

●SpaceX公司的猛禽火箭发动机是全球第1台全流量分级燃烧发动机。

我国嫦娥5号飞船落月以后返航,并且带回了两公斤的土壤样本。而且,除了没有宇航员和生命维持系统以外,嫦娥宇宙飞船的结构完全模拟了美国阿波罗号宇宙飞船的4部分结构:返回舱、服务舱、登陆器和上升器。

而且我国已经实施了载人航天工程,在宇航员的生命维持系统这一部分和美国没有差距。

从总的技术难度上来说,中国已经具备和美国载人登月完全相当的水平。

目前,中国和美国载人登月最大的差距就在于火箭发动机的问题。

长征5号运载火箭虽然叫胖五,但是还不够胖大。

用于载人登月的火箭都要达到土星5号那个级别的,也就是3000吨以上。

我国对标土星5号,用于载人登月的火箭,是长征九重型运载火箭。该火箭的发动机以液氧、煤油为工质,采用全流量分级燃烧方式。

根据公开的资料,这个发动机的推力是500吨级别的,虽然达不到土星5号F1火箭发动机的推力指标,但是效率更高。

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。
669赞
大家都在看打开应用 查看全部
网易热搜每30分钟更新
打开应用 查看全部
打开