S-IC
土星五号火箭的第一级
(读作S-one-C)是土星五号火箭的第一级,由波音公司制造。S-IC上超过2000吨的质量都是推进剂煤油和液氧,这些推进剂产生33000KN的推力使火箭上升64千米。S-IC的五台F-1发动机中一台固定在中央,其余四台分部四角,可由液压装置控制方向。
人物影响
在1946年9月美国总统杜鲁门开展的回纹针行动中,德国科学家沃纳·冯·布劳恩被选为引入美国的大约700名科学家的一员。从那时起,土星5号运载火箭的设想就开始了。这项行动的目的是将这些科学家与他们的经验一起带回美国,从而使美国在冷战中取得优势。为了合法的将这些曾经积极参与过纳粹活动的科学家带回美国,陆军部的联合情报机构成员篡改了包括冯·布劳恩在内的档案,以淡化他们对纳粹的同情。由于冯·布劳恩直接参与了V-2火箭的研制工作,美国让他加入了陆军火箭设计部门。在1945年到1958年间,他的工作被限制在将V-2火箭的设计思想和方法传授给美国工程师。尽管冯·布劳恩在未来的空间运载火箭方面发表了很多文章,NASA仍然继续资助空军和海军的火箭项目以测试他们失败了很多次的前卫导弹。直到1957年,苏联发射了斯普特尼克1号卫星,美国政府和军方才开始正式的考虑将美国人送上太空的计划。由于冯·布劳恩和他的团队在这些年间已经研制并试验了木星系列火箭,美国政府最终找到了他们。木星C火箭在1958年1月成功的将美国的第一颗人造卫星送入太空。木星系列是冯·布劳恩研制土星火箭的重要阶段,后来他称之为土星婴儿期。60年代初期,苏联在太空竞赛领先于其对手美国。1961年4月12日,苏联宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空的人。美国总统约翰·肯尼迪认为为了在太空竞争中胜过苏联人就需要首先登月,他在1961年5月25日宣布美国会在1970年之前将宇航员送上月球,而在那时,美国仅有的一次载人太空任务是艾伦·谢泼德的自由7号,且仅在太空停留了15分钟,尚未进入近的轨道。在肯尼迪讲话后不久,冯·布劳恩就被要求开始为NASA工作,领导载人航天的火箭设计和制造工作了。
设计及制造
土星5号的设计起源于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开始出现。首先是土星1号和1B号,最终是土星5号。冯·布劳恩在马歇尔航天飞行中心领导了一个团队,来建造一个足以将一艘宇宙飞船送上登月轨道的运载火箭。在他们转为NASA工作以前,冯·布劳恩的团队就已经开始进行增加推力、减少操作系统复杂度和设计更好地力学系统的工作了。在设计过程中,他们决定抛弃V-2火箭中的单引擎的设计思路,转而设计多级火箭。土星1号和1B号反映了这些设计思想的变化,却仍不足以将一艘载人宇宙飞船送上月球,需要若干次发射才能将登月所需要的各个部件送入轨道。但是在NASA做出最优登月方式的决定的过程中,他们的这些设计仍然提供了一个基准参考。
土星5号的最终设计有若干个关键特征。工程师们认为,最好的发动机使用F-1火箭发动机配合新型的称为J-2火箭发动机的的液氢推进系统,这可以使土星C-5的配置达到最优。1962年,NASA做出了最终计划,决定按照冯·布劳恩的土星设计方案继续研究,而这也为阿波罗计划赢得了时间。
随着火箭的配置工作的完成,NASA开始考虑选择登月的任务模式。在争论之后,NASA决定采用月球轨道交会的方法。在推进燃料的选择、燃料需求量和火箭制造过程等等问题都得到了解决之后,土星5号被选为登月飞船的运载火箭。这只火箭的建造过程自顶向下分为三个部分:S-IC、S-II和S-IVB,每一部分都由冯·布劳恩在亨茨维尔设计,由其它合同商负责制造,如波音、北美航空、道格拉斯飞行器公司以及IBM
资料
数据
高度 42 m (138 英尺)
直径 10 m (33 英尺)
质量 2,280,000 kg
(5,030,000 lb)
发动机s 5台 F-1
推力 33,400 kN
(7,500,000 磅力)
燃烧时间 150 s
燃料 RP-1/液氧
制造
1961年12月15日,波音公司拿到了S-IC的生产合同,与此同时马歇尔航天飞行中心(MSFC)的工程师们正在挑选总设计师。S-IC的制造车间是位于新奥尔良的米丘德装配厂,而制造设备在威奇托市生产。S-IC的风洞试验在西雅图进行。
MSFC制造了前三个测试体(S-IC-T、S-IC-S、S-IC-F)和前两个实际应用模块(S-IC-1、-2)。制造S-IC的推进剂箱要7至9个月,完成整级的制造要14个月。
组件
S-IC剖面图S-IC上最大最重的部件是推力受力结构,重达21吨,它将五台发动机的推力均匀地分配给箭体。箭体上四个4.3米长,816kg重的稳定锚定是美国当时制造的最大铝制品,这四个锚定可承受1100 °C高温。
S-1C-10、S-1C-11和S-1C-9受力结构之上是燃料箱,装有770,000升精炼煤油。燃料箱自重11吨,每秒可放出7300升燃料。火箭发射前,不断有氮气通入燃料箱保持燃料混合。起飞后,由液氧箱上的氦气箱提供供液压力。
液氧箱装有1,204,000升液氧,液氧箱到发动机的输送管道是直的,且贯穿燃料箱,设计师为此采取了必要的隔热措施。
应用
编号 用途 发射日期 当前位置 注释
S-IC-T 静态试车 在肯尼迪航天中心展示
S-IC-S 结构负荷测试(未装发动机) 未知(最后一次出现是在马歇尔航天飞行中心)
S-IC-F 测试发射设施 未知
S-IC-D 地面动态测试 美国太空和火箭中心
S-IC-1 阿波罗4号1967年11月9日 马歇尔航天飞行中心制造
S-IC-2 阿波罗6号 1968年4月4日 马歇尔航天飞行中心制造,尾部加装了摄像头
S-IC-3 阿波罗8号1968年12月21日 北纬30度12分,西经74度7分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符 由此之后的箭体都由波音制造;质量减少了560kg,有效载荷增加36kg
S-IC-4 阿波罗9号1969年3月3日 北纬30度11分,西经74度14分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符
S-IC-5 阿波罗10号 1969年5月18日 北纬30度11分,西经74度12分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符 S-IC R&D仪器的最后一次使用
S-IC-6 阿波罗11号 1969年7月16日 北纬30度13分,西经74度2分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符
S-IC-7 阿波罗12号 1969年11月14日 北纬30度16分,西经74度54分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符
S-IC-8 阿波罗13号 1970年4月11日 北纬30度11分,西经74度4分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符
S-IC-9 阿波罗14号 1971年1月31日 北纬29度50分,西经74度3分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符
S-IC-10 阿波罗15号1971年7月26日 北纬29度42分,西经73度39分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符
S-IC-11 阿波罗16号 1972年4月16日 北纬30度12分,西经74度9分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符
S-IC-12 阿波罗17号 1972年12月7日 北纬28度13分,西经73度53分表达错误: 未预料的 / 运算符;-表达错误: 未预料的 / 运算符
S-IC-13 天空实验室 1973年5月14日 将发动机关机顺序从1-4式[1]改为1-2-2式[2]以减小阿波罗望远镜座的加速度负荷
S-IC-14 未使用 和土星五号一起在约翰逊航天中心展示 原计划用于阿波罗18号或19号
S-IC-15 未使用 米丘德装配厂 作为天空实验室发射火箭的备份
S-IC工作时序
S-IC推进器大约工作2.5分钟,它将土星五号火箭主体推送到距地68千米的高空,火箭速度达到9920千米/小时。届时它共将消耗2000吨燃料。
在发射前8.9秒,第一级推进器点火时序开始。中央发动机首先点燃,随后周围相对的发动机以300毫秒的间隔点火,以减小火箭的结构负载。当箭载电脑对推力确认以后,火箭通过两个阶段进行软释放。首先,压紧火箭主体的臂将主体松开,然后,在主体开始向上加速的时候,它通过拉掉固定的锥形金属销钉减速约半秒钟。一旦火箭起飞后发动机出现故障,它将无法安全的返回到发射场。
火箭离开发射塔需要大约12秒钟。在这段时间,火箭将偏斜1.25度,以保证能够即使在逆风情况下也能安全的离开发射塔。这个偏斜量虽然很小,但是也能在从西边或东边拍摄到的发射照片中观察到。在高度大约130米的时候,火箭将调整到正确的航向,然后逐渐的压低角度,直到第二级推进器点火后38秒。这个压低的程序根据在发射的那个月中的主要风向设定。四个外侧的发动机也向外倾斜,这样在一个外侧发动机关闭的情况下,仍然可以保持剩余火箭发动机的推力在火箭的重心之上。土星5号火箭迅速的加速,在高度大约1600米的时候,速度会达到约120米/秒。早期飞行的大多数时间都在提升火箭的高度,后面才开始有速度要求。
在起飞后大约80秒的时候,火箭将进入最大动压区并达到最大动态压力。火箭上的动态压力随空气密度的变化于相对速度的平方发生变化。尽管速度不停地增加,空气密度随减小得更快,从而使空气压力小于最大动态压力。S-IC推进器工作时的加速度增加有两方面原因,推进剂的质量减小了,F-1火箭发动的推力在稀薄空气中的效率提高从而使推力增加。
在起飞后135秒左右,中央的发动机关闭以将加速度限制在4g(39.2m/s)以下。外侧发动机继续燃烧,直到传感器检测到氧化剂或者燃料消耗完毕。第一级推进器在关闭发动机后略小于1秒后分离,以利用F1发动机的剩余推力。八个较小的固体燃料分离发动机使S-IC推进器从级间结构脱离,这时火箭的高度大约67千米。第一级随后依其弹道上升至大约109千米高,然后坠入560千米外的大西洋。
最新修订时间:2024-07-22 16:48
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参考资料