燃燒室 土星5火箭有多暴力？每秒燒掉3940kg煤油，功率超5個三峽
美國上世紀六七十年代用于登月的土星五火箭，使用5臺F1火箭發(fā)動機。5臺F1發(fā)動機并聯，推力3500噸，總功率高達1.18億千瓦。
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三峽水電站的機組滿發(fā)功率為2250萬千瓦，所以土星5號的功率已經超過了5個三峽電站。這個數字實在是太夸張了，遠遠超出通常的想象，有些吃瓜群眾對這個數字表示懷疑，現在我們就算一下。F1火箭發(fā)動機使用的燃料是煤油，使用的氧化劑是液氧。一臺F1火箭發(fā)動機每秒鐘消耗788公斤煤油，5臺火箭發(fā)動機每秒鐘一共消耗3940公斤煤油。
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煤油的燃燒熱是4.6×10的7次方焦耳，3940公斤煤油可以釋放出的能量為3940×4.6×10^7=181240000000焦耳，相當于1.8124億千焦。因為能量是在一秒鐘之內釋放出來的，所以理論計算出來的5臺火箭發(fā)動機的燃燒功率是1.8124億千瓦。噴氣引擎的功率都遠遠的超過內燃機的功率。一般的情況下，航空噴氣發(fā)動機的功率超過同等重量內燃機的兩個數量級以上，而火箭發(fā)動機又比航空發(fā)動機的功率高兩個數量級以上。
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所以，火箭發(fā)動機的功率高的看起來非常夸張。大功率液體火箭發(fā)動機使用的燃料消耗速度非常快，如何讓這些燃料在短時間內充分燃燒是一個大的難題，這也是火箭發(fā)動機設計上的難點。煤油的密度比水低。一臺F1發(fā)動機，每秒鐘要向燃燒室內噴射接近一立方米的煤油，怎么能夠保證充分燃燒？除此以外，每臺F1發(fā)動機每秒鐘還要消耗1790公斤的液氧。泵送煤油、液氧的渦輪泵是用火箭本身的燃料驅動的。●包在發(fā)動機外面的很粗的這個排氣管，就是渦輪泵的廢氣排泄裝置。
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F1發(fā)動機渦輪泵消耗的燃料是不產生推力的，因此土星5號的總功率只有1.18億千瓦，而不是燃燒的熱功率1.8億千瓦。火箭的燃料進入燃燒室之前，必須呈氣態(tài)才能夠充分燃燒，而液氧是低溫液態(tài)，煤油在常溫下是液態(tài)。所以在進入發(fā)動機的主燃燒室之前，必須預熱。 F1發(fā)動機噴管上部是燃燒室，密排在燃燒室外部的小管道內部流動的，就是需要預熱的工質。同時這部分工質也在預熱的過程中冷卻了發(fā)動機主燃燒室的外壁。加熱后的燃料和氧化劑，通過燃燒室頂部的噴射盤噴出。●這個多孔的結構，像煤氣爐火眼一樣的東西就是噴射盤。
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噴射盤上的噴射孔呈同心圓狀分布，間隔噴射燃料和氧化劑。這樣就能保證氧化劑和燃料比較充分混合，所以每臺發(fā)動機每秒鐘噴射1立方米煤油也不會熄火。即便如此，就像上文中所計算的那樣，燃料的熱效率只能達到65%。只要能增加10%的燃燒效率，就能夠提高10%的荷載。這10%的荷載基本上就可以讓火箭的有效載荷翻一翻，所以提高火箭發(fā)動機的燃燒效率，非常有意義。為了達到這個目的，現在新研制的火箭發(fā)動機都采用了全流量分級燃燒的方式。也就是說火箭發(fā)動機的燃料在進入主燃燒室之前先燃燒一次，然后再進入主燃燒室燃燒。●全流量分級燃燒火箭發(fā)動機的工作示意圖。
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分級燃燒分成兩部分，一部分是少量氧化劑和大量的燃料混燃，另一部分是大量氧化劑和少量的燃料混燃，分別產生富燃燃氣和富氧燃氣，然后在主燃燒室匯合二次點燃（又稱高壓補燃）。與F1發(fā)動機相比，分級燃燒發(fā)動機的燃料泵燃燒后產生的廢氣也會產生推力，這樣就提高了效率。● SpaceX公司的猛禽火箭發(fā)動機是全球第1臺全流量分級燃燒發(fā)動機。
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我國嫦娥5號飛船落月以后返航，并且?guī)Щ亓藘晒锏耐寥罉颖尽６遥藳]有宇航員和生命維持系統(tǒng)以外，嫦娥宇宙飛船的結構完全模擬了美國阿波羅號宇宙飛船的4部分結構：返回艙、服務艙、登陸器和上升器。而且我國已經實施了載人航天工程，在宇航員的生命維持系統(tǒng)這一部分和美國沒有差距。從總的技術難度上來說，中國已經具備和美國載人登月完全相當的水平。目前，中國和美國載人登月最大的差距就在于火箭發(fā)動機的問題。長征5號運載火箭雖然叫胖五，但是還不夠胖大。
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