F-1火箭發動機

F-1火箭發動機（以下簡稱F-1）是美國洛克達因公司設計製造的一款煤油液氧發動機，用於土星五號的第一級。F-1是投入使用的推力最大的單噴嘴液體發動機。（M-1推力更大，但未投產）

早在1955年，洛克達因公司就接到了研製重型火箭發動機的任務。不過，那時候是美國空軍提出的概念。空軍需要研發一款推力強大的火箭發動機，為了今後可能會研發的重型洲際彈道導彈進行技術儲備。圖為正在發射的由泰坦II型洲際彈道改造而來的一枚運載火箭。

洛克達因公司很快就推出了一款名為E-1的火箭發動機。然而，美國空軍對這款雖然可靠性極佳但是推力性能平平的發動機不是很滿意。他們認為今後的洲際彈道需要更大的發動機，要求洛克達因公司繼續摸索液體火箭發動機的推力極限。因此，靜態點火試驗驗收通過的E-1發動機被擱置了起來。

洛克達因公司的工程師們原本對E-1抱有很大希望，但是面對美國空軍的要求，他們能做的不多，只有忍住想要抱怨的東西，開始研製更大推力的火箭發動機。於是，F-1火箭發動機的雛形誕生了。

美國軍方還是用了比較保守的發動機方案。畢竟，他們的洲際彈道導彈的最大起飛重量只有105.142噸，單台推力680.39噸的發動機對軍方來說有些太大了。於是，F-1火箭發動機項目也被擱置了。

不過，洛克達因公司沒有消沉多久。1958年7月29日，美國宇航局（NASA）成立了。他們需要這樣的發動機！雖然當時NASA沒有跟洛克達因提太多要求，但是，洛克達因的工程師們隱約感到了自己的使命感，這個可以從後來的洛克達因一些工程師們提到這段往事的文字中看出來：“NASA的人找到了我們，說是很中意我們的發動機。我在想，天哪，美國空軍拋棄了我們兩次，這次又輪到新成立的NASA了吧。不過，他們的人看起來很真誠，而且放佛不太關心地球上的事情，對洲際導彈的項目也不感興趣。我們覺得他們應該是要把我們的發動機用在地球之外的事情上。這讓我們感到很興奮。”

F-1發動機的整機靜態點火試驗在1959年3月獲得了成功。後來，該發動機被迅速運到了NASA的馬歇爾航天中心，進行進一步地測試。680.3噸的推力，讓馬歇爾航天中心周圍幾十公里的人們都體會到了地動山搖的感受。

F-1在隨後七年的測試中，其燃燒不穩定性逐漸暴露出來，並可能導致災難性事故。攻克這個技術難題的工作最初進展十分緩慢，因為這種故障的發生是不可預知的。最終，工程師們想出了解決辦法，他們將少量的爆轟炸藥放在燃燒室中，並在發動機運轉時引爆炸藥，以此測試燃燒室在壓力變化時將作何反應。設計師隨後測試了幾種不同的燃料噴射器，並得到了最佳匹配方案。這個問題從1959年一直拖到1961年才算告一段落。

F-1以燃氣發生器循環為基礎。即在爐外燃燒室里燃燒一小部分燃料，以燃氣驅動渦輪泵將燃料和氧化劑泵入主燃室。發動機的核心組件是推力室，燃料和氧化劑混合併燃燒產生推力。發動機頂部是一個半球形小室，即做輸送液氧的歧管，也做萬向軸承的支撐架，連接發動機和火箭箭體。小室之下是噴射器，用來混合燃料和氧化劑。一部分燃料從另一個歧管進入噴射器，另一部分燃料通過178根管道直接通入推力室，盤旋的管道形成了推力室的上半部分，還可以起到給推力室降溫的作用。

燃料和液氧由不同的泵泵入，但泵由同一個渦輪驅動。渦輪轉速為5,500RPM，產生55,000制動馬力(41MW)。在此功率下，工作泵每分鐘可以泵入15,471加侖(58,564升)煤油和24,811加侖(93,920升)液氧。渦輪泵被設計得可以應付嚴酷的溫度環境：煤氣的溫度高達1,500°F(816°C)，而液氧的溫度低至-300°F(-184°C)。一些燃料煤油被充作渦輪的潤滑劑和冷卻劑。

推力室下方是噴嘴的延伸，大致延伸到發動機的一半長度位置。延伸部分將發動機的膨脹比從10:1提高到16:1。渦輪機排除的低溫氣體通過錐形歧管進入延伸部分，保護噴嘴在高溫(5,800°F,3,200°C)下不受損壞。

F-1每秒消耗3,945磅(1,789kg)液氧，1,738磅(788kg)煤油，產生1,500,000磅力(6.7MN)的推力。在兩分半鐘的運轉中，土星五號憑藉F-1上升42英里(68km)高度，達到6,164英里美小時(9,920km/h)的速度。土星五號每秒的推進劑流量時12,710升，可以在8.9秒內清空一個容量110,000升的游泳池。每台F-1發動機的推力都比太空梭上三台發動機總和還多。

推力（海平面）： 1,500,000磅力(6.67MN) 1,522,000磅力(6.77MN)

燃燒時間: 150s 165s

比沖: 260s(2.55kN·s/kg) 263s(2.58kN·s/kg)

凈重: 18,416磅(8,353kg) 18,500磅(8,391kg)

燃盡重量: 20,096磅(9,115kg) 20,180磅(9,153kg)

高度: 19ft(5.79m)

Diameter: 12.3ft(3.76m)

噴口面積比: 16:1

推進劑: LOX&RP-1

混合比: 2.27:1氧化劑：燃料

製造商: 北美航空/洛克達因

應用: 土星五號V/S-IC-5台

F-1在阿波羅8號(SA-503)和阿波羅17號(SA-512)任務期間得到改進。因為隨著任務的進展，土星五號的負荷也逐漸增大。每次任務對發動機的性能要求都略有差異，用於阿波羅15號的F-1發動機性能為：

每台平均海平面推力：1,553,200磅力(6.909MN)

燃燒時間:159s

比沖:264.72s

混合比:2.2674

S-IC級總海平面推力：7,766,000磅力(34.55MN)

發動機推力實測值與標稱值有差異，阿波羅15號所用的發動機其起飛推力為7,823,000磅力(34.8MN)，而F-1的平均值是1,565,000磅力(6.962MN)。

60年代，洛克達因在對F-1的持續研究之後，開發出了新款的F-1A發動機，雖然二者外觀相似，但F-1A比F-1更輕，且推力更大（達到9.1MN）。可以滿足后阿波羅時期的土星五號需求，然而隨著土星五號生產線的停產，F-1A從未使用過。

當時有提議在諾瓦火箭的第一級使用八個F-1，從70年代至今，還不斷有各種關於如果使用F-1來開發新型火箭的意見，但都未能成行。

F-1一直保持著最大推力液體發動機的地位，直到蘇聯的RD-170出現。RD-170實際上是一個渦輪泵驅動的四個獨立燃燒室組合起來的發動機，因此一直有爭議認為RD-170是四個發動機。F-1在單缸單噴嘴發動機領域的第一位置依然沒有動搖。

F-1發動機由7個工作系統組成。各分系統介紹如下：

1.推進劑供應系統，壓送推進劑進入燃燒室及向發動機控制系統和常平座作動器供給燃料(液壓)壓力；

2.點火系統，使燃燒室和燃氣發生器開始燃燒；

3.燃氣發生器系統，產生驅動渦輪泵能量及控制推進劑貯箱的增壓；

4.發動機控制系統，保證發動機起動和關機；

5.飛行測試系統，測量選定的發動機參數，以便監控和計算髮動機的工作特性；

6.環境控制系統，保護髮動機在飛行期間免受由火焰輻射和迴流產生的極高溫影響；

7.清洗和排泄系統，防止污染，便於將用完流體排出箭外。