高人详解N1的失败和重型猎鹰成功

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N-1火箭到底发生了什么？为什么重型猎鹰成功了，他却炸平了发台？
美国东部时间2018年2月6日下午3:45分，SpaceX的重型猎鹰火箭从见证了无数历史性发射的卡角LC-3...
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引言

美国东部时间2018年2月6日下午3:45分，SpaceX的重型猎鹰火箭从见证了无数历史性发射的卡角LC-39A发射台腾空而起。这次测试发射吸引了近乎全世界所有航天爱好者的关注，唯一的载荷，驶向火星轨道特斯拉Roadster跑车更如深水炸弹般引爆了新闻界。27台梅林-1D引擎的成功并联同时运作，可谓为多引擎并联到底能不能用这一争论画上了短暂的休止符，而要理解这“旷日持久”的争论，还要从火箭技术发展的黄金年代太空竞赛时代说起。本文作者：Saturn V


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重型猎鹰从设计诞生之初最饱受诟病的便是其第一级27台梅林-1D引擎，作为在高温高压下工作的火箭引擎，常识来讲肯定是数量越少越好。作为过多使用第一级引擎的反例，苏联登月的N-1火箭常被拿出来“鞭尸”，第一级同时安装30台Nk-15的N-1火箭四次发射全部失败，第二次发射失败引发的爆炸更是创下了人类有史以来最大非核当量爆炸。那么N-1火箭的失败是不是就意味着并联安装大量火箭引擎的设计就不可行呢？这还要从N-1火箭的设计理念和苏联的登月计划说起。



从上图便可看出，N-1火箭的核心Nk-15煤油液氧引擎（上图标示为Soviet N-1），有着领先于绝大多数煤油液氧引擎的比冲（上图横轴），甚至碾压了土星5号第一级的F-1引擎，就连苏联自己也只在20年后的RD-170赶超。Nk-15优秀的性能要得益于这款在半个多世纪前设计的引擎使用了富氧分级循环技术，大幅度提升了推进剂的利用效率。简而言之便是煤油和液氧在预燃室燃烧后的废气不直接排出，而是通过管线重新导入主燃烧室继续燃烧，和之前火箭引擎采用的燃气循环不同，分成两级燃烧能利用预燃室的废气，充分利用全部的燃料和氧化剂。





燃气发生器循环（上）和分级循环（下）示意图

不过说的容易实际做起来就难了，这点从中国直到最近才通过YF-100掌握该技术的煤油液氧版本便能看出。由于预燃室的温度要比主燃烧室低，单纯的把二者连接起来燃烧室的高温高压气体会反向烧毁预燃室，苏联的解决方法是通过往预燃室添加超过最佳混合比例的液氧，含有大量未充分燃烧氧气的预燃气体就像一堵墙堵住了主燃烧室的气体的反噬，富氧因此得名。得益于此，Nk-15有高达137比1的推重比和海平面297s的比冲，同时期的美国登月火箭土星五号的F-1引擎也只有94比1的推重比和海平面263s的比冲，可以说Nk-15在其诞生的年代可谓神器版的存在，美国直到冷战结束前都不相信苏联有此等科技。但就是这款神器，却没能挽救N-1作为火箭自身的问题。



科罗廖夫的原稿中N-1火箭第一级采用并联安装的24台Nk-15引擎，嗯？24台？不是30台嘛？还真不是科罗廖夫的原设计中并没有上图中位于火箭中央的6台引擎。原来在科罗廖夫去世后，接手的设计师瓦西里•米申发现原计划配套的苏联登月飞船“联盟7K-LOK”和LK登月舱比预计的要重，且还不是多重一点。原计划二者总重为75吨，但由于没有美国阿波罗飞船和登月舱先进的材料技术和设计理念支持，实际建造完成的苏联登月飞船和登月舱共计95吨，严重超标。同时由于苏联政府的压力，时间紧迫已不允许从零起步，米申和他的团队不得不在N-1基础上“魔改”，包括使用超低温液氧来提升Nk-15推力极限2%，但依然达不到推力要求，不得已才在第一级燃料罐下又加了6台引擎。也就是说实际上N-1的引擎设计是临时抱佛脚，并未经过充分的论证和模拟测试，这就未后续的一连串事故埋下了伏笔。



阿波罗飞船和登月舱（左）和“联盟7K-LOK”和LK登月舱（中）

事实上美国的阿波罗项目也遇到了超重问题，哪怕使用了轻型材料和苏联方面没有想到的“一层锡纸”包裹的登月舱，整体重量还是超标。但和N-1不一样，土星5号通过在第二级第三级上减重来弥补，这两级创新性的采用液氢液氧储罐共底的设计，通过缩短箭体长度省去一层燃料罐底来减少箭体的整体重量。让两个温度差在80摄氏度的液体仅通过一层罐子底隔开，这对于材料工业基础薄弱的苏联是一个巨大挑战，同时由于军用优先的原则，苏联的燃料罐研发集中在弹道导弹常用的强腐蚀性偏二甲肼和四氧化二氮的抗腐蚀高分子材料上，也就意味着N-1火箭从一开始就没有储罐共底减重这条“捷径”可走。

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共底储箱结构示意动图

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土星5号第二级的液氢液氧共底设计

更为关键的是和美国的土星5号不同，N-1的三级火箭全部采用煤油/液氧的组合，尽管在海平面有着出色的性能，但煤油液氧的组合在真空中比冲大幅度落后于液氢液氧的组合，因而还不能指望燃料利用率低的二级三级携带更多燃料来弥补运力。外加上三级火箭都没有采用储罐共底的设计，N-1因为载荷超重而要提升运力的重担，只能全压到剩余空间最多的第一级上，进一步增加了事故隐患。N-1火箭第三次发射，便是因为额外的6台引擎点火后，在火箭底部造成预料外的不稳定气流漩涡，导致火箭失控撞地爆炸
原文较长，详细见以下链接

https://card.weibo.com/article/m ... 82057?_wb_client_=1

Architect

这篇讲发动机的也挺好
http://www.sohu.com/a/221754974_609573

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不明觉厉