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上文書講到了蘇聯(lián)為登月的火箭方案頭疼?，F(xiàn)在的R-7系列火箭顯然是不夠用的。這款火箭的潛力也都挖得差不多了。要知道，在地球的引力場范圍內(nèi)。飛得越高，需要的能量就越大。這就是一個用火箭燃料的化學(xué)能去換取引力勢能的過程。火箭把上面級推進(jìn)地球軌道以后，全靠上面級自己的燃料從地球軌道飛向月球軌道，這還不算，還要落下去，這是要花費(fèi)額外的能量的，下去以后還要返回，還要上來。這也要花費(fèi)能量。滿打滿算。上面級怎么也要100噸的重量，其實(shí)登月艙和火箭只占小頭，大頭是燃料。
也就是說，一級火箭起碼要有這個本事，把100噸的東西送進(jìn)地球軌道。現(xiàn)在東方號和上升號飛船也就那么幾噸，差的太遠(yuǎn)了。美國人也一樣，雙子座飛船也不大。
雙子座飛船很小，不滿足登月的需要 這簡直是一個連環(huán)套，上面級輕一點(diǎn)，整個火箭就可以小一點(diǎn)。怎么才能讓上面級輕一點(diǎn)呢？換用高能燃料是個辦法，每公斤燃料含有能量最大的是氫，一公斤氫氣完全燃燒，可以產(chǎn)生1416億焦耳的熱量，汽油只有473億焦耳。柴油更低，只有448。數(shù)值上差的太遠(yuǎn)了。但是氫有個毛病，體積巨大，密度低的可憐。即便是壓縮成了液態(tài)氫，密度也很小，大概是70.8公斤/立方米。要知道1立方米的水，剛好是1噸重，差了不止1個數(shù)量級。煤油比水輕，也要820公斤左右。液態(tài)氫小了10倍都不止。那么大的罐子，其實(shí)沒多重。
液態(tài)氫溫度非常低，低于-252℃ 液氫的另一個麻煩是溫度極低，氫氣是僅次于氦氣，第二難液化的氣體。必須冷卻到-252℃以下，這個溫度非常的低，隔壁的液氧溫度是-183℃，溫度差了幾十度，這兩者的溫度差就會是一個超級大麻煩。液氧碰到液氫，立馬凍成固體的冰坨子。盡管麻煩很多，但是，氫氧發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)真的很誘人，氫氧發(fā)動機(jī)的比沖比煤油發(fā)動機(jī)要高不少，特別適合上面級使用。比沖這個概念大約就相當(dāng)于“百公里耗油”，比沖越高越好，你能不能開到目的地，就取決于百公里耗油和你帶了多少油，只要這兩個數(shù)相乘是夠用的，你早早晚晚都能到。省油就可以少帶油嘛，那不就輕松嘛。最終，美國人決定去啃這塊難啃的骨頭，因?yàn)槲磥淼木扌突鸺侨辈涣诉@個東西的。這就是J-2氫氧發(fā)動機(jī)，這東西對如今航天市場的格局都有重要的影響。
直擊月球方案 與蘇聯(lián)人的徘徊不一樣。美國的NASA倒是完全發(fā)揮了統(tǒng)一協(xié)調(diào)的作用。早早就開始論證登月的技術(shù)路線。如果要造一枚巨大的火箭，直接飛向月球，那么這枚火箭的起飛重量起碼要4000~5000噸。這簡直是天方夜譚，不要說當(dāng)年，就算是現(xiàn)在，也沒有這樣的火箭。所以這個方案顯然是不靠譜兒的。第二個方案就算地球軌道集合的方案。用大型火箭發(fā)射登月艙，在地球軌道上先慢慢轉(zhuǎn)悠。然后再發(fā)射一枚火箭，運(yùn)送屁股后頭的一大堆輔助艙段。在太空里交會對接，把登月艙和輔助艙段拼裝好，再開動火箭飛向月球。到了月球，直接下去。然后在月球上溜達(dá)溜達(dá)，搬幾塊大石頭，采集樣本帶回地球。這個方案的好處是不用一次性把整個登月艙和輔助艙段送上太空，那也就不需要巨型火箭了。但是當(dāng)時根本沒有人掌握交會對接技術(shù)，行不行啊？第三個方案就算月面集合方案。先用火箭把返回艙和亂七八糟的輔助物資發(fā)射到月球上。等這些東西都落了地，安頓好了。再派第二枚火箭帶著宇航員飛過去。這時候，火箭不帶那么多東西，相對來講，不用那么大。宇航員必須坐著登月艙精確的落到月亮上的返回艙附近。在月球表面折騰完了，扛著大石頭，徒步走一小段，來到返回艙，乘坐返回艙升空，飛回地球，登月艙咱就不要了。其實(shí)這個辦法也不是很靠譜兒，因?yàn)閷β湓碌木纫蠓浅８?。你要是登月艙落到離返回艙好遠(yuǎn)的地方，宇航員就回不來了。他們哪有這個體力在月球上徒步幾十里地?。坎豢赡艿?。那么，在月球軌道上完成拼裝行不行呢？地球軌道的交會對接都八字兒還沒一撇呢？就考慮千里迢迢飛到月球軌道去對接？這是哪根筋搭錯了吧？
約翰·胡博爾特在解釋他的登月方案，這一方案最后變?yōu)楝F(xiàn)實(shí) 最靠譜兒的一個辦法，那就是飛到月球附近，被月球的引力捕獲，飛船聯(lián)合體成了月球的衛(wèi)星，咱不下去。下去，那就是勢能變成了動能，在落到月亮上的一刻，動能全都消耗光了。再飛離月球，還要付出相同，甚至是更多的能量。這樣是非常不劃算的。只要讓登月艙這一小坨下去，指令艙+服務(wù)艙那么一大坨仍然停留在月球軌道，這是最劃算的了。最終，阿波羅計劃就是按照這個思路走的。即便是這最靠譜兒的方案，美國人當(dāng)時也沒把握。因?yàn)橐胱?個宇航員登上月球，他們要把140噸的大家伙送上地球軌道，這是一件非常難辦的事兒。
布勞恩和肯尼迪，左側(cè)是土星-1型火箭模型 研發(fā)這種大型火箭，重?fù)?dān)就落在了馬歇爾太空中心的掌門人馮·布勞恩的肩上。其實(shí)布勞恩早就憋著造大型火箭呢。但是他也是心急，他巴不得早點(diǎn)登月，因此在50年代末，他就開始研發(fā)土星系列火箭了。他以前研發(fā)的火箭不是叫“木星”嘛。下一枚火箭肯定叫土星嘛。他還是想在地球軌道拼裝成聯(lián)合體，然后再飛向月球。他的土星火箭就是按照這個思路去做的。在50年代末，布勞恩手里擁有的發(fā)動機(jī)也就是洛克達(dá)因的H-1發(fā)動機(jī)。更大的F-1發(fā)動機(jī)還在研發(fā)之中。這東西被用在納瓦霍導(dǎo)彈上，后來還在紅石導(dǎo)彈上也用過?，F(xiàn)在最新的改進(jìn)型，推力也才幾十噸。發(fā)射大型火箭是肯定不夠的。只能多枚火箭捆綁在一起使用。所以，最早的C-1構(gòu)型運(yùn)載火箭顯得有點(diǎn)土，因?yàn)闃?gòu)造太難看，燃料箱都是分離的，一個發(fā)動機(jī)配一個，你想想這毛重要增加多少啊，一根一根分離的管子，這都是皮啊，要是合在一起，不是更節(jié)省嘛，當(dāng)時沒這個技術(shù)，穩(wěn)妥起見，還是分開吧。
土星-1型火箭第一級是8臺H-1發(fā)動機(jī)
C-1火箭1963年改名叫土星1型火箭，這是土星火箭家族的開山之作。第一級捆綁了8個H-1火箭發(fā)動機(jī)，內(nèi)圈4臺，外圈4臺，足足的一大捆。火箭的第二級采用了6臺RL-10氫氧發(fā)動機(jī)。RL-10算是美國人第一次嘗試使用氫氧作為燃料。反正第一個吃螃蟹的難免出事兒。炸掉試車臺這種事兒，他們是碰上好幾次。火箭發(fā)動機(jī)不炸才怪，就是炸出來的。這臺原始版本的氫氧發(fā)動機(jī)，比沖達(dá)到433，液氧煤油的H-1發(fā)動機(jī)，比沖才289，氫氧發(fā)動機(jī)的比沖優(yōu)勢是很大的。但是這臺發(fā)動機(jī)的推力卻很小，只有7噸的樣子，6臺也不過才40多噸。
第二級裝有6臺RL-10氫氧發(fā)動機(jī) 布勞恩就用這兩級火箭拼裝出了第一代的土星火箭，也就是土星1號。土星1的第一級是在克萊斯勒工廠制造的，第二級是在加州的道格拉斯飛機(jī)公司制造。NASA是個不錯的教練員，帶著這些防務(wù)承包商一起進(jìn)步。1961年，土星1型火箭開始測試飛行。布勞恩他們還是比較謹(jǐn)慎的。第一次發(fā)射，上面的第二級是假的，是個配重。第一級是真的，就是看這個第一級工作正常不正常。實(shí)驗(yàn)還是很圓滿的，第一級的8臺H-1發(fā)動機(jī)把火箭送進(jìn)了136公里高的亞軌道。后來，在1962年和1963年又搞了幾次測試。都是只測試了第一級，但是上面的配重越來越重，飛的越來越高，但是都是亞軌道。一直到1964年，才把真正的第二級給裝上。真正飛進(jìn)了遠(yuǎn)地點(diǎn)760公里，近地點(diǎn)264公里的軌道。有效載荷足有十幾噸重。按照這個量級。拼湊成登月飛船聯(lián)合體，起碼要發(fā)射10次，拼裝9次啊，這多麻煩啊。所以，布勞恩也就明白了。靠這個土星1號火箭，離登月還很遠(yuǎn)。
布勞恩當(dāng)時規(guī)劃了從C-1到C-4各種火箭發(fā)動機(jī)的搭配。其中C-2和C-3都沒落到實(shí)處，只是一個構(gòu)想。倒是C-4比較靠譜兒，那就是第一級用4臺巨大的F-1發(fā)動機(jī)，第二級用4個J-2發(fā)動機(jī)，第三級用1個J-2發(fā)動機(jī)。J-2發(fā)動機(jī)的推力足有100噸，比現(xiàn)在的RL-10大多了。C-4火箭只要兩枚，就能在太空里拼裝出登月飛船聯(lián)合體。布勞恩算計著，這總夠用了吧。這時候，手下的技術(shù)人員提出了新的建議。假如放大C-4火箭。第一級用5臺F-1發(fā)動機(jī)，第二級用5臺J-2發(fā)動機(jī)，這樣的火箭就足夠采用月球軌道停留方案實(shí)現(xiàn)登月。也就是火箭直接把登月飛船聯(lián)合體送到月球軌道。然后登月艙下去，實(shí)現(xiàn)登月，指令艙和服務(wù)艙在太空軌道里等著，等到月面上的事兒搞定了，登月艙返回太空，再和指令艙對接，把人裝進(jìn)指令艙，拋棄登月艙，大家返回地球。NASA覺得這個辦法是最合理的，于是，布勞恩就按照這個構(gòu)想設(shè)計了一個新的型號，那就是C-5，這種火箭就是日后大名鼎鼎的土星5號。
土星-1B型火箭可以打阿波羅飛船，也能打一般的載荷 可是，如果要測試阿波羅飛船，當(dāng)然不需要把飛船打到月球軌道上去。只要在近地軌道進(jìn)行測試就可以了，當(dāng)然就犯不上使用那么巨大的土星5號火箭。用小火箭打上去就行了。為此，布勞恩還要改進(jìn)土星1型火箭。把第二級的6臺RL-10發(fā)動機(jī)，改成1臺J-2發(fā)動機(jī)。這就是后來的土星1B火箭。你會發(fā)現(xiàn)，土星1B的第二級和土星5號的第三級幾乎是一樣的。沒錯，都是用了一臺J-2發(fā)動機(jī)，這倒是一舉兩得。所以，美國人的計劃已定，剩下就是甩開膀子加油干了。蘇聯(lián)人還在到處轉(zhuǎn)悠，猶豫不決?？屏_廖夫要研發(fā)新型火箭，那么他所要做的，也和美國人是一樣的。你起碼要把100多噸的東西送進(jìn)近地軌道吧，否則免談。
科羅廖夫 vs 切洛梅 科羅廖夫去找格魯什科，兄弟啊，你那里有沒有大號的煤油發(fā)動機(jī)啊。格魯什科腦袋搖的跟撥浪鼓一樣。液氧煤油發(fā)動機(jī)，我這兒里沒有大號的，我在研究常溫燃料發(fā)動機(jī)，沒空鼓搗液氧煤油。常溫發(fā)動機(jī)就是偏二甲肼、四氧化二氮作為燃料的發(fā)動機(jī)，反正都是聯(lián)胺類的燃料。這東西都是有強(qiáng)烈腐蝕性，有劇毒的燃料。但是好處是常溫下是液態(tài)的，不需要伺候那么冷的液氧，特別適合洲際導(dǎo)彈，可以提前加注。環(huán)保斗士科羅廖夫特別不喜歡毒發(fā)動機(jī)，因?yàn)檫@東西比較危險，而且比沖不高，他一扭頭，拋開老搭檔格魯什科，找?guī)炱澞舴蛉チ?。另一邊，切洛梅就非常喜歡這種毒發(fā)動機(jī)。他設(shè)計的UR500火箭，用的就是毒燃料。這枚UR500火箭很特別，甚至有點(diǎn)另類。
蘇聯(lián)四海分割，互相不連通 蘇聯(lián)的地理位置，實(shí)在是不賺便宜。蘇聯(lián)四海分割，北邊的北冰洋沿岸，常年冰封，交通不便。太平洋地區(qū)又遠(yuǎn)離經(jīng)濟(jì)中心，海參崴被對面被日本擋住了進(jìn)出太平洋的路。黑海是個內(nèi)海，被土耳其掐住了黑海海峽的出口，即便是進(jìn)了地中海，仍然是在澡盆里打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，波羅的海也是個非常狹窄的海域。所以，蘇聯(lián)發(fā)射火箭一定是在陸地上，因此才選定了拜科努爾。只要是在地上，火箭就必須靠鐵路運(yùn)輸。那就必然受到隧道的限制，火箭是不能太粗的。所以，火箭直徑就沒辦法超過4米。造超大火箭，首先這一關(guān)就過去不去，直徑就受到限制。除非在拜科努爾進(jìn)行組裝，在拜科努爾建立廠房。但是這個廠房和在大城市周邊的相比，條件肯定是不好嘛。這就是蘇聯(lián)的一大麻煩。美國人沒這個問題，可以用船運(yùn)到卡納維拉爾角。工廠選址，盡量靠?；蛘呤强拷舆叀?/section>
UR-500的后繼型號
切洛梅設(shè)計的UR-500火箭，首先就要考慮到這一點(diǎn)。所以，他設(shè)計的火箭，中間是個4米粗的氧化劑燃料箱。周圍一圈，布置了6臺RD-253火箭發(fā)動機(jī)和燃料儲箱?？梢韵劝压鈼U火箭拉到拜科努爾，通過隧道沒問題，到了拜科努爾，把周圍的6臺火箭發(fā)動機(jī)和燃料儲箱給裝上。這時候粗就粗了，沒關(guān)系，前方已經(jīng)不需要過隧道了。所以。切洛梅設(shè)計的UR-500火箭雖然看起來好像是捆綁火箭，其實(shí)不是。只是第一級的發(fā)動機(jī)在周圍擺了一圈，中間桿子上是沒有發(fā)動機(jī)的。
早期的UR-500火箭 這顆RD253發(fā)動機(jī)可不簡單。格魯什科不愧是火箭發(fā)動機(jī)大師。這臺發(fā)動機(jī)用到了補(bǔ)燃技術(shù)，或者叫分級燃燒技術(shù)，當(dāng)時只有格魯什科的設(shè)計局掌握。目前，液氧煤油的高壓補(bǔ)燃技術(shù)也只有俄羅斯和中國是實(shí)用化的。美國后來在氫氧發(fā)動機(jī)上采取過部分分級燃燒，煤油機(jī)也研究過，但是沒有實(shí)用化。目前SpaceX的馬斯克在全力以赴攻克液氧甲烷的全流量分級燃燒技術(shù)?？梢娺@種技術(shù)是每個火箭發(fā)動機(jī)研究者都夢寐以求的。布勞恩早期的火箭發(fā)動機(jī)，都要帶上過氧化氫，用過氧化氫的催化分解來驅(qū)動渦輪泵，這個泵把大量的燃料壓進(jìn)火箭的燃燒室，點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生巨大的推力。這就是火箭發(fā)動機(jī)的基本原理。但是，每次總要帶過氧化氫，似乎有點(diǎn)多此一舉。
使用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的發(fā)動機(jī)結(jié)示意圖 于是，就出現(xiàn)了第二個辦法。用火箭的燃料，先送進(jìn)一個小燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱氣吹動渦輪泵，渦輪泵把燃料送進(jìn)噴管的管壁上走一圈，噴管里邊其實(shí)就是主燃燒室，先利用噴管給燃料預(yù)熱，順便也幫著噴管降溫，省得被燒壞了，然后加熱以后的燃料被壓進(jìn)主燃燒室，點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生巨大的推力，這就是所謂的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)。
廢氣沒有用啦，直接弄個管子排掉就行了。這點(diǎn)廢氣不產(chǎn)生推力，主要能量都用來吹渦輪泵了。土星5號用的F-1發(fā)動機(jī)推力巨大，推力大約700噸，這個渦輪泵的功率就有驚人的5.5萬馬力，1秒鐘要向燃燒室送進(jìn)5.8萬升煤油和9.4萬升液氧。一眨眼的功夫，這么多燃料就燒光了，全都噴出去了。
F-1發(fā)動機(jī)左側(cè)的那跟管子，就是排放驅(qū)動渦輪泵的廢氣的，采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的發(fā)動機(jī)必定有排放廢氣的管子 這種燃?xì)獍l(fā)生器的方式能夠簡單粗暴的把發(fā)動機(jī)做的非常大，變態(tài)的大。F-1發(fā)動機(jī)到現(xiàn)在也是最大的單噴管火箭發(fā)動機(jī)。俄羅斯的RD-170推力比它大，但是噴管也比它多。但是，F(xiàn)-1的比沖是很難看的，只有260多，人家RD-170的比沖有300多呢。RD-253這顆毒發(fā)，比沖也比F-1要高。這個分級燃燒技術(shù)究竟是怎么回事兒呢？為什么這個技術(shù)就這么誘人呢？
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