土星5火箭有多暴力？每秒烧掉3940kg煤油，功率超5个三峡电站

美国上世纪六七十年代用于登月的土星五火箭，使用5台F1火箭发动机。

5台F1发动机并联，推力3500吨，总功率高达1.18亿千瓦。

三峡水电站的机组满发功率为2250万千瓦，所以土星5号的功率已经超过了5个三峡电站。

这个数字实在是太夸张了，远远超出通常的想象，有些吃瓜群众对这个数字表示怀疑，现在我们就算一下。

F1火箭发动机使用的燃料是煤油，使用的氧化剂是液氧。

一台F1火箭发动机每秒钟消耗788公斤煤油，5台火箭发动机每秒钟一共消耗3940公斤煤油。

煤油的燃烧热是4.6×10的7次方焦耳，3940公斤煤油可以释放出的能量为3940×4.6×10^7=181240000000焦耳，相当于1.8124亿千焦。因为能量是在一秒钟之内释放出来的，所以理论计算出来的5台火箭发动机的燃烧功率是1.8124亿千瓦。

喷气引擎的功率都远远的超过内燃机的功率。一般的情况下，航空喷气发动机的功率超过同等重量内燃机的两个数量级以上，而火箭发动机又比航空发动机的功率高两个数量级以上。

所以，火箭发动机的功率高的看起来非常夸张。

大功率液体火箭发动机使用的燃料消耗速度非常快，如何让这些燃料在短时间内充分燃烧是一个大的难题，这也是火箭发动机设计上的难点。

煤油的密度比水低。一台F1发动机，每秒钟要向燃烧室内喷射接近一立方米的煤油，怎么能够保证充分燃烧？

除此以外，每台F1发动机每秒钟还要消耗1790公斤的液氧。

泵送煤油、液氧的涡轮泵是用火箭本身的燃料驱动的。

●包在发动机外面的很粗的这个排气管，就是涡轮泵的废气排泄装置。

F1发动机涡轮泵消耗的燃料是不产生推力的，因此土星5号的总功率只有1.18亿千瓦，而不是燃烧的热功率1.8亿千瓦。

火箭的燃料进入燃烧室之前，必须呈气态才能够充分燃烧，而液氧是低温液态，煤油在常温下是液态。

所以在进入发动机的主燃烧室之前，必须预热。F1发动机喷管上部是燃烧室，密排在燃烧室外部的小管道内部流动的，就是需要预热的工质。

同时这部分工质也在预热的过程中冷却了发动机主燃烧室的外壁。

加热后的燃料和氧化剂，通过燃烧室顶部的喷射盘喷出。

●这个多孔的结构，像煤气炉火眼一样的东西就是喷射盘。

喷射盘上的喷射孔呈同心圆状分布，间隔喷射燃料和氧化剂。

这样就能保证氧化剂和燃料比较充分混合，所以每台发动机每秒钟喷射1立方米煤油也不会熄火。

即便如此，就像上文中所计算的那样，燃料的热效率只能达到65%。

只要能增加10%的燃烧效率，就能够提高10%的荷载。这10%的荷载基本上就可以让火箭的有效载荷翻一翻，所以提高火箭发动机的燃烧效率，非常有意义。

为了达到这个目的，现在新研制的火箭发动机都采用了全流量分级燃烧的方式。

也就是说火箭发动机的燃料在进入主燃烧室之前先燃烧一次，然后再进入主燃烧室燃烧。

●全流量分级燃烧火箭发动机的工作示意图。

分级燃烧分成两部分，一部分是少量氧化剂和大量的燃料混燃，另一部分是大量氧化剂和少量的燃料混燃，分别产生富燃燃气和富氧燃气，然后在主燃烧室汇合二次点燃（又称高压补燃）。

与F1发动机相比，分级燃烧发动机的燃料泵燃烧后产生的废气也会产生推力，这样就提高了效率。

● SpaceX公司的猛禽火箭发动机是全球第1台全流量分级燃烧发动机。

我国嫦娥5号飞船落月以后返航，并且带回了两公斤的土壤样本。而且，除了没有宇航员和生命维持系统以外，嫦娥宇宙飞船的结构完全模拟了美国阿波罗号宇宙飞船的4部分结构：返回舱、服务舱、登陆器和上升器。

而且我国已经实施了载人航天工程，在宇航员的生命维持系统这一部分和美国没有差距。

从总的技术难度上来说，中国已经具备和美国载人登月完全相当的水平。

目前，中国和美国载人登月最大的差距就在于火箭发动机的问题。

长征5号运载火箭虽然叫胖五，但是还不够胖大。

用于载人登月的火箭都要达到土星5号那个级别的，也就是3000吨以上。

我国对标土星5号，用于载人登月的火箭，是长征九重型运载火箭。该火箭的发动机以液氧、煤油为工质，采用全流量分级燃烧方式。

根据公开的资料，这个发动机的推力是500吨级别的，虽然达不到土星5号F1火箭发动机的推力指标，但是效率更高。