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星星运输船|性能强悍：是什么原因使土星5号的推力如此强大？

土星5号火箭“强大”的一个关键原因（我说的是“有效载荷”） ， 是它的第二级J-2发动机的比冲（Isp）性能（相对而言）有了巨大的提升 。 我们可以看到 ， 前苏联设计并制造了N-1这种巨型火箭 ， 这个巨大的火箭产生的推力比土星5号还高50％ ， 但是它的有效载荷大大低于土星5号 。 怎么会这样呢？是因为土星5号使用了更高级的引擎 ， 而且使用液氧(LOX)和高精炼煤油(RP-1)作为推进剂 。 尽管N1使用了非常雄心勃勃的热力学循环（LOX的富氧分级燃烧）运行 ， 但是它的发动机的效率(Isp)却远远落后于J-2发动机 。
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发动机测试
【星星运输船|性能强悍：是什么原因使土星5号的推力如此强大？】土星5号的五架F1发动机的容量几乎是航天飞机的5倍
我们应该记住 ， 尽管F-1的发动机统计数据显然是最高级的 ， 但当运载火箭开始在其较高级飞行时 ， 它就成为“Isp的全部” 。 因此 ， 在150万磅推力（海平面）的作用下 ， 土星V的5架F1拥有足够的动力来举起36层楼高的巨型火箭 ， 并向轨道输送119吨的负载 。 它几乎是航天飞机容量的五倍 。 总之 ， F-1发动机仍然是有史以来最强大的单燃烧室液体推进火箭发动机 。
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肯尼迪航天中心展出的土星5号火箭上安装的五台F1火箭发动机之一
土星五号火箭的功率和扭矩是多少？
每个F1发动机都有一个燃气发生器 ， 可提供55,000制动马力（41MW） ， 每秒可将976升RP-1和1,565升的液氧泵入燃烧室 。 这与为现在的超深水钻探船所提供的16公里钻杆旋转钻入海底8公里所需发动机的功率大致相同 ， 但这只是为一台火箭发动机输送燃料的功率 。 将发动机功率与火箭推力联系起来很困难 ， 活塞发动机本身不会移动飞行器 ， 因此通常根据其传递给驱动轴的功率来进行计算 ， 该值与节气门直接相关 。 火箭可立即提供推力 ， 因此可通过直接推力进行评估 ， 该值会随气压和飞行器速度而变化 。 活塞发动机将具有恒定的100％功率 ， 螺旋桨的推力将随速度变化 。 火箭将具有恒定的100％推力 ， 功率将随速度而变化 。
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土星5号火箭助推器
每架F1产生6770千牛的推力
这样测试可以得出一些独特的结果 ， 每台F1发动机在制动板上产生了6770千牛（1,746,000磅）的推力 。 但是直到火箭开始移动之前 ， 任何火箭发动机的推力都是零 ， 此静态测试在零马力的情况下声音非常大 。 F1发动机在燃尽时产生了7766千牛（1,746,000磅）的推力 ， 此时飞船以6,000mph即：每秒2.68公里(1.67英里)的速度运动 。 那就是说每个引擎1,746,000lb（磅）*8,800ft（英尺）/550=27,936,000hp（马力） ， 那第一级燃尽 ， 四个引擎总功率为111,744,000hp（马力） 。 但这是一个无意义的数字 ， 这就是为什么火箭通常不以马力来计算 。
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土星VF-1火箭发动机 ， 在新墨西哥太空历史博物馆
但土星5号火箭会产生马力吗？
火箭不会产生马力 ， 马力是“功率”的单位 ， 它是工作的时间导数 。 火箭也不产生正常意义上的“功” 。 诸如涡轮发电厂或汽车发动机之类的东西会产生“功” ， 即它们会“产生”以给定速度旋转的轴 ， 并能够在传递给定扭矩的同时以该速度旋转 。 输出轴的扭矩和速度的乘积是功率 ， 可以用马力来额定 。 因此 ， 土星5号火箭（或其他火箭）不会产生任何一种 。 火箭只会产生一件事 ， 而只会产生一件事 ， 这很重要 ， 有些人声称 ， 火箭至少在某种意义上产生了“功” ， 因为当乘以推力时 ， 火箭当前的飞行速度等于“动力”的单位 。 但是 ， 由于以下原因 ， 即使这样也会产生误导 。 不管发动机本身是否在运转 ， 涡轮发电或汽车发动机发电都会产生相同的功率 。 对于火箭 ， 静态发射（速度=零）时产生的“功率”（根据此定义）等于零 。 因此 ， 我们将计算的“功率”是火箭飞行条件的强大函数 。 而且 ， 这些飞行条件可以像静态射击一样任意改变 。 因此 ， （至少以我的经验）这样的定义没有用 。


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