F -1 — ракетный двигатель , разработанный Rocketdyne . Двигатель использует газогенераторный цикл, разработанный в США в конце 1950-х годов и использовавшийся в ракете Saturn V в 1960-х и начале 1970-х годов. Пять двигателей F-1 использовались в первой ступени S-IC каждой ракеты Saturn V, которая служила основной ракетой-носителем программы Apollo . F-1 остаётся самым мощным жидкостным ракетным двигателем с одной камерой сгорания, когда-либо созданным. [1]
Компания Rocketdyne разработала F-1 и E-1 , чтобы удовлетворить требования ВВС США 1955 года к очень большому ракетному двигателю. E-1, хотя и был успешно испытан в статическом режиме, быстро был признан технологическим тупиком и был заброшен в пользу более крупного и мощного F-1. В конечном итоге ВВС остановили разработку F-1 из-за отсутствия потребности в таком большом двигателе. Однако недавно созданное Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) оценило полезность двигателя с такой большой мощностью и заключило контракт с Rocketdyne на завершение его разработки. Испытательные запуски компонентов F-1 были проведены еще в 1957 году. Первый статический запуск полномасштабного опытного образца F-1 был проведен в марте 1959 года. Первый F-1 был доставлен в NASA MSFC в октябре 1963 года. В декабре 1964 года F-1 завершил летные испытания. Испытания продолжались по крайней мере до 1965 года. [2]
Ранние испытания на разработку выявили серьезные проблемы нестабильности сгорания , которые иногда приводили к катастрофическим отказам . [3] Первоначально прогресс в решении этой проблемы был медленным, так как она была прерывистой и непредсказуемой. Наблюдались колебания 4 кГц с гармониками до 24 кГц. В конце концов инженеры разработали диагностическую методику детонации небольших взрывчатых зарядов (которые они называли «бомбами») вне камеры сгорания, через тангенциальную трубку ( использовались RDX , C-4 или черный порох ) во время работы двигателя. Это позволило им точно определить, как рабочая камера реагирует на изменения давления, и определить, как свести на нет эти колебания. Затем конструкторы могли быстро экспериментировать с различными конструкциями коаксиальных топливных форсунок, чтобы получить наиболее устойчивую к нестабильности. Эти проблемы решались с 1959 по 1961 год. В конце концов, сгорание в двигателе стало настолько стабильным, что оно самогасило искусственно вызванную нестабильность в течение одной десятой секунды.
Двигатель F-1 является самым мощным односопловым жидкостным ракетным двигателем , когда-либо летавшим. Ракетный двигатель M-1 был разработан для большей тяги, но он был испытан только на уровне компонентов. Более поздний разработанный RD-170 гораздо более стабилен, технологически более совершенен , более эффективен и производит большую тягу, но использует четыре сопла, питаемые одним насосом. F-1 сжигал RP-1 (ракетный керосин ) в качестве топлива и использовал жидкий кислород (LOX) в качестве окислителя. Турбонасос использовался для впрыска топлива и кислорода в камеру сгорания.
Одной из заметных проблем в конструкции F-1 было регенеративное охлаждение камеры сгорания. Инженер-химик Деннис «Дэн» Бревик столкнулся с задачей обеспечения охлаждения предварительного пучка труб камеры сгорания и коллектора , разработанного Элом Бокстелларом. По сути, работа Бревика заключалась в том, чтобы «убедиться, что они не расплавятся». Благодаря расчетам Бревика гидродинамических и термодинамических характеристик F-1, он и его команда смогли устранить проблему, известную как «голодание». Это когда дисбаланс статического давления приводит к «горячим точкам» в коллекторах. Материалом, использованным для пучка труб камеры сгорания F-1, армирующих полос и коллектора, был Inconel-X750 , тугоплавкий сплав на основе никеля, способный выдерживать высокие температуры. [4]
Сердцем двигателя была камера тяги, которая смешивала и сжигала топливо и окислитель для создания тяги. Куполообразная камера в верхней части двигателя служила коллектором, подающим жидкий кислород к инжекторам , а также служила креплением для карданного подшипника, который передавал тягу корпусу ракеты. Под этим куполом находились инжекторы, которые направляли топливо и окислитель в камеру тяги таким образом, чтобы способствовать смешиванию и сгоранию. Топливо подавалось в инжекторы из отдельного коллектора; часть топлива сначала проходила по 178 трубкам вниз по длине камеры тяги — которая образовывала примерно верхнюю половину выхлопного сопла — и обратно, чтобы охладить сопло.
Газогенератор использовался для привода турбины , которая приводила в действие отдельные топливные и кислородные насосы, каждый из которых питал узел камеры тяги. Турбина вращалась со скоростью 5500 об/мин , выдавая 55 000 тормозных лошадиных сил (41 МВт). Топливный насос подавал 15 471 галлон США (58 560 литров) RP-1 в минуту, в то время как насос окислителя подавал 24 811 галлонов США (93 920 л) жидкого кислорода в минуту. С точки зрения экологии турбонасос должен был выдерживать температуры от входного газа при 1500 °F (820 °C) до жидкого кислорода при -300 °F (-184 °C). Конструктивно топливо использовалось для смазки и охлаждения подшипников турбины .
Ниже камеры тяги находился сопловой удлинитель , примерно в половину длины двигателя. Это расширение увеличило степень расширения двигателя с 10:1 до 16:1. Выхлопные газы из турбины подавались в сопловой удлинитель через большой конический коллектор; этот относительно холодный газ образовывал пленку, которая защищала сопловой удлинитель от горячего (5800 °F (3200 °C)) выхлопного газа. [5]
Каждую секунду один F-1 сжигал 5683 фунта (2578 кг) окислителя и топлива: 3945 фунтов (1789 кг) жидкого кислорода и 1738 фунтов (788 кг) RP-1, создавая 1500000 фунтов силы (6,7 МН; 680 тс) тяги. Это соответствовало расходу 671,4 галлона США (2542 л) в секунду; 413,5 галлона США (1565 л) LOX и 257,9 галлона США (976 л) RP-1. За две с половиной минуты работы пять двигателей F-1 подняли ракету Saturn V на высоту 42 мили (222 000 футов; 68 км) и развили скорость 6 164 миль в час (9 920 км/ч). Суммарный расход пяти двигателей F-1 в Saturn V составил 3 357 галлонов США (12 710 л) [5] или 28 415 фунтов (12 890 кг) в секунду. Каждый двигатель F-1 имел большую тягу, чем три главных двигателя Space Shuttle вместе взятые. [6]
Во время статических испытательных огневых испытаний топливо RP-1 на основе керосина оставляло углеводородные отложения и пары в двигателе после испытательных огневых испытаний. Их приходилось удалять из двигателя, чтобы избежать проблем во время обслуживания двигателя и будущих огневых испытаний, а растворитель трихлорэтилен (TCE) использовался для очистки топливной системы двигателя непосредственно перед каждым испытательным огневым испытанием и после него. Процедура очистки включала прокачку TCE через топливную систему двигателя и перетекание растворителя в течение периода от нескольких секунд до 30–35 минут, в зависимости от двигателя и серьезности отложений. Иногда газогенератор двигателя и купол LOX также промывались TCE перед испытательными огневыми испытаниями. [7] [8] Ракетный двигатель F-1 промывал свой купол LOX, газогенератор и топливную рубашку камеры тяги TCE во время подготовки к запуску. [8]
Источники: [5] [9]
Тяга и эффективность F-1 были улучшены между Apollo 8 (SA-503) и Apollo 17 (SA-512), что было необходимо для удовлетворения растущих требований к грузоподъемности более поздних миссий Apollo . Были небольшие различия в производительности между двигателями в данной миссии и различия в средней тяге между миссиями. Для Apollo 15 производительность F-1 была:
Измерение и сравнение тяги ракетных двигателей сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Согласно фактическим измерениям, тяга при старте Apollo 15 составила 7 823 000 фунтов силы (34,80 МН), что соответствует средней тяге F-1 в 1 565 000 фунтов силы (6,96 МН) — немного больше указанного значения. [ необходима цитата ]
В 1960-х годах Rocketdyne провела модернизацию F-1, в результате чего появилась новая спецификация двигателя F-1A. Хотя внешне F-1A был очень похож на F-1, он выдавал на 20% большую тягу, 1 800 000 фунтов силы (8 МН) на испытаниях, и должен был использоваться на будущих кораблях Saturn V в эпоху после Apollo . Однако производственная линия Saturn V была закрыта до окончания проекта Apollo, и ни один двигатель F-1A так и не полетел. [10]
Были предложения использовать восемь двигателей F-1 на первой ступени ракет Saturn C-8 и Nova . Многочисленные предложения были сделаны с 1970-х годов и далее по разработке новых одноразовых ускорителей на основе конструкции двигателя F-1. К ним относятся Saturn-Shuttle и ускоритель Pyrios (см. ниже) в 2013 году. [10] По состоянию на 2013 год [обновлять]ни один из них не продвинулся дальше начальной фазы исследований. Comet HLLV использовал бы пять двигателей F-1A на основном ядре и по два на каждом из ускорителей. [11]
F-1 — самый большой, однокамерный, односопловой жидкостный двигатель, который когда-либо летал. Существуют более крупные твердотопливные двигатели, такие как Space Shuttle Solid Rocket Booster с тягой старта на уровне моря 2 800 000 фунтов силы (12,45 МН) каждый. Советский (теперь российский) РД-170 может развивать большую тягу, чем F-1, в 1 630 000 фунтов силы (7,25 МН) на двигатель на уровне моря, однако каждый двигатель использует четыре камеры сгорания вместо одной, чтобы решить проблему нестабильности горения.
В рамках программы Space Launch System (SLS) NASA проводило конкурс Advanced Booster Competition, который должен был завершиться выбором победившей конфигурации ускорителя в 2015 году. В 2013 году инженеры Центра космических полетов им. Маршалла начали испытания оригинального F-1 с серийным номером F-6049, который был снят с Apollo 11 из-за сбоя. Двигатель никогда не использовался и в течение многих лет находился в Смитсоновском институте . Испытания предназначены для повторного ознакомления NASA с конструкцией и топливом F-1 в ожидании использования усовершенствованной версии двигателя в будущих приложениях для полетов в дальний космос. [12]
В 2012 году компании Pratt & Whitney , Rocketdyne и Dynetics , Inc. представили конкурента, известного как Pyrios , жидкостный ракетный ускоритель , в рамках программы NASA Advanced Booster Program, которая направлена на поиск более мощного преемника пятисегментных твердотопливных ракетных ускорителей Space Shuttle, предназначенных для ранних версий Space Launch System. Pyrios использует два сильно модифицированных двигателя F-1B с увеличенной тягой на каждый ускоритель. [13] [14] Из-за потенциального преимущества двигателя в удельном импульсе , если бы эта конфигурация F-1B (использующая в общей сложности четыре F-1B) была интегрирована с SLS Block 2, транспортное средство могло бы доставить 150 тонн (330 000 фунтов) на низкую околоземную орбиту , [15] в то время как 130 тонн (290 000 фунтов) считается достижимым с запланированными твердотопливными ускорителями в сочетании с основной ступенью RS-25 с четырьмя двигателями . [16]
Двигатель F-1B имеет цель проектирования быть по крайней мере таким же мощным, как нелетевший F-1A, и в то же время более экономически эффективным. Конструкция включает в себя значительно упрощенную камеру сгорания, уменьшенное количество деталей двигателя и удаление системы рециркуляции выхлопных газов F-1, включая среднее сопло выхлопа турбины и охлаждающий коллектор «занавески» , при этом выхлоп турбины имеет отдельный выпускной канал [17] рядом с укороченным главным соплом на F-1B. Снижению затрат на детали способствует использование селективной лазерной плавки при производстве некоторых металлических деталей. [13] [18] Полученный двигатель F-1B должен выдавать 1 800 000 фунтов силы (8,0 МН) тяги на уровне моря, что на 15% больше, чем приблизительно 1 550 000 фунтов силы (6,9 МН) тяги, которую выдавали зрелые двигатели Apollo 15 F-1. [13] [ требуется обновление ]
Шестьдесят пять двигателей F-1 были запущены на борту тринадцати Saturn V, и каждая первая ступень приземлилась в Атлантическом океане. Десять из них следовали примерно по одному и тому же азимуту полета в 72 градуса, но Apollo 15 и Apollo 17 следовали значительно более южным азимутам (80,088 градуса и 91,503 градуса соответственно). Ракета-носитель Skylab летела по более северному азимуту, чтобы достичь более высокой наклонной орбиты (50 градусов против обычных 32,5 градусов). [19]
Десять двигателей F-1 были установлены на двух серийных Saturn V, которые так и не летали. Первая ступень от SA-514 экспонируется в Космическом центре Джонсона в Хьюстоне (хотя принадлежит Смитсоновскому институту), а первая ступень от SA-515 экспонируется в Научном центре INFINITY в Космическом центре Джона К. Стенниса в Миссисипи.
Еще десять двигателей были установлены на двух наземных испытаниях Saturn V, которые никогда не собирались летать. S-IC-T "All Systems Test Stage", реплика для наземных испытаний, демонстрируется как первая ступень полного Saturn V в Космическом центре Кеннеди во Флориде. SA-500D , Dynamic Test Vehicle, демонстрируется в Космическом и ракетном центре США в Хантсвилле, штат Алабама . [20]
Испытательный двигатель выставлен в Музее электростанции в Сиднее , Австралия . Это был 25-й из 114 двигателей для исследований и разработок, построенных Rocketdyne , и он был запущен 35 раз. Двигатель предоставлен музею в аренду Национальным музеем авиации и космонавтики Смитсоновского института . Это единственный F-1, выставленный за пределами Соединенных Штатов. [21]
Двигатель F-1, предоставленный Национальным музеем авиации и космонавтики, выставлен в зоопарке Air Zoo в Портидже, штат Мичиган . [22]
Двигатель F-1 находится на горизонтальном выставочном стенде в Музее науки Оклахомы в Оклахома-Сити . [ требуется ссылка ]
Двигатель F-1 F-6049 выставлен вертикально в Музее авиации в Сиэтле, штат Вашингтон, как часть экспозиции Apollo. [ необходима ссылка ]
Двигатель F-1 установлен вертикально в память о строителях Rocketdyne на Де Сото Авеню, через дорогу от бывшего завода Rocketdyne в Канога Парк, Калифорния. Он был установлен в 1979 году и перемещен с парковки через улицу некоторое время после 1980 года. [23]
Двигатель F-1 выставлен на обозрение возле Музея истории космонавтики в Аламогордо, штат Нью-Мексико. [ необходима ссылка ]
Восстановленная камера сгорания F-1 демонстрируется в «Космосфере» . [24] Целый двигатель (без соплового удлинителя) демонстрируется на открытом воздухе.
28 марта 2012 года группа, финансируемая Джеффом Безосом , основателем Amazon.com , сообщила, что они обнаружили ракетные двигатели F-1 с миссии Apollo с помощью гидролокационного оборудования. [25] Безос заявил, что планирует поднять по крайней мере один из двигателей, которые покоятся на глубине 14 000 футов (4300 м), примерно в 400 милях (640 км) к востоку от мыса Канаверал, Флорида. Однако состояние двигателей, которые находились под водой более 40 лет, неизвестно. [26] Администратор НАСА Чарльз Болден опубликовал заявление, в котором поздравил Безоса и его команду с находкой и пожелал им успехов. Он также подтвердил позицию НАСА, что любые найденные артефакты останутся собственностью агентства, но, скорее всего, будут предложены Смитсоновскому институту и другим музеям, в зависимости от количества найденных. [27]
20 марта 2013 года Безос объявил, что ему удалось поднять части двигателя F-1 на поверхность, и опубликовал фотографии. Безос отметил: «Многие из оригинальных серийных номеров отсутствуют или частично отсутствуют, что затруднит идентификацию миссии. Мы можем увидеть больше во время реставрации». [28] Спасательным судном был Seabed Worker , и на борту находилась группа специалистов, организованная Безосом для восстановительных работ. [29] 19 июля 2013 года Безос сообщил, что серийный номер одного из восстановленных двигателей — серийный номер Rocketdyne 2044 (соответствует номеру NASA 6044), двигатель № 5 (в центре), который помог Нилу Армстронгу , Баззу Олдрину и Майклу Коллинзу достичь Луны в ходе миссии Apollo 11. [30] Восстановленные части были доставлены в Канзасский центр космонавтики и космонавтики в Хатчинсоне для процесса консервации. [30] [29]
В августе 2014 года выяснилось, что были извлечены части двух разных двигателей F-1, один из Apollo 11 и один из другого полета Apollo, в то время как была опубликована фотография очищенного двигателя. Безос планирует выставить двигатели в различных местах, включая Национальный музей авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия [29]
20 мая 2017 года в Музее авиации в Сиэтле (штат Вашингтон) открылась постоянная экспозиция «Аполлон», на которой представлены найденные артефакты двигателей, в том числе камера сгорания и инжектор камеры сгорания двигателя № 3 миссии «Аполлон-12» , а также газогенератор двигателя, использовавшегося в полете «Аполлон-16» .
