F -1 , широко известный как Rocketdyne F-1, — ракетный двигатель, разработанный компанией Rocketdyne . В этом двигателе используется газогенераторный цикл , разработанный в США в конце 1950-х годов и использовавшийся в ракете «Сатурн-5» в 1960-х — начале 1970-х годов. Пять двигателей F-1 использовались в первой ступени S-IC каждого Сатурна V, служившего основной ракетой-носителем программы Аполлон . F-1 остается самым мощным однокамерным жидкостным ракетным двигателем, когда-либо созданным. [1]
Rocketdyne разработала F-1 и E-1, чтобы удовлетворить требования ВВС США 1955 года к очень большому ракетному двигателю. E-1, хотя и успешно прошел испытания в статических стрельбах, быстро был признан технологическим тупиком, и от него отказались в пользу более крупного и мощного F-1. ВВС в конечном итоге 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 такой мощности и заключило контракт с Rocketdyne на завершение его разработки. Испытательные стрельбы компонентов F-1 были проведены еще в 1957 году. Первые статические стрельбы полномасштабной опытно-конструкторской модели F-1 были проведены в марте 1959 года. Первый F-1 был доставлен в НАСА MSFC в октябре 1963 года. В декабре В 1964 году F-1 завершил летные испытания. Испытания продолжались как минимум до 1965 года. [2]
Ранние испытания выявили серьезные проблемы с нестабильностью сгорания , которые иногда приводили к катастрофическим отказам . [3] Первоначально прогресс в решении этой проблемы был медленным, поскольку он был прерывистым и непредсказуемым. Наблюдались колебания частотой 4 кГц с гармониками до 24 кГц. В конце концов, инженеры разработали диагностический метод детонации небольших зарядов взрывчатого вещества (которые они назвали «бомбами») за пределами камеры сгорания через тангенциальную трубку ( использовался гексоген , С-4 или черный порох ) во время работы двигателя. Это позволило им точно определить, как работающая камера реагирует на изменения давления, и определить, как свести на нет эти колебания. Затем конструкторы могли быстро поэкспериментировать с различными конструкциями коаксиальных топливных форсунок, чтобы получить ту, которая наиболее устойчива к нестабильности. Эти проблемы решались с 1959 по 1961 год. В конце концов, сгорание двигателя стало настолько стабильным, что оно самогасилось, искусственно вызванная нестабильность, в течение одной десятой секунды.
Двигатель F-1 — самый мощный односопловой жидкостный ракетный двигатель, когда-либо летавший. Ракетный двигатель М-1 был спроектирован с большей тягой, но его испытания проводились только на уровне компонентов. Разработанный позже РД-170 гораздо более стабилен, технически более совершенен и обеспечивает большую тягу, но не имеет однокамерной конструкции. В F-1 в качестве топлива использовался РП-1 (ракетный керосин ), а в качестве окислителя использовался жидкий кислород (LOX). Для впрыска топлива и кислорода в камеру сгорания использовался турбонасос .
Одной из заметных проблем при строительстве F-1 было регенеративное охлаждение камеры тяги. Инженер-химик Деннис «Дэн» Бревик столкнулся с задачей обеспечить охлаждение предварительного пучка труб камеры сгорания и конструкции коллектора , произведенной Элом Бокстелларом. По сути, работа Бревика заключалась в том, чтобы «убедиться, что оно не растает». Благодаря расчетам Бревика гидродинамических и термодинамических характеристик F-1 он и его команда смогли решить проблему, известную как «голод». Это когда дисбаланс статического давления приводит к появлению «горячих точек» в коллекторах. Материалом, использованным для пучка труб камеры тяги F-1, армирующих бандажей и коллектора, был Inconel-X750 , тугоплавкий сплав на основе никеля, способный выдерживать высокие температуры. [4]
Сердцем двигателя была камера тяги, в которой смешивалось и сжигалось топливо и окислитель для создания тяги. Куполообразная камера в верхней части двигателя служила коллектором подачи жидкого кислорода к форсункам , а также служила креплением для подшипника кардана , передавшего тягу на корпус ракеты. Под этим куполом располагались форсунки, которые направляли топливо и окислитель в камеру тяги таким образом, чтобы способствовать смешиванию и сгоранию. Топливо к форсункам подавалось из отдельного коллектора; часть топлива сначала прошла по 178 трубкам вдоль камеры тяги, которая составляла примерно верхнюю половину выхлопного сопла , и обратно, чтобы охладить сопло.
Газогенератор использовался для привода турбины , которая приводила в действие отдельные топливный и кислородный насосы, каждый из которых питал узел камеры тяги. Турбина работала со скоростью 5500 об/мин , производя 55 000 лошадиных сил (41 МВт). Топливный насос подавал 15 471 галлон США (58 560 литров) RP-1 в минуту, а насос окислителя подавал 24 811 галлонов США (93 920 л) жидкого кислорода в минуту. С экологической точки зрения турбонасос должен был выдерживать температуры в диапазоне от входного газа при 1500 ° F (820 ° C) до жидкого кислорода при температуре -300 ° F (-184 ° C). Конструктивно топливо использовалось для смазки и охлаждения подшипников турбины .
Под камерой тяги находился удлинитель сопла , составлявший примерно половину длины двигателя. Это расширение увеличило степень расширения двигателя с 10:1 до 16:1. Выхлоп турбины подавался в сопло через большой конический коллектор; этот относительно холодный газ образовывал пленку, которая защищала расширение сопла 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) РП-1, вырабатывая 1500000 фунтов силы (6,7 МН; 680 тс). ) тяги. Это соответствует расходу 671,4 галлона США (2542 л) в секунду; 413,5 галлонов США (1565 л) LOX и 257,9 галлонов США (976 л) RP-1. За две с половиной минуты работы пять F-1 подняли корабль «Сатурн V» на высоту 42 мили (222 000 футов; 68 км) и скорость 6 164 миль в час (9 920 км / ч). Совокупный расход пяти F-1 в Сатурне V составлял 3357 галлонов США (12710 л) [5] или 28415 фунтов (12890 кг) в секунду. Каждый двигатель F-1 имел большую тягу, чем три главных двигателя космического шаттла вместе взятые. [6]
При статических испытательных стрельбах топливо РП-1 на основе керосина оставило углеводородные отложения и пары при послеиспытательной стрельбе двигателя. Их необходимо было снять с двигателя, чтобы избежать проблем при обращении с двигателем и будущих запусках, а растворитель трихлорэтилен (TCE) использовался для очистки топливной системы двигателя непосредственно перед и после каждого испытательного запуска. Процедура очистки включала прокачку TCE через топливную систему двигателя и выливание растворителя в течение периода от нескольких секунд до 30–35 минут, в зависимости от двигателя и серьезности отложений. Для некоторых двигателей [ какие? ] Газогенератор двигателя и купол LOX также были промыты TCE перед испытательными стрельбами. [7] [8] Во время подготовки к запуску ракетный двигатель F-1 имел купол LOX, газогенератор и рубашку топливной камеры, промытую TCE. [8]
Источники: [5] [9]
Тяга и эффективность F-1 были улучшены между Аполлоном-8 (SA-503) и Аполлоном-17 (SA-512), что было необходимо для удовлетворения растущих требований к грузоподъемности более поздних миссий Аполлона . Были небольшие различия в характеристиках двигателей в каждой миссии, а также различия в средней тяге между миссиями. Для Аполлона-15 характеристики F-1 были:
Измерение и сравнение тяги ракетных двигателей сложнее [ почему? ], чем может показаться на первый взгляд. [ по мнению кого? ] Согласно фактическим измерениям, стартовая тяга Аполлона-15 составляла 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. [ нужна цитата ]
В 1960-х годах Rocketdyne предприняла модернизацию F-1, в результате чего была создана новая спецификация двигателя F-1A. Внешне F-1A был очень похож на F-1, но на испытаниях F-1A имел примерно на 20% большую тягу, 1 800 000 фунтов силы (8 МН) и должен был использоваться на будущих кораблях Saturn V в эпоху после Аполлона . Однако производственная линия «Сатурн-5» была закрыта до завершения проекта «Аполлон», и двигатели F-1A так и не летали. [10]
Были предложения использовать восемь двигателей F-1 на первой ступени ракет «Сатурн» С-8 и «Нова» . Начиная с 1970-х годов и позднее было сделано множество предложений по разработке новых одноразовых ускорителей на основе конструкции двигателя F-1. К ним относятся «Сатурн-Шаттл» и ракета-носитель «Пириос» (см. ниже) в 2013 году. [10] По состоянию на 2013 год [обновлять]ни одна из них не продвинулась дальше начальной фазы исследования. Comet HLLV должен был использовать пять двигателей F-1A на основном ядре и по два на каждом из ускорителей. [11]
F-1 — самый крупный однокамерный односопловой жидкотопливный двигатель с самой высокой тягой из когда-либо существовавших. Существуют более крупные твердотопливные двигатели, такие как твердотопливный ракетный ускоритель космического корабля "Шаттл" с стартовой тягой на уровне моря 2 800 000 фунтов силы (12,45 МН) каждый. Советский (теперь российский) РД-170 может развивать большую тягу, чем F-1, - 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 сгорания. .
В рамках программы системы космического запуска (SLS) НАСА проводило конкурс усовершенствованных ракет-носителей, который должен был завершиться выбором победившей конфигурации ракеты-носителя в 2015 году. В 2013 году инженеры Центра космических полетов имени Маршалла начали испытания ракеты-носителя. оригинальный F-1, серийный номер F-6049, который был удален из «Аполлона-11» из-за сбоя. Двигатель никогда не использовался и долгие годы находился в Смитсоновском институте . Целью испытаний является ознакомление НАСА с конструкцией и топливом F-1 в ожидании использования усовершенствованной версии двигателя в будущих полетах в дальний космос. [12]
В 2012 году компании Pratt & Whitney , Rocketdyne и Dynetics , Inc. представили конкурента, известного как Pyrios , жидкостный ракетный ускоритель , в программе Advanced Booster Program НАСА, целью которой является поиск более мощного преемника пятисегментных твердотопливных ракетных ускорителей космических кораблей Space Shuttle. предназначен для ранних версий системы космического запуска. Pyrios использует два сильно модифицированных двигателя F-1B увеличенной тяги на каждом ускорителе. [13] [14] Из-за потенциального преимущества двигателя в удельном импульсе , если бы эта конфигурация F-1B (всего с использованием четырех F-1B) была интегрирована с SLS Block 2, машина могла бы доставить 150 тонн (330 000 фунтов) на низкая околоземная орбита , [15] в то время как 130 тонн (290 000 фунтов) — это то, что считается достижимым с запланированными твердотопливными ускорителями в сочетании с четырехдвигательной основной ступенью RS-25 . [16]
Целью конструкции двигателя F-1B было сделать его не менее мощным, чем нелетающий F-1A, но при этом быть более экономичным. В конструкции значительно упрощена камера сгорания, уменьшено количество деталей двигателя, а также удалена система рециркуляции выхлопных газов F-1, включая среднее сопло турбины и «завесу» охлаждающего коллектора , при этом выхлоп турбины имеет отдельный выпускной проход рядом с укороченным основным соплом F-1B. Снижению стоимости деталей способствует использование селективного лазерного плавления при производстве некоторых металлических деталей. [13] [17] Полученный двигатель F-1B предназначен для создания тяги в 1 800 000 фунтов силы (8,0 МН) на уровне моря, что на 15% больше, чем примерно 1 550 000 фунтов силы (6,9 МН) тяги, которую имел зрелый Apollo 15 F- Произведено 1 двигатель. [13] [ нужно обновить ]
Шестьдесят пять двигателей F-1 были запущены на тринадцати самолетах «Сатурн V», и каждая первая ступень приземлилась в Атлантическом океане. Десять из них следовали примерно по одному и тому же азимуту полета - 72 градуса, но Аполлон-15 и Аполлон-17 следовали значительно более южным азимутам (80,088 градуса и 91,503 градуса соответственно). Ракета -носитель «Скайлэб» полетела по более северному азимуту, чтобы достичь орбиты с более высоким наклонением (50 градусов против обычных 32,5 градусов). [18]
Десять двигателей F-1 были установлены на два серийных самолета Saturn V, которые так и не летали. Первая ступень SA-514 выставлена в Космическом центре Джонсона в Хьюстоне (хотя и принадлежит Смитсоновскому институту), а первая ступень SA-515 выставлена в Научном центре INFINITY в Космическом центре Джона К. Стенниса в Миссисипи.
Еще десять двигателей были установлены на два наземных самолета «Сатурн V», которые никогда не собирались летать. «Этап испытаний всех систем» S -IC-T , копия наземных испытаний, выставлена как первая ступень полноценного Сатурна-5 в Космическом центре Кеннеди во Флориде. SA-500D , машина для динамических испытаний, выставлена в Космическом и ракетном центре США в Хантсвилле, штат Алабама . [19]
Испытательный двигатель выставлен в Музее электростанции в Сиднее , Австралия . Это был 25-й из 114 научно-исследовательских двигателей, построенных Rocketdyne , и он запускался 35 раз. Двигатель передан в аренду музею из Национального музея авиации и космонавтики Смитсоновского института . Это единственный F-1, выставленный за пределами США. [20]
Двигатель F-1, предоставленный Национальным музеем авиации и космонавтики, выставлен в Воздушном зоопарке в Портедже, штат Мичиган . [21]
Двигатель F-1 находится на горизонтальном стенде в Музее науки Оклахома в Оклахома-Сити . [ нужна цитата ]
Двигатель F-1 F-6049 выставлен вертикально в Музее авиации в Сиэтле, штат Вашингтон, как часть выставки «Аполлон». [ нужна цитата ]
Двигатель F-1 установлен вертикально в качестве памятника строителям Rocketdyne на Де Сото-авеню, через дорогу от бывшего завода Rocketdyne в Канога-Парке, Калифорния. Он был установлен в 1979 году и перенесен со стоянки через дорогу спустя некоторое время после 1980 года. [22]
Двигатель F-1 выставлен возле Музея истории космоса Нью-Мексико в Аламогордо, штат Нью-Мексико. [ нужна цитата ]
Камера тяги F-1 выставлена в Космосфере . [23]
28 марта 2012 года группа, финансируемая Джеффом Безосом , основателем Amazon.com , сообщила, что они обнаружили ракетные двигатели F-1 миссии «Аполлон» с помощью гидроакустического оборудования. [24] 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, находившихся под водой более 40 лет, было неизвестно. [25] Администратор НАСА Чарльз Болден опубликовал заявление, в котором поздравил Безоса и его команду с находкой и пожелал им успехов. Он также подтвердил позицию НАСА, согласно которой любые найденные артефакты останутся собственностью агентства, но, скорее всего, будут переданы Смитсоновскому институту и другим музеям, в зависимости от количества найденных предметов. [26]
20 марта 2013 года Безос объявил, что ему удалось поднять на поверхность части двигателя F-1, и опубликовал фотографии. Безос отметил: «Многие оригинальные серийные номера отсутствуют или частично отсутствуют, что затруднит идентификацию миссии. Возможно, во время восстановления мы увидим больше». [27] Спасательное судно называлось Seabed Worker , на его борту находилась команда специалистов, организованная Безосом для восстановления. [28] 19 июля 2013 года Безос сообщил, что серийный номер одного из восстановленных двигателей — серийный номер Rocketdyne 2044 (соответствует номеру НАСА 6044), двигатель №5 (в центре), который помог Нилу Армстронгу , Баззу Олдрину и Майкл Коллинз достигнет Луны с миссией «Аполлон-11» . [29] Восстановленные части были доставлены в Канзасский космосферно-космический центр в Хатчинсоне для консервации. [29] [28]
В августе 2014 года выяснилось, что были обнаружены части двух разных двигателей F-1: один от Аполлона-11 и один от другого полета Аполлона, а также была опубликована фотография очищенного двигателя. Безос планирует выставить двигатели в различных местах, в том числе в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия [28].
20 мая 2017 года в Музее авиации в Сиэтле, штат Вашингтон , открылась постоянная экспозиция «Аполлона», на которой представлены обнаруженные артефакты двигателя, в том числе камера тяги и инжектор камеры тяги двигателя номер 3 миссии « Аполлон-12» , а также газогенератор. от двигателя, который приводил в движение полет Аполлона-16 .
