Рокетдайн Ф-1 - Rocketdyne F-1

F-1
Ракетный двигатель Ф-1.jpg
Характеристики ракетного двигателя Ф-1
Страна происхождения Соединенные Штаты
Производитель Rocketdyne
Жидкостный двигатель
Пропеллент LOX / RP-1
Соотношение смеси 2,27 (69% O2, 31% RP-1)
Цикл Генератор газа
Представление
Тяга (вакуум) 1,746,000 фунтов (7,770 кН)
Тяга (на уровне моря) 1522000 фунтов (6770 кН)
Отношение тяги к массе 94,1
Давление в камере 70 бар (1015 фунтов на кв. Дюйм; 7 МПа)
Удельный импульс (вакуум) 304 с (2,98 км / с)
Удельный импульс (на уровне моря) 263 с (2,58 км / с)
Массовый поток 5683 фунтов / с (2578 кг / с)
3945 фунтов / с (1789 кг / с) (LOX)
1738 фунтов / с (788 кг / с) (RP-1)
Время горения 150-163 с
Габаритные размеры
Длина 18,5 футов (5,6 м)
Диаметр 12,2 футов (3,7 м)
Сухой вес 18500 фунтов (8400 кг)
Используется в
Сатурн V

F1 , широко известный как Рокетдайн F1, является ракетным двигателем , разработанный Rocketdyne . В этом двигателе используется цикл газогенератора, разработанный в Соединенных Штатах в конце 1950-х годов и использовавшийся в ракете Сатурн V в 1960-х и начале 1970-х годов. Пять двигателей F-1 использовались в первой ступени S-IC каждого Saturn V, который служил главной ракетой-носителем программы Apollo . F-1 остается самым мощным из когда-либо созданных жидкостных ракетных двигателей с одной камерой сгорания .

История

Вернер фон Браун с двигателями F-1 первой ступени Сатурна V в ракетно-космическом центре США

Компания Rocketdyne разработала F-1 и E-1, чтобы удовлетворить требования ВВС США 1955 года в отношении очень большого ракетного двигателя. E-1, хотя и успешно прошел испытания в статической стрельбе, быстро оказался технологическим тупиком, и от него отказались 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 такой большой мощности и заключило контракт с Rocketdyne на завершение его разработки. Испытательные стрельбы компонентов F-1 проводились еще в 1957 году. Первые статические стрельбы полнофункционального опытного F-1 были выполнены в марте 1959 года. Первый F-1 был доставлен в NASA MSFC в октябре 1963 года. В декабре В 1964 году F-1 завершил летно-рейтинговые испытания. Испытания продолжались как минимум до 1965 года.

Первые испытания разработки выявили серьезные проблемы с нестабильностью горения, которые иногда приводили к катастрофическим отказам . Первоначально решение этой проблемы было медленным, поскольку оно было прерывистым и непредсказуемым. Наблюдались колебания 4 кГц с гармониками до 24 кГц. В конце концов, инженеры разработали диагностическую методику подрыва небольших зарядов взрывчатого вещества (которые они назвали «бомбами») вне камеры сгорания через тангенциальную трубку (использовались гексоген , C-4 или черный порох ) во время работы двигателя. Это позволило им точно определить, как рабочая камера реагирует на колебания давления, и определить, как нейтрализовать эти колебания. После этого конструкторы могли быстро поэкспериментировать с различными конструкциями коаксиальных топливных форсунок, чтобы получить наиболее устойчивый к нестабильности. Эти проблемы решались с 1959 по 1961 год. В конце концов, сгорание двигателя стало настолько стабильным, что само гашение искусственно вызванной нестабильности происходило в течение одной десятой секунды.

Дизайн

Компоненты ракетного двигателя Ф-1

Двигатель F-1 - самый мощный односопловый жидкостный ракетный двигатель из когда-либо летавших. Ракетный двигатель М-1 был разработан , чтобы иметь больше тяги, но он был протестирован только на уровне компонентов. Также РД-170 дает большую тягу, но имеет четыре сопла. F-1 использовал RP-1 ( керосин ракетного качества ) в качестве топлива и использовал жидкий кислород (LOX) в качестве окислителя. ТНА был использован для впрыска топлива и кислорода в камеру сгорания.

Одной из заметных проблем в конструкции F-1 было регенеративное охлаждение камеры тяги. Инженер-химик Деннис «Дэн» Бревик столкнулся с задачей обеспечить охлаждение предварительного трубного пучка камеры сгорания и конструкции коллектора, произведенных Al Bokstellar. По сути, работа Бревика заключалась в том, чтобы «не таять». Посредством расчетов гидродинамических и термодинамических характеристик F-1 Бревик и его команда смогли решить проблему, известную как «голодание». Это когда дисбаланс статического давления приводит к появлению «горячих точек» в коллекторах. В качестве материала для пучка труб упорной камеры F-1, армирующих лент и коллектора использовался Inconel-X750 , тугоплавкий сплав на основе никеля, способный выдерживать высокие температуры.

Сердцем двигателя была камера тяги, которая смешивала и сжигала топливо и окислитель, создавая тягу. Куполообразная камера в верхней части двигателя служила коллектором для подачи жидкого кислорода к форсункам , а также служила опорой для карданного подшипника, который передавал тягу на корпус ракеты. Под этим куполом находились форсунки, которые направляли топливо и окислитель в камеру тяги таким образом, чтобы способствовать перемешиванию и сгоранию. Топливо в форсунки подавалось из отдельного коллектора; часть топлива сначала прошла по 178 трубам по длине камеры тяги, которая образовывала примерно верхнюю половину выхлопного сопла, и обратно, чтобы охладить сопло.

Газовый генератор был использован для приведения в действие турбину , которая отбросила отдельные топливные насосы и кислорода, каждая подача тяги камеры в сборе. Турбина вращалась со скоростью 5 500 об / мин , создавая мощность торможения 55 000 лошадиных сил (41 МВт). Топливный насос подает 15 471 галлон США (58 560 литров) RP-1 в минуту, в то время как насос окислителя подает 24 811 галлонов США (93 920 л) жидкого кислорода в минуту. С экологической точки зрения турбонасос должен был выдерживать температуры в диапазоне от входящего газа при 1500 ° F (820 ° C) до жидкого кислорода при −300 ° F (−184 ° C). Конструктивно топливо использовалось для смазки и охлаждения подшипников турбины .

Пробный запуск двигателя F-1 на базе ВВС Эдвардс (большие сферы наверху платформы - это сферы Хортона для топлива и окислителя)

Под камерой тяги находился удлинитель сопла , примерно на 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 сопло от горячего (5 800 ° F (3200 ° C)) выхлопного газа.

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 (6,7 МН; 680 тс). ) тяги. Это соответствует 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 F-1 разогнали Сатурн V до высоты 42 миль (222 000 футов; 68 км) и скорости 6 164 миль в час (9920 км / ч). Общий расход пяти F-1 в Saturn V составлял 3 357 галлонов США (12 710 л) или 28 415 фунтов (12 890 кг) в секунду. Каждый двигатель F-1 имел большую тягу, чем три главных двигателя космического корабля вместе взятые.

Процедуры до и после розжига

Во время статического испытательного зажигания топливо РП-1 на основе керосина оставило углеводородные отложения и пары в пост-испытательном срабатывании двигателя. Их пришлось удалить с двигателя, чтобы избежать проблем во время работы с двигателем и будущих запусков, а трихлорэтилен на основе растворителя (TCE) использовался для очистки топливной системы двигателя непосредственно перед и после каждого испытательного запуска. Процедура очистки включала прокачку ТХЭ через топливную систему двигателя и возможность перелива растворителя в течение периода от нескольких секунд до 30–35 минут, в зависимости от двигателя и серьезности отложений. Для некоторых двигателей газогенератор двигателя и купол LOX также были промыты TCE перед испытательным запуском. Ракетный двигатель F-1 имел купол LOX, газогенератор и топливную рубашку камеры тяги, промытые TCE во время подготовки к запуску.

Характеристики

Установка двигателей F-1 на Saturn V S-IC Stage. На устанавливаемом двигателе насадка на форсунку отсутствует.
Аполлон 4, 6 и 8 Аполлон 9–17
Тяга , уровень моря 1,500,000 фунтов (6,7 МН) 1,522,000 фунтов (6,77 МН)
Время горения 150 секунд 165 секунд
Удельный импульс 260 с (2,5 км / с) 263 с (2,58 км / с)
Давление в камере 70 бар (1015 фунтов на кв. Дюйм; 7 МПа) 70 бар (1015 фунтов на кв. Дюйм; 7 МПа)
Масса двигателя в сухом состоянии 18,416 фунтов (8,353 кг) 18500 фунтов (8400 кг)
Прогорание массы двигателя 20,096 фунтов (9,115 кг) 20180 фунтов (9150 кг)
Рост 19 футов (5,8 м)
Диаметр 12,3 футов (3,7 м)
Соотношение выхода и горла 16: 1
Пропелленты LOX и RP-1
Соотношение масс смеси 2,27: 1 окислитель к топливу
Подрядчик NAA / Rocketdyne
Заявка на транспортное средство Saturn V / S-IC 1 - я ступень - 5 двигателей

Источники:

Улучшения F-1

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 характеристиках двигателей в заданной миссии и различия в средней тяге между заданиями. Для Apollo 15 характеристики F-1 были:

  • Тяга (средняя, ​​на двигатель, отрыв от уровня моря): 1,553,200 фунтов-силы (6,909 МН)
  • Время горения: 159 секунд
  • Удельный импульс : 264,72 с (2,5960 км / с)
  • Соотношение компонентов: 2,2674
  • Общая взлетная тяга S-IC с уровня моря: 7 766 000 фунтов силы (34,54 МН)

Измерение и сравнение тяги ракетных двигателей сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Основываясь на фактических измерениях, взлетная тяга Аполлона 15 составила 7 823 000 фунтов силы (34,80 МН), что соответствует средней тяге F-1 1 565 000 фунтов силы (6,96 МН), что немного больше указанного значения.

Двигатель F-1 на выставке
в Космическом центре Кеннеди

F-1A после Аполлона

В течение 1960-х годов Rocketdyne предприняла ускоренную разработку F-1, в результате чего была разработана новая спецификация двигателя F-1A. Будучи внешне очень похожим на F-1, F-1A производил примерно на 20% большую тягу, 1800000 фунтов силы (8 МН) в испытаниях, и должен был использоваться на будущих транспортных средствах Saturn V в эпоху после Аполлона . Однако производственная линия Saturn V была закрыта до окончания проекта Apollo, и ни один из двигателей F-1A никогда не запускался.

Были предложения использовать восемь двигателей F-1 на первой ступени ракет Saturn C-8 и Nova . С 1970-х годов было сделано множество предложений по разработке новых одноразовых ускорителей на основе конструкции двигателя F-1. К ним относятся Saturn-Shuttle и ракета-носитель Pyrios (см. Ниже) в 2013 году. По состоянию на 2013 год, ни одна из них не вышла за пределы начальной фазы исследования. Кометы HLLV бы использовали пять F-1A двигателей на главной активной зоне и два на каждой из ракет - носителей.

F-1 - это самый крупный из эксплуатируемых однокамерных двигателей на жидком топливе с одним соплом и максимальной тягой. Существуют более крупные твердотопливные двигатели, такие как твердотопливный ракетный ускоритель Space Shuttle с тягой на уровне моря 2 800 000 фунтов силы (12,45 МН) каждый. Советский (ныне российский) РД-170 может развивать большую тягу, чем F-1, при 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. .

Ракета-носитель F-1B

Vulcain для Ariane 5 ракеты использует аналогичную конструкцию цикла для F-1 двигатель, с турбиной выхлопных газов по трубопроводу непосредственно за бортом.

В рамках программы Space Launch System (SLS) НАСА проводило конкурс Advanced Booster Competition , который должен был закончиться выбором победившей конфигурации ракеты-носителя в 2015 году. В 2012 году компания Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) предложила использовать производная от двигателя Ф-1 в соревнованиях в качестве жидкостного ракетного ускорителя . В 2013 году инженеры Центра космических полетов им. Маршалла начали испытания оригинального F-1 с серийным номером F-6049, который был удален с Аполлона-11 из-за сбоя. Двигатель никогда не использовался, и много лет он находился в Смитсоновском институте . Испытания предназначены для ознакомления НАСА с конструкцией и топливом F-1 в ожидании использования усовершенствованной версии двигателя в будущих приложениях для полетов в дальний космос.

Pratt & Whitney , Rocketdyne и Dynetics , Inc. представили конкурента, известного как Pyrios, в программе NASA Advanced Booster Program, целью которой является поиск более мощного преемника пятисегментных твердотопливных ракетных ускорителей Space Shuttle, предназначенных для ранних версий системы космического запуска. с использованием двух двигателей повышенной тяги и сильно доработанных двигателей Ф-1Б на ускоритель. Из-за потенциального преимущества двигателя в удельном импульсе , если бы эта конфигурация F-1B (с использованием всего четырех F-1B) была интегрирована с SLS Block 2, аппарат мог бы доставить 150 тонн (330 000 фунтов) на низкую околоземную орбиту , в то время как 113 тонн (249 000 фунтов) - это то, что считается достижимым с запланированными твердотопливными ускорителями в сочетании с четырехмоторной основной ступенью RS-25 .

Двигатель F-1B должен быть не менее мощным, чем не летающий F-1A, но при этом быть более рентабельным. Конструкция включает в себя значительно упрощенную камеру сгорания, уменьшенное количество деталей двигателя и удаленную систему рециркуляции выхлопных газов F-1, включая среднее сопло выхлопных газов турбины и коллектор охлаждения «занавес» , причем выхлоп турбины имеет отдельный выходной канал рядом с укороченным основным соплом на F-1B. Снижению стоимости деталей способствует использование селективного лазерного плавления при производстве некоторых металлических деталей. Полученный в результате двигатель F-1B предназначен для создания тяги на уровне моря 1 800 000 фунт-сил (8,0 МН), что на 15% больше по сравнению с приблизительно 1 550 000 фунт-сил (6,9 МН) тяги, которую производили зрелые двигатели Apollo 15 F-1.

Расположение двигателей Ф-1

Неполетный двигатель F-1 на выставке в Pratt & Whitney (ныне Aerojet Rocketdyne ), Canoga Park, Лос-Анджелес
Двигатель F-1 на выставке в научном центре INFINITY

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 одинаковому азимуту полета 72 градуса, но Аполлон 15 и Аполлон 17 следовали значительно более южным азимутам (80,088 градуса и 91,503 градуса соответственно). Скайлэб ракета - носитель летали на более северном азимуту , чтобы достичь более высокого наклона орбиты (50 градусов по сравнению с обычными 32,5 градусов).

Десять двигателей F-1 были установлены на двух серийных Saturn V, которые никогда не летали. Первая ступень из SA-514 демонстрируется в Космическом центре Джонсона в Хьюстоне (хотя и принадлежит Смитсоновскому институту), а первая ступень из SA-515 демонстрируется в Научном центре INFINITY в Космическом центре Джона К. Стенниса в Миссисипи.

Еще десять двигателей были установлены на двух наземных испытательных самолетах Saturn V, которые никогда не собирались летать. S-IC-T "Все системы тестирования", точная копия наземных испытаний, демонстрируется как первая ступень полного Сатурна V в Космическом центре Кеннеди во Флориде. Автомобиль для динамических испытаний SA-500D выставлен в Космическом и ракетном центре США в Хантсвилле, штат Алабама .

Испытательный двигатель выставлен в Музее электростанции в Сиднее , Австралия . Это был 25-й из 114 исследовательских и опытно-конструкторских двигателей, построенных Rocketdyne, и он был запущен 35 раз. Двигатель предоставлен музею Национальным музеем авиации и космонавтики Смитсоновского института . Это единственный F-1, выставленный на обозрение за пределами США.

Двигатель F-1, предоставленный Национальным музеем авиации и космонавтики, выставлен в воздушном зоопарке города Портедж, штат Мичиган .

Двигатель F-1 стоит на горизонтальном стенде в Научном музее Оклахомы в Оклахома-Сити .

Двигатель F-1 F-6049 демонстрируется вертикально в Музее полетов в Сиэтле, штат Вашингтон, как часть выставки Apollo.

Двигатель F-1 установлен вертикально в память о строителях Rocketdyne на Де Сото, через дорогу от старого завода Rocketdyne в Канога-Парке, Калифорния. Он был установлен в 1979 году и перенесен со стоянки через дорогу через некоторое время после 1980 года.

Двигатель F-1 на выставке возле Музея истории космоса Нью-Мексико в Аламогордо, штат Нью-Мексико.

Восстановление

Восстановленные детали двигателя F-1 выставлены в Музее авиации в Сиэтле .
Восстановленный инжектор двигателя F-1 из миссии Аполлона-12, выставленный в Музее полетов в Сиэтле .

28 марта 2012 года команда, финансируемая Джеффом Безосом , основателем Amazon.com , сообщила, что они обнаружили ракетные двигатели F-1 во время миссии Apollo с помощью гидроакустического оборудования. Безос заявил, что планирует поднять по крайней мере один из двигателей, которые находятся 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, было неизвестно. Администратор НАСА Чарльз Болден выступил с заявлением, в котором поздравил Безоса и его команду с их находкой и пожелал им успехов. Он также подтвердил позицию НАСА, согласно которой любые обнаруженные артефакты останутся собственностью агентства, но они, скорее всего, будут предложены Смитсоновскому институту и другим музеям, в зависимости от количества найденных артефактов .

20 марта 2013 года Безос объявил, что ему удалось вывести на поверхность части двигателя F-1, и опубликовал фотографии. Безос отметил: «Многие из оригинальных серийных номеров отсутствуют или частично отсутствуют, что затрудняет идентификацию миссии. Мы можем увидеть больше во время восстановления». Спасательное судно было Seabed Worker , и на его борту находилась группа специалистов, организованная Безосом для проведения восстановительных работ. 19 июля 2013 года , Безос показал , что серийный номер одного из восстановленных двигателей Рокетдайн серийный номер 2044 (приравнивая к НАСА номеру 6044), в # 5 ( в центре) двигатель , который помог Нил Армстронг , Базз Олдрин и Майкл Коллинз в достичь Луны с миссией Аполлон-11 . Восстановленные части были доставлены в Космосферно-космический центр Канзаса в Хатчинсоне для сохранения.

В августе 2014 года выяснилось, что были извлечены части двух разных двигателей F-1, один с Аполлона-11, а другой с другого полета Аполлона, при этом 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.

20 мая 2017 года в Музее полетов в Сиэтле, штат Вашингтон, открылась постоянная выставка Apollo , на которой представлены найденные артефакты двигателей, включая камеру тяги и инжектор камеры тяги двигателя номер 3 из миссии Apollo 12 , а также газогенератор из двигатель, который приводил в действие полет Аполлона-16 .

Смотрите также

использованная литература

Примечания
Библиография

внешние ссылки