Рокетдайн Ф-1 - Rocketdyne F-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
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
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 .
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
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.
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
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
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
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
- Пресс-кит Apollo 15
- Ракета-носитель Saturn V, Отчет об оценке полета, AS-510 , MPR-SAT-FE-71-2, 28 октября 1971 г.
внешние ссылки
- E-1 в энциклопедии астронавтики
- F-1 в энциклопедии астронавтики
- F-1A в энциклопедии астронавтики
- NASA SP-4206 Stages to Saturn - официальная история NASA ракеты-носителя Saturn
- Инструкция по эксплуатации двигателя F-1 (310 МБ)
- Двигатель Saturn V F-1: «Аполлон» вошел в историю на Springer.com
- Вспоминая гигантов: разработка ракетного двигателя Аполлона , 2009, Космический центр Джона К. Стенниса. Монография по истории авиации и космонавтики № 45 НАСА.
- Как НАСА вернуло к жизни чудовищный двигатель F-1 «лунная ракета»
- Новый ракетный двигатель F-1B модернизирует конструкцию эпохи Аполлона с тягой 1,8 млн фунтов
- Информационный бюллетень MSFC History office F-1
- Коллекция Энтони Янга, Архивы и специальные коллекции Университета Алабамы в Хантсвилле Материалы исследований по разработке двигателя F-1.