Кіріспе
Сатурн V зымыранында қолданылған зымыран қозғалтқышы F 1, көбінесе Rocketdyne F 1 деп аталады, Rocketdyne компаниясымен әзірленген. Қозғалтқыш 1950 жылдардың соңында АҚШ-та жасалған газ генераторлық циклды пайдаланады және 1960-шы және 1970-шы жылдардың басында Сатурн V зымыранында қолданылды. Әр Сатурн V зымыранының S IC бірінші сатысында бес F 1 қозғалтқышы орнатылды, ол Аполлон бағдарламасының негізгі ұшыру құралы болып табылды. F 1 – жасалған ең қуатты бір жану камералы сұйық отынды зымыран қозғалтқышы болып қалады.
The F 1, commonly known as Rocketdyne F 1, is a rocket engine developed by Rocketdyne. The engine uses a gas generator cycle developed in the United States in the late 1950s and was used in the Saturn V rocket in the 1960s and early 1970s. Five F 1 engines were used in the S IC first stage of each Saturn V, which served as the main launch vehicle of the Apollo program. The F 1 remains the most powerful single combustion chamber liquid propellant rocket engine ever developed.
Тарих
Rocketdyne компаниясы 1955 жылы АҚШ Әуе күштерінің өте үлкен ракеталық қозғалтқышқа деген қажеттілігін қанағаттандыру үшін F1 және E1 қозғалтқыштарын жасады. E1 статикалық сынақтарда сәтті сынақтан өткенімен, технологиялық тұйыққа соқтығып, үлкен және қуатты F1 қозғалтқышына орнын берді. Әуе күштері кейіннен мұндай үлкен қозғалтқышқа қажеттілік болмағандықтан F1 қозғалтқышының дамуын тоқтатты. Алайда, жақында құрылған Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасы (NASA) осындай қуатты қозғалтқыштың маңыздылығын бағалап, оның дамуын аяқтау үшін Rocketdyne компаниясымен келісім шарт жасасты. F1 компоненттерінің сынақтары 1957 жылдан бастап жүргізілді. F1 қозғалтқышының толық сатыдағы алғашқы статикалық сынағы 1959 жылдың наурыз айында өтті. Алғашқы F1 қозғалтқышы 1963 жылдың қазан айында NASA MSFC-ге жеткізілді. 1964 жылдың желтоқсан айында F1 ұшуға дайындық сынақтарын аяқтады. Сынақтар кем дегенде 1965 жылға дейін жалғасты. Алғашқы даму сынақтары жанудың тұрақсыздығына байланысты күрделі мәселелерді көрсетті, бұл кейде катастрофалық сәтсіздіктерге әкелді. Бастапқыда бұл мәселені шешуде үлкен қиындықтар туды, себебі ол эпизодтық және болжауға қиын болды. 4 кГц жиілікті, 24 кГц-қа дейінгі гармоникалары бар тербелістер байқалды. Соңында инженерлер диагностикалық әдіс әзірледі: қозғалтқыш жұмыс істеп тұрғанда, жану камерасының сыртындағы тангенциалдық түтік арқылы (RDX, C4 немесе қара ұнтақ қолданылды) кішкентай жарылғыш зарядтарды (оларды «бомбалар» деп атады) детонациялау. Бұл оларға камераның қысым өзгерісіне қалай реакция жасайтынын анықтап, осы тербелістерді қалай жоюға болатынын білуге мүмкіндік берді. Осыдан кейін конструкторлар тұрақсыздыққа ең төзімді коаксиалды отын инжекторларының әртүрлі конструкцияларын тез сынақтан өткізе алды. Бұл мәселелер 1959 жылдан 1961 жылға дейін шешілді. Ақырында, қозғалтқыштың жануы соншалықты тұрақты болды, ол жасанды түрде тудырылған тұрақсыздықты бір секундтың оннан бір бөлігінде өзімен-өзі жоя алды.
Дизайн
F1 қозғалтқышы – бұрын-соңды ұшуға арналған ең қуатты бір соплолы сұйық отынмен жұмыс істейтін ракеталық қозғалтқыш. M1 ракеталық қозғалтқышы күштірек болу үшін жобаланған, бірақ ол тек компоненттік деңгейде сынақтан өткізілді. Кейіннен жасалған RD170 әлдеқайда тұрақты, техникалық жағынан жетілген және күштірек, бірақ бір камералы конструкция емес. F1 отын ретінде RP-1 (ракеталық керосин) және тотықтырғыш ретінде сұйық оттегін (LOX) пайдаланды. Отын мен оттекті жану камерасына жеткізу үшін турбонасос қолданылды. F1 құрастырудағы маңызды мәселелердің бірі – итермелі камераны регенеративті салқындату болды. Химиялық инженер Деннис "Дэн" Бревикке Al Bokstellar жасаған алдын ала жану камерасының түтікшелік жиынтығы мен коллекторының салқын жұмыс істеуін қамтамасыз ету міндеті жүктелді. Анығында, Бревиктің міндеті – "оны балқымауына көз жеткізу" болды. Бревик F1-дің гидродинамикалық және термодинамикалық сипаттамаларын есептеу арқылы ол және оның командасы "аштық" деп аталатын мәселені шеше алды. Бұл статикалық қысымның тепе-теңдігінің бұзылуы коллекторларда "қызып кетуге" әкеледі. F1 итермелі камерасының түтікшелік жиынтығы, нығайтушы ленталары мен коллекторы Inconel X750 материалынан жасалған, бұл жоғары температураға төтеп бере алатын никель негізіндегі отқа төзімді қорытпа. Қозғалтқыштың негізгі бөлігі – итермелі камера, ол отын мен тотықтырғышты араластырып, жағып, итермелі күшті тудырады. Қозғалтқыштың үстіңгі жағындағы күмбезді камера сұйық оттегін инжекторларға жеткізетін коллектор ретінде және ракета корпусына итермелі күшті жеткізетін кардандық саптаманың тірегі ретінде қызмет етті. Бұл күмбездің астында инжекторлар орналасқан, олар отын мен тотықтырғышты итермелі камераға араластыру мен жануды ынталандыру үшін жасалған жолмен бағыттады. Отын инжекторларға жеке коллектордан берілді; отынның бір бөлігі 178 түтікше арқылы итермелі камераның ұзындығы бойымен және кері қарай өтіп, соқпақты салқындату үшін, шамамен соқпақтың жоғарғы жартысын құрады. Газ генераторы турбинаны қозғау үшін пайдаланылды, ол өз кезегінде жеке отын және оттегі сорғыларын қозғалтты, олардың әрқайсысы итермелі камера жиынтығын қамтамасыз етті. Турбина минутына 5500 айналыммен жұмыс істеді, отын сорғысы минутына RP-1, ал тотықтырғыш сорғысы минутына сұйық оттегі берді. Турбонасос қоршаған ортаға байланысты температурадан сұйық оттегінің температурасына дейін температураға төтеп беруі керек болды. Құрылымдық тұрғыдан, отын турбина подшипниктерін майлау және салқындату үшін қолданылды. Итермелі камераның астында соқпақтың ұзартылуы орналасқан, ол қозғалтқыштың шамамен жартысын құрайды. Бұл ұзарту қозғалтқыштың кеңею коэффициентін 10:1-ден 16:1-ге дейін арттырды. Турбинадан шыққан газдар үлкен, конустық коллектор арқылы соқпақ ұзартуына бағытталды; бұл салыстырмалы түрде салқын газ соқпақ ұзартуын ыстық газдардан қорғайтын пленканы құрады. Әр секунд сайын бір F1 тотықтырғыш пен отынды жақты: сұйық оттегі және RP-1, итермелі күшті тудырады. Бұл секунд сайын ағынға тең; LOX және RP-1. Екі жарым минут жұмыс істегеннен кейін бес F1 Сатурн V құрылғысын 68 км биіктікке және жылдамдыққа жеткізді. Сатурн V құрылғысындағы бес F1-дің біріктірілген ағыны болды.
Жалынға дейінгі және одан кейінгі рәсімдер
Статикалық сынақ кезінде керосинге негізделген RP 1 отыны, сынақтан кейін қозғалтқышта көмірсутекті қалдықтар мен буларды қалдырды. Бұл қалдықтар қозғалтқышты қолдану және келешектегі іске қосу кезінде проблемалардың алдын алу үшін қозғалтқыштан алынып тасталуы тиіс болды. Осы үшін еріткіш трихлорэтилен (ТХЭ) әрбір сынақтан бұрын және кейін қозғалтқыштың отын жүйесін тазалауға қолданылды. Тазалау процедурасы қозғалтқыштың отын жүйесі арқылы ТХЭ сорғылауын және еріткіштің бірнеше секундтан 30-35 минутқа дейін ағып шығуын қамтыды, бұл қозғалтқыш түріне және қалдықтардың мөлшеріне байланысты болды. Кейбір қозғалтқыштар үшін, сынаққа дайындалу кезінде қозғалтқыштың газ генераторы мен LOX күмбезі де ТХЭ-мен шайылып тасталды. F 1 зымырандық қозғалтқышының LOX күмбезі, газ генераторы және итергіш камерасының отын қаптамасы ұшыруға дайындық кезінде ТХЭ-мен шайылып тасталды.
Аполлоннан кейінгі F-1A
1960 жылдары Rocketdyne компаниясы F1 қозғалтқышын жаңарту жұмыстарын жүргізіп, нәтижесінде жаңа F1A қозғалтқышын жасады. Сырттан қарағанда F1 қозғалтқышына өте ұқсас болғанымен, F1A сынақтарда шамамен 20%-ға артық итерме күші көрсетті және Аполлон бағдарламасынан кейінгі кезеңде болашақ Сатурн V зымырандарында қолданылуы мүмкін еді. Дегенмен, Сатурн V өндіріс желісі Аполлон жобасы аяқталуына дейін жабылды, сондықтан F1A қозғалтқыштары ешқашан ұшқан жоқ. Сатурн C8 және Nova зымырандарының бірінші сатысында сегіз F1 қозғалтқышын пайдалану туралы ұсыныстар жасалған. 1970 жылдан бері F1 қозғалтқышының конструкциясына негізделген жаңа, бір реттік пайдаланылатын күшейткіштерді (бустерлерді) әзірлеу бойынша көптеген ұсыныстар енгізілді. Олардың қатарында 2013 жылғы Сатурн шаттлы және Пириос күшейткіші (төменде қараңыз) бар. F1 – бір камералы, бір соплолы, сұйық отынмен жұмыс істейтін, жасалған ең үлкен және ең жоғары итерме күшіне ие қозғалтқыш. Одан ірі қатты отынмен жұмыс істейтін қозғалтқыштар да бар, мысалы, ғарыш шаттлының қатты отын күшейткішінің теңіз деңгейіндегі ұшыру итерме күші. Совет (қазіргі Ресей) RD 170 қозғалтқышы теңіз деңгейінде F1-ге қарағанда артық итерме күшіне ие, бірақ жану тұрақсыздығы мәселесін шешу үшін әрбір қозғалтқышта бір емес, төрт жану камерасы қолданылады.
F-1B көтеруші
Ғарыш ұшыру жүйесі (SLS) бағдарламасының бір бөлігі ретінде NASA 2015 жылы жеңімпаз бустер конфигурациясын таңдаумен аяқталатын Advanced Booster Competition (жаңылған бустерлер жарысы) өткізді. 2013 жылы Маршалл ғарыш ұшу орталығының инженерлері Аполлон-11 ғарыш кемесінен ақаулыққа байланысты алынып тасталған F 6049 сериялық нөмірімен алғашқы F1 қозғалтқышын сынақтан өткізді. Бұл қозғалтқыш ешқашан қолданылмаған, көп жылдар бойы Смитсонов институтында сақталған. Сынақтар NASA-ны F1 конструкциясымен және отынымен қайта таныстыру мақсатында жүргізілді, болашақтағы терең ғарышқа ұшу миссияларында оның жетілдірілген нұсқасын пайдалануға дайындық үшін жасалған. 2012 жылы Pratt & Whitney, Rocketdyne және Dynetics, Inc. компаниялары NASA-ның Advanced Booster бағдарламасында Pyrios деп аталатын сұйық ракеталық бустерді ұсынды. Бұл бағдарламаның мақсаты Space Launch System-нің алғашқы нұсқалары үшін бес сегментті Space Shuttle Solid Rocket Boosters-қа қарағанда қуаттырақ баламаны табу. Pyrios әр бустерде екі жоғары итеру күшіне ие және кеңейтілген F 1B қозғалтқыштарын пайдаланады. Егер осы F 1B конфигурациясы (барлығы төрт F 1B қозғалтқышымен) SLS Block 2 блогымен біріктірілсе, қозғалтқыштың нақты импульс бойынша артықшылығына байланысты, аппаратты Жердің төменгі орбитасына жеткізуге болады, ал жоспарланған қатты бустерлермен және төрт қозғалтқышты RS 25 ядролық сатысымен қол жеткізілетін деңгей – . F 1B қозғалтқышының жобалау мақсаты – ұшпаған F 1A-дан кем емес қуатқа ие болу, сонымен қатар шығындарды азайту. Конструкцияда жақсырақ жану камерасы, қозғалтқыш бөліктерінің санының азаюы және F 1 түтін газын қайта өңдеу жүйесін алып тастау қарастырылған, оның ішінде турбина түтін газының ортаңғы сопақшасы мен "перделі" салқындату коллекторы, ал турбина түтін газы F 1B-дегі қысқартылған негізгі сопақшаның жанында бөлек шығатын арнаға ие. Кейбір металл бөлшектерді өндіруде селективті лазерлік балқытуды қолдану бөліктердің құнын төмендетуге көмектеседі. Нәтижесінде алынған F 1B қозғалтқышы теңіз деңгейінде итеру күшін 15%-ға арттырып, шамамен қамтамасыз етеді, бұл Аполлон 15 F 1 қозғалтқыштарының шамамен итеру күшінен асып түседі. Он F1 қозғалтқышы екі өндірістік Saturn V-ке орнатылды, бірақ олар ешқашан ұшқан жоқ. SA 514 ғарыш кемесінің бірінші сатысы Хьюстон қаласындағы Джонсон ғарыш орталығында (Смитсонов институтының меншігінде болса да) және SA 515 ғарыш кемесінің бірінші сатысы Миссисипи штатындағы Джон Стеннис ғарыш орталығының INFINITY Science Center орталығында қойылған. Тағы он қозғалтқыш екі жердегі сынақ Saturn V-ке орнатылды. Жердегі сынақ репликасы S IC T "All Systems Test Stage" Флоридадағы Кеннеди ғарыш орталығында Saturn V толық жиынтығының бірінші сатысы ретінде көрсетілген. SA 500D, динамикалық сынақ аппараты, АҚШ-тың Хантсвилл қаласындағы (Алабама штаты) Ғарыш және зымыран орталығында қойылған. Сиднейдегі (Австралия) Powerhouse мұражайында сынақ қозғалтқышы қойылған. Бұл Rocketdyne компаниясы жасаған 114 зерттеу және әзірлеу қозғалтқышының 25-і болды және 35 рет сынақтан өтті. Бұл қозғалтқыш Смитсонов институтының Ұлттық әуе және ғарыш мұражайынан мұражайға уақытша берілген. Бұл АҚШ-тан тыс жерде көрсетілген жалғыз F1 қозғалтқышы. Ұлттық әуе және ғарыш мұражайынан уақытша алынған F1 қозғалтқышы Мичиган штатының Портж қаласындағы Air Zoo әуе мұражайында көрсетілген. Оклахома қаласындағы Оклахома ғылым мұражайында көлденең тұрған F1 қозғалтқышы қойылған. F 6049 F 1 қозғалтқышы Аполлон көрмесінің бөлігі ретінде Сиэтлдегі Ұшу мұражайында тік орналастырылған. F1 қозғалтқышы Rocketdyne құрылысшыларына арналған ескерткіш ретінде Де Сото даңғылында, Калифорния штатының Канога Парк қаласындағы бұрынғы Rocketdyne зауытының қарама-қарсы жағында орнатылған. Ол 1979 жылы орнатылған, ал 1980 жылдан кейін паркингтен көшірілген. F 1 қозғалтқышы Нью-Мексико штатының Аламогордо қаласындағы Ғарыш тарихы мұражайының сыртында көрсетілген. Космосферада F1 қозғалтқышының жану камерасы қойылған.
Қайтару
2012 жылдың 28 наурызында Amazon компаниясының негізін қалаушы Джефф Безос қаржыландырған команда, Аполлон миссиясынан F1 зымыран қозғалтқыштарын сонарлық жабдықтар арқылы анықтағанын хабарлады. Безос Флорида штатының Канаверал мүйісінен шығысқа қарай шамамен 644 км (400 миль) қашықтықта, 4267 м (14000 фут) тереңдікте орналасқан кем дегенде біреуін көтеруді жоспарлап отырғанын мәлімдеді. Алайда, 40 жылдан астам уақыт су астында болған қозғалтқыштардың жағдайы белгісіз болды. НАСА әкімшісі Чарльз Болден Безос пен оның командасын табыстарымен құттықтап, сәттілік тіледі. Ол сондай-ақ, кез келген табылған артефакттар агенттіктің меншігінде қалатынын, бірақ табылған заттардың санына байланысты Смитсонов институтына және басқа музейлерге ұсынылатындығын растады. 2013 жылдың 20 наурызында Безос F1 қозғалтқышының бөліктерін судан шығарып, фотосуреттерін жариялады. Безос: «Миссияны анықтауды қиындататын көптеген бастапқы сериялық нөмірлер жоқ немесе жартылай жоқ. Қалпына келтіру кезінде олардың көбірек табылуы мүмкін», - деді. Қайтару кемесі Seabed Worker болды, және оның бортында Безос ұйымдастырған мамандар тобы болды. Табылған бөліктер консервациялау үшін Хатчинсон қаласындағы Канзас космосфера және ғарыш орталығына жеткізілді. 2017 жылдың 20 мамырында Сиэтлдегі Ұшу мұражайында Аполлонның тұрақты көрмесі ашылды, онда Аполлон 12 миссиясының үшінші қозғалтқышының итермелеу камерасы мен итермелеу камерасының инжекторы, сондай-ақ Аполлон 16 ұшуын қамтамасыз еткен қозғалтқыштың газ генераторы қойылды.