Введение
Ракетный двигатель F-1, широко известный как Rocketdyne F-1, — это ракетный двигатель, разработанный компанией Rocketdyne. В двигателе используется газогенераторный цикл, разработанный в США в конце 1950-х годов, и он применялся 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 являлась основной ракетой-носителем программы «Аполлон». F-1 остаётся самым мощным жидкостным ракетным двигателем с одной камерой сгорания, когда-либо созданным.
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.
История
Rocketdyne разработала двигатели F-1 и E-1 в ответ на требования ВВС США 1955 года к созданию очень мощного ракетного двигателя. Хотя E-1 успешно прошел статические испытания, он быстро был признан технологическим тупиком и заменен более крупным и мощным F-1. В конечном итоге ВВС прекратили разработку F-1 из-за отсутствия потребности в двигателе такой большой мощности. Однако недавно созданное Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) оценило полезность двигателя с такой мощностью и заключило с Rocketdyne контракт на завершение его разработки. Испытания компонентов F-1 проводились уже в 1957 году. Первый статический запуск полноразмерного опытного образца F-1 состоялся в марте 1959 года. Первый F-1 был поставлен в NASA MSFC в октябре 1963 года. В декабре 1964 года F-1 завершил программу летных испытаний. Испытания продолжались как минимум до 1965 года. Ранние испытания выявили серьезные проблемы с неустойчивостью горения, которые иногда приводили к катастрофическим отказам. Первоначально прогресс в решении этой проблемы был медленным, поскольку она проявлялась спорадически и непредсказуемо. Наблюдались колебания частотой 4 кГц с гармониками до 24 кГц. В конечном итоге инженеры разработали диагностический метод, заключавшийся в детонации небольших взрывчатых зарядов (которые они называли "бомбами") снаружи камеры сгорания через тангенциальную трубку (использовались RDX, C-4 или черный порох) во время работы двигателя. Это позволило им точно определить, как камера сгорания реагирует на изменения давления, и разработать способы подавления этих колебаний. Конструкторы могли быстро экспериментировать с различными конструкциями коаксиальных топливных инжекторов, чтобы найти наиболее устойчивую к неустойчивости. Эти проблемы решались с 1959 по 1961 год. В конечном итоге горение в двигателе стало настолько стабильным, что он мог самостоятельно гасить искусственно вызванную неустойчивость менее чем за одну десятую секунды.
Дизайн
Двигатель F 1 – самый мощный односопловый ракетный двигатель на жидком топливе, когда-либо поднимавшийся в воздух. Ракетный двигатель M 1 был спроектирован для большей тяги, но испытывался только на уровне отдельных компонентов. Позднее разработанный РД-170 гораздо более стабилен, технически совершенен и развивает большую тягу, но не имеет однокамерной конструкции. В двигателе F 1 в качестве топлива использовался RP-1 (керосин ракетного качества), а в качестве окислителя – жидкий кислород (LOX). Турбонасос использовался для подачи топлива и кислорода в камеру сгорания. Одной из значительных задач при создании F 1 было регенеративное охлаждение тяговой камеры. Инженер-химик Деннис "Дэн" Бревик получил задачу обеспечить эффективное охлаждение предварительной конструкции трубного пучка и коллектора камеры сгорания, разработанной Al Bokstellar. По сути, работа Брейвика заключалась в том, чтобы "убедиться, что она не расплавится". Благодаря расчетам Брейвиком гидродинамических и термодинамических характеристик F 1, он и его команда смогли устранить проблему, известную как "обеднение". Она возникает, когда дисбаланс статического давления приводит к образованию "горячих точек" в коллекторах. Для изготовления трубного пучка тяговой камеры F 1, усиливающих полос и коллектора использовался сплав Inconel X750 – жаропрочный никелевый сплав, способный выдерживать высокие температуры. Сердцем двигателя была тяговая камера, в которой топливо и окислитель смешивались и сгорали для создания тяги. Куполообразная камера в верхней части двигателя служила коллектором, подающим жидкий кислород к инжекторам, а также являлась креплением для карданного подшипника, который передавал тягу на корпус ракеты. Под этим куполом располагались инжекторы, которые направляли топливо и окислитель в тяговую камеру таким образом, чтобы обеспечить их смешивание и сгорание. Топливо подавалось к инжекторам из отдельного коллектора; часть топлива сначала проходила по 178 трубам вдоль тяговой камеры – которая формировала примерно верхнюю половину сопла – и обратно, чтобы охладить сопло. Газогенератор приводил в действие турбину, которая вращала отдельные топливные и кислородные насосы, каждый из которых подавал компоненты в тяговую камеру. Турбина вращалась со скоростью 5500 об/мин, обеспечивая подачу RP-1 в минуту, а кислородный насос – жидкого кислорода в минуту. Турбонасос должен был выдерживать температуры от на входе газа до жидкого кислорода. Конструктивно топливо использовалось для смазки и охлаждения подшипников турбины. Под тяговой камерой располагалось расширение сопла, длиной примерно в половину длины двигателя. Это расширение увеличивало степень расширения двигателя с 10:1 до 16:1. Выхлопные газы из турбины поступали в расширение сопла через большой, конический коллектор; этот относительно холодный газ образовывал пленку, которая защищала расширение сопла от горячих выхлопных газов. Каждую секунду один двигатель F 1 сжигал окислителя и топлива: жидкого кислорода и RP-1, создавая тяги. Это соответствовало расходу в секунду: LOX и RP-1. За две с половиной минуты работы пять двигателей F 1 подняли ракету-носитель Saturn V на высоту 68 км и разогнали ее до скорости. Общий расход компонентов пяти двигателей F 1 на Saturn V составлял
Процедуры до и после зажигания
Во время статического огневого испытания топливо RP-1 на основе керосина оставляло в двигателе отложения углеводородов и пары после завершения испытания. Эти отложения требовалось удалить из двигателя, чтобы избежать проблем при обращении с ним и последующих запусках, и для очистки топливной системы двигателя непосредственно перед и после каждого огневого испытания использовался растворитель трихлорэтилен (ТХЭ). Процедура очистки заключалась в прокачке ТХЭ через топливную систему двигателя и сливе растворителя в течение времени от нескольких секунд до 30–35 минут, в зависимости от типа двигателя и степени загрязнения. Для некоторых двигателей газогенератор и купол LOX также промывались ТХЭ перед огневым испытанием. При подготовке ракетного двигателя F-1 к запуску промывались ТХЭ купол LOX, газогенератор и водяная рубашка камеры сгорания.
F-1A после "Аполлона"
В 1960-х годах компания Rocketdyne приступила к работам по повышению характеристик двигателя F 1, что привело к созданию новой спецификации – F 1A. Хотя внешне F 1A был очень похож на F 1, в ходе испытаний он обеспечивал примерно на 20% большую тягу и должен был использоваться на будущих ракетах-носителях Saturn V в пост-аполлоновскую эпоху. Однако, производственная линия Saturn V была закрыта до завершения программы «Аполлон», и ни один двигатель F 1A так и не совершил полет. Рассматривались предложения по использованию восьми двигателей F 1 на первой ступени ракет Saturn C 8 и Nova. С 1970-х годов неоднократно предлагалось разработать новые одноразовые ускорители на базе конструкции двигателя F 1. Среди них – Saturn Shuttle и ускоритель Pyrios (см. ниже), предложенный в 2013 году. F 1 является самым большим жидкостным ракетным двигателем с одной камерой сгорания и одним соплом, когда-либо поднимавшимся в воздух. Существуют более мощные твердотопливные двигатели, такие как твердотопливные ускорители космического шаттла, с тягой при старте с уровня моря в каждый. Советский (ныне российский) РД-170 способен развивать большую тягу, чем F 1 – на один двигатель на уровне моря, однако каждый двигатель использует четыре камеры сгорания вместо одной для решения проблемы неустойчивости горения.
Ускоритель F-1B
В рамках программы Space Launch System (SLS) НАСА проводило конкурс по разработке перспективных ускорителей, который должен был завершиться выбором победителя в 2015 году. В 2013 году инженеры из Космического центра Маршалла начали испытания оригинального двигателя F 1, серийный номер F 6049, который был снят с ракеты Apollo 11 из-за неисправности. Двигатель никогда не использовался и в течение многих лет находился в Смитсоновском институте. Цель испытаний – восстановить знания НАСА о конструкции и компонентах F 1 в преддверии использования усовершенствованной версии двигателя в будущих миссиях дальнего космоса. В 2012 году компании Pratt & Whitney, Rocketdyne и Dynetics, Inc. представили конкурента под названием Pyrios – жидкостный ракетный ускоритель – в рамках программы перспективных ускорителей НАСА, направленной на поиск более мощной замены пятисегментным твердотопливным ускорителям космического шаттла, предназначенным для ранних версий Space Launch System. Pyrios использует два двигателя F 1B с увеличенной тягой и значительно модифицированной конструкцией на каждом ускорителе. Благодаря потенциальному преимуществу двигателя в удельном импульсе, интеграция этой конфигурации F 1B (с использованием четырех двигателей F 1B в общей сложности) с блоком 2 SLS позволит выводить на низкую околоземную орбиту, в то время как с запланированными твердыми ускорителями в сочетании с четырехдвигательной ступенью RS 25 считается достижимым. Двигатель F 1B имеет целевой показатель мощности, как минимум, равный двигателю F 1A, который так и не был запущен, при этом он должен быть более экономичным. Конструкция включает в себя значительно упрощенную камеру сгорания, уменьшенное количество деталей двигателя и отказ от системы рециркуляции выхлопных газов F 1, включая промежуточную насадку турбины и "завесу" охлаждения, при этом выхлоп турбины имеет отдельный выходной канал рядом с укороченным основным соплом F 1B. Снижение стоимости деталей достигается за счет использования селективного лазерного плавления при производстве некоторых металлических компонентов. Полученный двигатель F 1B должен обеспечивать тягу на уровне моря, что на 15% больше, чем приблизительная тяга, которую обеспечивали доработанные двигатели F 1, установленные на Apollo 15. Десять двигателей F 1 были установлены на двух серийных ракетах Saturn V, которые так и не совершили полет. Первая ступень ракеты SA 514 экспонируется в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне (хотя и принадлежит Смитсоновскому институту), а первая ступень ракеты SA 515 – в Научном центре INFINITY при Космическом центре имени Джона Стенниса в Миссисипи. Еще десять двигателей были установлены на двух наземных испытательных ракетах Saturn V, которые не предназначались для полетов. S IC T "Всесистемная испытательная ступень", наземный макет для испытаний, экспонируется в качестве первой ступени полной ракеты Saturn V в Космическом центре Кеннеди во Флориде. SA 500D, динамический испытательный аппарат, экспонируется в Космическом и ракетном центре США в Хантсвилле, штат Алабама. Испытательный двигатель экспонируется в Музее Сиднея (Австралия). Это был 25-й из 114 двигателей, построенных компанией Rocketdyne для исследований и разработок, и он был запущен 35 раз. Двигатель находится в музее на условиях аренды у Национального музея авиации и космонавтики Смитсоновского института. Это единственный двигатель F 1, экспонируемый за пределами Соединенных Штатов. Двигатель F 1, взятый в аренду из Национального музея авиации и космонавтики, экспонируется в Air Zoo в Портдже, штат Мичиган. Двигатель F 1 установлен горизонтально на подставке в Музее науки Оклахомы в Оклахома-Сити. Двигатель F 1 с серийным номером F 6049 экспонируется вертикально в Музее полетов в Сиэтле, штат Вашингтон, в рамках экспозиции, посвященной программе Apollo. Двигатель F 1 установлен вертикально в качестве мемориала строителям Rocketdyne на проспекте Де Сото, напротив бывшего завода Rocketdyne в Канога-Парке, Калифорния. Он был установлен в 1979 году и перемещен с парковки через улицу в какое-то время после 1980 года. Двигатель F 1 экспонируется на открытом воздухе у Музея космической истории Нью-Мексико в Аламогордо, Нью-Мексико. Камера тяги двигателя F 1 экспонируется в Космосфере.
Восстановление
28 марта 2012 года команда, финансируемая Джеффом Безосом, основателем Amazon.com, сообщила об обнаружении ракетных двигателей F-1 с миссии "Аполлон" с использованием гидролокационного оборудования. Безос заявил, что планирует поднять как минимум один из двигателей, лежащих на глубине 14 000 футов (4267 м), примерно в 644 км к востоку от мыса Канаверал, штат Флорида. Однако состояние двигателей, пролежавших под водой более 40 лет, оставалось неизвестным. Администратор НАСА Чарльз Болден опубликовал заявление, в котором поздравил Безоса и его команду с находкой и пожелал им успеха. Он также подтвердил позицию НАСА о том, что любые поднятые артефакты останутся собственностью агентства, но, вероятно, будут предложены Смитсоновскому институту и другим музеям в зависимости от количества поднятых экземпляров. 20 марта 2013 года Безос объявил об успешном подъеме частей двигателя F-1 на поверхность и опубликовал фотографии. Безос отметил: "Многие оригинальные серийные номера отсутствуют или повреждены, что затруднит идентификацию миссии. Возможно, больше информации станет известно в процессе реставрации". Судно, участвовавшее в подъеме, называлось Seabed Worker, и на его борту находилась команда специалистов, организованная Безосом для проведения работ. Поднятые части были доставлены в Канзасский космический центр и музей в Хатчинсоне для проведения консервационных работ. 20 мая 2017 года в Музее полетов в Сиэтле, штат Вашингтон, открылась постоянная экспозиция, посвященная программе "Аполлон", на которой представлены артефакты двигателей, включая тяговую камеру и инжектор тяговой камеры двигателя №3 с миссии "Аполлон-12", а также газовый генератор от двигателя, использованного в полете "Аполлон-16".