Введение
Американский ракетный двигатель Kerolox Rocketdyne H-1 был жидкостным ракетным двигателем, работающим на жидком кислороде (LOX) и керосине (RP-1). H-1 был разработан для использования в первых ступенях S-I и S-IB ракет Saturn I и Saturn IB соответственно, где он применялся группами по восемь двигателей. После программы "Аполлон" излишки двигателей H-1 были модернизированы и переименованы в Rocketdyne RS-27, впервые использованный в ракетах серии Delta 2000 в 1974 году. Двигатели RS-27 продолжали эксплуатироваться до 1992 года, когда была снята с эксплуатации первая версия Delta II, Delta 6000. Модификация RS-27A, отличавшаяся незначительно улучшенными характеристиками, также использовалась на более поздних ракетах Delta II и Delta III, причем Delta II продолжала летать до 2018 года.
The Rocketdyne H 1 was a thrust liquid propellant rocket engine burning LOX and RP 1. The H 1 was developed for use in the S I and S IB first stages of the Saturn I and Saturn IB rockets, respectively, where it was used in clusters of eight engines. After the Apollo program, surplus H 1 engines were rebranded and reworked as the Rocketdyne RS 27 engine with first usage on the Delta 2000 series in 1974. RS 27 engines continued to be used up until 1992 when the first version of the Delta II, Delta 6000, was retired. The RS 27A variant, boasting slightly upgraded performance, was also used on the later Delta II and Delta III rockets, with the former flying until 2018.
Ранние двигатели
H-1 является одним из семейства двигателей, разработанных на основе баллистической ракеты V-2 времен Второй мировой войны. Во время войны компания North American Aviation (NAA) получила несколько двигателей V-2 для изучения и перевода измерений из метрической системы в систему SAE. Для выполнения этой работы они сформировали подразделение "Propulsion Division", которое впоследствии стало Rocketdyne. NAA также получила большой объем технической документации по двигателю. Инженеры, изучавшие ее, обнаружили планы по улучшению двигателя V-2 с помощью нового топливного инжектора типа "водопад". Немцам не удалось добиться работоспособности этой конструкции, и она так и не была принята на вооружение. Инженеры NAA решили взяться за решение этой проблемы и быстро нашли необходимые решения. Это позволило им увеличить тягу двигателя до , а затем – для ракеты Redstone. NAA также работала над проектом крылатой ракеты SM-64 Navaho, где этот же двигатель использовался в качестве разгонного блока для разгона ракеты до скорости, необходимой для запуска ее прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Военно-воздушные силы постоянно требовали повышения характеристик Navaho, что вынуждало NAA строить более крупные ракеты и более мощные разгонные блоки для их запуска. К началу 1950-х годов базовая конструкция двигателя была увеличена для обеспечения тяги . Все эти двигатели, как и V-2, от которой они произошли, работали на этаноле, но также проводились эксперименты с другими видами топлива, включая керосин, дизельное топливо, уайт-спирит, авиационный керосин JP-4 и JP-5. В январе 1953 года Rocketdyne начала программу "REAP" по переоборудованию этих двигателей для работы на специально разработанном и качественном керосиновом топливе, предназначенном для ракетных двигателей, которое получило название RP-1 и было официально специфицировано в военном стандарте MIL-R-25576 в 1954 году. В 1955 году Военно-воздушные силы выбрали версию двигателя, работающую на JP-4, для ракеты Atlas. Армия США запросила дальнейшего увеличения тяги до для своей ракеты Jupiter, и ВВС использовали ту же версию для своей ракеты Thor, создав Rocketdyne S-3D (или LR-79). Все эти двигатели основывались на схожей конструктивной концепции, включающей "водопадный инжектор", в котором множество небольших топливных форсунок использовались для распыления топлива в основную камеру сгорания. Они также имели сложную систему запуска турбонасосов, использующую вспомогательные топливные баки и трубопроводы для подачи топлива в газогенератор и основные камеры сгорания, пока насосы не создавали необходимое давление в основных топливных магистралях. Комплексная серия электропневматических клапанов управляла потоками топлива до полного запуска двигателя.
All of these designs, like the V 2 that spawned them, burned ethanol, but other fuels had also been experimented with, including kerosene, diesel oil, paint thinner, JP 4, and JP 5 jet fuel. In January 1953 Rocketdyne started their "REAP" program to convert these engines to a specific and well engineered kerosene fuel specifically for rocket engines, which became RP 1, officially specified in Military Specification MIL R 25576 in 1954. In 1955, the Air Force selected a JP 4 burning version of the engine to power their Atlas missile. The US Army requested a further boost to for their Jupiter missile, and the Air Force used the same version for their Thor, producing the Rocketdyne S 3D (or LR 79). All of these engines were based on a similar design concept, featuring a "waterfall injector", where many small fuel injectors were used to spray burning fuel into the main combustion chamber. They also shared a complex system for starting the turbopumps, using a set of secondary fuel tanks and plumbing that fed the gas generator and main combustors while the pumps were still bringing the main fuel lines up to pressure. A complex series of electropneumatic valves operated the various fuel flows until the engine was fully started.
Х-1
После успешной эксплуатации S 3D для ракет Thor и Jupiter, компания переключила внимание на радикально обновлённую версию, первоначально известную как S 3X, но впоследствии получившую название X 1. В этом двигателе сложная система клапанов и все сопутствующие датчики и электроника были заменены новыми клапанами, работающими под давлением самого топлива. Это означало, что сложная процедура запуска была полностью автоматизирована и осуществлялась за счёт потока топлива. Кроме того, в X 1 была упразднена вся система предстартового бака и заменена небольшим ракетным двигателем на твёрдом топливе, выхлоп которого через газогенератор вращал турбонасосы. Это значительно упростило систему трубопроводов двигателя, но привело к тому, что конструкция стала одноразовой. Предыдущие двигатели теоретически могли быть перезапущены в полёте, но с одним стартовым картриджем X 1 мог быть запущен только один раз. Ещё одним изменением стало внедрение воспламенителя, использующего пирофорное топливо вместо твёрдотопливных воспламенителей в предыдущих конструкциях. В более ранних двигателях воспламенители вставлялись через отверстия в камеру сгорания, но новая система позволяла распылять топливо непосредственно в главный инжектор. Топливо, триэтилалюминий, поставлялось в кубе с мембранами, которые разрушались при достижении установленного порога потока топлива в инжекторе. Наконец, в X 1 была внедрена новая система смазки, добавляющая небольшое количество присадки к топливу RP 1 по мере его протекания через различные компоненты. Эта смесь под давлением подавалась в подшипники системы турбонасоса, обеспечивая как смазку, так и отвод тепла.
Сатурн и H-1
Сатурн начался как проект на бумаге, призванный выполнить новое требование Министерства обороны США к сверхтяжелой ракете-носителю, способной выводить на низкую околоземную орбиту (LEO) от 10 000 до 40 000 фунтов, или разгонять от 6 000 до 12 000 фунтов до первой космической скорости. Существующие ракеты-носители могли быть модернизированы для вывода 10 000 фунтов на LEO, что было ниже требуемых характеристик. Требовалась новая, более крупная конструкция, и в апреле 1957 года Вернер фон Браун поручил предварительное проектирование Хайнцу Германну Коэлле. Решение Коэля по сокращению времени разработки заключалось в использовании связки топливных баков ракет Redstone и Jupiter, установленных на единой опорной плите, к которой затем крепились необходимые двигатели. Расчеты показали, что потребуется общая тяга около 1 миллиона фунтов, что значительно ограничивало выбор двигателей. В поисках подходящих вариантов Коэлл узнал о двигателе E 1 от Джорджа Саттона из Rocketdyne. Rocketdyne разрабатывала этот двигатель для ракеты Titan, и он был самым мощным двигателем, который мог быть готов к внедрению в сроки, установленные ARPA для Вернера фон Брауна по разработке того, что тогда называлось "Juno V". Изначально E 1 разрабатывался как резервный двигатель для ракеты Titan, специально спроектированный с максимальной простотой разработки на случай, если Aerojet General LR 87 окажется неудачным. Запуск "Спутника" в октябре того же года привел к быстрым изменениям в американской ракетной отрасли. Чтобы продемонстрировать мирные намерения, США решили выделить свои невоенные ракетные программы в новое агентство, которое впоследствии стало NASA. Поскольку армия потеряла интерес к крупным ракетам, она согласилась передать команду фон Брауна ABMA в NASA, которая стала Космическим центром имени Маршалла. Передача должна была состояться в 1960 году. Когда Коэлл вернулся в Rocketdyne в поисках модернизированной версии S 3D, ему вместо этого представили X 1 и предложили использовать его вместо дальнейшей модернизации S 3. Хотя X 1 был экспериментальным, он уже соответствовал необходимому диапазону тяги и был готов к полномасштабной разработке. Контракт на разработку был заключен 15 августа 1958 года, а к началу 1959 года название было изменено с Juno на Saturn, что символизировало преемственность, как планета, следующая за Юпитером, ракета Jupiter являлась предыдущей разработкой ABMA.
Описание
Как и все ранние двигатели Rocketdyne, H-1 использовал водопадный инжектор, питаемый турбонасосами, и осуществлял регенеративное охлаждение двигателя за счет топлива. Камера сгорания изготавливалась из 292 трубок из нержавеющей стали, спаянных в печи. В отличие от двигателя J-2, использовавшегося на ступени S-IVB, H-1 был двигателем однократного запуска. Его можно было запускать несколько раз – двигатели обычно подвергались двум или более стендовым испытаниям перед полетом для подтверждения их готовности – но перезапустить его в полете было невозможно, поскольку некоторые компоненты, необходимые для процедуры запуска, не подлежали повторному использованию. В частности, турбонасосы изначально приводились в движение газогенератором твердого топлива (SPGG), который по сути являлся небольшой твердотопливной ракетой и требовал замены после каждого запуска. Для запуска двигателя на SPGG подавалось напряжение 500 В переменного тока, которое воспламеняло твердое топливо. Это создавало горячий газ, который накапливался до достижения давления 600–700 фунтов на квадратный дюйм, после чего разрывная мембрана выпускала его в турбину, которая приводила в действие топливные турбонасосы. Это запускало процесс подачи топлива и окислителя в газогенератор и двигатель, а горячие газы из SPGG обеспечивали начальную энергию, необходимую для воспламенения топливно-окислительной смеси. Это приводило турбонасосы во вращение. Как только RP-1 и LOX начинали гореть в газогенераторе, выхлопные газы приводили турбонасосы в действие до выключения двигателя.