| F-1 | |
|---|---|
| Motoare F-1 pe scena S-IC cu creatorul rachetei Saturn V, Wernher von Braun | |
| Tip de | LRE |
| Combustibil | Kerosen RP-1 |
| Oxidant | oxigen lichid |
| camere de ardere | unu |
| Țară | STATELE UNITE ALE AMERICII |
| Utilizare | |
| Timp de funcționare | 1967 - 1973 _ |
| Aplicație | „ Saturn V ” (prima etapă, S-IC ) |
| Dezvoltare | F-1A, F-1B |
| Productie | |
| Timpul creației | 1959 |
| Producător | Rocketdyne |
Caracteristici de greutate și dimensiune |
|
| Greutate | 9 115 (uscat - 8 353) kg |
| Înălţime | 5,79 m |
| Diametru | 3,76 m |
| Caracteristici de operare | |
| împingere |
Vacuum: 790 tf (7,77 MN ) Ur. mare: 690 tf (6,77 MN ) |
| Impulsul specific |
Nivelul mării: 263 s Vacuum: 304 s |
| Ore de lucru | 165 s |
| Presiunea în camera de ardere |
7 MPa (69,1 atm ) |
| Gradul de expansiune | 16 |
| Raportul oxidant/combustibil | 2.27 |
| Fișiere media la Wikimedia Commons | |
F-1 este un motor american de rachetă cu propulsie lichidă (LRE) dezvoltat de Rocketdyne . Folosit în vehiculul de lansare Saturn V. Cinci motoare F-1 au fost folosite în prima etapă a lui Saturn V, S-IC . Pentru 2008 [1] a fost cel mai puternic motor de rachetă cu o singură cameră care zbura.
Motorul folosea kerosen RP-1 drept combustibil și oxigen lichid ca oxidant .
Înainte de crearea motorului de rachetă cu propulsie lichidă RD-170 (tracțiune de 740 tf) și a rachetei laterale cu propulsie solidă a navetei spațiale, motorul de rachetă F-1 era cel mai puternic motor de rachetă zburătoare. . Pentru 2018, cel mai puternic motor de rachetă cu o singură cameră cu propulsie lichidă a zburat vreodată ( motorul M-1 avea mai multa tractiune si a fost testat pe banc dar nu a fost folosit niciodata).
F-1 a fost dezvoltat inițial de Rocketdyne ca răspuns la o solicitare a USAF din 1955 de a putea construi un motor de rachetă foarte mare. Rezultatul final al acestei cereri au fost două motoare diferite, E-1 și F-1 mai mare. Motorul E-1, deși a funcționat cu succes pe bancă, a fost rapid recunoscut ca o opțiune fără punct tehnologic și anulat în favoarea F-1 mai mare și mai puternic. Forțele aeriene americane au oprit ulterior dezvoltarea ulterioară a F-1 din cauza lipsei de aplicații pentru un motor atât de mare. Cu toate acestea, NASA , creată în această perioadă de timp, a apreciat beneficiile pe care le-ar putea aduce un motor de o asemenea putere și a încheiat un contract cu Rocketdyne pentru a-și finaliza dezvoltarea. Testarea unităților F-1 a început în 1957. Primul test de foc al unui F-1 experimental complet asamblat a fost făcut în martie 1959 [2] .
Șapte ani de dezvoltare și testare a motoarelor F-1 au scos la iveală probleme serioase cu instabilitatea arderii, care uneori a dus la accidente catastrofale. Lucrările de remediere a acestei probleme au fost inițial lente, deoarece a apărut intermitent și imprevizibil. Dezvoltarea motorului a durat câțiva ani, timp în care s-au efectuat 1332 de teste cu camera de ardere de dimensiune completă cu 108 opțiuni de cap de injector și peste 800 de teste de elemente. Costul total al lucrării a depășit 4 miliarde de dolari. Rafinarea s-a realizat în următoarele domenii: creșterea pierderilor acustice în camera de ardere prin introducerea deflectoare răcite și instalarea de absorbanți acustici; scăderea proprietăților de amplificare a zonei de ardere prin deteriorarea calității atomizării; întinderea zonei de ardere pe lungimea camerei de ardere; reducerea consumului de combustibil pentru perdeaua de aer [3] [4] .
În cele din urmă, inginerii au dezvoltat o tehnică de detonare a micilor sarcini explozive (pe care le-au numit „bombe”) situate în afara camerei de ardere în duze tangenţiale în timpul testelor de incendiu. Această metodă a făcut posibilă determinarea răspunsului camerei la un salt de presiune. Designerii au putut experimenta rapid cu diferite capete de duză pentru a găsi cea mai durabilă opțiune. Au lucrat la aceste probleme din 1962 până în 1965 [5] [6] . În proiectarea finală, arderea motorului a fost atât de stabilă încât ar putea stinge independent o instabilitate indusă artificial într-o zecime de secundă.
Despre rolul lui George Miller în programul de testare a fiabilității la sol [7]O caracteristică a testării înainte de zbor a sistemelor de rachete Saturn-5 a fost minuțiozitatea fără precedent în asigurarea fiabilității ridicate necesare a sistemului de rachete. Unul dintre șefii Direcției de zbor cu echipaj al NASA, George Edwin Miller , care era responsabil pentru fiabilitatea sistemului de rachete, s-a bazat pe testarea la sol a motorului rachetei. <...> La începutul anilor 1960, la Centrul Spațial Marshall a fost creată o bază unică de bancă . Acesta a inclus un stand de tragere pentru testarea motoarelor F-1 și mai multe standuri pentru testele de foc înainte de zbor ale primei, a doua și a treia etape ale vehiculului de lansare Saturn-5 (LV), precum și standuri pentru testele statice și dinamice ale LV în stare suspendată . Timpul total de funcționare al motoarelor F-1 a fost de peste 18.000 s. În etapa finală a testării, motorul a fost pornit de 20 de ori fără a fi scos din stand, în timp ce timpul său de funcționare a fost de 2.250 s.A fost asigurat un control în trei etape al adecvării motoarelor pentru zbor: două teste de control de incendiu pentru fiecare instanță de motor înainte de instalarea într-o etapă de rachetă, un al treilea test de incendiu ca parte a unei etape. O astfel de tehnică de monitorizare a fiabilității motoarelor a fost foarte consumatoare de timp și costisitoare din punct de vedere financiar, dar aplicarea ei a dat roade cu funcționarea fără probleme a motoarelor pe parcursul întregului program Lunar [8] .
Ca parte a programului Space Launch System , NASA a organizat o competiție pentru dezvoltarea de amplificatoare laterale cu scopul de a alege un câștigător până la sfârșitul anului 2015. În 2012, Pratt & Whitney Rocketdyne au propus utilizarea unui booster lichid cu o nouă versiune a F-1. [9]
În 2013, inginerii NASA au decis să se uite la generația anterioară de ingineri care a construit F-1. Ca parte a programului de dezvoltare a transportatorului greu SLS , a fost testat generatorul de gaz al motorului F-1. [10] Testul a venit datorită tinerilor ingineri ai Centrului Spațial Marshall care au demontat și scanat 3D un motor, numerotat F-6090 , planificat pentru utilizare în misiunea Apollo 19 anulată . Conform desenelor primite, piese noi pentru generatorul de gaz au fost asamblate din motorul cu numărul F-6049 , care a fost testat. [11] .
Pratt & Whitney , Aerojet Rocketdyne și Dynetics au luat parte la test și, ca parte a competiției pentru amplificatoare, au propus o dezvoltare numită Pyrios pentru a înlocui propulsoarele cu cinci segmente în stare solidă ale navetei spațiale MTKK, planificate pentru a fi utilizate pe versiunile timpurii ale lui. Sistemul de lansare spațială. Pyrios este planificat să fie un booster lichid cu două motoare F-1B și, dacă este instalat pe SLS Block II, amplificatorul ar putea livra 150 de tone pe orbită de referință joasă . [12] .
Partea principală a motorului era camera de ardere, în care combustibilul și oxidantul erau amestecați și arși, creând tracțiune. O cameră bombată în partea de sus a motorului a servit drept conductă de distribuție care furnizează oxigen lichid injectoarelor și a servit și ca suport pentru un cardan care transmitea forța corpului rachetei. Sub acest dom se aflau injectoarele, prin care combustibilul și oxidantul erau direcționate direct în camera de ardere, acestea fiind proiectate în așa fel încât să asigure o bună amestecare și ardere a componentelor. Combustibilul a fost furnizat către capul duzei de la o conductă de distribuție separată; o parte din combustibil era direcționată prin 178 de țevi așezate pe toată lungimea camerei de ardere, care ocupau aproape toată jumătatea superioară a duzei și se întorcea înapoi, răcind camera [13] [14] .
Gazele de eșapament de la gazeificator au fost folosite pentru a transforma o turbină care conducea pompe separate de combustibil și de oxidant care alimentează sistemele camerei de ardere. Generatorul de gaz a rotit turbina cu o viteză de 5.500 rpm, dând o putere de 55.000 cai putere (41 MW). Pompa de combustibil a pompat 58.564 litri de kerosen RP-1 pe minut, în timp ce pompa de oxidare a pompat 93.920 litri de oxigen lichid pe minut. În ceea ce privește condițiile de funcționare, turbopompa a fost capabilă să reziste la un interval de temperatură de la 800 °C (1.500 °F) la temperatura gazului generatorului de gaz până la -180 °C (-300 °F) la temperatura oxigenului lichid. Combustibilul a fost folosit și pentru răcirea rulmenților turbinei, iar împreună cu aditivul RB0140-006 ( dialchilditiofosfat de zinc ) - pentru lubrifierea angrenajelor turbopompei [15] .
Sub camera de ardere se afla o duză , care ocupa aproximativ jumătate din lungimea motorului. Acest atașament a crescut raportul de expansiune al motorului de la 10:1 la 16:1. Evacuarea generatorului de gaz cu turbopompe era condusă către duză printr-o conductă mare convergentă; acest gaz relativ rece a format un strat care a protejat duza de gazele de evacuare fierbinți (3200 °C) din camera de ardere. [16]
F-1 a ars 1.789 kg (3.945 lb) de oxigen lichid și 788 kg (1.738 lb) de kerosen RP-1 la fiecare secundă de funcționare, producând 6,7 MN ( 1.500.000 lbf ) de tracțiune. Acesta este egal cu debitul de 1.565 litri (413,5 US gal ) de oxigen lichid și 976 litri (257,9 US gal) de kerosen pe secundă. În timpul celor două minute și jumătate de funcționare, cinci motoare F-1 au ridicat propulsorul Saturn V la o altitudine de 68 km, oferindu-i o viteză de 2,76 km/s (9.920 km/h). Debitul de fluid combinat al celor cinci motoare F-1 din Saturn V a fost de 12.710 litri (3.357 US gal) pe secundă, ceea ce putea goli o piscină de 110.000 litri (30.000 US gal) în 8,9 secunde [16] . Un motor F-1 avea o forță mai mare (690 de tone) decât toate cele trei motoare principale ale navetei ( SSME ) la un loc. [17] Împingerea unui F-1 este aproximativ egală cu forța întregului sistem de propulsie al primei trepte de 9 motoare a rachetei moderne Falcon 9 cu o eficiență puțin mai mică: Merlin 1D + 282 impuls specific la o presiune în camera de 97 atm. contra 265 s la 69 atm. la F-1.
Academicianul Boris Katorgin a apreciat foarte mult gradul de perfecțiune tehnică al F-1 [18] .
Arhiva documentației de proiectare pentru motorul F-1 (12 volume cu un volum total de peste 3800 de pagini) este disponibilă gratuit [19] .
În martie 2012, antreprenorul american Jeff Bezos a anunțat că un grup de arheologi subacvatici finanțat de el a descoperit rămășițele motoarelor F-1 folosind un sonar în fundul Oceanului Atlantic , la o adâncime de aproximativ 4300 de metri [20] [21] .
În mai 2017, unele dintre artefactele descoperite au fost expuse la Muzeul Aviației din Seattle [22] .