Rocketdyne F-1 - Rocketdyne F-1

F-1
Silnik rakietowy F-1.jpg
Specyfikacje silnika rakietowego F-1
Kraj pochodzenia Stany Zjednoczone
Producent Rocketdyne
Silnik na paliwo płynne
Gaz pędny LOX / RP-1
Stosunek mieszanki 2,27 (69% O2, 31% RP-1)
Cykl Generator gazu
Wydajność
Ciąg (podciśnienie) 1746 000 funtów siły (7770 kN)
Ciąg (na poziomie morza) 1522 000 lbf (6770 kN)
Stosunek ciągu do masy 94,1
Ciśnienie w komorze 70 barów (1015 psi; 7 MPa)
Impuls właściwy (podciśnienie) 304 s (2,98 km/s)
Impuls właściwy (poziom morza) 263 s (2,58 km/s)
Przepływ masy 5683 funty/s (2578 kg/s)
3945 funtów/s (1789 kg/s) (LOX)
1738 funtów/s (788 kg/s) (RP-1)
Czas palenia 150-163 s
Wymiary
Długość 18,5 stopy (5,6 m)
Średnica 12,2 stopy (3,7 m)
Suchej masy 18500 funtów (8400 kg)
Używany w
Saturn V

F1 , powszechnie znany jako Rocketdyne F1, to silnik rakietowy opracowany przez Rocketdyne . Silnik ten wykorzystuje cykl generatora gazu opracowany w Stanach Zjednoczonych pod koniec lat pięćdziesiątych i używany w rakiecie Saturn V w latach sześćdziesiątych i wczesnych siedemdziesiątych. Pięć silników F-1 zostało użytych w pierwszym etapie S-IC każdego Saturn V, który służył jako główny pojazd startowy programu Apollo . F-1 pozostaje najpotężniejszym silnikiem rakietowym na paliwo ciekłe z pojedynczą komorą spalania , jaki kiedykolwiek opracowano.

Historia

Wernher von Braun z silnikami F-1 pierwszego stopnia Saturn V w US Space and Rocket Center

Rocketdyne opracował F-1 i E-1, aby spełnić wymagania US Air Force z 1955 r. dotyczące bardzo dużego silnika rakietowego. E-1, chociaż pomyślnie przetestowany w strzelaniu statycznym, szybko został uznany za technologiczną ślepą uliczkę i został porzucony na rzecz większego, potężniejszego F-1. Siły Powietrzne ostatecznie wstrzymały rozwój F-1 z powodu braku zapotrzebowania na tak duży silnik. Jednak niedawno utworzona Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) doceniła użyteczność silnika o tak dużej mocy i zleciła Rocketdyne ukończenie jego rozwoju. Testowe odpalenia komponentów F-1 przeprowadzono już w 1957 roku. Pierwsze statyczne odpalanie pełnoetapowego rozwojowego F-1 przeprowadzono w marcu 1959. Pierwszy F-1 dostarczono do NASA MSFC w październiku 1963. W grudniu 1964, F-1 zakończył testy na lot. Testy trwały co najmniej do 1965 roku.

Wczesne testy rozwojowe ujawniły poważne problemy z niestabilnością spalania , które czasami powodowały katastrofalne awarie . Początkowo postęp w tym problemie był powolny, ponieważ był sporadyczny i nieprzewidywalny. Zaobserwowano oscylacje 4 kHz z harmonicznymi do 24 kHz. Ostatecznie inżynierowie opracowali technikę diagnostyczną detonowania małych ładunków wybuchowych (które nazywali „bombami”) poza komorą spalania, przez rurę styczną ( używano RDX , C-4 lub proch czarny ) podczas pracy silnika. To pozwoliło im dokładnie określić, w jaki sposób działająca komora reagowała na zmiany ciśnienia i określić, jak zniwelować te oscylacje. Projektanci mogli następnie szybko poeksperymentować z różnymi współosiowymi projektami wtryskiwaczy paliwa, aby uzyskać ten najbardziej odporny na niestabilność. Problemy te zostały skierowane od 1959 przez 1961. Ostatecznie spalinowy silnik był tak stabilny, że to samo surowa sztucznie wywołanej niestabilnością w ciągu jednej dziesiątej sekundy.

Projekt

Elementy silnika rakietowego F-1

Silnik F-1 to najpotężniejszy jednodyszowy silnik rakietowy na paliwo płynne, jaki kiedykolwiek stosowano. Silnika M-1 rakiety zaprojektowana, aby mieć więcej ciągu, ale badano wyłącznie na poziomie składnika. Ponadto RD-170 wytwarza większy ciąg, ale ma cztery dysze. F-1 spalał RP-1 ( nafta klasy rakietowej ) jako paliwo i używał ciekłego tlenu (LOX) jako utleniacza. Turbopompa użyto do wtryskiwania paliwa i tlenu w komorze spalania.

Ważnym wyzwaniem w konstrukcji F-1 było regeneracyjne chłodzenie komory oporowej. Inżynier chemik Dennis „Dan” Brevik stanął przed zadaniem zapewnienia chłodzenia wstępnego zespołu rur komory spalania i projektu kolektora wyprodukowanego przez Ala Bokstellara. Zasadniczo zadaniem Brevika było „upewnienie się, że się nie stopi”. Dzięki kalkulacjom Brevika dotyczącym hydrodynamicznych i termodynamicznych charakterystyk F-1, on i jego zespół byli w stanie naprawić problem znany jako „głód”. Dzieje się tak, gdy brak równowagi ciśnienia statycznego prowadzi do „gorących punktów” w kolektorach. Materiałem użytym do wykonania wiązki rurowej komory oporowej F-1, opasek wzmacniających i kolektora był Inconel-X750 , ogniotrwały stop na bazie niklu, odporny na wysokie temperatury.

Sercem silnika była komora ciągu, w której mieszano i spalano paliwo i utleniacz w celu wytworzenia ciągu. Kopulasta komora w górnej części silnika służyła jako kolektor dostarczający ciekły tlen do wtryskiwaczy , a także służyła jako mocowanie łożyska przegubowego , które przekazywało ciąg do korpusu rakiety. Poniżej tej kopuły znajdowały się wtryskiwacze, które kierowały paliwo i utleniacz do komory oporowej w sposób ułatwiający mieszanie i spalanie. Paliwo było dostarczane do wtryskiwaczy z oddzielnego kolektora; część paliwa najpierw podróżowała w 178 rurkach wzdłuż komory oporowej — która tworzyła w przybliżeniu górną połowę dyszy wydechowej — iz powrotem w celu schłodzenia dyszy.

Generator gazu zastosowano do napędzania turbiny , co przyczyniło się oddzielne pompy paliwa i tlenu, z których każdy doprowadzeniem do komory napędowej montażu. Turbina była napędzana z prędkością 5500 obr / min , wytwarzając 55 000 koni mechanicznych (41 MW). Pompa paliwowa dostarczała 15 471 galonów amerykańskich (58 560 litrów) RP-1 na minutę, podczas gdy pompa utleniacza dostarczała 24 811 galonów amerykańskich (93 920 litrów) ciekłego tlenu na minutę. Z punktu widzenia ochrony środowiska turbopompa musiała wytrzymać temperatury w zakresie od gazu wejściowego w temperaturze 1500 °F (820 °C) do ciekłego tlenu w temperaturze -300°F (-184 °C). Strukturalnie paliwo służyło do smarowania i chłodzenia łożysk turbiny .

Odpalanie próbne silnika F-1 w bazie sił powietrznych Edwards (duże kule na szczycie platformy to kule Hortona dla paliwa i utleniacza)

Poniżej komory oporowej znajdowało się przedłużenie dyszy , mniej więcej połowa długości silnika. To rozszerzenie zwiększyło współczynnik rozszerzalności silnika z 10:1 do 16:1. Spaliny z turbiny były podawane do przedłużenia dyszy przez duży, zwężający się kolektor; ten stosunkowo chłodny gaz utworzył warstewkę, która chroniła przedłużenie dyszy przed gorącym (5800°F (3200 °C)) gazem spalinowym.

W każdej sekundzie pojedynczy F-1 spalił 5683 funtów (2578 kg) utleniacza i paliwa: 3945 funtów (1789 kg) ciekłego tlenu i 1738 funtów (788 kg) RP-1, generując 1,500,000 lbf (6,7 MN; 680 tf ) ciągu. Odpowiada to natężeniu przepływu 671,4 US gal (2542 l) na sekundę; 413,5 US gal (1565 l) LOX i 257,9 US gal (976 l) RP-1. W ciągu dwóch i pół minuty działania pięć F-1 rozpędzało pojazd Saturn V na wysokość 42 mil (222 000 stóp; 68 km) i prędkość 6164 mil na godzinę (9920 km/h). Łączna prędkość przepływu pięciu F-1 w Saturn V wynosiła 3357 galonów amerykańskich (12 710 l) lub 28 415 funtów (12 890 kg) na sekundę. Każdy silnik F-1 miał większy ciąg niż trzy silniki główne promu kosmicznego razem wzięte.

Procedury przed i po zapłonie

Podczas próbnego zapłonu statycznego paliwo RP-1 na bazie nafty pozostawiło osady i opary węglowodorów podczas zapłonu po teście silnika. Musiały one zostać usunięte z silnika, aby uniknąć problemów podczas obsługi silnika i późniejszego zapłonu, a rozpuszczalnik trichloroetylen (TCE) był używany do czyszczenia układu paliwowego silnika bezpośrednio przed i po każdym próbnym zapłonie. Procedura czyszczenia obejmowała przepompowanie TCE przez układ paliwowy silnika i umożliwienie przelania rozpuszczalnika przez okres od kilku sekund do 30–35 minut, w zależności od silnika i intensywności osadów. W przypadku niektórych silników generator gazu i kopuła LOX zostały również przepłukane TCE przed próbnym odpaleniem. Silnik rakietowy F-1 miał kopułę LOX, generator gazu i płaszcz paliwowy komory oporowej przepłukane TCE podczas przygotowań do startu.

Specyfikacje

Montaż silników F-1 do etapu Saturn V S-IC. W montowanym silniku nie ma przedłużenia dyszy .
Apollo 4, 6 i 8 Apollo 9-17
Ciąg , poziom morza 1,500,000 lbf (6,7 MN) 1,522 000 funtów siły (6,77 mln N)
Czas palenia 150 sekund 165 sekund
Specyficzny impuls 260 s (2,5 km/s) 263 s (2,58 km/s)
Ciśnienie w komorze 70 barów (1015 psi; 7 MPa) 70 barów (1015 psi; 7 MPa)
Sucha masa silnika 18 416 funtów (8353 kg) 18500 funtów (8400 kg)
Wypalenie masy silnika 20 096 funtów (9 115 kg) 20180 funtów (9150 kg)
Wzrost 19 stóp (5,8 m)
Średnica 12,3 stopy (3,7 m)
Stosunek wyjścia do gardła 16:1
Propelenty LOX i RP-1
Stosunek masy mieszanki 2.27:1 utleniacz do paliwa
Kontrahent NAA/Rocketdyne
Aplikacja pojazdu Saturn V / S-IC I stopień - 5 silników

Źródła:

Ulepszenia F-1

F-1 na wystawie w US Space & Rocket Center w Huntsville w stanie Alabama .

Poprawiono ciąg i wydajność F-1 między Apollo 8 (SA-503) i Apollo 17 (SA-512), co było konieczne, aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym ładowności w późniejszych misjach Apollo . Wystąpiły niewielkie różnice w wydajności między silnikami w danej misji i różnice w średnim ciągu między misjami. W przypadku Apollo 15 osiągi F-1 były następujące:

  • Siła ciągu (średnia, na silnik, wzniesienie na poziomie morza): 1553200 lbf (6,909 MN)
  • Czas świecenia: 159 sekund
  • Impuls właściwy: 264,72 s (2,5960 km/s)
  • Stosunek mieszanki: 2,2674
  • Całkowity ciąg startowy S-IC na poziomie morza: 7 766 000 lbf (34,54 MN)

Mierzenie i dokonywanie porównań ciągu silników rakietowych jest bardziej skomplikowane, niż mogłoby się wydawać. Na podstawie rzeczywistych pomiarów ciąg startowy Apollo 15 wyniósł 7823 000 lbf (34,80 MN), co odpowiada średniemu ciągu F-1 wynoszącemu 1565 000 lbf (6,96 MN) – nieco więcej niż podana wartość.

Dalsze informacje: Saturn V § S-IC porównania ciągu
Silnik F-1 na wystawie
w Kennedy Space Center

F-1A po Apollo

Zobacz także: Saturn MLV

W latach 60. firma Rocketdyne podjęła się ulepszania F-1, czego efektem jest nowa specyfikacja silnika F-1A. Choć zewnętrznie bardzo podobny do F-1, F-1A wytwarzał w testach o około 20% większy ciąg, 1 800 000 lbf (8 MN) i byłby używany w przyszłych pojazdach Saturn V w erze po Apollo . Jednak linia produkcyjna Saturn V została zamknięta przed zakończeniem projektu Apollo i nigdy nie latały żadne silniki F-1A.

Pojawiły się propozycje wykorzystania ośmiu silników F-1 na pierwszym stopniu rakiet Saturn C-8 i Nova . Od lat 70. i później pojawiły się liczne propozycje opracowania nowych jednorazowych dopalaczy opartych na konstrukcji silnika F-1. Należą do nich Saturn-Shuttle i wzmacniacz Pyrios (patrz poniżej) w 2013 roku. Od 2013 roku żaden nie wyszedł poza początkową fazę badań. Comet HLLV użyłby pięć silniki M-1A na głównej rdzenia i dwa na każdym ze wzmacniaczy.

F-1 to największy, jednokomorowy, jednodyszowy silnik na paliwo płynne o najwyższym ciągu. Istnieją większe silniki na paliwo stałe , takie jak prom kosmiczny Solid Rocket Booster z ciągiem startowym wynoszącym 2 800 000 lbf (12,45 MN) na sztukę. Radziecki (obecnie rosyjski) RD-170 może rozwinąć większy ciąg niż F-1, przy 1 630 000 lbf (7,25 MN) na silnik na poziomie morza, jednak każdy silnik wykorzystuje cztery komory spalania zamiast jednej, aby rozwiązać problem niestabilności spalania .

Wzmacniacz F-1B

Vulcain do Ariane 5 rakiety wykorzystuje podobną konstrukcję cyklu F-1 maszyny, przy turbinie spaliny rurami bezpośrednio za burtę.

W ramach programu Space Launch System (SLS), NASA prowadziła konkurs Advanced Booster Competition , który miał zakończyć się wyborem zwycięskiej konfiguracji dopalacza w 2015 roku. W 2012 roku firma Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) zaproponowała użycie pochodna silnika F-1 w zawodach jako dopalacz rakietowy . W 2013 roku inżynierowie z Marshall Space Flight Center rozpoczęli testy oryginalnego F-1 o numerze seryjnym F-6049, który został usunięty z Apollo 11 z powodu usterki. Silnik nigdy nie był używany i przez wiele lat znajdował się w Smithsonian Institution . Testy mają na celu zapoznanie NASA z konstrukcją i materiałami pędnymi F-1 w oczekiwaniu na wykorzystanie rozwiniętej wersji silnika w przyszłych zastosowaniach w dalekim kosmosie.

Pratt & Whitney , Rocketdyne i Dynetics , Inc. przedstawili konkurenta znanego jako Pyrios w Advanced Booster Program NASA, który ma na celu znalezienie mocniejszego następcy pięciosegmentowych dopalaczy rakietowych promu kosmicznego przeznaczonych do wczesnych wersji systemu kosmicznego , wykorzystując dwa silniki o zwiększonym ciągu i mocno zmodyfikowane silniki F-1B na każdy dopalacz. Ze względu na potencjalną przewagę silnika w impulsie jednostkowym , gdyby ta konfiguracja F-1B (łącznie z czterema F-1B) została zintegrowana z SLS Block 2, pojazd mógłby dostarczyć 150 ton (330 000 funtów) na niską orbitę okołoziemską , podczas gdy 113 ton (249 000 funtów) jest uważane za osiągalne dzięki planowanym solidnym dopalaczom w połączeniu z czterosilnikowym stopniem rdzeniowym RS-25 .

Silnik F-1B ma być co najmniej tak samo mocny jak nie latany F-1A, a jednocześnie bardziej opłacalny. Konstrukcja obejmuje znacznie uproszczoną komorę spalania, zmniejszoną liczbę części silnika oraz usunięcie systemu recyklingu spalin F-1, w tym środkowej dyszy wydechowej turbiny i kolektora chłodzącego „kurtynowego” , przy czym wydech turbiny ma oddzielny kanał wylotowy obok skróconej głównej dyszy na F-1B. Obniżenie kosztów części jest wspomagane przez zastosowanie selektywnego topienia laserowego w produkcji niektórych części metalowych. Powstały silnik F-1B ma wytworzyć ciąg o wartości 1 800 000 lbf (8,0 MN) na poziomie morza, co stanowi 15% wzrost w stosunku do około 1 550,000 lbf (6,9 MN) ciągu, jaki wyprodukowały dojrzałe silniki Apollo 15 F-1.

Lokalizacje silników F-1

Niewykorzystany silnik F-1 na wystawie w Pratt & Whitney (obecnie Aerojet Rocketdyne ), Canoga Park, Los Angeles
Silnik F-1 na wystawie w Centrum Nauki INFINITY

Sześćdziesiąt pięć silników F-1 wystrzelono na pokład trzynastu Saturn V, a każdy pierwszy stopień lądował na Oceanie Atlantyckim. Dziesięć z nich miało w przybliżeniu ten sam azymut lotu wynoszący 72 stopnie, ale Apollo 15 i Apollo 17 podążały znacznie bardziej południowymi azymutami (odpowiednio 80,088 stopni i 91,503 stopni). Skylab rakiety poleciał w bardziej północnym azymutu osiągnąć wyższy orbity nachylenia (50 stopni w stosunku do zwykłych 32,5 stopni).

Dziesięć silników F-1 zostało zainstalowanych na dwóch produkcyjnych Saturnach V, które nigdy nie latały. Pierwszy stopień z SA-514 jest wystawiany w Johnson Space Center w Houston (chociaż należącym do Smithsonian), a pierwszy stopień z SA-515 jest wystawiany w INFINITY Science Center w John C. Stennis Space Center w Mississippi.

Kolejnych dziesięć silników zainstalowano na dwóch testach naziemnych Saturn V, które nigdy nie miały latać. S-IC-T „All Systems Test Stage”, replika do testów naziemnych, jest prezentowana jako pierwszy etap kompletnego Saturna V w Kennedy Space Center na Florydzie. SA-500D , dynamiczny pojazd testowy, jest wystawiany w amerykańskim centrum kosmicznym i rakietowym w Huntsville w stanie Alabama .

Silnik test jest na wystawie w Powerhouse Museum w Sydney , Australia . Był to 25. ze 114 silników badawczo-rozwojowych zbudowanych przez Rocketdyne i został odpalony 35 razy. Silnik jest wypożyczony do muzeum z Narodowego Muzeum Lotnictwa i Kosmosu Smithsonian . To jedyny F-1 na wystawie poza Stanami Zjednoczonymi.

Silnik F-1 wypożyczony z National Air and Space Museum jest wystawiony w Air Zoo w Portage w stanie Michigan .

Silnik F-1 stoi na poziomym stoisku w Science Museum Oklahoma w Oklahoma City .

Silnik F-1 F-6049 jest wystawiony pionowo w Museum of Flight w Seattle w stanie Waszyngton jako część wystawy Apollo.

Silnik F-1 jest zainstalowany pionowo jako pomnik budowniczych Rocketdyne na De Soto po drugiej stronie ulicy od starej fabryki Rocketdyne w Canoga Park w Kalifornii. Został zainstalowany w 1979 roku i przeniesiony z parkingu po drugiej stronie ulicy jakiś czas po 1980 roku.

Silnik F-1 na wystawie przed Muzeum Historii Kosmosu w Nowym Meksyku w Alamogordo, Nowy Meksyk.

Powrót do zdrowia

Odzyskane części silnika F-1 na wystawie w Muzeum Lotnictwa w Seattle .
Odzyskany wtryskiwacz silnika F-1 z misji Apollo 12 na wystawie w Museum of Flight w Seattle .

28 marca 2012 roku zespół finansowany przez Jeffa Bezosa , założyciela Amazon.com , poinformował, że zlokalizował silniki rakietowe F-1 z misji Apollo za pomocą sprzętu sonarowego. Bezos oświadczył, że planuje podnieść co najmniej jeden z silników, który spoczywa na głębokości 14 000 stóp (4300 m), około 400 mil (640 km) na wschód od Cape Canaveral na Florydzie. Jednak stan silników, które były zanurzone od ponad 40 lat, był nieznany. Administrator NASA Charles Bolden wydał oświadczenie, w którym gratulował Bezosowi i jego zespołowi odkrycia i życzył im sukcesu. Potwierdził również stanowisko NASA, że wszelkie odzyskane artefakty pozostaną własnością agencji, ale prawdopodobnie zostaną zaoferowane Smithsonian Institution i innym muzeom, w zależności od liczby odzyskanych.

20 marca 2013 r. Bezos ogłosił, że udało mu się wydobyć na powierzchnię części silnika F-1 i opublikował zdjęcia. Bezos zauważył: „Wiele oryginalnych numerów seryjnych brakuje lub częściowo brakuje, co utrudni identyfikację misji. Możemy zobaczyć więcej podczas przywracania”. Statek ratunkowy był Seabed Worker i miał na pokładzie zespół specjalistów zorganizowanych przez Bezosa do działań ratunkowych. W dniu 19 lipca 2013 r Bezos ujawnił, że numer seryjny jednego z odzyskanych silników jest Rocketdyne numer seryjny 2044 (co odpowiada liczbie NASA 6044), przyciski # 5 (w środku) silnik, który pomógł Neil Armstrong , Buzz Aldrin i Michael Collins , aby dotrzyj na Księżyc z misją Apollo 11 . Odzyskane części zostały przewiezione do Centrum Kosmicznego i Kosmicznego Kansas w Hutchinson w celu przeprowadzenia konserwacji.

W sierpniu 2014 r. ujawniono, że odzyskano części dwóch różnych silników F-1, jednego z Apollo 11, a drugiego z innego lotu Apollo, a zdjęcie oczyszczonego silnika zostało wydane. Bezos planuje wystawić silniki w różnych miejscach, w tym w National Air and Space Museum w Waszyngtonie

20 maja 2017 stała wystawa Apollo została otwarta w Museum of Flight w Seattle, w stanie Waszyngton i prezentuje wydobyte artefakty silnika, w tym komorę oporową i wtryskiwacz komory oporowej silnika nr 3 z misji Apollo 12 , a także generator gazu z misji Apollo 12 silnik, który napędzał lot Apollo 16 .

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi
Bibliografia

Zewnętrzne linki