F-1 (ракетный двигатель)

Перейти к навигацииПерейти к поиску
F-1
Двигатели F-1 на ступени S-IC вместе с создателем ракеты Сатурн V, Вернером фон Брауном
Двигатели F-1 на ступени S-IC вместе с создателем ракеты Сатурн V, Вернером фон Брауном
ТипЖРД
Топливокеросин RP-1
Окислительжидкий кислород
Камер сгорания 1
СтранаСША
Использование
Время эксплуатации1967-1973 гг
Применение «Сатурн V» (первая ступень, S-IC)
Развитие F-1A, F-1B
Производство
Время создания1959 год
ПроизводительRocketdyne
Массогабаритные
характеристики
Масса 9 115 (сухая - 8 353) кг
Высота 5,79 м
Диаметр 3,76 м
Рабочие характеристики
ТягаВакуум: 790 тс (7,77 МН)
Ур. моря: 690 тс (6.77 МН)
Удельный импульс

Ур.моря: 263 с

Вакуум: 304 с
Время работы 165 с
Давление в камере сгорания 7 MPa
(69,1 атм)
Степень расширения 16
Отношение окислитель/топливо 2,27
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

F-1 — американский жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), разработанный компанией Rocketdyne. Использовался в ракете-носителе Сатурн V. Пять двигателей F-1 применялись на первой ступени Сатурна V, S-IC. На 2023 год является самым мощным из однокамерных ракетных двигателей, когда-либо выводивших в космос полезную нагрузку[1].

Двигатель использовал в качестве горючего керосин RP-1, в качестве окислителя — жидкий кислород.

До создания жидкостного ракетного двигателя РД-170 (тягой 740 тc) и твердотопливного бокового ускорителя «Спэйс Шаттла» ЖРД F-1 являлся самым мощным летавшим ракетным двигателем[]. На 2018 год является наиболее мощным однокамерным жидкостным ракетным двигателем в истории из когда-либо летавших[1] (двигатель M-1 имел бо́льшую тягу, и был испытан на стенде, но никогда не использовался).

История создания

F-1 в Космическом ракетном центре США в Хантсвилле

Первоначально F-1 был разработан Rocketdyne в соответствии с запросом ВВС США от 1955 года о возможности создания очень большого ракетного двигателя. Конечным результатом этого запроса стали два разных двигателя — E-1 и более крупный F-1. Двигатель E-1, хоть и успешно прошёл стендовые огневые испытания, но быстро был признан технологически тупиковым вариантом, и отменён в пользу крупного, более мощного F-1. Американские ВВС впоследствии остановили дальнейшую разработку F-1 из-за отсутствия применений для такого крупного двигателя. Однако НАСА, созданное в этот период времени, оценило пользу, которую может принести двигатель такой мощности, и заключила с «Рокетдайн» договор на завершение его разработки. Испытания частей F-1 были начаты в 1957 году. Первое огневое испытание полностью собранного опытного F-1 было совершено в марте 1959 года[2].

Семь лет разработок и испытаний двигателей F-1 выявили серьёзные проблемы с неустойчивостью горения, которые иногда приводили к катастрофическим авариям. Работы по устранению этой проблемы первоначально шли медленно, поскольку она проявлялась периодически и непредсказуемо. Время доводки двигателя заняло несколько лет, в течение которых было проведено 1332 полноразмерных испытания камеры сгорания со 108 вариантами форсуночных головок и более 800 испытаний элементов. Общая стоимость работ превысила 4 миллиарда $. Доводка проводилась по следующим направлениям: повышение акустических потерь в камере сгорания введением охлаждаемых перегородок и установки акустических поглотителей; понижение усилительных свойств зоны горения путём ухудшения качества распыливания; растягивания зоны горения по длине камеры сгорания; уменьшения расхода горючего на завесу[3][4].

В конечном итоге инженеры разработали технику подрыва небольших зарядов взрывчатых веществ (которые они называли «бомбами»), расположенных вне камеры сгорания, в тангенциальных патрубках во время огневых испытаний. Этот метод позволил определить отклик камеры на скачок давления. Конструкторы смогли быстро экспериментировать с различными форсуночными головками для выбора наиболее устойчивого варианта. Над этими задачами работали с 1962 по 1965 годы[5][6]. В окончательной конструкции горение в двигателе было настолько устойчиво, что он мог самостоятельно гасить искусственно вызванную неустойчивость за десятую долю секунды.

О роли Джорджа Миллера в программе наземной отработки надёжности[7]
Особенностью предполётной отработки ракетных систем "Сатурн-5" стала беспрецедентная тщательность обеспечения требуемой высокой надёжности ракетного комплекса. Один из руководителей Управления пилотируемых полётов НАСА Джордж Эдвин Миллер[англ.], отвечавший за надёжность ракетного комплекса, сделал ставку на наземную стендовую отработку ЖРД. <...> В начале 1960-х годов в Космическом центре Маршалла была создана уникальная стендовая база. В неё входили огневой стенд для испытания двигателей F-1 и несколько стендов для предполётных огневых испытаний первой, второй и третьей ступеней ракеты-носителя (РН) "Сатурн-5", а также стенды для статических и динамических испытаний РН в подвешенном состоянии[англ.]. Суммарная наработка двигателей F-1 составила более 18 000 с. На завершающей стадии испытаний двигатель подвергся 20-кратному включению без съёма со стенда, при этом его наработка составила 2250 с.

Был предусмотрен трёхступенчатый контроль пригодности двигателей к полёту: два контрольных огневых испытания каждого экземпляра двигателя до установки в ступень ракеты, третье огневое испытание в составе ступени. Подобная методика контроля надёжности двигателей была весьма трудоёмка и финансово высоко-затратна, но её применение окупилось безаварийной работой двигателей в течение выполнения всей Лунной программы[8].

Разработка ускорителя с двигателем F-1B

В рамках программы «Space Launch System» NASA проводило конкурс на разработку боковых ускорителей с целью выбрать победителя к концу 2015 года. В 2012 году в Pratt & Whitney Rocketdyne предложили использовать жидкостный ускоритель с новой версией F-1.[9]

В 2013 году инженеры НАСА решили обратиться к опыту предыдущего поколения инженеров, создавших F-1. В рамках программы разработки тяжёлого носителя SLS проведены испытания газогенератора двигателя F-1.[10] Испытания произошли благодаря молодым инженерам «Космического центра Маршалла», которые разобрали двигатель под номером F-6090, планировавшийся к использованию в отмененной миссии «Аполлон-19», и провели его трехмерное сканирование. По полученным чертежам собрали новые детали для газогенератора от двигателя под номером F-6049, который и был испытан.[11].

Pratt & Whitney, Aerojet Rocketdyne и Dynetics приняли участие в испытании, и в рамках конкурса на ускорители предложили разработку под названием Pyrios с целью замены твердотельных пятисегментных ускорителей МТКК Спейс шаттл, планировавшихся к использованию на ранних вариантах Space Launch System. Pyrios, по плану, должен быть жидкостным ускорителем с двумя двигателями F-1B, и, в случае установки на SLS Block II, ракета-носитель смогла бы доставлять 150 тонн на низкую опорную орбиту.[12].

Конструкция

Установка двигателей F-1 на ступень S-IC РН Сатурн-5. Сопловой насадок снимался на время монтажа двигателей.
Двигатели F1 на первой ступени SA 514 ракеты-носителя Saturn V в музее Космического центра им. Джонсона.

Основной частью двигателя была камера сгорания, в которой смешивались и сгорали топливо и окислитель, создавая тягу. Куполообразная камера в верхней части двигателя служила в качестве распределительного трубопровода, подводящего жидкий кислород к форсункам, а также служила как крепление для карданного подвеса, передававшего усилие на корпус ракеты. Ниже этого купола находились форсунки, по которым топливо и окислитель направлялись непосредственно в камеру сгорания, они были сконструированы таким образом, чтобы обеспечить хорошее смешивание и сгорание компонентов. Топливо подводилось к форсуночной головке из отдельного распределительного трубопровода; часть топлива направлялась по 178 трубкам, проложенным по всей длине камеры сгорания, которая занимала почти всю верхнюю половину сопла, и возвращалась обратно, охлаждая камеру[13][14][15].

Выхлопные газы из газогенератора использовались для вращения турбины, приводившей в движение отдельные насосы для топлива и окислителя, питающие системы камеры сгорания. Газогенератор вращал турбину со скоростью 5500 об/мин, давая мощность в 55 000 лошадиных сил (41 МВт). Топливный насос прокачивал 58 564 литра керосина RP-1 за минуту, в то время как насос окислителя — 93 920 л жидкого кислорода за минуту. С точки зрения условий работы, турбонасос был способен выдерживать диапазон температур от температуры газогенераторного газа в 800 °C (1 500 °F), до температуры жидкого кислорода в −180 °C (−300 °F). Топливо использовалось также для охлаждения подшипников турбины, а вместе с присадкой RB0140-006 (диалкилдитиофосфат цинка) — для смазки зубчатых колёс турбонасоса[16].

Огневые испытания двигателя F-1 на базе ВВС Эдвардс.

Ниже камеры сгорания располагался сопловой насадок, занимавший приблизительно половину длины двигателя. Этот насадок повышал степень расширения двигателя от 10:1 до 16:1. Выхлоп газогенератора турбонасоса выводился к насадку с помощью большого суживающегося трубопровода; этот относительно холодный газ образовывал слой, защищавший сопловой насадок от горячих (3 200 °C) выхлопных газов из камеры сгорания.[17]

F-1 сжигал 1 789 кг (3 945 фунтов) жидкого кислорода и 788 кг (1 738 фунтов) керосина RP-1 каждую секунду работы, производя 6,7 МН (1 500 000 фунт-сил) тяги. Это равно скорости вытекания 1 565 л (413,5 US галлонов) жидкого кислорода и 976 л (257,9 US галлонов) керосина в секунду. В течение своих двух с половиной минут работы пять двигателей F-1 поднимали ракету-носитель Сатурн-5 на высоту 68 км, придавая ей скорость 2,76 км/с (9 920 км/ч). Объединённый расход жидкости у пяти двигателей F-1 в РН Сатурн-5 составлял 12 710 л (3 357 US галлонов) в секунду, что могло опустошить 110 000 литровый (30 000 US галлонов) плавательный бассейн за 8,9 секунд[17]. Один двигатель F-1 имел бо́льшую тягу (690 т), чем все три главных двигателя челноков (SSME), вместе взятые.[18]

Так как тяга F-1 почти равна тяге всей двигательной установки всей первой ступени ракеты Falcon 9 block 5 фирмы SpaceX, можно прямо сравнить показатели одного F-1 и первой ступени Falcon с девятью керосиновыми ЖРД Merlin. Новые ЖРД SpaceX лишь за 9 лет доводки в 2015 году превзошли все показатели качества F-1. После этой доводки Merlin применяется без замены на ступени до 15 раз, зажигается в каждом полёте, по крайней мере, трижды. Таблица показывает направления достижений 50 лет прогресса в стартовых кислород-керосиновых ЖРД так называемой открытой схемы.

(Показатели

времени

старта)

год тяга

(тс)

масса

(т)

высота

(м)

диаметр

(м)

расширение

сопла

(раз)

давление

сгорания

(атм)

удельный

импульс

(кгс·с/кг)

время

работы

(с)

Merlin 1D+ 2015 86.2 0.49 2.7 0.92 21.4 110+ 286 162
Falcon 9 block 5 2015 775.54.412.7 3.7 21.4 110+ 286162
F-1 1967 6909.1155.79 3.76 16 69+ 263165

Академик Борис Каторгин давал высокую оценку степени технического совершенства F-1[19][20][21].

Конструкторская документация

Архив конструкторской документации на двигатель F-1 (12 томов суммарным объёмом более 3800 страниц) находится в свободном доступе[22].

Подъём двигателей со дна океана

Остатки двигателя F-1 в экспозиции музея Сиэтла.

В марте 2012 года американский предприниматель Джефф Бэзос объявил, что финансируемая им группа подводных археологов обнаружила остатки двигателей F-1 с помощью сонара на дне Атлантического океана, на глубине около 4300 метров[23][24][25].

В мае 2017 года часть обнаруженных артефактов была выставлена в Музее авиации Сиэтла[23].

Факты

  • Так как отработанный генераторный газ подавался внутрь сопла для охлаждения насадки, яркость пламени реактивной струи вблизи сопла двигателя была значительно снижена, что хорошо заметно на кадрах с запусков Сатурн-5 и с огневых испытаний F-1[].

См. также

Иллюстрации

  • Форсуночная головка двигателя F-1 в экспозиции музея Сиэтла.
    Форсуночная головка двигателя F-1 в экспозиции музея Сиэтла.
  • Форсуночная головка двигателя F-1 со смятыми антипульсациоными перегородками
    Форсуночная головка двигателя F-1 со смятыми антипульсациоными перегородками


Примечания

  1. ↑ 1 2 How Apollo Flew to the Moon, 2008, с. 19.
  2. ↑ Ellison, Renea; Moser, Marlow, Combustion Instability Analysis and the Effects of Drop Size on Acoustic Driving Rocket Flow (PDF), Huntsville, Alabama: Propulsion Research Center, University of Alabama in Huntsville, Архивировано из оригинала (PDF) 7 сентября 2006, Дата обращения: 25 декабря 2008 Источник. Дата обращения: 25 декабря 2008. Архивировано из оригинала 7 сентября 2006 года.
  3. ↑ Базаров В. Г., Янг В. Сопоставительный анализ методов подавления высокочастотной неустойчивости в камерах сгорания маршевых керосин-кислородных двигателей в США и России // Тезисы докладов 38-х академических чтений по космонавтике памяти С. П. Королёва. — 2014. — С. 57. Архивировано 19 июня 2019 года.
  4. ↑ Bilstein, 1980.
  5. ↑ THE INJECTOR AND COMBUSTION INSTABILITY Архивная копия от 11 августа 2020 на Wayback Machine. SP-4206 Stages to Saturn, NASA. «...involved the use of small bombs to upset the thrust exhaust pattern to measure the engine's ability to recover from the disturbance».
  6. ↑ Андрей Борисов (2018-02-05). "Каждому свое". Lenta.ru. Архивировано 5 февраля 2018. Дата обращения: 5 февраля 2018. ...работы над однокамерным F-1 были начаты компанией Rocketdyne (сегодня входит в Aerojet Rocketdyne) по заказу ВВС США еще в 1955 году, в результате чего первые огневые испытания двигателя состоялись уже в 1959 году. Первоначально в камере сгорания двигателя наблюдалось нарушение режима стабильного горения, с чем к 1961 году успешно удалось справиться
  7. ↑ Рахманин, 2013, с. 38.
  8. ↑ Рахманин, 2013, с. 38-39.
  9. ↑ Spaceflight Now | Breaking News | Rocket companies hope to repurpose Saturn 5 engines. spaceflightnow.com. Дата обращения: 6 апреля 2017. Архивировано 4 марта 2016 года.
  10. ↑ NASA - NASA Engineers Resurrect And Test Mighty F-1 Engine Gas Generator. Дата обращения: 22 января 2013. Архивировано 2 февраля 2013 года.
  11. ↑ "How NASA brought the monstrous F-1 "moon rocket" engine back to life". Ars Technica (англ.). Архивировано 6 апреля 2017. Дата обращения: 5 апреля 2017.
  12. ↑ Dynetics and PWR aiming to liquidize SLS booster competition with F-1 power | NASASpaceFlight.com (англ.). www.nasaspaceflight.com. Дата обращения: 6 апреля 2017. Архивировано 27 сентября 2013 года.
  13. ↑ Mike Jetzer. F-1 thrust chamder (англ.). heroicrelics.org. Дата обращения: 25 августа 2019. Архивировано 25 августа 2019 года.
  14. ↑ Гахун Г. Г., 1989.
  15. ↑ Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: Учебник для вузов / Ягодникова Д. А.. — 2-е издание. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. — С. 330-331. — 488 с. — ISBN 5-7038-2649-7.
  16. ↑ Архивированная копия. Дата обращения: 9 июля 2014. Архивировано из оригинала 14 июля 2014 года.
  17. ↑ 1 2 Saturn V News Reference: F-1 Engine Fact Sheet (PDF), National Aeronautics and Space Administration, December 1968, pp. 3–3, 3–4, Архивировано из оригинала (PDF) 13 апреля 2016, Дата обращения: 1 июня 2008 Источник. Дата обращения: 25 декабря 2008. Архивировано из оригинала 13 апреля 2016 года.
  18. ↑ NSTS 1988 News Reference Manual, NASA, Архивировано из оригинала 30 ноября 2019, Дата обращения: 3 июля 2008 Источник. Дата обращения: 25 декабря 2008. Архивировано из оригинала 30 ноября 2019 года.
  19. ↑ Шаталова Н. Самое важное – конкурентные преимущества // Экспир. — 2016. — 26 мая. Архивировано 10 августа 2019 года.. «Надо сказать, что у них был свой, для того времени великолепный, ракетный двигатель F1 на жидком кислороде с керосином. Он использовался в ракете-носителе Сатурн V, с помощью которого осуществлялась лунная программа «Аполлон»
  20. ↑ Корягин В. «Без России в космос американцы не улетят» Создатель РД-180 о зависимости США от России и превосходстве в космосе». Lenta.ru, 30 января 2017 года. «Очень интересным двигателем был F-1. Соединенные Штаты Америки использовали его для первой ступени ракеты Saturn V, на которой осуществлялись запуски на Луну. Этот двигатель имел тягу 680 тонн и работал на кислороде с керосином. Для своего времени он был весьма передовым и эффективным: американцы высадились на Луну в 1969 году». Архивировано.
  21. ↑ Интервью академика Бориса Каторгина, лауреата премии "Глобальная энергия - 2012" Архивная копия от 29 сентября 2022 на Wayback Machine. РАН, 4 июля 2012 года. «К примеру, наш двигатель РД-170 за один запуск за счет большего удельного импульса мог вывезти полезного груза на две тонны больше, чем их самый мощный F-1, что означало по тем временам 20 миллионов долларов выигрыша.»
  22. ↑ Rocketdyne F-1 Manuals by North American Aviation - Rocketdyne Division. Archive.org. 17 июля 2022 года.
  23. ↑ 1 2 Concannon, 2014.
  24. ↑ В Атлантике найдены двигатели «Аполлона-11» (рус.). Lenta.ru (30 марта 2012). Дата обращения: 30 марта 2012. Архивировано 30 марта 2012 года.
  25. ↑ Bezos, Jeff F-1 Engine Recovery (англ.). Bezos Expeditions (28 марта 2012). Дата обращения: 30 марта 2012. Архивировано 21 июня 2012 года.

Литература

Ссылки