Двигатель F-1¶

Двигатель F-1 — это однокамерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), разработанный в США компанией Rocketdyne (подразделение North American Aviation) в 1950-х — 1960-х годах. Использовался в качестве маршевого двигателя первой ступени (S-IC) сверхтяжёлой ракеты-носителя «Сатурн-5» в рамках программы «Аполлон», обеспечившей высадку человека на Луну. F-1 является самым мощным однокамерным ЖРД на керосине и жидком кислороде, когда-либо летавшим в космос: его тяга на уровне моря составляла около 680 тонн-сил (6,7 МН).

¶История создания

¶Предпосылки и начало разработки

В середине 1950-х годов ВВС США осознали необходимость в двигателе огромной тяги для перспективных межконтинентальных баллистических ракет и тяжёлых космических носителей. В 1955 году компания Rocketdyne начала частные исследования по созданию ЖРД с тягой порядка 1 млн фунтов (4,45 МН). В 1958 году ВВС заключили с Rocketdyne контракт на разработку двигателя, получившего обозначение F-1. Первоначально предполагалось его использование на ракете-носителе «Нова» — проекте, который так и не был реализован.

¶Испытания и доводка

Первый огневой стендовый пуск прототипа F-1 состоялся в 1959 году. Однако в ходе испытаний возникли серьёзные проблемы с неустойчивостью горения в камере сгорания — явление, при котором колебания давления и температуры достигали критических величин, разрушая конструкцию. Для решения этой проблемы было проведено более 2000 испытаний, в ходе которых инженеры Rocketdyne под руководством Сэма Хоффмана разработали систему акустических демпферов (резонаторов Гельмгольца) и специальную конструкцию форсуночной головки. Эти меры позволили стабилизировать процесс горения. К 1962 году двигатель был признан готовым к лётной эксплуатации.

¶Применение в программе «Аполлон»

В 1961 году, после решения президента Джона Кеннеди о высадке человека на Луну, НАСА выбрало F-1 для первой ступени ракеты «Сатурн-5». Для этого потребовалось доработать двигатель под требования пилотируемых полётов: повысить надёжность, установить резервирование систем управления и провести дополнительные квалификационные испытания. Первый полёт с установленными F-1 состоялся 9 ноября 1967 года (миссия «Аполлон-4»). Всего в рамках программы «Аполлон» было произведено 13 запусков «Сатурна-5», каждый из которых использовал пять двигателей F-1 на первой ступени. Ни один из этих двигателей не отказал в полёте.

¶Конструкция и принцип работы

¶Компоненты топлива

F-1 работал на топливной паре: окислитель — жидкий кислород (LOX, −183 °C), горючее — очищенный керосин (RP-1). Оба компонента подавались в камеру сгорания под высоким давлением (около 70 атм) с помощью одного турбонасосного агрегата (ТНА), приводимого в действие газогенератором, работающим на тех же компонентах.

¶Основные узлы

• Камера сгорания — сферической формы, изготовлена из жаропрочной стали с внутренним охлаждением (керосин протекает по каналам в стенках). Диаметр камеры — около 1,4 м.
• Форсуночная головка — содержит 3700 форсунок, обеспечивающих смешение кислорода и керосина. В её конструкции встроены 90 акустических демпферов для подавления вибраций.
• Турбонасосный агрегат — развивал мощность около 55 000 л.с. (41 МВт). Турбина вращалась со скоростью 5500 об/мин, перекачивая 2,5 тонны топлива в секунду.
• Сопло — расширяющееся, с отношением площадей 16:1. Изготовлено из нержавеющей стали, охлаждается керосином, проходящим по трубкам, приваренным к внешней поверхности.
• Газогенератор — сжигал часть топлива (около 2% от общего расхода) для привода турбины, после чего выхлопные газы выбрасывались через отдельный патрубок.

¶Характеристики

¶Производство и испытания

¶Изготовление

Производство F-1 было развёрнуто на заводе Rocketdyne в Канога-Парк (Калифорния). Каждый двигатель собирался вручную из нескольких тысяч деталей. Особую сложность представляло изготовление форсуночной головки и охлаждающих каналов камеры сгорания. Всего было построено около 100 двигателей F-1, включая лётные экземпляры, запасные и стендовые образцы.

¶Огневые стендовые испытания

Перед установкой на ракету каждый двигатель проходил обязательные огневые испытания на стенде в Эдвардсе (Калифорния) или в Миссисиппи (Стенд B-1/B-2). Длительность испытания составляла от 30 до 300 секунд. После этого двигатель разбирали, проверяли все узлы, при необходимости заменяли детали и собирали заново для лётной эксплуатации.

¶Применение в ракете «Сатурн-5»

¶Компоновка первой ступени S-IC

Первая ступень «Сатурна-5» оснащалась пятью двигателями F-1, расположенными крестообразно: один в центре (неподвижный) и четыре по периметру (отклоняемые для управления). Каждый периферийный двигатель мог поворачиваться на угол до 6° с помощью гидравлических приводов, обеспечивая управление по тангажу, рысканью и крену. Центральный двигатель был зафиксирован неподвижно.

¶Работа в полёте

Запуск двигателей происходил на стартовом столе за 6,8 секунды до отрыва ракеты. Сначала зажигались центральный и два противоположных периферийных двигателя, затем — оставшиеся два. После достижения номинальной тяги (около 3400 тс суммарно) включалась система управления и ракета стартовала. Двигатели работали в течение примерно 2 минут 40 секунд, разгоняя ступень до скорости около 2,7 км/с. После выработки топлива ступень отделялась и падала в Атлантический океан.

¶Судьба и наследие

¶Снятие с производства

После завершения программы «Аполлон» в 1972 году и последних полётов «Сатурна-5» (миссии «Скайлэб» и «Аполлон-Союз» в 1973–1975 годах) производство F-1 было прекращено. Оставшиеся двигатели были переданы в музеи или хранились на складах НАСА.

¶Попытки возрождения

В 2010-х годах компания SpaceX (основатель Илон Маск) рассматривала возможность использования модернизированного F-1 для сверхтяжёлых ракет, но отказалась от этой идеи в пользу разработки собственного двигателя Raptor. В 2013 году НАСА провело обратный инжиниринг сохранившегося экземпляра F-1 (проект «F-1 Engine Recovery») для изучения технологий и возможного применения в будущих проектах, однако серийное производство возобновлено не было.

¶Влияние на ракетостроение

F-1 остаётся рекордсменом по тяге среди однокамерных ЖРД на керосине. Его конструктивные решения (акустические демпферы, система охлаждения) стали классическими и применяются в современных двигателях, включая РД-180 (Россия) и Merlin (США). Двигатель символизирует пик американской космической программы «Аполлон» и часто упоминается в исторической и технической литературе.

¶Интересные факты

• Сопло F-1 настолько велико, что в него мог поместиться взрослый человек.
• Суммарная мощность пяти двигателей F-1 на старте составляла около 160 млн л.с., что превышало мощность всех гидроэлектростанций США того времени.
• В 2012 году частная экспедиция, финансируемая Джеффом Безосом, подняла со дна Атлантического океана несколько двигателей F-1, упавших после запусков «Сатурна-5». Часть из них была восстановлена и выставлена в музеях.

¶Источники

• «The Saturn V F-1 Engine: Powering Apollo into History» — R. E. Bilstein, NASA History Series, 1996.
• «Rocketdyne F-1: The Most Powerful Single-Chamber Rocket Engine» — J. R. London, Journal of Propulsion and Power, 2004.
• Отчёты НАСА по программе «Аполлон» (Apollo Program Summary Report, 1975).
• Технические описания двигателя F-1 (Rocketdyne F-1 Engine Data Sheet, 1967).