Rocketdyne F-1

Rocketdyne F-1 — это жидкостный ракетный двигатель, разработанный в США компанией Rocketdyne (подразделение North American Aviation) в 1950-х — 1960-х годах. Является одним из самых мощных однокамерных жидкостных ракетных двигателей в истории: его тяга на уровне моря составляла около 680 тонн-сил (6,7 МН). Двигатель использовался в первой ступени ракеты-носителя «Сатурн-5» (Saturn V) в рамках американской лунной программы «Аполлон» (Apollo), а также в программе «Скайлэб» (Skylab). Всего было произведено около 100 экземпляров двигателя F-1, из которых в полётах было задействовано 65 штук (включая 5 двигателей на одну ракету «Сатурн-5»). Ни один из двигателей F-1, работавших в составе «Сатурна-5», не вышел из строя в полёте, что свидетельствует о высокой надёжности конструкции.

История создания

Предпосылки и начало разработки

Разработка F-1 началась в 1955 году, когда ВВС США (US Air Force) инициировали программу создания мощного жидкостного ракетного двигателя для возможных военных и космических применений. В то время существовала потребность в двигателе, способном поднимать тяжёлые грузы на орбиту или доставлять ядерные боеголовки на межконтинентальные расстояния. Rocketdyne, уже имевшая опыт создания двигателей для ракет «Тор» (Thor) и «Юпитер» (Jupiter), предложила проект однокамерного двигателя с тягой около 1,5 млн фунтов-сил (6,7 МН). Первые испытания прототипа состоялись в 1957 году, однако на ранних этапах столкнулись с серьёзными проблемами нестабильности горения в камере сгорания.

Проблема нестабильности горения

Одной из главных технических трудностей при разработке F-1 была склонность к высокочастотной нестабильности горения — явлению, при котором в камере сгорания возникали резонансные колебания давления, способные разрушить двигатель. Инженеры Rocketdyne, в том числе главный конструктор Джон Б. Кеннеди (John B. Kennedy), провели тысячи испытаний, чтобы найти решение. В итоге была разработана система гашения колебаний с помощью специальных перегородок (baffles) в форсуночной головке, а также изменена конструкция форсунок для более равномерного смешивания топлива и окислителя. Эти меры позволили стабилизировать горение, хотя полностью устранить проблему не удалось — в некоторых случаях нестабильность всё же возникала, но уже не приводила к разрушению двигателя.

Принятие на вооружение и программа «Аполлон»

В 1962 году НАСА (NASA) выбрало двигатель F-1 для первой ступени ракеты-носителя «Сатурн-5», которая должна была доставить человека на Луну. Для этого потребовалось доработать конструкцию: увеличить тягу с первоначальных 1,5 млн фунтов-сил до 1,522 млн фунтов-сил (6,77 МН) на уровне моря, а также адаптировать двигатель под требования программы «Аполлон». Первый полёт с F-1 состоялся 9 ноября 1967 года в рамках миссии «Аполлон-4» (Apollo 4), которая была беспилотным испытательным запуском. Впоследствии двигатели F-1 использовались во всех 13 запусках «Сатурна-5» (включая миссии «Аполлон-11», «Аполлон-13» и «Скайлэб»), а также в двух дополнительных запусках для программы «Скайлэб» (в 1973 году). Последний полёт с F-1 состоялся 14 мая 1973 года при запуске орбитальной станции «Скайлэб».

Конструкция

Общая схема

F-1 представляет собой однокамерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с открытой схемой (газогенераторный цикл). В этой схеме часть топлива (керосин RP-1) и окислителя (жидкий кислород, LOX) сжигается в газогенераторе, а образующиеся горячие газы приводят в действие турбину, которая вращает насосы подачи топлива. После турбины отработанные газы выбрасываются через отдельное сопло (выхлопную трубу), не попадая в основную камеру сгорания. Это снижает эффективность (удельный импульс) по сравнению с замкнутыми схемами, но упрощает конструкцию и повышает надёжность.

Основные компоненты

• Камера сгорания: выполнена из нержавеющей стали и меди, с внутренним охлаждением за счёт прохождения топлива по каналам в стенках. Диаметр камеры — около 1,1 м, длина — 2,5 м.
• Форсуночная головка: содержит 3700 форсунок для подачи топлива и окислителя, а также 12 перегородок для гашения колебаний горения.
• Турбонасосный агрегат (ТНА): состоит из двух насосов (один для керосина, другой для жидкого кислорода), приводимых в действие газовой турбиной мощностью около 55 000 лошадиных сил (41 МВт). Турбина работает на газах, образующихся в газогенераторе при сжигании небольшого количества топлива.
• Сопло: расширяющееся, с отношением площадей 16:1. Изготовлено из нержавеющей стали, охлаждается регенеративно (топливом, проходящим по трубкам). Длина сопла — около 3,5 м, диаметр выходного сечения — 3,7 м.
• Газогенератор: сжигает керосин и жидкий кислород с избытком топлива для снижения температуры газов, поступающих на турбину.

Характеристики

• Тяга:
• На уровне моря: 1 522 000 фунтов-сил (6,77 МН).
• В вакууме: 1 746 000 фунтов-сил (7,77 МН).
• Удельный импульс:
• На уровне моря: 265 секунд (2600 м/с).
• В вакууме: 304 секунды (2980 м/с).
• Давление в камере сгорания: 70 атмосфер (7,1 МПа).
• Расход топлива: около 2,5 тонн в секунду (керосин — 1,1 т/с, жидкий кислород — 1,4 т/с).
• Масса:
• Сухая: около 8,4 тонн.
• Полная (с топливом в системе): около 9,2 тонн.
• Время работы: до 165 секунд (в составе первой ступени «Сатурна-5»).

Применение

Ракета-носитель «Сатурн-5»

Основным применением F-1 была первая ступень (S-IC) ракеты-носителя «Сатурн-5». На каждой ступени устанавливалось пять двигателей F-1, расположенных по схеме «крест»: один в центре, четыре по периферии. Центральный двигатель был зафиксирован неподвижно, а четыре периферийных могли отклоняться для управления вектором тяги (качание на ± 5°). Вместе пять двигателей создавали суммарную тягу около 34,5 МН (3,5 млн кгс) на старте, что позволяло выводить на орбиту до 140 тонн полезного груза.

Программа «Скайлэб»

В 1973 году двигатели F-1 использовались для запуска орбитальной станции «Скайлэб» (Skylab) на ракете-носителе «Сатурн-5» (модификация SA-513). Это был последний полёт с F-1, после чего программа была закрыта.

Отказ от дальнейшего использования

После завершения программы «Аполлон» в 1972 году и программы «Скайлэб» в 1974 году производство F-1 было прекращено. Двигатель считался слишком мощным и дорогим для коммерческих запусков, а также требовал сложной инфраструктуры. В 1970-х годах НАСА переключилось на разработку многоразового космического корабля «Спейс Шаттл» (Space Shuttle), который использовал другие двигатели (RS-25). В 2010-х годах компания SpaceX (США) разработала двигатель Raptor, который по тяге сравним с F-1, но работает на метане и использует замкнутую схему.

Современные проекты и модификации

F-1B

В 2012 году компания Pratt & Whitney Rocketdyne (правопреемник Rocketdyne) предложила модернизированную версию F-1 — F-1B. Планировалось, что F-1B будет иметь более простую конструкцию (снижение числа деталей на 80%), более высокую тягу (1,8 млн фунтов-сил в вакууме) и меньшую стоимость. Однако проект не был реализован из-за отсутствия заказов.

Использование в программе SLS

В 2010-х годах НАСА рассматривало возможность использования F-1B в качестве двигателя первой ступени для сверхтяжёлой ракеты Space Launch System (SLS), но в итоге было принято решение использовать двигатели RS-25 (от «Спейс Шаттла») и твердотопливные ускорители.

Интересные факты

• Каждый двигатель F-1 потреблял топливо с такой скоростью, что за 2,5 минуты работы опустошал баки «Сатурна-5» на 90%.
• Во время испытаний в 1960-х годах один из двигателей F-1 случайно взорвался на стенде, но это не привело к серьёзным последствиям для программы.
• В 2013 году частная экспедиция под руководством Джеффа Безоса (Jeff Bezos) подняла со дна Атлантического океана несколько двигателей F-1, которые были использованы в миссии «Аполлон-11». Они были отреставрированы и выставлены в музеях.
• Двигатель F-1 является самым мощным однокамерным ЖРД, когда-либо созданным в США, и уступает только советскому РД-170 (тяга 7,9 МН в вакууме) среди всех однокамерных ЖРД в мире.

Источники

• NASA Technical Reports Server: «F-1 Rocket Engine Technical Manual» (1966).
• Sutton, G. P. «History of Liquid Propellant Rocket Engines» (2006).
• Bilstein, R. E. «Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles» (1980).
• «Rocketdyne F-1» — статья в Encyclopaedia Astronautica.