Rocketdyne F -1 - Rocketdyne F-1

F-1
Raketový motor F-1.jpg
Specifikace raketového motoru F-1
Země původu Spojené státy
Výrobce Rocketdyne
Motor na kapalná paliva
Hnací plyn LOX / RP-1
Poměr směsi 2,27 (69% O2, 31% RP-1)
Cyklus Generátor plynu
Výkon
Tah (vakuum) 1746 000 lbf (7770 kN)
Tah (hladina moře) 1570000 lbf (6770 kN)
Poměr tahu k hmotnosti 94,1
Tlak v komoře 70 barů (1015 psi; 7 MPa)
Specifický impuls (vakuum) 304 s (2,98 km/s)
Specifický impuls (hladina moře) 263 s (2,58 km/s)
Hmotnostní tok 5,683 lb / s (2.578 kg / s),
3,945 lb / s (1,789 kg / s) (LOX),
1738 lb / s (788 kg / s) (RP-1)
Doba hoření 150-163 s
Rozměry
Délka 18,5 stop (5,6 m)
Průměr 12,2 stop (3,7 m)
Suchá hmotnost 18 500 lb (8 400 kg)
Použito v
Saturn V.

F1 , běžně známý jako Rocketdyne F1, je raketový motor vyvinutý Rocketdyne . Tento motor využívá cyklus generátoru plynu vyvinutý ve Spojených státech na konci padesátých let a použitý v raketě Saturn V v šedesátých a na začátku sedmdesátých let minulého století. V první fázi S-IC každého Saturnu V, který sloužil jako hlavní nosná raketa programu Apollo, bylo použito pět motorů F-1 . F-1 zůstává nejvýkonnějším raketovým motorem na kapalná paliva s jednou spalovací komorou, jaký byl kdy vyvinut.

Dějiny

Wernher von Braun s motory F-1 prvního stupně Saturn V v americkém vesmírném a raketovém centru

Rocketdyne vyvinul F-1 a E-1, aby splňoval požadavek amerického letectva z roku 1955 na velmi velký raketový motor. E-1, přestože byl úspěšně testován ve statické palbě, byl rychle považován za technologickou slepou uličku a byl opuštěn pro větší, silnější F-1. Letectvo nakonec zastavilo vývoj F-1 kvůli nedostatku požadavků na tak velký motor. Nedávno vytvořený Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA) ocenil užitečnost motoru s tak velkým výkonem a zazmluvnil Rocketdyne, aby dokončil jeho vývoj. Zkušební odpaly součástí F-1 byly provedeny již v roce 1957. První statické odpalování plně vývojového vývojového F-1 bylo provedeno v březnu 1959. První F-1 byl doručen NASA MSFC v říjnu 1963. V prosinci 1964, F-1 dokončil testy letové kvalifikace. Testování pokračovalo nejméně do roku 1965.

Testy raného vývoje odhalily vážné problémy s nestabilitou spalování, které někdy způsobovaly katastrofické selhání . Zpočátku byl pokrok v tomto problému pomalý, protože byl přerušovaný a nepředvídatelný. Byly pozorovány kmity 4 kHz s harmonickými až 24 kHz. Nakonec inženýři vyvinuli diagnostickou techniku ​​detonace malých výbušných náloží (které nazývali „bomby“) mimo spalovací komoru prostřednictvím tangenciální trubice ( byly použity RDX , C-4 nebo černý prášek ), zatímco motor střílel. To jim umožnilo přesně určit, jak běžící komora reagovala na změny tlaku, a určit, jak tyto oscilace zneškodnit. Designéři pak mohli rychle experimentovat s různými koaxiálními návrhy vstřikovačů paliva, aby získali ten nejodolnější vůči nestabilitě. Tyto problémy byly řešeny od roku 1959 do roku 1961. Nakonec bylo spalování motoru tak stabilní, že by do jedné desetiny sekundy samo tlumilo uměle vyvolanou nestabilitu.

Design

Součásti raketového motoru F-1

Motor F-1 je nejsilnějším raketovým motorem s jednou tryskou na kapalná paliva, jaký kdy letěl. Raketový motor M-1 byla navržena tak, aby se větší tlak, ale to byl testován pouze na úrovni komponent. Také RD-170 produkuje větší tah, ale má čtyři trysky. F-1 spaloval jako palivo RP-1 ( petrolej petrolejového typu ) a jako oxidační činidlo používal kapalný kyslík (LOX). K vstřikování paliva a kyslíku do spalovací komory bylo použito turbočerpadlo .

Jednou z pozoruhodných výzev při konstrukci F-1 bylo regenerační chlazení tahové komory. Chemický inženýr Dennis „Dan“ Brevik stál před úkolem zajistit, aby předběžný svazek trubek spalovací komory a konstrukce potrubí vyrobené Al Bokstellar fungovaly dobře. Brevik měl v podstatě za úkol „zajistit, aby se neroztavil“. Díky Brevikovým výpočtům hydrodynamických a termodynamických charakteristik letounu F-1 se mu a jeho týmu podařilo vyřešit problém známý jako „hladovění“. To je případ, kdy nerovnováha statického tlaku vede k „horkým místům“ v potrubí. Materiálem použitým pro svazek trubek, vyztužovacích pásů a rozdělovače trubek F-1 byla Inconel-X750 , žáruvzdorná slitina na bázi niklu schopná odolávat vysokým teplotám.

Srdcem motoru byla tlačná komora, která mísila a spalovala palivo a okysličovadlo za vzniku tahu. Klenutá komora v horní části motoru sloužila jako rozdělovač dodávající kapalný kyslík do vstřikovačů a také sloužila jako úchyt pro kardanové ložisko, které přenášelo tah na tělo rakety. Pod touto kopulí byly vstřikovače, které směrovaly palivo a okysličovadlo do tlačné komory způsobem, který byl navržen tak, aby podporoval míchání a spalování. Palivo bylo do vstřikovačů dodáváno ze samostatného sběrného potrubí; část paliva nejprve putovala 178 trubkami po délce tlačné komory - která tvořila přibližně horní polovinu výfukové trysky - a zpět, aby trysku ochladila.

K pohonu turbíny byl použit generátor plynu, který poháněl oddělená palivová a kyslíková čerpadla, z nichž každé napájelo sestavu tahové komory. Turbína byla poháněna při 5500 otáčkách za minutu a produkovala 55 000 koňských sil (41 MW). Palivové čerpadlo dodávalo 15 471 amerických galonů (58 560 litrů) RP-1 za minutu, zatímco oxidační čerpadlo dodávalo 24 811 US gal (93 920 l) kapalného kyslíku za minutu. Ekologicky bylo požadováno, aby turbočerpadlo odolávalo teplotám od vstupního plynu při 820 ° C až po kapalný kyslík při -184 ° C. Strukturálně bylo palivo použito k mazání a chlazení ložisek turbíny .

Testovací odpálení motoru F-1 na letecké základně Edwards (Velké koule nahoře na plošině jsou Horton Spheres na palivo a okysličovadlo)

Pod přítlačnou komorou bylo prodloužení trysky , zhruba polovina délky motoru. Toto rozšíření zvýšilo poměr expanze motoru z 10: 1 na 16: 1. Výfuk z turbíny byl přiváděn do prodloužení trysky velkým kuželovým rozdělovačem; tento relativně chladný plyn vytvořil film, který chránil prodloužení trysky před horkým (3 200 ° C) výfukovým plynem.

Každou sekundu jeden F-1 spálil 5 683 liber (2 578 kg) okysličovadla a paliva: 3 785 kg tekutého kyslíku a 1 788 kg RP-1, což generovalo 6,7 mil. 6 500 tf ) tahu. To odpovídalo průtoku 671,4 US gal (2542 l) za sekundu; 413,5 US gal (1565 l) LOX a 257,9 US gal (976 l) RP-1. Během dvou a půl minuty provozu pět F-1 vyhnalo vozidlo Saturn V do výšky 42 mil (222 000 stop; 68 km) a rychlosti 6 164 mph (9 920 km/h). Kombinovaný průtok pěti F-1 v Saturn V byl 3357 US gal (12 710 l) nebo 28 415 lb (12 890 kg) za sekundu. Každý motor F-1 měl větší tah než tři hlavní motory raketoplánu dohromady.

Postupy před a po zapálení

Během statické zkušební palby palivo RP-1 na bázi petroleje zanechávalo uhlovodíkové usazeniny a páry v motoru po testovací palbě. Ty musely být z motoru odstraněny, aby se předešlo problémům při manipulaci s motorem a budoucím spalování, a k čištění palivového systému motoru bezprostředně před a po každém zkušebním vypálení byl použit rozpouštědlo trichlorethylen (TCE). Proces čištění zahrnoval čerpání TCE palivovým systémem motoru a ponechání rozpouštědla přetékat po dobu od několika sekund do 30–35 minut, v závislosti na motoru a závažnosti usazenin. U některých motorů byl plynový generátor motoru a kopule LOX také před testovací střelbou propláchnuty TCE. Raketový motor F-1 měl během příprav na start propláchnutou kopuli LOX, plynový generátor a palivový plášť tahové komory TCE.

Specifikace

Instalace motorů F-1 do fáze Saturn V S-IC. Rozšíření trysky je nepřítomný montáže motoru.
Apollo 4, 6 a 8 Apollo 9–17
Tah , hladina moře 1,500,000 lbf (6,7 MN) 1522 000 lbf (6,77 MN)
Doba hoření 150 sekund 165 sekund
Specifický impuls 260 s (2,5 km/s) 263 s (2,58 km/s)
Tlak v komoře 70 barů (1015 psi; 7 MPa) 70 barů (1015 psi; 7 MPa)
Hmotnost motoru suchá 18416 lb (8353 kg) 18 500 lb (8 400 kg)
Vyhoření hmotnosti motoru 9,015 kg (20,096 lb) 20,180 lb (9,150 kg)
Výška 19 stop (5,8 m)
Průměr 12,3 ft (3,7 m)
Poměr výstupu a krku 16: 1
Propelenty LOX a RP-1
Hmotnostní poměr směsi 2,27: 1 okysličovadlo na palivo
Dodavatel NAA/Rocketdyne
Aplikace vozidla Saturn V / S -IC 1. stupeň - 5 motorů

Prameny:

Vylepšení F-1

Tah a účinnost F-1 byly vylepšeny mezi Apollo 8 (SA-503) a Apollo 17 (SA-512), což bylo nezbytné pro splnění rostoucích požadavků na kapacitu užitečné kapacity pozdějších misí Apollo . Mezi motory na dané misi byly malé rozdíly ve výkonu a rozdíly v průměrném tahu mezi misemi. Pro Apollo 15 byl výkon F-1:

  • Tah (průměr, na motor, vzestup hladiny moře): 1553200 lbf (6,909 MN)
  • Doba hoření: 159 sekund
  • Specifický impuls : 264,72 s (2,5960 km/s)
  • Poměr směsi: 2,2674
  • Celkový tah při zvedání hladiny moře S-IC : 346,4 MN (7 766 000 lbf)

Měření a porovnávání tahu raketového motoru je složitější, než by se na první pohled mohlo zdát. Na základě skutečných měření byl tah vzletu Apolla 15 7 823 000 lbf (34,80 MN), což odpovídá průměrnému tahu F-1 1565 000 lbf (6,96 MN)-o něco více, než je stanovená hodnota.

Motor F-1 vystavený
v Kennedyho vesmírném středisku

F-1A po Apollu

V roce 1960, Rocketdyne zavázala uprating vývoj F-1, což má za následek novou specifikaci motoru F-1A. Navenek velmi podobný F-1, F-1A produkoval o 20% větší tah, 1 800 000 lbf (8 MN) v testech, a byl by použit na budoucích vozidlech Saturn V v době po Apollu . Výrobní linka Saturn V však byla před koncem projektu Apollo uzavřena a nikdy neletěly žádné motory F-1A.

Padly návrhy na použití osmi motorů F-1 na prvním stupni raket Saturn C-8 a Nova . Od 70. let 20. století bylo učiněno mnoho návrhů na vývoj nových spotřebních posilovačů založených na konstrukci motoru F-1. Patří mezi ně Saturn-Shuttle a posilovač Pyrios (viz níže) v roce 2013. Od roku 2013 nikdo nepokročil za počáteční fázi studie. Comet HLLV by používali pět F-1A motory na hlavní jádro a dvě na každém z boostery.

F-1 je největší jednokomorový jednokomorový motor s jedním tryskem na kapalné palivo, s nejvyšším tahem. Existují větší motory na tuhá paliva , například Space Shuttle Solid Rocket Booster s tahem vzletu na úrovni hladiny moře za kus 2 800 000 lbf (12,45 MN). Sovětský (nyní ruský) RD-170 může vyvinout větší tah než F-1, při 1 630 000 lbf (7,25 MN) na motor na úrovni moře, nicméně každý motor používá místo jedné čtyři spalovací komory, aby vyřešil problém nestability spalování .

Booster F-1B

Vulcain pro Ariane 5 rakety používá podobný konstrukci cyklu F-1 motoru, přičemž turbína výfukové plyny potrubím přímo přes palubu.

V rámci programu Space Launch System (SLS) pořádala NASA soutěž Advanced Booster Competition , jejíž ukončení bylo naplánováno výběrem vítězné konfigurace posilovače v roce 2015. V roce 2012 společnost Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) navrhla použití derivát motoru F-1 v soutěži jako posilovač tekutých raket . V roce 2013 zahájili inženýři v Marshall Space Flight Center testy s původním F-1, sériovým číslem F-6049, který byl odstraněn z Apolla 11 kvůli závadě. Motor nebyl nikdy použit a mnoho let byl v Smithsonian Institution . Testy jsou navrženy tak, aby znovu seznámily NASA s konstrukcí a hnacími plyny F-1 v očekávání použití vyvinuté verze motoru v budoucích aplikacích v hlubokém kosmickém letu.

Společnost Pratt & Whitney , Rocketdyne a Dynetics , Inc. představila konkurenta známého jako Pyrios v programu Advanced Booster NASA, jehož cílem je najít silnějšího nástupce pětisegmentových raketových posilovačů Space Shuttle určených pro rané verze systému Space Launch System , pomocí dvou zvýšených tahů a silně upravených motorů F-1B na posilovač. Vzhledem k potenciální výhodě motoru v konkrétním impulsu , pokud by tato konfigurace F-1B (celkem využívající čtyři F-1B) byla integrována s blokem SLS 2, mohlo vozidlo dodat 150 tun (330 000 liber) na nízkou oběžnou dráhu Země , zatímco 113 tun (249 000 liber) je to, co je považováno za dosažitelné s plánovanými pevnými posilovači v kombinaci se čtyřmotorovým základním stupněm RS-25 .

Motor F-1B si klade za cíl být minimálně stejně výkonný jako neletěný F-1A a zároveň být nákladově efektivnější. Konstrukce zahrnuje výrazně zjednodušenou spalovací komoru, snížený počet motorových dílů a odstranění systému recyklace výfukových plynů F-1, včetně mezipotruby výfuku turbíny a chladicího potrubí „závěsu“ , přičemž výfuk turbíny má samostatný výstupní průchod vedle zkrácené hlavní trysky na F-1B. Snížení nákladů na díly napomáhá použití selektivního laserového tavení při výrobě některých kovových dílů. Výsledný motor F-1B je určen k produkci tahu 1 800 000 lbf (8,0 MN) na úrovni hladiny moře, což představuje 15% nárůst oproti tahu přibližně 1550 000 lbf (6,9 MN), který vyráběly zralé motory Apollo 15 F-1.

Umístění motorů F-1

Nevyletěný motor F-1 vystavený na letišti Pratt & Whitney (nyní Aerojet Rocketdyne ), Canoga Park, Los Angeles
Motor F-1 vystavený ve Vědeckém centru INFINITY

Na palubu třinácti Saturnů V bylo vypuštěno šedesát pět motorů F-1 a každý první stupeň přistál v Atlantském oceánu. Deset z nich sledovalo přibližně stejný letový azimut 72 stupňů, ale Apollo 15 a Apollo 17 sledovaly výrazněji jižnější azimuty (80,088 stupně a 91,503 stupně). Skylab Vozidlo startu letěl v severnějších azimut k dosažení vyšší sklon oběžnou dráhu (50 stupňů oproti obvyklých 32,5 °).

Na dva sériové Saturn V, které nikdy nelétaly, bylo nainstalováno deset motorů F-1. První stupeň z SA-514 je vystaven v Johnsonově vesmírném středisku v Houstonu (ačkoli je vlastněn Smithsonianem) a první stupeň z SA-515 je vystaven ve vědeckém centru INFINITY ve vesmírném středisku Johna C. Stennise v Mississippi.

Dalších deset motorů bylo nainstalováno na dva pozemní testovací Saturn V, které nikdy neměly v úmyslu létat. S-IC-T „All Systems Test Stage“, replika pozemního testu, je vystavena jako první stupeň kompletního Saturnu V v Kennedyho vesmírném středisku na Floridě. SA-500D , dynamické testovací vozidlo, je vystaveno v americkém vesmírném a raketovém centru v Huntsville v Alabamě .

Zkušební motor je k vidění v Powerhouse Museum v Sydney , Austrálie . Byl to 25. ze 114 motorů pro výzkum a vývoj postavených Rocketdynem a bylo vypáleno 35krát. Motor je zapůjčen muzeu od Smithsonianova Národního leteckého a vesmírného muzea . Je to jediný F-1 vystavený mimo USA.

Motor F-1, zapůjčený z Národního leteckého a vesmírného muzea, je vystaven v letecké zoo v Portage v Michiganu .

Motor F-1 je na vodorovném stojanu ve Science Museum Oklahoma v Oklahoma City .

Motor F-1 F-6049 je zobrazen svisle v Muzeu letu v Seattlu, WA jako součást výstavy Apollo.

Motor F-1 je instalován svisle jako památník stavitelům Rocketdyne na De Soto přes ulici od starého závodu Rocketdyne v Canoga Park v Kalifornii. Byl instalován v roce 1979 a přesunut z parkoviště přes ulici nějaký čas po roce 1980.

Motor F-1 vystavený mimo The New Mexico Museum of Space History v Alamogordo, NM.

Zotavení

Obnovené části motoru F-1 vystavené v Muzeu letu v Seattlu .
Obnovený vstřikovač motoru F-1 z mise Apollo 12 vystavený v Muzeu letu v Seattlu .

28. března 2012 tým financovaný Jeffem Bezosem , zakladatelem Amazon.com , oznámil, že pomocí sonarového vybavení lokalizovali raketové motory F-1 z mise Apollo. Bezos uvedl, že plánuje zvednout alespoň jeden z motorů, které spočívají v hloubce 1400 stop (4300 m), asi 400 mil (640 km) východně od mysu Canaveral na Floridě. Stav motorů, které byly ponořeny více než 40 let, však nebyl znám. Administrátor NASA Charles Bolden vydal prohlášení, ve kterém blahopřál Bezosovi a jeho týmu k jejich nálezu a popřál jim úspěch. Rovněž potvrdil stanovisko NASA, že všechny získané artefakty zůstanou majetkem agentury, ale že budou pravděpodobně nabídnuty Smithsonian Institution a dalším muzeím, v závislosti na počtu získaných.

20. března 2013 Bezos oznámil, že se mu podařilo vynést na povrch části motoru F-1, a vydal fotografie. Bezos poznamenal: "Mnoho původních sériových čísel chybí nebo částečně chybí, což ztíží identifikaci mise. Během restaurování můžeme vidět více." Záchranná loď byla Seabed Worker a měla na palubě tým specialistů organizovaných Bezosem za účelem obnovy. Dne 19. července 2013, Bezos bylo zjištěno, že výrobní číslo jednoho z regenerovaných motorů Rocketdyne pořadové číslo 2044 (což odpovídá počtu NASA 6044), přičemž # 5 (uprostřed) motoru, která pomohla Neila Armstronga , Buzz Aldrin a Michael Collins se dosáhněte Měsíce s misí Apollo 11 . Získané části byly převezeny do kosmického a kosmického centra Kansas v Hutchinsonu k procesu konzervace.

V srpnu 2014 bylo odhaleno, že byly získány části dvou různých motorů F-1, jednoho z Apolla 11 a jednoho z jiného letu Apolla, přičemž byla zveřejněna fotografie vyčištěného motoru. Bezos plánuje vystavit motory na různých místech, včetně Národního leteckého a vesmírného muzea ve Washingtonu, DC

Dne 20. května 2017 Apollo stálá expozice otevřen v muzeu letu v Seattlu, WA a zobrazuje motor artefakty navrácena včetně tah komora a tah komory vstřikovací motor číslo 3 z Apollo 12 mise, stejně jako vyvíječe plynu z motor, který poháněl let Apolla 16 .

Viz také

Reference

Poznámky
Bibliografie

externí odkazy