| F-1 | |
|---|---|
| F-1-motorer på S-IC-scenen med skaparen av Saturn V-raketen, Wernher von Braun | |
| Sorts | LRE |
| Bränsle | Fotogen RP-1 |
| Oxidationsmedel | flytande syre |
| förbränningskammare | ett |
| Land | USA |
| Användande | |
| Drifttid | 1967 - 1973 _ |
| Ansökan | " Saturn V " (första steget, S-IC ) |
| Utveckling | F-1A, F-1B |
| Produktion | |
| Tid för skapandet | 1959 |
| Tillverkare | Rocketdyne |
| Vikt- och storleksegenskaper |
|
| Vikt | 9 115 (torr - 8 353) kg |
| Höjd | 5,79 m |
| Diameter | 3,76 m |
| Driftsegenskaper | |
| sticka |
Vakuum: 790 tf (7,77 MN ) Ur. hav: 690 tf (6,77 MN ) |
| Specifik impuls |
Havsnivå: 263 s Vakuum: 304 s |
| Arbetstimmar | 165 s |
| Tryck i förbränningskammaren |
7 MPa (69,1 atm ) |
| Expansionsgrad | 16 |
| Oxidator/bränsleförhållande | 2.27 |
| Mediafiler på Wikimedia Commons | |
F-1 är en amerikansk raketmotor för flytande drivmedel (LRE) utvecklad av Rocketdyne . Används i Saturn V bärraket . Fem F-1-motorer användes i det första steget av Saturn V, S-IC . För 2008 [1] var det den mest kraftfulla enkammarraketmotorn som flög.
Motorn använde fotogen RP-1 som bränsle och flytande syre som oxidationsmedel .
Före skapandet av RD-170 raketmotor för flytande drivmedel (740 tf dragkraft) och rymdfärjans sidoförstärkare för fast drivmedel, var F-1-raketmotorn den mest kraftfulla flygande raketmotorn . För 2018, den mest kraftfulla enkammarraketmotorn med flytande drivmedel som någonsin flugit ( M-1- motorn hade mer dragkraft och bänktestades men användes aldrig).
F-1 utvecklades ursprungligen av Rocketdyne som svar på en begäran från USAF från 1955 om att kunna bygga en mycket stor raketmotor. Slutresultatet av denna begäran var två olika motorer, E-1 och den större F-1. E-1-motorn, även om den framgångsrikt bänkeldades, erkändes snabbt som ett tekniskt återvändsgränd alternativ och avbröts till förmån för den större, kraftfullare F-1. Det amerikanska flygvapnet stoppade därefter vidareutvecklingen av F-1 på grund av brist på applikationer för en så stor motor. Men NASA , som skapades under denna tidsperiod, uppskattade fördelarna som en motor med sådan kraft kunde ge, och ingick ett kontrakt med Rocketdyne för att slutföra dess utveckling. Testning av F-1-enheterna började 1957. Det första brandtestet av en färdigmonterad experimentell F-1 gjordes i mars 1959 [2] .
Sju års utveckling och testning av F-1-motorerna avslöjade allvarliga problem med förbränningsinstabilitet, vilket ibland ledde till katastrofala olyckor. Arbetet med att åtgärda detta problem var till en början långsamt, eftersom det dök upp intermittent och oförutsägbart. Motorutvecklingen tog flera år, under vilken 1332 fullstora förbränningskammartester genomfördes med 108 insprutningshuvudalternativ och mer än 800 elementtester. Den totala kostnaden för arbetet översteg 4 miljarder dollar. Förfining utfördes inom följande områden: ökade akustiska förluster i förbränningskammaren genom att införa kylda bafflar och installera akustiska absorbatorer; sänka förbränningszonens förstärkande egenskaper genom att försämra finfördelningskvaliteten; sträckning av förbränningszonen längs förbränningskammarens längd; minska bränsleförbrukningen för luftridån [3] [4] .
I slutändan utvecklade ingenjörerna en teknik för att detonera små explosiva laddningar (som de kallade "bomber") placerade utanför förbränningskammaren i tangentiella munstycken under brandtester. Denna metod gjorde det möjligt att bestämma kammarens svar på ett tryckhopp. Designers kunde snabbt experimentera med olika munstyckshuvuden för att hitta det mest hållbara alternativet. De arbetade med dessa problem från 1962 till 1965 [5] [6] . I den slutliga designen var förbränningen i motorn så stabil att den självständigt kunde släcka en artificiellt framkallad instabilitet på en tiondels sekund.
Om rollen som George Miller i testprogrammet för marktillförlitlighet [7]Ett kännetecken för pre-flight-testningen av Saturn-5-missilsystemen var den oöverträffade noggrannheten för att säkerställa den erforderliga höga tillförlitligheten hos missilsystemet. En av cheferna för NASAs bemannade flygdirektorat, George Edwin Miller , som var ansvarig för raketsystemets tillförlitlighet, förlitade sig på markbänktestning av raketmotorn. <...> I början av 1960-talet skapades en unik bänkbas vid Marshall Space Center . Den inkluderade en skjutställning för att testa F-1-motorer och flera ställ för brandtester före flygning av det första, andra och tredje steget av Saturn-5 bärraket (LV), samt stativ för statiska och dynamiska tester av LV i avstängt tillstånd . Den totala drifttiden för F-1-motorerna var mer än 18 000 s. I slutskedet av testet slogs motorn på 20 gånger utan att tas bort från stativet, medan dess drifttid var 2 250 s.En trestegskontroll av motorers lämplighet för flygning tillhandahölls: två kontrollbrandtest av varje motorinstans före installation i ett raketsteg, ett tredje brandtest som en del av ett steg. En sådan teknik för att övervaka motorernas tillförlitlighet var mycket tidskrävande och ekonomiskt dyr, men dess tillämpning lönade sig med problemfri drift av motorerna under hela Lunar-programmet [8] .
Som en del av Space Launch System- programmet höll NASA en tävling för utveckling av sidoförstärkare med målet att utse en vinnare i slutet av 2015. 2012 föreslog Pratt & Whitney Rocketdyne att använda en flytande booster med en ny version av F-1. [9]
2013 beslutade NASA-ingenjörer att se till den tidigare generationen ingenjörer som byggde F-1. Som en del av utvecklingsprogrammet för SLS tunga lastfartyg testades F-1-motorgasgeneratorn. [10] Testet kom till stånd tack vare unga Marshall Space Center -ingenjörer som demonterade och 3D-skannade en motor, numrerad F-6090 , planerad för användning på det avbrutna Apollo 19 -uppdraget . Enligt de mottagna ritningarna monterades nya delar till gasgeneratorn från motorn numrerad F-6049 , som testades. [11] .
Pratt & Whitney , Aerojet Rocketdyne och Dynetics deltog i testet, och som en del av tävlingen om boosters föreslog de en utveckling som heter Pyrios för att ersätta rymdfärjan MTKK solid-state femsegments boosters som planeras för användning på tidiga versioner av Space Launch System. Pyrios är planerad att vara en vätskebooster med två F-1B-motorer, och om den installeras på SLS Block II kan boostern leverera 150 ton till låg referensbana . [12] .
Huvuddelen av motorn var förbränningskammaren, där bränsle och oxidationsmedel blandades och brändes, vilket skapade dragkraft. En kupolformad kammare på toppen av motorn fungerade som en distributionsledning som levererade flytande syre till injektorerna, och fungerade också som ett fäste för en kardan som överförde kraft till raketkroppen. Under denna kupol fanns injektorerna, genom vilka bränslet och oxidationsmedlet leddes direkt in i förbränningskammaren, de var utformade på ett sådant sätt att de säkerställde en god blandning och förbränning av komponenterna. Bränsle tillfördes munstyckshuvudet från en separat distributionsrörledning; en del av bränslet riktades genom 178 rör som lades längs hela förbränningskammarens längd, som upptog nästan hela den övre halvan av munstycket , och gick tillbaka och kylde kammaren [13] [14] .
Avgaser från förgasaren användes för att vända en turbin som drev separata bränsle- och oxidationspumpar som matade förbränningskammarsystemen. Gasgeneratorn roterade turbinen med en hastighet av 5 500 rpm, vilket gav en effekt på 55 000 hästkrafter (41 MW). Bränslepumpen pumpade 58 564 liter RP-1 fotogen per minut, medan oxidationspumpen pumpade 93 920 liter flytande syre per minut. När det gäller driftsförhållanden kunde turbopumpen motstå ett temperaturområde på 800 °C (1 500 °F) gasgeneratorgastemperatur till -180 °C (-300 °F) temperatur för flytande syre. Bränslet användes även för att kyla turbinlagren, och tillsammans med tillsatsen RB0140-006 ( zinkdialkylditiofosfat ) - för att smörja turbopumpens kugghjul [15] .
Under förbränningskammaren fanns ett munstycke , som upptog ungefär halva motorns längd. Detta tillbehör ökade motorns expansionsförhållande från 10:1 till 16:1. Turbopumpens gasgenerators avgaser leddes till munstycket av en stor konvergerande rörledning; denna relativt kalla gas bildade ett skikt som skyddade munstycket från heta (3200 °C) avgaser från förbränningskammaren. [16]
F-1 brände 1 789 kg (3 945 lb) flytande syre och 788 kg (1 738 lb) RP-1 fotogen varje sekund under drift, vilket producerade 6,7 MN ( 1 500 000 lbf ) dragkraft. Detta är lika med flödeshastigheten på 1 565 liter (413,5 US gal ) flytande syre och 976 liter (257,9 US gal) fotogen per sekund. Under dess två och en halv minuters drift lyfte fem F-1-motorer Saturn V-boostern till en höjd av 68 km, vilket gav den en hastighet på 2,76 km/s (9 920 km/h). Det kombinerade vätskeflödet för de fem F-1-motorerna i Saturn V var 12 710 liter (3 357 US gal) per sekund, vilket kunde tömma en 110 000 liters (30 000 US gal) pool på 8,9 sekunder [16] . En F-1-motor hade mer dragkraft (690 ton) än alla tre skyttelhuvudmotorerna ( SSME ) tillsammans. [17] Dragkraften för en F-1 är ungefär lika med dragkraften för hela framdrivningssystemet för det första steget av 9 motorer i den moderna Falcon 9 -raketen med en något lägre verkningsgrad: Merlin 1D + 282 specifik impuls vid ett tryck i kammaren på 97 atm. mot 265 s vid 69 atm. vid F-1.
Akademikern Boris Katorgin uppskattade högt graden av teknisk perfektion hos F-1 [18] .
Arkivet med designdokumentation för F-1-motorn (12 volymer med en total volym på mer än 3800 sidor) är fritt tillgängligt [19] .
I mars 2012 meddelade den amerikanske entreprenören Jeff Bezos att en grupp undervattensarkeologer som finansierats av honom hade upptäckt resterna av F-1-motorer med hjälp av ekolod på botten av Atlanten , på ett djup av cirka 4300 meter [20] [21] .
I maj 2017 ställdes några av de upptäckta artefakterna ut på Seattle Aviation Museum [22] .