Rocketdyne F -1 - Rocketdyne F-1

F-1
F-1 rakettimoottori.jpg
F-1-rakettimoottorin tekniset tiedot
Alkuperämaa Yhdysvallat
Valmistaja Rocketdyne
Nestemäistä polttoainetta käyttävä moottori
Ponneaine LOX / RP-1
Sekoitussuhde 2,27 (69% O2, 31% RP-1)
Kierto Kaasugeneraattori
Esitys
Työntövoima (tyhjiö) 1746000 lbf (7770 kN)
Työntövoima (merenpinta) 672 kN (1 522 000 lbf)
Paine-painosuhde 94.1
Kammion paine 70 baaria (1015 psi; 7 MPa)
Erityinen impulssi (tyhjiö) 304 s (2,98 km/s)
Erityinen impulssi (merenpinta) 263 s (2,58 km/s)
Massavirta 2578 kg/s (6883 lb/s)
1789 kg/s (LOX)
788 kg/s (RP-1) 1738 lb/s
Paloaika 150-163 s
Mitat
Pituus 5,6 m (18,5 jalkaa)
Halkaisija 3,7 m (12,2 jalkaa)
Kuiva paino 8500 paunaa
Käytetty
Saturnus V.

F1 , joka tunnetaan yleisesti nimellä Rocketdynen F1 on rakettimoottorin kehittämä Rocketdynen . Tämä moottori käyttää kaasugeneraattorisykliä, joka kehitettiin Yhdysvalloissa 1950-luvun lopulla ja jota käytettiin Saturn V -raketissa 1960-luvulla ja 1970-luvun alussa. Viisi F-1-moottoria käytettiin kunkin Saturn V : n S-IC- ensimmäisessä vaiheessa, joka toimi Apollo-ohjelman tärkeimpänä kantorakettina . F-1 on edelleen kaikkien aikojen tehokkain yhden polttokammion nestepolttoainerakettimoottori .

Historia

Wernher von Braun Saturn V: n ensimmäisen vaiheen F-1-moottoreilla Yhdysvaltain avaruus- ja rakettikeskuksessa

Rocketdyne kehitti F-1: n ja E-1 : n täyttämään Yhdysvaltain ilmavoimien vaatimus erittäin suurelle rakettimoottorille vuonna 1955. Vaikka E-1 testattiin onnistuneesti staattisessa polttamisessa, se pidettiin nopeasti teknisenä umpikujana, ja se hylättiin suuremman, tehokkaamman F-1: n vuoksi. Ilmavoimat lopulta pysäytti F-1: n kehityksen, koska niin suurta moottoria ei vaadittu. Kuitenkin äskettäin perustettu kansallinen ilmailu- ja avaruushallinto (NASA) arvosti niin paljon tehoa sisältävän moottorin hyödyllisyyttä ja teki Rocketdyne -sopimuksen kehityksen loppuunsaattamiseksi. F-1-komponenttien testiammutukset oli suoritettu jo vuonna 1957. Ensimmäinen täysvaiheisen kehitysvaiheen F-1: n staattinen laukaus tehtiin maaliskuussa 1959. Ensimmäinen F-1 toimitettiin NASA MSFC : lle lokakuussa 1963. Joulukuussa Vuonna 1964 F-1 suoritti lentotestit. Testaus jatkui ainakin vuoteen 1965 asti.

Varhaiset kehitystestit paljastivat vakavia palamishäiriöitä, jotka toisinaan aiheuttivat katastrofaalisen vian . Aluksi ongelman eteneminen oli hidasta, koska se oli ajoittaista ja arvaamatonta. Havaittiin 4 kHz: n värähtelyä harmonisten ja 24 kHz: n välillä. Lopulta insinöörit kehittivät diagnostisen tekniikan, jolla räjähtävät pienet räjähdysaineet (joita he kutsuivat "pommeiksi") polttokammion ulkopuolella tangentiaalisen putken ( RDX , C-4 tai musta jauhe ) avulla moottorin laukaisun aikana. Tämä antoi heille mahdollisuuden määrittää tarkasti, miten juoksukammio reagoi paineen vaihteluihin, ja määrittää, miten nämä värähtelyt mitätöidään. Suunnittelijat voisivat sitten nopeasti kokeilla erilaisia ​​koaksiaalisia polttoainesuutinmalleja saadakseen epävakautta kestävimmän. Näitä ongelmia käsiteltiin vuosina 1959–1961. Lopulta moottorin palaminen oli niin vakaata, että se kostutti itsestään keinotekoisesti epävakauden kymmenes sekunnin kuluessa.

Design

F-1 -rakettimoottorin osat

F-1-moottori on kaikkien aikojen tehokkain yksisuuttinen nestepolttoainekäyttöinen rakettimoottori . M-1 rakettimoottorin suunniteltiin enemmän työntövoimaa, mutta se oli vain testattu komponenttien tasolla. Lisäksi RD-170 tuottaa enemmän työntövoimaa, mutta siinä on neljä suutinta. F-1 poltti polttoaineena RP-1 (rakettilaatuinen kerosiini ) ja hapetin käytti nestemäistä happea (LOX). Turbopumpun käytettiin pistää polttoainetta ja happea polttokammioon.

Yksi merkittävä haaste F-1: n rakentamisessa oli painekammion regeneratiivinen jäähdytys . Kemian insinööri Dennis ”Dan” Brevik kohtasi tehtäväksi varmistaa alustavan palotilan putkiryhmän ja moninaisia suunnittelun tuottama Al Bokstellar kulkisi siistiä. Pohjimmiltaan Brevikin tehtävä oli ”varmistaa, ettei se sulaa”. Brevik laski F-1: n hydrodynaamiset ja termodynaamiset ominaisuudet, ja hän ja hänen tiiminsä pystyivät korjaamaan ongelman, joka tunnetaan nimellä nälkä. Tällöin staattisen paineen epätasapaino johtaa "kuumiin pisteisiin" jakoputkiin. Materiaalina, jota käytettiin F-1 työntökammion putkipaketissa, vahvistusnauhoissa ja jakotukissa, oli Inconel-X750 , tulenkestävä nikkelipohjainen seos, joka kestää korkeita lämpötiloja.

Moottorin sydän oli painekammio, joka sekoitti ja poltti polttoaineen ja hapettimen työntövoiman tuottamiseksi. Moottorin yläosassa oleva kupukammio toimi jakoputkena, joka toimitti nestemäistä happea suuttimiin , ja toimi myös kiinnikkeenä kardaanilaakerille , joka välitti työntövoiman raketin runkoon. Tämän kupolin alapuolella olivat suuttimet, jotka ohjasivat polttoainetta ja hapetinta painekammioon tavalla, joka on suunniteltu edistämään sekoittumista ja palamista. Polttoaine syötettiin suuttimiin erillisestä jakoputkesta; osa polttoaineesta kulki ensin 178 putkessa painekammion pituudelta - joka muodosti suunnilleen pakokaasusuuttimen yläosan - ja takaisin suuttimen jäähdyttämiseksi.

Kaasugeneraattori käytettiin ajaa turbiinin , joka ajoi erillistä polttoaineen ja hapen pumput, kunkin syöttäessä työntövoima kammion kokoonpanon. Turbiinia käytettiin 5500 kierrosta minuutissa , ja se tuotti 55 000 jarrutehoa (41 MW). Polttoainepumppu toimitti 58560 litraa RP-1: tä 15,471 Yhdysvaltain gallonaa minuutissa, kun taas hapetinpumppu toimitti 93920 l nestemäistä happea minuutissa. Ympäristön kannalta turbopumpun piti kestää lämpötiloja, jotka vaihtelivat syöttökaasusta 820 ° C (1500 ° F) - nestemäiseen happiin -184 ° C (-300 ° F). Rakenteellisesti polttoainetta käytettiin turbiinin laakereiden voiteluun ja jäähdytykseen .

F-1-moottorin koelaukaisu Edwardsin ilmavoimien tukikohdassa (Korin yläpuolella olevat suuret pallot ovat polttoaineen ja hapettimen Horton-pallot )

Painekammion alapuolella oli suuttimen jatke , suunnilleen puolet moottorin pituudesta. Tämä laajennus lisäsi moottorin laajentumissuhdetta 10: 1 - 16: 1. Turbiinin pakokaasu syötettiin suuttimen jatkeeseen suurella, kartiomaisella jakotukilla; tämä suhteellisen viileä kaasu muodosti kalvon, joka suojaa suuttimen jatkoa kuumalta (3200 ° C) pakokaasulta.

Yksittäinen F-1 poltti joka sekunti 2578 kg hapetinta ja polttoainetta: 1789 kg nestemäistä happea ja 788 kg RP-1: tä, jolloin syntyi 6,7 MN; 680 tf ) työntövoimasta. Tämä vastasi virtausnopeutta 671,4 US gal (2542 l) sekunnissa; 4165,5 US gal (1565 l) LOX ja 257,9 US gal (976 l) RP-1. Kahden ja puolen minuutin toimintansa aikana viisi F-1-moottoria ajoivat Saturn V: n ajoneuvon korkeuteen 42 mailia (222 000 jalkaa; 68 km) ja nopeuteen 6164 mph (9 920 km/h). Saturn V: n viiden F-1: n yhdistetty virtausnopeus oli 12710 l tai 12 890 kg sekunnissa. Jokaisella F-1-moottorilla oli enemmän työntövoimaa kuin kolmella avaruussukkula-päämoottorilla yhteensä.

Ennen sytytystä ja sen jälkeen

Staattisen koepolton aikana kerosiinipohjainen RP-1-polttoaine jätti hiilivetykertymiä ja höyryjä moottoriin testin jälkeen. Ne oli poistettava moottorista, jotta vältyttiin ongelmilta moottorin käsittelyn ja tulevan polttamisen aikana, ja liuottimen trikloorietyleeniä (TCE) käytettiin moottorin polttoainejärjestelmän puhdistamiseen välittömästi ennen ja jälkeen jokaisen koepolton. Puhdistusmenettelyssä pumpattiin TCE: tä moottorin polttoainejärjestelmän läpi ja annettiin liuottimen valua yli muutaman sekunnin - 30–35 minuutin ajan moottorista ja kertymien vakavuudesta riippuen. Joissakin moottoreissa moottorin kaasugeneraattori ja LOX -kupoli huuhdottiin myös TCE: llä ennen testisytytystä. F-1-rakettimoottorin LOX-kupoli, kaasugeneraattori ja painekammion polttoainetakki huuhdottiin TCE: llä laukaisuvalmistelujen aikana.

Tekniset tiedot

F-1-moottoreiden asennus Saturn V S-IC -lavalle. Suutin laajennus puuttuu moottori on asennettu.
Apollo 4, 6 ja 8 Apollo 9–17
Paine , merenpinta 150000 lbf (6,7 MN) 6,77 MN (1 522 000 lbf)
Paloaika 150 sekuntia 165 sekuntia
Erityinen impulssi 260 s (2,5 km/s) 263 s (2,58 km/s)
Kammion paine 70 bar (1015 psi; 7 MPa) 70 bar (1015 psi; 7 MPa)
Moottorin paino kuiva 8353 kg (18416 paunaa) 8500 paunaa
Moottorin painon palaminen 9115 kg (20 096 paunaa) 9150 kg (20180 paunaa)
Korkeus 19 jalkaa (5,8 m)
Halkaisija 3,7 m (12,3 jalkaa)
Poistu kurkun suhde 16: 1
Polttoaineet LOX ja RP-1
Seoksen massasuhde 2.27: 1 hapetin polttoaineeksi
Urakoitsija NAA/Rocketdyne
Ajoneuvon sovellus Saturn V / S -IC 1. vaihe - 5 moottoria

Lähteet:

F-1 parannuksia

F-1 on esillä Yhdysvaltain avaruus- ja rakettikeskus kaupungista Huntsville, Alabama .

F-1 työntövoiman ja tehokkuutta parannettiin välillä Apollo 8 (SA-503) ja Apollo 17 (SA-512), joka oli tarpeen vastaamaan kasvaviin hyötykuorma vaatimuksiin myöhemmin Apollo tehtäviä. Tietyn tehtävän moottoreiden välillä oli pieniä suorituskyvyn vaihteluita ja keskimääräisessä työntövoimassa vaihtelua tehtävien välillä. Ja Apollo 15 , F-1 suorituskyky oli:

  • Työntövoima (keskimäärin, moottoria kohti, merenpinnan nousu): 6 559 MN (1 553 200 lbf)
  • Paloaika: 159 sekuntia
  • Erityisimpulssi : 264,72 s (2,5960 km/s)
  • Sekoitussuhde: 2,2674
  • S-IC: n merenpinnan nousun kokonaisvoima: 7766000 lbf (34,54 MN)

Rakettimoottorin työntövoiman mittaaminen ja vertailu on monimutkaisempaa kuin aluksi saattaa näyttää. Todellisen mittauksen perusteella Apollo 15: n nostovoima oli 7,823,000 lbf (34,80 MN), mikä vastaa keskimääräistä F-1-työntövoimaa 6,66 MN-hieman enemmän kuin määritetty arvo.

Lisätietoja: Saturnus V § S-IC-työntövoimien vertailut
F-1 moottori esillä
klo Kennedy Space Centerissä

F-1A Apollon jälkeen

Katso myös: Saturn MLV

1960-luvulla Rocketdyne ryhtyi tehostamaan F-1: n kehittämistä, mikä johti uuteen moottorimääritykseen F-1A. Vaikka ulkoisesti hyvin samanlainen kuin F-1, F-1A tuotti testeissä noin 20% suuremman työntövoiman, 1 800 000 lbf (8 MN), ja sitä olisi käytetty tulevissa Saturn V -autoissa Apollon jälkeisenä aikana. Kuitenkin Saturn V -tuotantolinja suljettiin ennen Apollo-projektin päättymistä, eikä F-1A-moottoreita koskaan lentänyt.

Ehdotuksia kahdeksan F-1-moottorin käyttämisestä Saturn C-8- ja Nova-rakettien ensimmäisessä vaiheessa . 1970-luvulta lähtien on tehty lukuisia ehdotuksia uusien kulutettavien tehostimien kehittämiseksi F-1-moottorisuunnittelun perusteella. Näitä ovat Saturnus-sukkula ja Pyrios-tehostin (katso alla) vuonna 2013. Vuodesta 2013 lähtien yksikään ei ole edennyt alkuperäisen tutkimusvaiheen jälkeen. Comet HLLV olisi käytetty viiden F-1A moottorit tärkein ydin ja kaksi kustakin vahvistimet.

F-1 on suurin, suurin työntövoimainen yksikammioinen, yksi suutin nestepolttoainemoottori. On olemassa suurempia kiinteän polttoaineen moottoreita, kuten Space Shuttle Solid Rocket Booster , jonka merenpinnan nostovoima on 2 800 000 lbf (12,45 MN) kappale. Neuvostoliiton (nykyään venäläinen) RD-170 voi kehittää enemmän työntövoimaa kuin F-1, 1,630,000 lbf (7,25 MN) moottoria kohti merenpinnan tasolla, mutta jokainen moottori käyttää neljää polttokammiota yhden sijaan palamisen epävakauden ongelman ratkaisemiseksi .

F-1B-tehostin

Vulcain varten Ariane 5 raketti käyttää vastaavan jakson, suunnittelu F-1 moottori, jossa poistokaasujen johdetaan suoraan yli laidan.

Osana Space Launch System (SLS) -ohjelmaa NASA oli järjestänyt Advanced Booster -kilpailun , jonka oli määrä päättyä voittavan tehostinkokoonpanon valinnalla vuonna 2015. Vuonna 2012 Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) ehdotti F-1-moottorin johdannainen kilpailussa nestemäisenä raketinvahvistimena . Vuonna 2013 Marshallin avaruuslentokeskuksen insinöörit aloittivat testit alkuperäisellä F-1-sarjanumerolla F-6049, joka poistettiin Apollo 11: stä häiriön vuoksi. Moottoria ei koskaan käytetty, ja se oli monta vuotta Smithsonian Institutionissa . Testit on suunniteltu tutustumaan NASAan F-1: n suunnitteluun ja ponneaineisiin odotettaessa kehitetyn moottoriversion käyttöä tulevissa syvän avaruuden lentosovelluksissa.

Pratt & Whitney , Rocketdyne ja Dynetics , Inc. esittivät kilpailijan, joka tunnetaan nimellä Pyrios NASAn Advanced Booster -ohjelmassa, jonka tavoitteena on löytää tehokkaampi seuraaja viiden segmentin Space Shuttle Solid Rocket Boosterille, jotka on tarkoitettu avaruuskäynnistysjärjestelmän varhaisille versioille. , joissa käytetään kahta tehostettua ja voimakkaasti muunnettua F-1B-moottoria tehostinta kohden. Moottorin mahdollisen edun vuoksi tietyssä impulssissa , jos tämä F-1B-kokoonpano (yhteensä neljä F-1B: tä) integroitiin SLS Block 2: een, ajoneuvo voisi toimittaa 150 tonnia (330 000 paunaa) matalalle kiertoradalle , kun taas 113 tonnia (249 000 paunaa) pidetään saavutettavissa suunnitelluilla kiinteillä tehostimilla yhdistettynä nelimoottoriseen RS-25- ydinvaiheeseen.

F-1B-moottorin suunnittelutavoite on olla vähintään yhtä tehokas kuin lentämätön F-1A ja samalla myös kustannustehokkaampi. Suunnittelu sisältää voimakkaasti yksinkertaistettuna polttokammion, pienempi määrä moottorin osia, ja poisto F-1 pakokaasujen kierrätysjärjestelmä, mukaan lukien turbiinin puolivälissä suuttimen ja "verho" jäähdytys moninaiset , ja turbiinin pakokaasun on erillinen poistokanava F-1B: n lyhennetyn pääsuuttimen vieressä. Osien kustannusten alentamista auttaa selektiivinen lasersulatus joidenkin metalliosien valmistuksessa. Tuloksena oleva F-1B-moottori on tarkoitettu tuottamaan 1 800 000 lbf (8,0 MN) työntövoimaa merenpinnan tasolla, mikä on 15% enemmän kuin noin 1,550 000 lbf (6,9 MN) työntövoima, jonka kypsät Apollo 15 F-1 -moottorit tuottivat.

F-1-moottorien sijainnit

Lentämätön F-1-moottori esillä Pratt & Whitneyssä (nyt Aerojet Rocketdyne ), Canoga Park, Los Angeles
F-1-moottori esillä INFINITY-tiedekeskuksessa

Kuusikymmentäviisi F-1-moottoria lanseerattiin 13 Saturn V: n kyytiin, ja jokainen ensimmäinen vaihe laskeutui Atlantin valtamerelle. Kymmenen näistä seuraa suunnilleen saman lennon atsimuutti on 72 astetta, mutta Apollo 15 ja Apollo 17 jälkeen merkittävästi enemmän etelä atsimuutit (80,088 astetta ja 91,503 astetta, vastaavasti). Skylab kantoraketilla lensi pohjoisemmalla atsimuutti saavuttaa korkeampi kaltevuus kiertoradalla (50 astetta verrattuna tavalliseen 32,5 astetta).

Kymmenen F-1-moottoria asennettiin kahteen Saturn V -tuotantoon, jotka eivät koskaan lentäneet. Ensimmäisessä vaiheessa SA-514 on esillä Johnson Space Center in Houston (vaikka omistama Smithsonian) ja ensimmäisen vaiheen välillä SA-515 on esillä INFINITY Tiedekeskus osoitteessa John C. Stennis Space Center Mississippi.

Vielä kymmenen moottoria asennettiin kahteen maanpäälliseen testiin, joita Saturn V ei koskaan aikonut lentää. S-IC-T "All Systems Test Stage", maadoituskoe, on esillä täydellisen Saturn V: n ensimmäisenä vaiheena Floridan Kennedyn avaruuskeskuksessa . SA-500D , Dynamic koeajoneuvon, on esillä Yhdysvaltain avaruus- ja rakettikeskus vuonna Huntsville, Alabama .

Testi moottori on esillä Powerhouse Museum vuonna Sydneyssä , Australiassa . Se oli 25. Rocketdynen rakentamasta 114 tutkimus- ja kehitysmoottorista 25. ja se ammuttiin 35 kertaa. Moottori on lainattu museolle Smithsonianin kansalliselta ilma- ja avaruusmuseolta . Se on ainoa F-1, joka on esillä Yhdysvaltojen ulkopuolella.

F-1 moottori, lainassa National Air and Space Museum, on esillä Air Zoo vuonna Portage, Michigan .

F-1 moottori on horisontaalinen näyttö on Science Museum Oklahoma vuonna Oklahoma City .

F-1 moottori F-6049 on näkyvissä kohtisuoraan ylöspäin Museum of Flight on Seattle, WA osana Apollo näyttely.

F-1-moottori on asennettu pystysuoraan Rocketdyne-rakentajien muistomerkiksi De Sotoon kadun toisella puolella vanhasta Rocketdyne-tehtaasta Canoga Parkissa, Kaliforniassa. Se asennettiin vuonna 1979 ja siirrettiin kadun toisella puolella sijaitsevasta pysäköintialueesta jonkin aikaa vuoden 1980 jälkeen.

F-1-moottori esillä New Mexicon avaruushistoriallisen museon ulkopuolella Alamogordossa, NM.

Elpyminen

Talteen F-1 moottorin osia esillä Museum of Flight on Seattlessa .
Talteen F-1 moottori suutin päässä Apollo 12 tehtävää esillä Museum of Flight on Seattlessa .

28. maaliskuuta 2012 Amazon.comin perustajan Jeff Bezosin rahoittama tiimi ilmoitti löytäneensä Apollo-tehtävän F-1-rakettimoottorit luotainlaitteilla. Bezos sanoi aikovansa nostaa ainakin yhden moottoreista, jotka lepäävät 4300 metrin syvyydessä, noin 400 mailia (640 km) itään Cape Canaveralista Floridassa. Yli 40 vuotta veden alla olleiden moottoreiden kuntoa ei kuitenkaan tiedetty. NASAn ylläpitäjä Charles Bolden julkaisi lausunnon, jossa hän onnitteli Bezosia ja hänen tiimiään löydöstä ja toivotti heille menestystä. Hän vahvisti myös NASAn kannan, jonka mukaan kaikki talteenotetut esineet jäävät viraston omaisuudeksi, mutta että niitä todennäköisesti tarjotaan Smithsonian Institutionille ja muille museoille talteenotetun määrän mukaan.

20. maaliskuuta 2013 Bezos ilmoitti onnistuneensa tuomaan osia F-1-moottorista pintaan ja julkaisi valokuvia. Bezos totesi: "Monet alkuperäisistä sarjanumeroista puuttuvat tai puuttuvat osittain, mikä vaikeuttaa tehtävän tunnistamista. Saatamme nähdä enemmän restauroinnin aikana." Pelastusalus oli merenpohjan työntekijä , ja sillä oli Bezosin järjestämä asiantuntijaryhmä elvytystoimintaa varten. 19. heinäkuuta 2013 Bezos paljasti, että sarjanumero yksi talteen moottoreiden Rocketdynen sarjanumero 2044 (nyttemmin NASA numero 6044), käytetään # 5 (keskellä) moottori, joka auttoi Neil Armstrong , Buzz Aldrin ja Michael Collins ja saavuttaa Kuun Apollo 11 -tehtävällä. Talteen osat tuotiin Kansas Cosmosphere ja Space Center in Hutchinson prosessin säilyttämistä.

Elokuussa 2014 paljastettiin, että osia kahdesta eri F-1-moottorista otettiin talteen, yksi Apollo 11: stä ja toinen Apollo-lennosta, ja valokuva puhdistetusta moottorista julkaistiin. Bezos suunnitelmia laittaa moottorit esillä eri paikoissa, kuten National Air and Space Museum in Washington, DC

20. toukokuuta 2017 Apollo pysyvä näyttely avattiin Museum of Flight on Seattle, WA ja näyttää moottorin esineitä talteen myös työnnön kammioon ja työntövoima kammion suutin on numero 3 moottori päässä Apollo 12 tehtävää, sekä kaasun generaattori moottori, joka käytti Apollo 16 -lentoa.

Katso myös

Viitteet

Huomautuksia
Bibliografia

Ulkoiset linkit