F-1 (ракетный двигатель) | это… Что такое F-1 (ракетный двигатель)?

F-1 — американский жидкостный ракетный двигатель, разработанный компанией Rocketdyne. Использовался в ракете-носителе Сатурн V. Пять двигателей F-1 использовались на первой ступени Сатурна V, S-IC. До создания жидкостного четырёхкамерного ракетного двигателя РД-170 (тягой 740 тc) ракеты-носителя «Энергия» и твердотопливного ракетного двигателя для бокового ускорителя «Спэйс Шаттла» являлся самым мощным ракетным двигателем. По сей день остаётся самым мощным однокамерным жидкостным ракетным двигателем из реально летавших.

История создания

F-1 в Космическом ракетном центре США в Хантсвилле

Первоначально F-1 был разработан Рокетдайн в соответствии с запросом ВВС США от 1955 года о возможности создания очень большого ракетного двигателя. Конечным результатом этого запроса стали два разных двигателя — E-1 и более крупный F-1. Двигатель E-1, хоть и успешно прошёл стендовые огневые испытания, но быстро был признан технологически тупиковым вариантом, и отменен в пользу крупного, более мощного F-1. Американские ВВС впоследствии остановили дальнейшую разработку F-1 из-за отсутствия приложений для такого крупного двигателя. Однако НАСА, созданное в этот период времени, оценило пользу, которую может принести двигатель такой мощности, и заключила с Рокетдайн контракт на завершение его разработки. Испытания компонентов F-1 были начаты уже в 1957 году. Первое огневое испытание полностью скомпонованного тестового F-1 было совершено в марте 1959 года.

Семь лет разработок и испытаний двигателей F-1 выявили серьёзные проблемы с нестабильностью процесса горения, которые иногда приводили к катастрофическим авариям.^[1] Работы по устранению этой проблемы первоначально шли медленно, поскольку она проявлялась периодически и непредсказуемо. В конечном итоге инженеры разработали технику подрыва небольших зарядов взрывчатых веществ (которые они называли «бомбами») внутри камеры сгорания во время работы двигателя, что позволило им определить как именно работающая камера отвечает на флуктуации давления. Конструкторы теперь могли быстро экспериментировать с различными форсуночными головками, для выбора наиболее устойчивого варианта. Над этими задачами работали с 1959 по 1961 годы. В окончательной конструкции горение в двигателе было настолько стабильно, что он мог самостоятельно гасить искусственно вызванную нестабильность за десятую долю секунды.

Конструкция

Установка двигателей F-1 на ступень S-IC РН Сатурн-5. Сопловой насадок снимался на время монтажа двигателей.

На 2011 год, разработанный Rocketdyne двигатель F-1 является наиболее мощным однокамерным жидкостным ракетным двигателем в истории из когда-либо летавших (двигатель M-1 имел бо́льшую тягу, и был испытан на стенде, но никогда не использовался). Двигатель использовал в качестве топлива керосин RP-1 и жидкий кислород — в качестве окислителя. Для подачи топлива и кислорода в камеру сгорания использовался турбонасос.

Основной частью двигателя была камера сгорания, в которой смешивались и сгорали топливо и окислитель, создавая тягу. Куполообразная камера в верхней части двигателя служила в качестве распределительного трубопровода подводящего жидкий кислород к форсункам, а также служила как крепление для карданного подвеса, передававшего усилие на корпус ракеты. Ниже этого купола находились форсунки, по которым топливо и окислитель направлялись непосредственно в камеру сгорания, они были сконструированы таким образом, чтобы обеспечить хорошее смешивание и сгорание компонентов. Топливо подводилось к форсуночной головке из отдельного распределительного трубопровода; часть топлива направлялась по 178 трубкам проложенным по всей длине камеры сгорания — которая занимала почти всю верхнюю половину сопла — и возвращалась обратно охлаждая камеру.

Выхлопные газы из газогенератора использовались для вращения турбины приводившей в движение отдельные насосы для топлива и окислителя, питающие системы камеры сгорания. Газогенератор вращал турбину со скоростью 5 500 об/мин, давая мощность в 55 000 лошадиных сил (41 МВт). Топливный насос прокачивал 58 564 литров керосина RP-1 за минуту, в то время как насос окислителя 93 920 л жидкого кислорода за минуту. С точки зрения условий работы, турбонасос был способен выдерживать диапазон температур от температуры газогенераторного газа в 800 °C (1 500 °F), до температуры жидкого кислорода в −180 °C (-300 °F). Топливо использовалось также для смазки^{[источник не указан 787 дней]} и охлаждения подшипников турбины.

Огневые испытания двигателя F-1 на базе ВВС Эдвардс.

Ниже камеры сгорания располагался сопловой насадок занимавший приблизительно половину длины двигателя. Этот насадок повышал степень расширения двигателя от 10:1 до 16:1. Выхлоп газогенератора турбонасоса выводился к насадку с помощью большого, суживающегося трубопровода, этот относительно холодный газ образовывал слой, защищавший сопловой насадок от горячих (3 200 °C, 5 800 °F) выхлопных газов из камеры сгорания.^[2]

F-1 сжигал 1 789 кг (3 945 фунтов) жидкого кислорода и 788 кг (1 738 фунтов) керосина RP-1 каждую секунду работы, производя 6,7 МН (1 500 000 фунт-сил) тяги. Это равно скорости вытекания 1 565 л (413,5 галлонов) жидкого кислорода и 976 л (257,9 галлонов) керосина в секунду. В течение своих двух с половиной минут работы, пять двигателей F-1 поднимали ракету-носитель Сатурн-5 на высоту 68 км, придавая ей скорость 9 920 км/ч. Объединённый расход жидкости у пяти двигателей F-1 в РН Сатурн-5 составлял 12 710 л (3 357 галлонов) в секунду, что могло опустошить 110 000 литровый (30 000 галлонов) плавательный бассейн за 8,9 секунд^[2]. Один двигатель F-1 имел бо́льшую тягу(690 т), чем все три главных двигателя шаттлов (SSME), вместе взятые. ^[3] И почти вдвое большую тягу, чем вся двигательная установка ракеты «Союз»(первая и вторая ступени,32 камеры сгорания), имеющая взлетную тягу 407 т

Интересные факты

• Так как отработанный генераторный газ подавался внутрь сопла для охлаждения насадка, яркость пламени реактивной струи вблизи сопла двигателя была значительно снижена, что хорошо заметно на кадрах с запусков Сатурн-5 и с огневых испытаний F-1.

См. также

• ЖРД J-2 — использовался в лунной программе
• ЖРД РД-270 — аналогичный по классу советский двигатель 60-х годов XX века, не вышедший из стадии испытаний
• ЖРД РД-170 — более мощный советский/российский четырехкамерный двигатель

Примечания

1. ↑ Ellison, Renea & Moser, Marlow, «Combustion Instability Analysis and the Effects of Drop Size on Acoustic Driving Rocket Flow», Huntsville, Alabama: Propulsion Research Center, University of Alabama in Huntsville, <http://reap. uah.edu/publications/Ellison.pdf> 
2. ↑ ^{1 2} «Saturn V News Reference: F-1 Engine Fact Sheet», National Aeronautics and Space Administration, December 1968, сс. 3-3,3-4, <http://history.msfc.nasa.gov/saturn_apollo/documents/F-1_Engine.pdf>. Проверено 1 июня 2008. 
3. ↑ «NSTS 1988 News Reference Manual», NASA, <http://science.ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/sts_overview.html#sts_overview>. Проверено 3 июля 2008. 

Ссылки

• F-1 в Encyclopedia Astronautica
• Ступени Сатурна
• Apollo Saturn Reference Page
• Видео наземных испытаний F-1 на YouTube

F-1 (ракетный двигатель) | это… Что такое F-1 (ракетный двигатель)?

F-1 — американский жидкостный ракетный двигатель, разработанный компанией Rocketdyne. Использовался в ракете-носителе Сатурн V. Пять двигателей F-1 использовались на первой ступени Сатурна V, S-IC. До создания жидкостного четырёхкамерного ракетного двигателя РД-170 (тягой 740 тc) ракеты-носителя «Энергия» и твердотопливного ракетного двигателя для бокового ускорителя «Спэйс Шаттла» являлся самым мощным ракетным двигателем. По сей день остаётся самым мощным однокамерным жидкостным ракетным двигателем из реально летавших.

История создания

F-1 в Космическом ракетном центре США в Хантсвилле

Первоначально F-1 был разработан Рокетдайн в соответствии с запросом ВВС США от 1955 года о возможности создания очень большого ракетного двигателя. Конечным результатом этого запроса стали два разных двигателя — E-1 и более крупный F-1. Двигатель E-1, хоть и успешно прошёл стендовые огневые испытания, но быстро был признан технологически тупиковым вариантом, и отменен в пользу крупного, более мощного F-1. Американские ВВС впоследствии остановили дальнейшую разработку F-1 из-за отсутствия приложений для такого крупного двигателя. Однако НАСА, созданное в этот период времени, оценило пользу, которую может принести двигатель такой мощности, и заключила с Рокетдайн контракт на завершение его разработки. Испытания компонентов F-1 были начаты уже в 1957 году. Первое огневое испытание полностью скомпонованного тестового F-1 было совершено в марте 1959 года.

Семь лет разработок и испытаний двигателей F-1 выявили серьёзные проблемы с нестабильностью процесса горения, которые иногда приводили к катастрофическим авариям.^[1] Работы по устранению этой проблемы первоначально шли медленно, поскольку она проявлялась периодически и непредсказуемо. В конечном итоге инженеры разработали технику подрыва небольших зарядов взрывчатых веществ (которые они называли «бомбами») внутри камеры сгорания во время работы двигателя, что позволило им определить как именно работающая камера отвечает на флуктуации давления. Конструкторы теперь могли быстро экспериментировать с различными форсуночными головками, для выбора наиболее устойчивого варианта. Над этими задачами работали с 1959 по 1961 годы. В окончательной конструкции горение в двигателе было настолько стабильно, что он мог самостоятельно гасить искусственно вызванную нестабильность за десятую долю секунды.

Конструкция

Установка двигателей F-1 на ступень S-IC РН Сатурн-5. Сопловой насадок снимался на время монтажа двигателей.

На 2011 год, разработанный Rocketdyne двигатель F-1 является наиболее мощным однокамерным жидкостным ракетным двигателем в истории из когда-либо летавших (двигатель M-1 имел бо́льшую тягу, и был испытан на стенде, но никогда не использовался). Двигатель использовал в качестве топлива керосин RP-1 и жидкий кислород — в качестве окислителя. Для подачи топлива и кислорода в камеру сгорания использовался турбонасос.

Основной частью двигателя была камера сгорания, в которой смешивались и сгорали топливо и окислитель, создавая тягу. Куполообразная камера в верхней части двигателя служила в качестве распределительного трубопровода подводящего жидкий кислород к форсункам, а также служила как крепление для карданного подвеса, передававшего усилие на корпус ракеты. Ниже этого купола находились форсунки, по которым топливо и окислитель направлялись непосредственно в камеру сгорания, они были сконструированы таким образом, чтобы обеспечить хорошее смешивание и сгорание компонентов. Топливо подводилось к форсуночной головке из отдельного распределительного трубопровода; часть топлива направлялась по 178 трубкам проложенным по всей длине камеры сгорания — которая занимала почти всю верхнюю половину сопла — и возвращалась обратно охлаждая камеру.

Выхлопные газы из газогенератора использовались для вращения турбины приводившей в движение отдельные насосы для топлива и окислителя, питающие системы камеры сгорания. Газогенератор вращал турбину со скоростью 5 500 об/мин, давая мощность в 55 000 лошадиных сил (41 МВт). Топливный насос прокачивал 58 564 литров керосина RP-1 за минуту, в то время как насос окислителя 93 920 л жидкого кислорода за минуту. С точки зрения условий работы, турбонасос был способен выдерживать диапазон температур от температуры газогенераторного газа в 800 °C (1 500 °F), до температуры жидкого кислорода в −180 °C (-300 °F). Топливо использовалось также для смазки^{[источник не указан 787 дней]} и охлаждения подшипников турбины.

Огневые испытания двигателя F-1 на базе ВВС Эдвардс.

Ниже камеры сгорания располагался сопловой насадок занимавший приблизительно половину длины двигателя. Этот насадок повышал степень расширения двигателя от 10:1 до 16:1. Выхлоп газогенератора турбонасоса выводился к насадку с помощью большого, суживающегося трубопровода, этот относительно холодный газ образовывал слой, защищавший сопловой насадок от горячих (3 200 °C, 5 800 °F) выхлопных газов из камеры сгорания.^[2]

F-1 сжигал 1 789 кг (3 945 фунтов) жидкого кислорода и 788 кг (1 738 фунтов) керосина RP-1 каждую секунду работы, производя 6,7 МН (1 500 000 фунт-сил) тяги. Это равно скорости вытекания 1 565 л (413,5 галлонов) жидкого кислорода и 976 л (257,9 галлонов) керосина в секунду. В течение своих двух с половиной минут работы, пять двигателей F-1 поднимали ракету-носитель Сатурн-5 на высоту 68 км, придавая ей скорость 9 920 км/ч. Объединённый расход жидкости у пяти двигателей F-1 в РН Сатурн-5 составлял 12 710 л (3 357 галлонов) в секунду, что могло опустошить 110 000 литровый (30 000 галлонов) плавательный бассейн за 8,9 секунд^[2]. Один двигатель F-1 имел бо́льшую тягу(690 т), чем все три главных двигателя шаттлов (SSME), вместе взятые.^[3] И почти вдвое большую тягу, чем вся двигательная установка ракеты «Союз»(первая и вторая ступени,32 камеры сгорания), имеющая взлетную тягу 407 т

Интересные факты

• Так как отработанный генераторный газ подавался внутрь сопла для охлаждения насадка, яркость пламени реактивной струи вблизи сопла двигателя была значительно снижена, что хорошо заметно на кадрах с запусков Сатурн-5 и с огневых испытаний F-1.

См. также

• ЖРД J-2 — использовался в лунной программе
• ЖРД РД-270 — аналогичный по классу советский двигатель 60-х годов XX века, не вышедший из стадии испытаний
• ЖРД РД-170 — более мощный советский/российский четырехкамерный двигатель

Примечания

1. ↑ Ellison, Renea & Moser, Marlow, «Combustion Instability Analysis and the Effects of Drop Size on Acoustic Driving Rocket Flow», Huntsville, Alabama: Propulsion Research Center, University of Alabama in Huntsville, <http://reap.uah.edu/publications/Ellison.pdf> 
2. ↑ ^{1 2} «Saturn V News Reference: F-1 Engine Fact Sheet», National Aeronautics and Space Administration, December 1968, сс. 3-3,3-4, <http://history.msfc.nasa.gov/saturn_apollo/documents/F-1_Engine.pdf>. Проверено 1 июня 2008. 
3. ↑ «NSTS 1988 News Reference Manual», NASA, <http://science. ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/sts_overview.html#sts_overview>. Проверено 3 июля 2008. 

Ссылки

• F-1 в Encyclopedia Astronautica
• Ступени Сатурна
• Apollo Saturn Reference Page
• Видео наземных испытаний F-1 на YouTube

Пламенный мотор Сатурна-5 / Хабр

Так 16 июля 1969 в 13:32 по Гринвичу (UTC) начинался «маленький шаг для одного человека». Ракету с начальной массой 2 725 т подняли на высоту 67 км и разогнали до 2.75 км/сек пять двигателей 1-й ступени F-1 c тягой по 690 т на уровне Земли. Это — до сих пор самый мощный мотор в истории, т.к. советский РД-170 с тягой 740 т представляет собой четверку ЖРД в одной «упряжке». Массовое помешательство на отрицании лунных полетов, среди прочего, выражается в попытках оспорить существование F-1 или занизить его показатели.

Одно из таких исследований, если можно так назвать натяжку фактов на фантазии, принадлежит Геннадию Ивченкову с его статьей «Оценка характеристик F-1, основанная на анализе теплообмена и прочности трубчатой рубашки охлаждения» www. manonmoon.ru/articles/st65.pdf. Будучи к.т.н.-ом, изучавшим ракетные двигатели в бытность студентом и аспирантом МВТУ, он написал на первый взгляд серьезную работу, имея целью доказать, что главный мотор Сатурна-5 не мог развивать тягу выше 500 тонн. Отсюда следовало бы, что Аполлоны 8,10,11,12,13,14,15,16,17 к Луне не летали, а нога человека не ступала на ее пыльную поверхность. Но эта попытка притянуть реальность за уши к желаемому выводу, как и все остальные плоды лунной паранойи, оказалась безуспешной. Ниже статья www.manonmoon.ru/articles/st65.pdf подвергнута критическому анализу и всюду, где прямо не сказано иное, речь будет идти только о ней.

На стр. 1 автор демонстрирует свою предубежденность, которая задает тон публикации. «Первыми этот вопрос подняли сами американцы почти сразу после полетов “Аполлонов”. За последующие годы вскрылось большое количество прямых и косвенных свидетельств о том, что, как минимум часть из этих полетов была действительно инсценирована«. Автор дает понять читателю, что «сами американцы» были серьезными специалистами. Об отцах-основателях секты луноборцев — Кэйсинге и Рене можно прочитать в статье geektimes.ru/post/285236. Специалистами эти «сами американцы» были не то, что не совсем серьезными, а вовсе никакими!

На фоне других «разоблачителей», включая д.ф.-м.н. А.И. Попова (ему уделено внимание в статье geektimes.ru/post/274384), Геннадий Ивченков выглядит предпочтительней. Однако, его апломб эксперта при ближайшем рассмотрении не подтверждается. Как все луноборцы автор строит возражения на собственных ошибках и фактах, которые ему — Ивченкову непонятны. Как обычно, это наукообразное мессиво пропитано антиамериканизмом и приправлено публицистическим сарказмом.

На стр. 2 автор пишет. «Сейчас же накопилась своеобразная “критическая масса” свидетельств, включая те же фото и киноматериалы, рассказы астронавтов, якобы лунные камни, вызывающие удивление у исследователей, и несоответствий (и явныx глупостей) в конструкциях “Сатурна-5”, его двигателей, корабля “Аполлон” и посадочного модуля. » На самом деле в Сети накопился огромный массив квазинаучных измышлений, которые миллионы профанов принимают за твердые доказательства того, что «американцы не летали на Луну».

«В частности, кто догадался спроектировать служебный модуль “Аполлона” из секторов (как дольки апельсина) и сделать в служебном отсеке большой (50 градусов по окружности) продольный резервный отсек, который для баланса центра тяжести должен быть загружен балластом(??!!)?» Автор возмущен тем, что он — Ивченков, никогда не занимавшийся проектированием космических и других машин, не понимает технические решения, заложенные в Аполлоне? Три вопросительных и два восклицательных знака усиливают этот нелепый пафос.

И далее. «Кто догадался поставить туда избыточный по размерам и весу двигатель AJ-10-137 тягой 11 тонн, когда сами американцы пишут, что он был в два раза больше, чем необходимо, в то время как более подходящий двигатель был (AJ-10, тягой 5 тонн) и весил на 200 кг меньше? Ракетные двигатели с их проблемами — это только часть вопроса. »

Согласно данным из epizodsspace.airbase.ru/bibl/raketostr3/obl.html, тяга AJ-10-137 была несколько меньше — 9.76 т, а некоторые источники дают 9.3 т. Следуя Википедии автор утверждает, что тяга была вдвое больше, чем необходимо для выхода на окололунную орбиту. Очевидно, что для корабля с начальной массой больше 43 т лишние 200 кг веса ЖРД проблемой не являются. Примерно такую массу имел луномобиль, который возили с собой Аполлоны 15,16 и 17. Даже если эта избыточная тяга была не нужна, то данный факт не служит основанием для заявления о том, что «Ракетные двигатели с их проблемами — это только часть вопроса.» Как будет показано в дальнейшем эти проблемы — в голове у автора!

В англоязычной Википедии, на которую ссылается «эксперт по ЖРД» (стр. 3) en.wikipedia.org/wiki/Apollo_Command/Service_Module дано такое объяснение. Первоначальный профиль миссии предполагал посадку на Луну всего корабля Аполлон, поэтому двигатель проектировали с большей тягой. На момент, когда профиль изменили, работа над AJ-10-137 уже кипела, а графики лунной программы были очень жесткими. Но я думаю, что двигатель с запасом тяги поставили на Аполлон сознательно, т.к. главным приоритетом была надежность, а не оптимизация. Как это принято у луноборцев, Ивченков цепляется к мелочам, пытаясь раздувать из них принципиальные проблемы.

Двигатели F-1, которых «не было» (без сопловых насадков, которые крепились на готовую ракету)

Дальше на стр. 3 он утверждает. «В частности «трубчато–струйная» камера сгорания (далее КС) принципиально не могла обеспечить заявленное давление и тягу двигателей F-1. Это подробно показано в работе А. Велюрова.» Ниже будет показано совсем другое. А именно, что аргументы Ивченкова не выдерживают критики. Об этом виртуальном луноборце можно почитать apollofacts.wikidot.com/hoax:people-velyurov. Чтобы составить собственное мнение хватило беглого взгляда на статью free-inform.narod.ru/pepelaz/pepelaz-1.htm. Вот показательный фрагмент из этой буффонады.

«Зато второй полет 5 июля 1966г. был орбитальным! Американцы пишут, что целью миссии AS-203 было изучение «поведение жидкого водорода в невесомости». И не смотря как обычно на мелкие пустяки, полет прошел успешно… А вот ежегодник Большой Советской Энциклопедии (БСЭ) (3) за 1967г описывает результаты так:

«Последняя ступень (ракета S-4B) экспериментальной ракеты-носителя «Сатурн IB» SA-203 выведена на орбиту с не полностью израсходованным топливом. Основные задачи запуска — изучение поведения жидкого водорода в состоянии невесомости и испытания системы, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ПОВТОРНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ основного двигателя ступени. После проведения запланированных экспериментов в системе отвода паров водорода из бака были закрыты клапаны, и в результате повышения давления ступень ВЗОРВАЛАСЬ на седьмом витке».

«При этом ступень SA-203 разлетелась на 37 фрагментов! (2) Можно поздравить НАСА с успешным выполнением программы полета, почти как пелось в известной песне: за исключеньем пустяка, — сгорел ваш дом с конюшней вместе, когда пылало все поместье… А в остальном прекрасная маркиза, все хорошо, все хорошо!».

Ежегодник Большой Советской Энциклопедии за 1967 действительно так писал istmat. info/files/uploads/22100/17_str_496-540_nauka_i_tehnika_chast1.pdf. Но если прочитать это в оригинале, без комментариев Велюрова и истерически кричащих выделений цветом и размером, то станет ясно, что никакой аварии на самом деле не было. Ступень взорвали преднамеренно! Возможно из соображений секретности, чтобы она как-нибудь не досталась русским. Кто и как посчитал фрагменты? На этом риторическом вопросе мы с Велюровым расстанемся, вернувшись к Ивченкову на стр. 3.

«Кроме того, согласно приведённым в американских «рекламках» данным о ракете “Сатурн-5”, ее первая ступень является лучшей первой ступенью «для всех времен и народов». У нее 5 самых надежных и мощных в мире двигателей F-1 и, кроме того, ее весовое совершенство (отношение веса заправленной ступени к весу пустой ступени) – самое лучшее и непревзойденное до сих пор! Оно (опять же, согласно американским «рекламкам») составляет аж 17,5! В то время, как эта величина у 1-й ступени Н-1 была равна 14,4, у Протона — 15, у 2-й ступени Союза — 15,2, у Атласа II – 16, у Шаттла (если прибавить к весу бака вес двигателей и двигательного отсека) – 17 (для самой последней модификации). «

А собственно чему так удивляется «эксперт по ЖРД»? Тот факт, что отношение веса заправленной 1-й ступени Сатурна-5 к весу пустой является наибольшим естественно вытекает из того, что эта ракета была и остается самой большой из всех когда-либо летавших. Масса тонкостенной оболочки, каковой является ракета, пропорциональна квадрату, а масса топлива пропорциональна кубу ее линейного размера. Поэтому их отношение растет по мере возрастания размеров. Разумеется, это суждение не стоит воспринимать буквально, т.к. в реальности есть много других факторов. Но в целом оно объясняет ту особенность Сатурна-5, к которой прицепился Ивченков.

Главный мотор Сатурна-5 (с сопловым насадком)

Внутренние поверхности камеры сгорания и сопла F-1 были выполнены из продольных трубок, по которым протекало 70% керосина перед подачей в форсуночную головку, обеспечивая таким образом охлаждение. На снимке трубки хорошо видны — они направлены сверху-вниз. Сопловый насадок (заканчивается немного выше девушки) охлаждается потоком газов из выхлопа турбины топливопривода с температурой около 920 K, что намного ниже температуры в камере сгорания (около 3 500 К). Магистраль подачи выхлопных газов выглядит на фото, как толстый рукав, охватывающих сопловый насадок. Трубки охлаждения были изготовлены из жаропрочного, никелевого сплава Inconel X-750. Основным содержанием www.manonmoon.ru/articles/st65.pdf является попытка доказать, что трубки из этого сплава не могли работать под давлением в камере F-1 (70 атм).

Стоит заметить, что некоторые источники указывают меньшее давление, например 63 — 65 атм epizodsspace.airbase.ru/bibl/raketostr3/1-1.html. Там же дана температура 3 273 К, что несколько ниже того, чем пользуется Ивченков. Учитывая, что он «балансирует на краю», эти отличия существенны. Но мы будем использовать данные автора, т.к. они не помешают доказать несостоятельность его фантазий.

Автор сравнивает F-1 с H-1, который представлял собой уменьшенную копию, но с трубками охлаждения из нержавеющей стали 347. Сопоставляя свойства этих материалов и характеристики моторов Ивченков, как ему кажется, доказал, что F-1 не мог иметь тягу выше 500 т. На стр. 13 он пишет. «Проблемы со сплавами, подобными Inconel X-750 были подробно и высокопрофессионально описаны С. Покровским«. Покровский — это авторитетный среди луноборцев, ныне покойный конспиролог, написавший статью www.manonmoon.ru/addon/22/inkonel.doc.

То, что в ней сказано по поводу сплава Inconel X-750, на первый взгляд выглядит очень солидно с точки зрения физики твердого тела и металлургии. Но на стр. 2 своей статьи Покровский пишет «Так получилось, что автор данной работы — лазерщик, которому в своей лабораторной практике приходилось для текущих нужд практически оценивать поглощательную способность металлов на длине волны 1 мкм, приблизительно соответствующей спектральному максимуму излучения газов камеры сгорания Ф-1.» Таким образом, специалистом в данных областях он не являлся. Покровский сосредоточился на том, что ему было близко — на взаимодействии трубок из X-750 и припоя с излучением раскаленного газа.

На стр. 1 своей статьи он пишет. «Двигатель Ф-1 был построен по традиционной к тому времени схеме с охлаждаемой камерой сгорания из спаянных между собой трубок. Это решение – было как бы простым масштабированием достаточно отработанной схемы. Все верно, но дальше начинается безграмотная чепуха. «Но не все в нем допускало простое масштабирование. Рост размеров камеры сгорания в первом приближении пропорционально кубу линейных размеров, — ведет к такому же увеличению объема горячих излучающих газов. Площадь поверхности, воспринимающей излучение, — растет как квадрат линейных размеров. Таким образом, удельный поток лучистой энергии на поверхность стенки камеры с ростом размеров возрастает.»

Мощность излучения черного тела определяется площадью его поверхности и температурой, но отнюдь не объемом. Поэтому излучение на стенки камеры происходит не из всего объема газа, а только с внешней поверхности газового сгустка. Внутри же имеет место переизлучение — атомы поглощают и испускают фотоны с равными вероятностями, что отвечает термодинамическому (квази)равновесию. Согласно закону Стефана-Больцмана, при росте размеров камеры сгорания плотность потока излучения не изменится, будучи пропорциональной 4-й степени температуры. 5 Вт/см2. Это типичные масштабы лазерного воздействия.»

Здесь утверждается, что плотность потока излучения с поверхности газового сгустка на стенки камеры сгорания превышает . Но при температуре 3 500 К интенсивность чернотельного излучения равна

Как видно, она была завышена Покровским более, чем в 10 раз. Таким образом, «высокопрофессиональные» претензии к двигателю F-1 основаны на его собственных ошибках. Все как всегда у конспирологов! Вернемся к статье Ивченкова www.manonmoon.ru/articles/st65.pdf.

Двигатель H-1, младший брат F-1

От стр. 4 до стр. 32 автор обсуждает устройство двигателя F-1 и сравнивает его с другими, но доказательства невозможности откладывает «на потом», ограничиваясь оценочными, категоричными суждениями.

На стр. 12 — 15 Ивченков приводит доводы в пользу того, что трубки охлаждения из сплава Inconel X-750 подвергались отжигу, в результате чего они приобретали предел упругости в 2 400 кг/кв. см ( МПа). В сущности это — лишь правдоподобные догадки. Единственный аргумент, который можно считать доказательством, предъявлен на стр. 15. «То, что материал трубок подвергался отжигу, а не термической закалке, полностью подтверждается снимками F-1 “со дна моря” (рис. 2 и 3), на которых видно, что трубки погнуты (то есть материал – пластичный.) Если бы они были подвергнуты термической закалке, то они не гнулись бы, а ломались (попробуйте погнуть пружину).» Но на рис. 3 трубок нет вообще, а на рис. 2 они выглядят скорей изломанными, чем погнутыми. На мой взгляд гипотеза о том, что «материал трубок подвергался отжигу, а не термической закалке«, этой фотографией не подтверждается. Более того — на ней явно запечатлен не F-1! Но даже если верно то, что предел упругости был равен 240 МПа, то и в этом случае доводы автора основаны на произвольных допущениях (см. ниже).

На стр. 15 Ивченков пишет. «Кроме того, особенности Inconel X-750 могут вызвать проблемы при кратковременном нагреве под давлением (в частности, при работе F-1. ) При этом на огневой поверхности трубки начинается кристаллизация с некоторым упрочнением и, главное, повышением твердости и, соответственно, хрупкости, в то время как внутренние слои огневой стенки и другая стенка этому не подвержены. Давление в трубках повышается и идет пластическая деформация, на хрупкой поверхности могут появиться трещины.»

Но откуда автору известно, что при работе F-1 могут возникать эти проблемы? Допустим, что часть трубки, находящаяся в контакте с раскаленным газом, становится более твердой и хрупкой. При отсутствии деформаций это никак себя не проявит, а откуда взяться деформациям? Давление в 70 атм на 2 порядка меньше, чем предел упругости. Ивченков пишет, как о факте, что идет пластическая деформация, хотя на самом деле это лишь предположение. Видимо он считает, что неравномерная перестройка кристаллической структуры сплава вызовет изгибания трубки. Учитывая, что автор не является специалистом в физике твердого тела и металлургии, нет оснований доверять этим фантазиям.

Стоит также обратить внимание на слово «могут». Могут — это не значит, что появятся, учитывая краткость жизненного цикла F-1 (меньше 3 мин). Более того, на стр. 13 автор утверждает прямо противоположное. «Повышение yield strength при 1200-1300 F объясняется началом кристаллизации при эксплуатации сплава на данных температурах. Это не происходит при кратковременном воздействии таких температур (при кратковременном нагреве, например, в течение 168 сек работы F-1), так как процесс полной реструктуризации сплава идет медленно и занимает часы«. Геннадий Ивченков противоречит сам себе, как часто бывает с луноборцами.

Дальше на стр. 15 автор еще раз формулирует свои фантазии, придав им форму твердо установленного факта. «Получается, что Inconel X-750 — материал проблемный, в частности, из-за возможности неконтролируемой реструктуризации во время эксплуатации«. Прием из арсенала конспирологов: порассуждав о том, что, как им кажется, могло бы иметь место, закончить категоричным выводом том, что так оно в реальности и было ))

Останки двигателя, который Ивченков называет F-1 (сравните с фотографией, где девушка)

На стр. 16 Ивченков пишет об еще одной, по его мнению, фатальной проблеме двигателя F-1. «Кроме того, при отработке двигателя Н-1 возникли дополнительные проблемы, связанные с взаимодействием никелевых сплавов с керосином RP-1«. Дальше он цитирует фрагмент на английском из архива NASA, где сказано о том, что специалисты подозревали (suspected) возможность химической реакции межу серой в керосине и сплавом Inconel X-750, которая могла бы привести к охрупчиванию трубок. Для исключения этой предполагаемой проблемы у вновь создаваемых H-1 их выполнили из сплава 347. Судя по тому, что слово «исправление» (fix) взято в кавычки, это было сделано из предосторожности, а не потому, что наблюдались реальные последствия реакции c керосином PR-1.

По-видимому в дальнейшем выяснилось, что эти опасения преувеличены и Inconel X-750 использовался в F-1. Но автор уверенно пишет о том, что серьезные проблемы были и перекочевали с «исправленного» Н-1 в двигатель F-1 (стр. 16). «Возникает вопрос, а как же с трубками из никелевого сплава в F-1? Ведь керосин RP-1 – тот же, сплав Inconel X750 – с большим содержанием никеля (70%), а температура и давление у F-1 выше, чем у Н-1«. Ставить вопросы луноборцы мастера, только искать ответы им не хочется, поэтому предпочитают те, что отвечают их «разоблачениям». А между тем, кроме реакции сплавления никеля с серой , идущей при температуре около 1200 К, реакция окисления при 900 — 1100 К выводит серу из металла. Не потому ли Rocketdyne вернулась к сплаву Inconel X-750, разрабатывая F-1?

Но Ивченков вопросами себя не затрудняет, ибо он «знает» точные ответы! Последний абзац на стр. 16. «Этот фактор, вместе с неконтролируемой кристаллизацией жаропрочных никелевых сплавов типа Inconel, ставит вопрос о возможности применения никелевых сплавов для огневых стенок КС, работающих на керосине. Вывод здесь однозначный – никелевые сплавы не могут (и не могли) быть материалом трубок охлаждения при заявленных для F-1 характеристиках.» Вот так, сначала «ставит вопрос» и сразу «Вывод здесь однозначный» )) Но, как показано выше, он далеко не однозначный, а скорее за уши притянутый к мифу о лунной афере.

На стр. 18 автор заявляет. «Стенки трубок рубашки охлаждения имеют толщину в доли миллиметра, например, толщина стенок трубок у Н-1 составляет 0,25 мм. В литературе указана толщина трубок F-1 в 0.457 мм, достоверность чего вызывает большие сомнения, так как такая толщина стенок совершенно не проходит по требованиям к охлаждению (это будет показано далее).» В оценках толщины стенок трубок Ивченков опирался на свои фантазии (см. ниже).

На стр. 21 — 22 автор считает трубки охлаждения, силясь найти противоречие и в этом. «Таким образом, в случае одинарного слоя, количество трубок после раздвоения (сопло от степени расширения 1/3 до 1/10) должно быть равным 356. Теперь взглянем на фото сопла F-1 на дне моря (рис.2), сделанное экспедицией Джефа Безоса. На фото можно насчитать 178 трубок расположенных ниже сечения 1/3 (просматривается до сечения 1/8, далее трубки смяты и погнуты). И сколько же трубок на самом деле и каков их реальный диаметр? В то же время на снимках NASA (Rocketdyne) четко можно насчитать 178 трубок, уложенных в один слой и раздваивающихся на 356 ниже сечения 1/36«.

Снимок Джефа Безоса, о котором идет речь, можно увидеть выше (останки на дне моря). Я лично не смог насчитать на обломке сопла больше, чем 60 трубок. Кроме того, нижняя часть этого обломка совершенно не похожа на F-1. Число поперечных (разорванных) колец явно не превышает 9. На снимке с девушкой видно, что таких колец было гораздо больше. Откуда вообще известно, что на этом фото изображены остатки F-1? Экспедиция Джефа Безоса находила обломки двигателей различных ракет, работая на том участке океана, над которым проходили их трассы после взлета с мыса Канаверал. Скорее всего на фото изображен обломок Н-1, которые ставили на первые модели Сатурнов в качестве бустеров. Но луноборцы выбирают из возможных объяснений только те, которые укладываются в их картину мира. Мира, в котором американцы не летали на Луну и в космосе, похоже, вовсе не были ))

Камера сгорания F-1 изнутри, видны трубки охлаждения и форсунки

Дальше, вплоть до стр. 27 Ивченков хвалит советскую технологию ракетных двигателей, основанную на использовании двойной стенки камеры сгорания, образующей рубашку охлаждения. При этом он критикует подход, избранный американцами в лунных ракетах — камера, составленная из трубок охлаждения. Вполне возможно, что все это справедливо… за одним исключением. Американская технология обеспечила меньший вес камеры сгорания и сопла, что для огромных двигателей имеет принципиальное значение. СССР так и не сумел создать ничего похожего на F-1 по размеру, пытаясь запрячь в свою ракету десятки сравнительно малых ЖРД. Итог известен — лунную гонку наша страна с треском проиграла.

Завершаются эти сравнения очередной порцией фантазий (стр. 27). «Все это говорит о том, что разработки двигателей в СССР и США шли разными путями. В то же время, практика показала, что «американская технология» является ущербной, тупиковой, не позволяющей получить удовлетворительные характеристики двигателя, такие как давление в камере (не больше 50 атм) и, соответственно, удельный импульс«. Какая практика показала? Полеты Аполлонов на Луну? Кто установил, что давление в камере F-1 было не больше 50 атм? Велюров и его последователь Ивченков? Ниже мы обсудим, как именно он оценил это давление, а пока еще одна струя желчи с ложью («горючее и окислитель») на стр. 27.

«Форсуночная головка, сделанная по «американской технологии» имеет струйные форсунки и напоминает стиральную доску с дырками (или плоскую доску с отверстиями, выполненными под углом – см. рис.11). Практика показала ущербность и этой технологии, не обеспечивающей удовлетворительный распыл и смешение компонентов. Факт применения струйных форсунок американцами, вообще-то, является странным, так как на двигателе известной им Фау-2 стояли все виды форсунок, а они выбрали наихудшие, преимуществом которых является только меньшее гидросопротивление.»

Слегка модифицируя заданный выше вопрос: «ущербность» этой технологии показала практика девяти пилотируемых полетов к Луне и запуска целиком станции Скайлэб? Хотя конечно, Скайлэба тоже не было, бдительных луноборцев не обманешь )) Что касается меньшего гидросопротивления «ущербных» форсунок F-1, то как раз это имело для него принципиальное значение, учитывая систему охлаждения и огромный расход топлива. Чуть забегая вперед заметим, что проблема с повышенной тепловой нагрузкой на трубки в двигателе F-1 по сравнению с Н-1, которую по Ивченкову можно было решить только за счет истончения стенок до неприемлемых по прочности 0. 2 мм, решалась как раз за счет ускоренной циркуляции керосина в системе охлаждения. С форсунками другого типа это бы, вероятно, не сработало.

Орбитальная станция Скайлэб изнутри,… которой тоже не было

На стр. 33 автор переходит к оценке тепловой нагрузки на трубки охлаждения. Он берет за основу эмпирическую формулу из теплотехники, описывающую теплообмен между потоком газа и стенкой трубы, и применяет для сравнения коэффициентов теплообмена и между раскаленным газом и стенками камеры сгорания для двигателей F-1 и H-1 соответственно, так что:

(*)

где — давление в камере сгорания и — ее диаметр. Отсюда автор получает, что отношение находится в диапазоне 1.22 — 1.29. Как всегда бывает при «разоблачениях», это отношение завышено. Если принять давление в камере F-1 65 атм и считать, что , то получится . Учитывая, что формула (*) является эмпирической, а камера сгорания не является трубой, различие в коэффициентах теплообмена, по-видимому, близко к методической погрешности вычислений. Как обычно луноборцы балансируют на краю, пытаясь натянуть числовые данные на домыслы.

Но предположим, что оценка , которой оперирует в дальнейшем Ивченков, верна. Пусть — температура газа в камере сгорания (3 500 К), — температура поверхности стенки трубки, соприкасающейся с этим газом, — температура поверхности стенки, соприкасающейся с охладителем (керосином), и — плотности потоков тепла (Вт/кв.м) из газа в стенку трубки и через стенку в охладитель. Тогда

и (**)

где — коэффициент теплопроводности и — толщина стенки. Автор считает, что K. При той же разности величина для двигателя F-1 будет в 1.22 раза больше, чем для H-1. На стр. 34 отсюда делается ложный вывод о том, что для сохранения теплового потока неизменным достаточно было бы повысить с 1000 К до 1220 К. Из (**) следует, что за счет этого уменьшился бы не в 1.22, а только в 1.1 раза.

Чтобы сохранить «пропускную способность» стенки трубки, считая неизменной (1000 К), автор предлагает уменьшить толщину стенки в 1. 22 раза. Но что произойдет, если не уменьшится, а увеличится с 0.254 мм в двигателе H-1 до 0.457 мм в F-1? Последнее значение Ивченков объявил плодом фантазии Technical Writer-ов, но именно его указывает NASA для F-1. В таком случае уменьшится в 1.8 раза. При этом мы предположили, что поток увеличился в 1.22 раза. В таком режиме, разумеется, система охлаждения работать не смогла бы.

Легко проверить, что тепловые потоки из газа в стенку и через стенку в охладитель будут динамические уравновешены (т.е. ), если K и K. Таким мог бы быть режим работы F-1 в предположении , если бы двигатель H-1 работал в режиме K и K. В этом случае температура керосина выше точки замерзания. Пониженную температуру охладителя в F-1 можно было обеспечить за счет большей скорости его прокачки через трубки. Температура 1 300 К, вероятно, была приемлемой для сплава Inconel X-750 с температурой плавления около 1 700 К, учитывая малую длительность работы двигателя (~165 сек). А также тот факт, что только огневая поверхность стенки была бы нагрета до 1 450 К, а внутри нее температура падала бы до 300 К на холодной поверхности (автор принимает K, что видно из расчета на стр. 35, где он получает К).

Нетрудно придумать еще более реалистичные режимы для систем охлаждения F-1 и H-1 при том же предположении о коэффициентах теплообмена. Например, для F-1 пусть K и K, а для H-1 пусть K и К. Температура огневой стенки 1 145 К для трубки из Inconel X-750, работающей меньше 3-х минут, явно не является большой проблемой. Разница температур охладителей всего лишь 85 К. Поскольку суть средние по системе охлаждения, эти температуры и не должны иметь «комнатные» значения вблизи 300 К, которые предполагались выше. Стоит также заметить, что при температурах свыше 1 000 К теплопроводность сплава Inconel X-750 несколько выше, чем у стали 347. Хотя различие невелико, в 1.1 — 1.2 раза, это дополнительно усиливает позицию двигателя F-1 в «соревновании» с Н-1.

Первая ступень Сатурна-5. Сопловые насадки сняты

До стр. 47 Ивченков мусолит тему якобы слишком тонких стенок, словно упиваясь свои «открытием». На стр. 47. «Подобные расчеты (конечно, более детальные, включая компьютерное моделирование) наверняка проводили американцы в процессе проектирования и получили вполне реальную величину рабочего давления в 46–50 атм и тягу двигателя порядка 450 тонн. Как они дальше пытались форсировать F-1 до 70 атм и 690 тонн и что из этого получилось – это большой секрет компании “Рокетдайн” (Rocketdyne)«. Откуда все это известно Ивченкову? Вопрос риторический — он самозабвенно фантазирует ))

На стр. 48 «Отличие конструкции двигателей, вытащенных со дна моря Джефом Безосом от представленных в перечисленных в статье источниках от NASA» выделено жирным шрифтом. Выше уже было сказано о том, что на снимке, который имеет ввиду автор (двигатель на морском дне) почти наверняка запечатлен H-1.

На стр. 49 — 53 автор пытается придраться к системе подачи выхлопных газов в сопловой насадок. Ничего серьезного он вроде бы здесь не выдумал. Доказывает, что советские ЖРД были лучшими, а у американцев вообще идей хороших не было. Кто бы с этим спорил? Россия — родина слонов.

На стр. 56 — 58 Ивченков пишет чепуху о том, что двигатель F-1 в полете горел (фото в начале статьи). Но если он горел, поскольку где-то прогорели трубки охлаждения с керосином, то почему так симметрично?

Столь эффектное расширение факела было связано, очевидно, с падением давления атмосферы при подъеме ракеты. Внешнее давление снижалось, поэтому огненный сгусток, вылетающий из сопла, радиально расширялся. Жутковатый выброс пламени выше уровня сопел объясняется подъемом части раскаленных газов в пустое пространство двигательного отсека. Этому не стоит удивляться, т.к. при пересечении факелов из различных двигателей (всего их было 5) неизбежно появляются частицы пламени, имеющие импульс по движению ракеты. Они-то и врываются в пустоты двигательного отсека, покидая его затем через отверстия в корпусе ракеты (на фото выше видны 4 продольных щели ниже буквы А). В плотной атмосфере этого не происходило, поскольку такие частицы пламени быстро тормозились воздухом. А в стратосфере часть факела, говоря более простыми словами, засасывало в пустое пространство двигательного отсека. И Сатурн-5 раскрывался огненным цветком во всем своем великолепии!

Это была потрясающая ракета, плод технического гения Вернера Фон Брауна, а также огромного труда немецких и американских инженеров. Но не стоит забывать о компании Rocketdyne, создавшей двигатель F-1, который доставил человека на Луну.

Как НАСА вернуло к жизни чудовищный двигатель «лунной ракеты» F-1

Фрагмент пластины форсунки двигателя F-1 на переднем конце сопла. Топливо и жидкий кислород выбрасываются из этих отверстий под огромным давлением, при этом в каждом кольце чередуются топливо и окислитель. пилотируемых посадок на Луну в конце 1960-х — начале 1970-е годы. Ракета дала новое определение «массивной», имея высоту 110 метров и производя смехотворную тягу в 34 меганьютона от пяти чудовищных, поглощающих керосин ракетных двигателей Rocketdyne F-1, составлявших ее первую ступень.

В то время F-1 был самым большим и мощным жидкостным двигателем из когда-либо построенных; даже сегодня его дизайн остается непревзойденным. Энергия, генерируемая пятью из этих двигателей, была лучше всего описана автором Дэвидом Вудсом в его книге «Как Аполлон полетел на Луну — 9».0008 «Выходная мощность первой ступени «Сатурна» составляла 60 гигаватт. Это очень похоже на пиковое потребление электроэнергии в Соединенном Королевстве».

Несмотря на ошеломляющий успех «Сатурн-5», направление НАСА изменилось после завершения проекта «Аполлон»; Космическая транспортная система — космический шаттл и связанное с ним оборудование — вместо этого была разработана с совершенно другими двигателями. В течение тридцати лет отряд астронавтов НАСА выходил на орбиту на борту космических челноков, оснащенных двигателями на жидком водороде RS-25 и твердотопливными ускорителями. С прекращением производства «Шаттла» НАСА в настоящее время совершает космические полеты с русскими.

Но есть шанс, что в ближайшем будущем гигантская ракета с модернизированными двигателями F-1 снова может прогреметь в небе. И в немалой степени это заслуга группы молодых и талантливых инженеров НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, которые хотели извлечь уроки из прошлого, разбирая бесценные музейные реликвии… и поджигая их.

Самые популярные

Двигатель F-1 на выставке в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА Ли Хатчинсон

Познакомьтесь с нашими молодыми учеными-ракетчиками

Том Уильямс — такой босс, какого вам хотелось бы иметь. Он, конечно, умен — это необходимое условие для его работы в качестве директора отдела двигательных систем Центра космических полетов им. Маршалла (MSFC) НАСА. Но он не против отступить и поставить перед своей командой интересные задачи, а затем отпустить их, чтобы проработать детали. Показательный пример: система космического запуска НАСА (SLS), предназначенная для создания огромной системы для перевозки тяжелых грузов, которая будет соперничать с Saturn V по размеру и возможностям. Размышляя о силовой установке для SLS, НАСА впервые за тридцать лет рассматривает нечто иное, чем твердотопливные ракетные ускорители.

Решение использовать пару твердотопливных ускорителей для космического корабля «Шаттл» вместо двигателей на жидком топливе, таких как F-1, было отчасти техническим, а отчасти политическим. Твердое топливо обладает огромной плотностью энергии и обеспечивает отличный толчок для отрыва космического корабля от земли; Кроме того, выбор твердотопливных ракет-носителей позволил правительству направить часть имеющихся контрактных долларов компаниям, занимающимся созданием межконтинентальных баллистических ракет, используя этот опыт и предоставляя этим компаниям дополнительную работу.

Самые популярные

Но твердые ускорители имеют несколько недостатков, включая неспособность остановить горение. Без насосов, которые нужно выключить, или клапанов, которые нужно закрыть, твердые ускорители работают почти так же, как бенгальские огни «утренней славы», которые мой отец покупал на Четвертое июля — однажды зажженные, они горят, пока не закончатся. Конструктивные решения твердотопливного ракетного ускорителя, особенно в отношении сдерживания горения, способствовали разрушению космического корабля «Шаттл 9».0007 Challenger и гибель его экипажа (хотя уничтожение Challenger r было скорее ошибкой руководства НАСА, чем технологии).

Тем не менее, по мере того, как программа космических шаттлов подходила к концу, а потенциальные преемники приходили и уходили, инерция твердотопливных ускорителей, оборудования и людей, которые их производили, гарантировала, что они останутся частью планов.

SLS дал НАСА шанс полностью переосмыслить. Когда начались проектные исследования, Уильямс понял, что может быть хорошей идеей повторно ознакомить отдел двигательных систем MSFC с огромными керосиновыми газогенераторными двигателями, такими как F-1 (сокращенно называемыми «LOX / RP-1» или просто « двигателей LOX/RP», после их окислительно-топливной смеси жидкого кислорода и керосина РП-1). Помимо масштабирования, F-1 концептуально имеет относительно простую конструкцию, и эта простота может привести к снижению затрат. Снижение стоимости доступа к космосу является ключевым приоритетом — возможно, даже приоритет приоритета — вне безопасности.

Однако была проблема. Конструктивные параметры SLS требовали создания транспортного средства Saturn V-scale, способного поднимать 150 тонн на низкую околоземную орбиту. Ни у кого из сотрудников MSFC не было реального опыта работы с гигантскими двигателями LOX/RP-1; сегодня ни одна из имеющихся в мире ракет-носителей не работает в таком масштабе. Так как же стать экспертом в области технологий, которых никто полностью не понимает?

Ник Кейс и Эрин Беттс, два инженера по жидкостным двигателям, работающие на Williams, нашли способ. Хотя ракет-носителей с двигателями F-1 до сих пор нет, настоящие F-1 существуют. Пятнадцать экземпляров прикреплены к трем стекам Saturn V, выставленным в объектах НАСА, включая MSFC; еще десятки разбросаны по стране на обозрение или на хранение. Команда Уильямса проверила доступные двигатели и вскоре нашла свою цель: готовый к полету F-1, который был заменен на ракете-носителе, предназначенной для отменяемого Аполлона-19.миссии и вместо этого хранится в хранилище в течение десятилетий. Он был в отличном состоянии.

Самые популярные

Кейс и Беттс возглавили трудоемкую бумажную работу по реквизации F-1 со склада и доставке его в мастерскую.

Им помогал Р. Х. Коутс, более старший член команды Уильямса и ведущий инженер отдела перспективных разработок SLS. Уильямс предложил поддержку и помощь со стороны руководства, но в остальном команде была предоставлена ​​полная свобода действий. После некоторого изучения они обратились к Williams с чисто инженерной просьбой: «Почему бы нам просто не разобрать эту штуку и посмотреть, как она работает?»

Уильямс сказал да. «Это позволило некоторым из наших молодых инженеров получить некоторый практический опыт работы с оборудованием, — сказал он мне, — то, что мы назвали бы подходом к обучению «грязными руками». были ребенком, или газонокосилкой вашего отца, или его радиоприемником. Один из лучших способов научиться работать инженером или кем-то еще — это разобрать его, изучить и задать вопросы».

А потом, надеюсь, построим лучше.

В планах! Планы!

Разборка F-1 началась относительно скромно. Когда команда копалась в двигателе, стало очевидно, что внутренние компоненты в хорошем состоянии. На самом деле, хотя были некоторые свидетельства повреждения дождевой водой, двигатель в целом был в отличной форме.

Сначала команда хотела построить точную компьютерную модель каждого компонента двигателя, чтобы можно было моделировать и симулировать его поведение, но вскоре начала обретать форму другая цель: может быть, только может быть, они могли бы смонтировать некоторые компоненты двигателя. на испытательном стенде и заставить Ф-1 снова заговорить через 40 лет.

Почему НАСА работало с древними двигателями вместо того, чтобы строить новый F-1 или полноценный Сатурн V? Одна городская легенда гласит, что от ключевых «планов» или «чертежей» давным-давно избавились из-за небрежности или бюрократического надзора. Нет ничего более далекого от правды; каждый клочок документации, созданной в ходе проекта «Аполлон», включая проектную документацию двигателей «Сатурн-5» и F-1, остается в деле. Если бы воссоздание двигателя F-1 было просто вопросом копирования некоторых чертежей 1960-х годов, НАСА уже сделало бы это.

Типичный проектный документ для чего-то вроде F-1, тем не менее, был создан в условиях жестких сроков и не имел даже самых элементарных форм компьютеризированных средств проектирования. Такой документ просто не может рассказать всю историю оборудования. Каждый двигатель F-1 был собран вручную, и у каждого есть свои недокументированные особенности.

Самые популярные

Кроме того, процесс проектирования, использовавшийся в 1960-х годах, обязательно был итеративным: инженеры проектировали компонент, изготавливали его, тестировали и тестировали. Затем они изменяли дизайн, создавали новую версию и снова тестировали ее. Это будет продолжаться до тех пор, пока дизайн не станет «достаточно хорошим».

Кроме того, хотя принципы, лежащие в основе F-1, хорошо известны, некоторые аспекты его работы просто не были полностью поняты в то время. Прекрасным примером является проблема нестабильности тяги. По мере создания F-1 ранние образцы имели тенденцию взрываться на испытательном стенде. Повторные испытания показали, что проблема была вызвана вращением горящего шлейфа пороха при его сгорании в сопле. Эти вращения будут увеличиваться в скорости, пока не будут происходить тысячи раз в секунду, вызывая сильные колебания тяги, которые в конечном итоге разорвут двигатель на части.

Проблема могла сорвать программу «Сатурн» и поставить под угрозу сроки посадки президента Кеннеди на Луну, но инженеры в конце концов использовали набор коротких барьеров (перегородок), торчащих из большой изрешеченной дырами пластины, которая распыляла топливо и жидкий кислород в камеру сгорания ( «инжекторная пластина»). Эти перегородки гасили колебания до приемлемого уровня, но никто не знал, была ли точная компоновка оптимальной.

Устройство перегородки «было просто методом проб и ошибок», — объяснил старший инженер-двигатель Р. Х. Коутс. «Но мы хотели бы смоделировать это и сказать: а что, если убрать одну из этих перегородок?» Поскольку перегородки установлены непосредственно на пластине форсунки, они занимают площадь поверхности, которая в противном случае была бы занята большим количеством отверстий форсунки, распыляющих больше топлива и окислителя; следовательно, они лишают двигатель мощности. «Поэтому, если вы хотите повысить производительность этой штуки, мы можем оценить это с помощью современных аналитических методов и посмотреть, как это повлияет на стабильность вашего горения».

Но до того, как можно было провести какие-либо «горячие» испытания, команда должна была взять физически реальный двигатель F-1 и каким-то образом смоделировать его. Превратить набор файлов САПР в настоящий продукт несложно — ну, относительно просто. Однако превращение реального продукта в набор файлов САПР требует некоторой изобретательности, особенно когда этот продукт представляет собой гигантский ракетный двигатель.

Для решения этой задачи НАСА привлекла компанию Shape Fidelity, которая специализируется на методе под названием «сканирование структурированного света». Если у вас нет доступа к лазеру с TRON , сканирование структурированным светом — это почти следующий лучший способ втиснуть что-то внутрь компьютера.

Наиболее популярные

Снимая мой лазер

. Внешний фон был сфотографирован, а затем сфотографировано с помощью структурированного света, который, как это было сфотографировано. узор из полос на сканируемой поверхности.

Сбоку проектора установлены две камеры, каждая из которых записывает, как рисунок ложится на сканируемую поверхность. Для каждой экспозиции проекторы и камера фиксируют шестнадцать различных рисунков полос.

Структурированная световая установка может сфокусироваться на области размером от 65 мм до 1,5 метров, поэтому для сканирования поверхности всего двигателя F-1 требовалось много ползать и вручную наводить установку сканера. Не сразу было понятно, как куча изображений, отсканированных с рук, может сохранять согласованность — как вы указываете сканеру, что изображение 2 связано с изображением 1?

Ответ был и прост, и гениален. «Вы замечаете эти маленькие мишени? Эти маленькие наклейки?» — сказал инженер Shape Fidelity Роб Блэк, который демонстрировал мне оборудование.

Блэк указал на маленькие круглые точки белого на черном, наклеенные на тестовый материал на столе перед нами. Вокруг нас были разобраны части двигателя F-1, и я заметил, что каждый компонент был усыпан маленькими точками. «Мы наклеиваем эти штуки вручную, и сканер видит эти цели, поэтому, когда мы перемещаемся из одной позиции в другую, он может видеть, что будет… и сшивать все вместе. Таким образом, нам не нужно использовать энкодеры или роботы».

Каждая часть имеет крошечные точки, нанесенные вручную в виде случайного уникального узора. Программное обеспечение для структурированного освещения может использовать уникальное расположение точек для объединения всех изображений сканируемого объекта, не требуя установки камеры в установку, управляемую движением. «Мы взяли обычную цифровую камеру, обошли двигатель и сделали фотографии, — сказал Блэк. «Программное обеспечение сделало все эти фотографии и построило трехмерные координаты для каждой из целей, и вы получаете очень разреженный набор данных — это в основном значение X-Y-Z центра этих точек».

После того, как карта точек была собрана, Блэк выполнил подробное структурированное световое сканирование всей внешней поверхности двигателя. «Но то, что мы хотели, это сканирование внутри — лопатки, зазоры, все определение интерьера», — объяснил Блэк.

Самый популярный

Разобрать F-1 на части, чтобы добраться до его внутренностей, всегда было частью плана, но по мере того, как команда продолжала действовать, стало очевидно, что на самом деле взломать эту штуку чтобы не сломать его, потребуются специальные инструменты — инструменты, которые могли существовать 40 лет назад, но которые давно уничтожены или утеряны.

Поэтому внешнее сканирование было использовано для разработки специализированных инструментов, необходимых для установки гаек, болтов и креплений F-1. Некоторые из болтов были раздражающе уникальными — Беттс отметил, что по крайней мере для одного болта с высоким крутящим моментом в узле турбонасоса требуется специальный адаптер для снятия крутящего момента.

Команда смогла использовать структурированное световое сканирование этого конкретного болта и менее чем за полдня изготовить инструмент с использованием метода аддитивного производства, называемого электронно-лучевой плавкой, для быстрой «печати» 3D-проектов из металлического порошка. Вооружившись этим и другими специальными инструментами, Кейс, Беттс и Коутс разобрали двигатель до мельчайших компонентов. «Итак, это позволило нам отсканировать части — все отдельные части и части», — сказал Блэк. Он открыл презентацию PowerPoint на своем ноутбуке и указал на один конкретный слайд. «Это пример одного из отсканированных фрагментов. Вы заметите, что серый цвет — это отсканированные данные, как у нас на экране, но они также отображаются в точки. Ну, эти точки — те же самые точки, которые были нанесены на карту в сборка [первоначальный скан]. Есть только один способ, которым эта часть впишется в это созвездие точек, и это то, что вы видите в правом нижнем углу». «Итак, то, что вы получаете сейчас, — это настоящее трехмерное определение, внутри и снаружи, всех взаимосвязей — не только геометрии детали, но и взаимосвязи между частями. И мы сделали это для всех деталей, которые вы видите здесь на полках. «, — добавил Блэк.

Прикосновение к прошлому

Результатом стала полная и очень точная CAD-модель всего ракетного двигателя F-1, вплоть до его мельчайшего болта. Точность была настолько хороша, что сканер даже уловил крошечные скопления сажи, оставшиеся на лопатках турбины от предыдущего испытательного запуска двигателя в 1960-х годах. Инженеры удалили сажу и провели повторное сканирование, но даже это, казалось бы, тривиальное накопление дало ценные данные — сажа — проблема двигателей, работающих на керосине, поэтому понимание того, как она накапливается внутри двигателя, может уменьшить ее возникновение. «Поскольку у них не было аналитических инструментов, которые есть у нас сегодня для минимизации веса, все было очень надежно», — отметил Беттс, когда я спросил, что они обнаружили, разбирая двигатель. — Это видно практически по всем деталям двигателя. Сварные швы… — О, сварные швы! прервал Кейс. «Сварные швы на этом двигателе просто произведение искусства, и все, что здесь , было сварено». В его голосе было очевидно восхищение. «Сегодня мы рассматриваем способы уменьшить это, но это было то, что я понял из этого двигателя: сколько было сварных швов, и как

Самые популярные

великолепные они выглядели. И эти ребята прокачивали двигатели каждые два месяца. Удивительно, что они могли сделать тогда, и сколько усилий для этого потребовалось». «Их способность противостоять несовершенствам тоже, — сказал Беттс. из-за несовершенств, но это говорит о том, что они полностью понимали, какие главные движущие силы были в их конструкции. Это одна из вещей, о которой мы пытались узнать: с какими несовершенствами можно жить, а какие несовершенства создадут нам проблемы?» пластина, которая выбрасывала топливо в сопло двигателя. «В главном инжекторе просверлены сотни отверстий, и все они просверлены вручную. И в одном из отверстий вы действительно можете увидеть, где сверло вошло не в то место, и парень просто остановился — вы можете увидеть, где он переместился туда, где должно было быть отверстие, и закончил сверлить отверстие. Они сохранили это и летали бы с этим двигателем. Такие вещи были довольно изящными». «Одна вещь, которую я замечаю, когда смотрю на старые двигатели, — прокомментировал Коутс, старший инженер, — была именно такой, на которую намекали Ник и Эрин: сложность сварных швов. У вас не было такого передового производства, как у нас сегодня, так что, честно говоря, это были машины ручной работы. Они были сшиты вместе с помощью дуговой сварки, и просто удивительно видеть, насколько гладкими и элегантными они получились. Сегодня вы бы посмотрели на точное литье, а не на эти тысячи сварных швов».0003

Зажжение свечи 40-летней давности

Двигатель, разобранный Беттсом, Кейсом и Коутсом, имел номер F-6090, собранный в декабре 1968 года, когда Аполлон-8 уносил трех астронавтов дальше от Земли, чем любой человек. когда-либо прежде путешествовал. F-6090 был испытан в течение 240 секунд, а затем установлен на ступени S-IC Saturn V, который должен был летать как Apollo 19, но в конечном итоге двигатель был снят и помещен на хранение в MSFC. Как команда методично разбирала двигатель F-6090 вниз, стало очевидно, что пробный запуск некоторых компонентов двигателя был в пределах вероятности.

Самый популярный

Поскольку F-6090 был разорван на части, чтобы учиться, команда обратилась к двигателю F-6049, который много лет служил демонстрационным двигателем на Удваре. Hazy Center в Смитсоновском национальном музее авиации и космонавтики. F-6049 был в даже лучшем состоянии, чем F-6090, но просто запустить сразу весь двигатель F-1 было нецелесообразно.

Во-первых, хотя F-1 первоначально тестировались в MSFC в 1960-х годах, эта испытательная инфраструктура с тех пор была перепрофилирована. Кроме того, город Хантсвилл значительно вырос со времен эры Аполлона; Зажигание двигателя размером с F-1 в Маршалле сегодня, вероятно, выбило бы все окна во всем городе.

Вместо этого команда решила начать с серии обстрелов газогенератора F-6049. Двигатель, подобный F-1, похож на два отдельных ракетных двигателя: один маленький, другой большой. Меньший потребляет то же топливо, что и больший, но его ракетный выхлоп не используется для подъема транспортного средства; вместо этого он приводит в действие огромный турбонасос, который забирает топливо и окислитель из баков и нагнетает их через пластину форсунки в камеру главного двигателя для сжигания.

Как и все остальное в F-1, даже газогенератор может похвастаться впечатляющими характеристиками. Он производит около 138 килоньютонов тяги, больше, чем двигатель истребителя F-16, работающий на полном форсаже, и он использовался для привода турбины, производившей 55 000 лошадиных сил на валу. (Это 55 000 лошадиных сил только для того, чтобы запустить насосы топлива и окислителя F-1 — сам F-1 производил эквивалент примерно 32 миллионов лошадиных сил, хотя точно измерить тягу ракеты в таком масштабе сложно.)

Подготовка газогенератора к запуску станет огромным шагом в обучении Беттс и Кейс двигателям LOX/RP-1, а также предоставит современные данные о том, насколько хорошо работают старые компоненты.

Беттс, Кейс и Коутс вытащили из F-6049 газогенератор, инжектор газогенератора и камеру сгорания газогенератора вместе с одним из шаровых клапанов для топлива. Каждое «мягкое изделие» в газогенераторе — каждое уплотнение и прокладку — пришлось воссоздавать с нуля, так как все затвердело или сгнило. При этом команде пришлось потратить довольно много времени на создание функциональных уплотнений и прокладок, поскольку технология пластмасс значительно изменилась с 19 века. 60-е годы. Простое создание мягких товаров требовало много химической работы.

Самые популярные

Однако по мере того, как продолжалась подготовка к испытаниям газогенератора, произошло нечто, из-за чего упражнение утратило свои академические корни и стало очень, очень практическим.

Rocketdyne возвращается

SLS НАСА, скорее всего, будет многоступенчатым транспортным средством с ускорителями, прикрепленными к его первой «основной» ступени, но НАСА проводит конкурс, чтобы определить, будут ли эти ускорители работать на твердом или жидком топливе. . Соревнование Advanced Booster наконец-то вывело претендентов на жидкостное топливо в область, где на протяжении десятилетий доминировали твердотопливные ускорители, созданные компанией ATK.

Одной из компаний, выбранных для участия в конкурсе Advanced Booster, является Dynetics, компания со штатом 1300 сотрудников, штаб-квартира которой находится в Хантсвилле, недалеко от MSFC. Dynetics в основном выполняла работу для Министерства обороны, но за последние пять лет она расширилась до аэрокосмической отрасли. Это одна из трех компаний, находящихся на этапе проектирования контракта, и у нее может быть секретное оружие: Dynetics сотрудничает с Pratt &

Whitney Rocketdyne (PWR), и ее участие в конкурсе ракет-носителей будет обеспечиваться огромным LOX. / Двигатель RP-1, названный F-1B (на основе F-1 и его модернизированного, но никогда не летавшего варианта F-1A).

Испытания газогенератора F-1, к которым готовились Беттс, Кейс и Коутс, должны были состояться в очень удачное время: их исследовательская работа над F-1 началась ближе к концу 2012 года, как раз в то время, когда Dynetics выбран в качестве участника контракта Advanced Booster. У Dynetics была абсолютно прекрасная возможность; Прямо по улице НАСА собиралось начать пробный запуск газогенератора F-1, чего не делали десятилетиями.

Посредством сложного набора писем-соглашений MSFC разрешила инженерам Dynetics и PWR использовать возрожденный газогенератор и испытательные установки для двигателей. Инженерные усилия включали даже сотрудничество с инженерами Rocketdyne в Калифорнии и Хантсвилле — людьми, которые участвовали в первоначальном проектировании и тестировании F-1 и обладали инженерным опытом и советами, чтобы внести свой вклад в работу. MSFC провела 11 огневых испытаний газогенератора продолжительностью от 5 до 30 секунд каждое в присутствии и помощи представителей Dynetics и PWR.

После того, как Dynetics и ее субподрядчик Pratt & Whitney Rocketdyne разработали соглашения и документы, компании нужно было провести собственную серию испытаний газогенератора F-1, чтобы собрать дополнительные данные помимо тех, что были собраны Беттсом, Кейсом и Коутсом. Это потребовало второй серии испытательных запусков газогенераторов во второй половине февраля, поэтому Арс отправился в Хантсвилл, чтобы посмотреть.

Самые популярные

Наблюдая за тестом

Утром 20 февраля я сидел на металлических трибунах под железно-серым небом Хантсвилля, с термометром, показывающим ноль градусов по Цельсию — немного прохладнее, чем этот техасский мальчик привыкла терпеть, тем более, что порывы ветра не прекращались. Выгода заключалась в том, что зона наблюдения находилась недалеко от испытательного стенда газогенератора.

Через поляну в ряду вечнозеленых растений и кустарников, отделенную от нас грязной дорожкой, я увидел сам испытательный стенд: груду металла и труб, как в джунглях, вокруг суетился персонал, чтобы внести последние коррективы.

Испытательный запуск газогенератора, свидетелем которого я был, был не первым и не последним, но он все же привлек огромное количество людей — государственных служащих, членов семьи и немалое количество сотрудников Dynetics/PWR. Пока часы приближались к стрельбе, мы собрались на расшатанных трибунах, и гул разговоров постепенно стих; Я сосредоточился на том, чтобы держать камеру неподвижно и стараться не касаться открытого металла тяжелого (и замерзающего) телеобъектива.

Взрыв, когда он раздался, был громким, но не подавляющим. Мы были достаточно близко, так что между вспышкой и звуком прошло не больше четверти секунды, и я почувствовал, как на меня накатывает тепло выхлопных газов горящего керосина. Газогенератор говорил с глубоким рокотом, увенчанным ракетным треском-треском-треском — звуком, который я всегда считал просто треском микрофона, когда слушал записи запусков ракет. Общий шум был впечатляющим — вероятно, таким же громким, как громкий рок-концерт, — но мы были достаточно далеко, чтобы не нуждаться в средствах защиты органов слуха. Газогенератор произвел длинный горизонтальный столб пламени, который оставался устойчивым на протяжении всего испытания. Это было впечатляюще, но еще больше меня поразило, когда я напомнил себе, что в настоящем F-1 весь этот огонь, шум и дым использовались просто для привода механизмов, которые подавали топливо в двигатель для настоящего фейерверка.

Секунд через пятнадцать выхлоп дрогнул и погас, а над испытательной площадкой поднялись огромные облака. Разбрызгиватели обрызгивали стенд на протяжении всего испытания, и вода из этих разбрызгивателей теперь с шумом превращалась в пар. Собравшаяся толпа аплодировала, приглушенные аплодисменты раздавались из рук, которые в основном были одеты в перчатки или рукавицы для защиты от холода.

Самые популярные

3D-печать отправляется в космос

Сам усовершенствованный ускоритель Dynetics — предварительное кодовое название Pyrios , в честь одной из огненных лошадей, тянувших колесницу бога Аполлона, — олицетворяет конструкцию «большого немого ускорителя». Конструкция ракеты-носителя будет максимально эффективной и минимальной, с использованием простых 1,9-сантиметровых алюминиевых сегментов ствола, сваренных трением с перемешиванием над топливными баками. Одним из преимуществ использования РП-1 в качестве топлива является то, что ему не нужна тяжелая теплозащита — он не будет выкипать при давлении и температуре на уровне моря, как это делает жидкий водород. (Концепция ракеты-носителя Pyrios, возможно, должна включать некоторую внешнюю тепловую защиту бака с жидким кислородом.)

Несмотря на то, что характеристики двигателя будут близки к его предшественнику, его производство будет осуществляться с использованием совершенно иных методов. Ребята из Dynetics поддержали Беттса, Кейса и Коутса, размышляя о конструкции F-1, делая многие из тех же замечаний о потрясающем количестве ручной работы в старой конструкции. Во имя доступности и эффективности в новой версии будут применены современные технологии производства.

Каждый ускоритель Pyrios будет оснащен парой двигателей F-1B, созданных с использованием методов, которые больше напоминают 3D-печать, чем традиционное литье или фрезерование. Основная камера сгорания и, в частности, сопло будут значительно упрощены и укреплены; количество деталей для этих двух узлов вместе будет уменьшено с 5600 изготовленных элементов в оригинальном F-1 до всего 40.

Использование современных производственных процессов там, где это возможно, на самом деле снижает стоимость – даже если более новый метод производства является более дорогим, снижение стоимости, полученное за счет упрощения конструкции, более чем перевешивает чашу весов. В частности, Dynetics и PWR используют такие методы, как селективное и горячее изостатическое прессование (HIP), для «выращивания» целых сложных деталей двигателя из металлических порошков. Команда Dynetics максимально сосредоточена на сокращении количества сварных швов и соединений и, следовательно, на сокращении сборки и производства. (В этом сопутствующем материале у нас есть еще много информации о Dynetics и их ускорителе Pyrios на базе F-1B.)

Инженеры и их двигатели

После испытательных стрельб Беттс, Кейс и Коутс показали мне лабораторию MSFC, где все еще продолжались работы по разборке F-1.

Мы остановились, чтобы посетить двигатель F-6049, установленный на тележке с явно отсутствующим газогенератором. Я ползал по ней, пока троица инженеров говорила о большой старой машине, с которой они так хорошо познакомились. «Эти ребята придумали, — сказал Том Уильямс, указывая на Беттс и Кейс, — что LOX/RP похоже на то, над чем нам нужно снова поумнеть, так как насчет того, чтобы разобрать один из них?» Два инженера стояли рядом с F-6049.вместе с Коутсом. «Эти ребята начали думать, как это сделать, и привлекли к этому специалистов по структурному освещению, но это была всего лишь небольшая группа инженеров, которым пришла в голову идея запачкать руки».

Это техника во всей красе. Разборка и пожары дали огромное количество данных, и команда Dynetics/PWR находится в процессе превращения этих данных в практичный, пригодный для использования двигатель. Позже в этом году планируется соединить газогенератор с его насосами и турбинами, воссоздав всю «силовую установку» F-1 (весь двигатель, кроме камеры сгорания).

После этого силовая установка будет испытана в космическом центре Стеннис НАСА в Миссисипи. После этого до готового двигателя не так уж и далеко.

Конкурс Advanced Booster продлится как минимум еще два года, а окончательное решение ожидается в 2015 или 2016 году. Твердое топливо остается основным претендентом — возможно, лидером — но у ракеты-носителя Pyrios есть реальный шанс обойти своих конкурентов. .

Когда ракета НАСА SLS летит, ее вполне может увлечь в небо огненный конь Аполлона.

Эта история изначально появилась на ars technica. Смотрите оригинальную статью для большего количества фото и видео контента.

Последовательность зажигания F-1

Последовательность зажигания F-1

Ряд инженеров перед ракетным двигателем F-1 иллюстрирует огромные размеры двигателя. Тяга F-1 составляла около 680 метрических тонн. Пять таких двигателей использовались для подъема тяжелого корабля Saturn V массой 2800 тонн со стартовой площадки. кредит НАСА / Центр космических полетов Маршалла

Пять двигателей F-1 в основе первой ступени (ступень S-IC). кредит НАСА Сканирование кредит Кипп Тиг

Гигантский ракетный двигатель F-1 представляет собой очень сложную машину с сетью клапанов, трубопроводов, труб вокруг камеры тяги и турбонасосами для подачи в камеру тяги жидкого кислорода и RP-1. Чтобы зажечь гигантский двигатель F-1, необходимо было разработать сложную последовательность зажигания, чтобы каждый компонент двигателя работал в правильной последовательности в нужный момент. В последовательности зажигания можно выделить два основных этапа: Пуск пропеллентного насоса Зажигание внутри камеры сгорания двигателя. Первая ступень (ступень S-IC) имеет пять двигателей F-1, которые зажигаются секвенсором зажигания. Назначение этого секвенсора состоит в том, чтобы запускать двигатели F-1 в определенной последовательности с временными интервалами в 200 миллисекунд для постепенного увеличения нагрузки на тягу S-IC.

НАЧАЛО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ЗАЖИГАНИЯ Питание камеры тяги двигателя F-1 осуществляется через два топливопровода и два газопровода LOX, каждый из которых снабжен клапаном. На чертежах изображены только один главный топливопровод и один главный трубопровод LOX. Контрольный клапан и 4 пиротехнических воспламенителя активируются секвенсором зажигания. Следующая последовательность событий взаимосвязана. Клапан управления, например, активируется, когда воспламенители прожигают электрические соединения. С помощью контрольного клапана гидравлический возврат переключается с наземного оборудования (GSE) на впуск топлива двигателя F-1. Однако гидравлическое давление по-прежнему обеспечивается GSE. Клапан управления обеспечивает давление гидравлического закрытия на порты управления главных топливных клапанов, основных клапанов LOX и клапана газогенератора. Пуск 6 секунд горения 4 воспламенителей двигателя. 2 Запальники расположены внутри камеры сгорания газогенератора. Газогенератор производит газ под высоким давлением для привода турбонасоса. Назначение турбонасоса — закачивать топливо под высоким давлением (129 бар, что в 129 раз больше атмосферного) в камеру сгорания двигателя F-1. Другие 2 воспламенителя расположены в выхлопе турбины внутри сопла двигателя F-1, и их цель — воспламенить богатые топливом выхлопные газы турбины.

ЗАПУСК ТОПЛИВНОГО ТУРБОНАСОСА НАРАЩИВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ ВЫПУСКА ТОПЛИВА Клапан управления активируется, и подается гидравлическое давление, чтобы открыть основные клапаны LOX и клапан подачи топлива газогенератора. Когда пиропатроны прожигают электрические цепи, срабатывает регулирующий клапан: сбрасывается гидравлическое давление закрытия и создается гидравлическое давление открытия. Главный клапан LOX и клапан газогенератора открыты. LOX начинает поступать через турбонасос в камеру тяги двигателя F-1. Поток LOX заставляет турбонасос вращаться. Горение еще не началось, поэтому LOX выходит из двигателя F-1 в виде плотного белого облака. Топливо (LOx и RP-1) начинает поступать в камеру сгорания газогенератора. Топливо воспламеняется в камере сгорания газогенератора двумя воспламенителями. Дымовые газы, вырабатываемые газогенератором, проходят через турбонасос, теплообменник, выпускной коллектор и удлинитель сопла. Обогащенный топливом газообразный продукт сгорания от газогенератора воспламеняется в выпускном коллекторе турбины двумя воспламенителями в выпускном коллекторе. Газы сгорания ускоряют турбонасос, вызывая увеличение давления нагнетания насоса. Из-за увеличения давления нагнетания топлива топливный клапан воспламенителя открывается, позволяя топливному давлению воздействовать на разрывную диафрагму картриджа с гиперголом. LOX начинает течь под давлением нагнетания через камеру тяги двигателя F-1, но топливный клапан все еще закрыт.

ПЕРВИЧНОЕ ЗАЖИГАНИЕ Давление топлива в двигателе увеличилось над давлением гидравлической системы, подаваемой на землю. Поворотный обратный клапан переключает подачу гидравлического давления из ГСД в тракт высокого давления топлива двигателя. Когда давление топлива увеличивается примерно в 26 раз от атмосферного, топливо разрывает картридж с гиперголом. Гиперголическая жидкость и топливо подаются через держатель патрона в камеру тяги, где они смешиваются с жидким кислородом, вызывая воспламенение. Когда картридж гипергола разрывается, гидравлическое входное давление становится доступным для клапана контроля зажигания.

ПЕРЕХОД НА ОСНОВНУЮ СЦЕНУ Зажигание вызывает повышение давления внутри камеры сгорания. Давление в камере тяги двигателя измеряется клапаном контроля зажигания через порт управления. Так как давление в камере тяги составляет 1,4 атм., на порты управления главных топливных клапанов подается давление гидравлического открытия. Главные топливные клапаны открыты. Топливо поступает в камеру тяги. Давление в камере тяги увеличивается, переход на основную ступень выполнен. Если реле давления «ТЯГА ОК» регистрирует давление впрыска топлива 73 атм., на БИ (Блок приборов, электронное сердце ракеты-носителя) поступает сигнал ТЯГА ОК.

Карта сайта |&nbsp
Ссылки |&nbsp
История изменений

Copyright 2011, 2022 Сандер Панхуйзен. Все изображения и рисунки, содержащиеся на этих страницах, принадлежат их авторам, если не указано иное. Несанкционированное воспроизведение без разрешения.

Как NASA вернуло к жизни чудовищный двигатель «лунной ракеты» F-1

Наука —

История молодых инженеров, которые воскресили двигатель почти вдвое старше себя.

Ли Хатчинсон
— 15 апреля 2013 г. 1:00 UTC

Никогда не было ничего подобного «Сатурн-5» — ракете-носителю, который в конце 1960-х — начале 1970-х годов позволил Соединенным Штатам обойти Советский Союз и совершить ряд пилотируемых посадок на Луну. Ракета дала новое определение «массивной», имея высоту 363 фута (110 метров) и производя смехотворную тягу в 7,68 миллиона фунтов (34 меганьютона) от пяти чудовищных, поглощающих керосин ракетных двигателей Rocketdyne F-1, которые составляли ее первую ступень.

В то время F-1 был самым большим и мощным жидкостным двигателем из когда-либо построенных; даже сегодня его конструкция остается непревзойденной (хотя см. врезку «Советы» для получения дополнительной информации о двигателях, которые соперничали с F-1). Энергия, генерируемая пятью из этих двигателей, была лучше всего описана автором Дэвидом Вудсом в его книге «Как Аполлон полетел на Луну — ». «Выходная мощность первой ступени Сатурна составляла 60 гигаватт. Это очень похоже на пиковый спрос на электроэнергию в Соединенном Королевстве».

Несмотря на ошеломляющий успех «Сатурн-5», направление НАСА изменилось после завершения проекта «Аполлон»; Космическая транспортная система — космический челнок и связанное с ним оборудование — вместо этого была разработана с совершенно другими двигателями. В течение тридцати лет отряд астронавтов НАСА выходил на орбиту на борту космических челноков с двигателями на жидком водороде РС-25 и твердотопливными ускорителями. С прекращением производства шаттлов НАСА в настоящее время занимается космическими полетами с русскими.

Но есть шанс, что в ближайшем будущем гигантская ракета с модернизированными двигателями F-1 снова может прогреметь в небе. И в немалой степени это заслуга группы молодых и талантливых инженеров НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, которые хотели извлечь уроки из прошлого, разбирая бесценные музейные реликвии.. . и поджигая их.

Увеличить / Двигатель F-1 на выставке в Центре космических полетов НАСА имени Маршалла. Жена автора справа для масштаба.

Ли Хатчинсон

Познакомьтесь с нашими молодыми учеными-ракетчиками

Том Уильямс — такой босс, которого вы хотели бы иметь. Конечно, он умен — это обязательное условие для его работы директором отдела двигательных систем Центра космических полетов им. Маршалла (MSFC) НАСА. Но он не против отступить и поставить перед своей командой интересные задачи, а затем отпустить их, чтобы проработать детали. Показательный пример: система космического запуска НАСА (SLS), предназначенная для создания огромной системы тяжелого подъема, которая будет конкурировать с Saturn V по размеру и возможностям. Размышляя о силовой установке для SLS, НАСА впервые за тридцать лет рассматривает нечто иное, чем твердотопливные ракетные ускорители.

Решение использовать пару твердотопливных ускорителей для космического корабля «Шаттл» вместо двигателей на жидком топливе, таких как F-1, было отчасти техническим, а отчасти политическим. Твердое топливо обладает огромной плотностью энергии и обеспечивает отличный толчок для отрыва космического корабля от земли; Кроме того, выбор твердотопливных ракет-носителей позволил правительству направить часть имеющихся контрактных долларов компаниям, занимающимся созданием межконтинентальных баллистических ракет, используя этот опыт и предоставляя этим компаниям дополнительную работу.

Но у твердых ускорителей есть несколько недостатков, в том числе невозможность остановить горение. Без насосов, которые нужно выключить, или клапанов, которые нужно закрыть, твердые ускорители работают во многом так же, как бенгальские огни «утренней славы», которые мой отец покупал на Четвертое июля: однажды зажженные, они горят, пока не догорят. Конструктивные решения твердотопливного ракетного ускорителя, особенно в отношении сдерживания горения, способствовали разрушению космического корабля «Шаттл» «Челленджер » и гибели его экипажа (хотя «Челленджер 9″Разрушение 0008 было скорее ошибкой руководства НАСА, чем технологии).

Рекламное объявление

Тем не менее, по мере того, как программа космических шаттлов подходила к концу, а потенциальные преемники приходили и уходили, инерция твердотопливных ускорителей, оборудования и людей, которые их производили, гарантировала, что они останутся частью планов.

SLS дал НАСА возможность полностью переосмыслить. Когда начались проектные исследования, Уильямс понял, что может быть хорошей идеей повторно ознакомить отдел двигательных систем MSFC с огромными керосиновыми газогенераторными двигателями, такими как F-1 (сокращенно называемыми «LOX / RP-1» или просто « двигателей LOX/RP», после их окислительно-топливной смеси жидкого кислорода и керосина РП-1). Помимо масштабирования, F-1 концептуально имеет относительно простую конструкцию, и эта простота может привести к снижению затрат. Снижение затрат на доступ в космос является ключевым приоритетом — возможно, даже высший приоритет — вне безопасности.

Однако была проблема. Конструктивные параметры SLS требовали транспортного средства Saturn V-scale, способного поднимать 150 метрических тонн на низкую околоземную орбиту. Ни у кого из сотрудников MSFC не было реального опыта работы с гигантскими двигателями LOX/RP-1; сегодня ни одна из имеющихся в мире ракет-носителей не работает в таком масштабе. Так как же стать экспертом в области технологий, которых никто полностью не понимает?

Ник Кейс и Эрин Беттс, два инженера по жидкостным двигателям, работающие на Williams, нашли способ. Хотя ракет-носителей с двигателями F-1 до сих пор нет, настоящие F-1 существуют. Пятнадцать экземпляров прикреплены к трем стекам Saturn V, выставленным на объектах НАСА, включая MSFC; еще десятки разбросаны по стране на обозрение или на хранение. Команда Уильямса осмотрела доступные двигатели и вскоре нашла свою цель: готовый к полету F-1, который был заменен на ракете-носителе, предназначенной для отменяемого Аполлона-19.миссии и вместо этого хранится в хранилище в течение десятилетий. Он был в отличном состоянии.

Кейс и Беттс возглавили интенсивную работу с документами, чтобы реквизировать F-1 со склада и доставить его в свою мастерскую. Им помогал Р. Х. Коутс, более старший член команды Уильямса и ведущий инженер отдела перспективных разработок SLS. Уильямс предложил поддержку и помощь со стороны руководства, но в остальном команде была предоставлена ​​полная свобода действий. После некоторого изучения они обратились к Williams с чисто инженерной просьбой: «Почему бы нам просто не разобрать эту штуку и посмотреть, как она работает?»

Уильямс сказал да. «Это позволило некоторым из наших молодых инженеров получить некоторый практический опыт работы с оборудованием, — сказал он мне, — то, что мы назвали бы подходом к обучению «грязными руками». были ребенком, или газонокосилкой вашего отца, или его радиоприемником. Один из лучших способов научиться работать инженером или кем-то еще — это разобрать его, изучить и задать вопросы».

А потом, надеюсь, построим лучше.

В планах! Планы!

Разборка F-1 началась относительно скромно. Когда команда копалась в двигателе, стало очевидно, что внутренние компоненты в хорошем состоянии. На самом деле, хотя были некоторые свидетельства повреждения дождевой водой, двигатель в целом был в отличной форме.

Сначала команда хотела построить точную компьютерную модель каждого компонента двигателя, чтобы можно было моделировать и симулировать его поведение, но вскоре начала обретать форму другая цель: может быть, только может быть, они могли бы смонтировать некоторые компоненты двигателя. на испытательном стенде и заставить Ф-1 снова заговорить через 40 лет.

Рекламное объявление

Почему НАСА работало с древними двигателями вместо того, чтобы строить новый F-1 или полноценный Saturn V? Одна городская легенда гласит, что от ключевых «планов» или «чертежей» давным-давно избавились из-за небрежности или бюрократического надзора. Нет ничего более далекого от правды; каждый клочок документации, созданной в ходе проекта «Аполлон», включая проектную документацию двигателей «Сатурн-5» и F-1, остается в деле. Если воссоздание двигателя F-1 было бы просто вопросом заимствования из какого-то 19Чертежи 60-х годов, НАСА уже сделало бы это.

Типичный проектный документ для чего-то вроде F-1, тем не менее, был создан в условиях жестких сроков и не имел даже самых элементарных форм компьютеризированных средств проектирования. Такой документ просто не может рассказать всю историю оборудования. Каждый двигатель F-1 был собран вручную, и у каждого есть свои недокументированные особенности. Кроме того, процесс проектирования, использовавшийся в 1960-х годах, обязательно был итеративным: инженеры проектировали компонент, изготавливали его, тестировали и смотрели, как он работает. Затем они изменяли дизайн, создавали новую версию и снова тестировали ее. Это будет продолжаться до тех пор, пока дизайн не станет «достаточно хорошим».

Кроме того, хотя принципы, лежащие в основе F-1, хорошо известны, некоторые аспекты его работы просто не были полностью поняты в то время. Прекрасным примером является проблема нестабильности тяги. По мере создания F-1 ранние образцы имели тенденцию взрываться на испытательном стенде. Повторные испытания показали, что проблема была вызвана вращением горящего шлейфа пороха при его сгорании в сопле. Эти вращения будут увеличиваться в скорости, пока не будут происходить тысячи раз в секунду, вызывая сильные колебания тяги, которые в конечном итоге разорвут двигатель на части. Эта проблема могла сорвать программу «Сатурн» и поставить под угрозу крайний срок высадки президента Кеннеди на Луну, но инженеры в конечном итоге использовали набор коротких барьеров (перегородок), торчащих из большой изрешеченной дырами пластины, которая распыляла топливо и жидкий кислород в камеру сгорания (« пластина форсунки»). Эти перегородки гасили колебания до приемлемого уровня, но никто не знал, была ли точная компоновка оптимальной.

Увеличить / Фрагмент пластины форсунки двигателя F-1 на переднем конце сопла. Топливо и жидкий кислород выбрасываются из этих отверстий под огромным давлением, при этом в каждом кольце чередуются топливо и окислитель. Фотография с двигателя F-1 F-6045, выставленного на всеобщее обозрение в Космическом и ракетном центре США в Хантсвилле.

Ли Хатчинсон

Расположение перегородки «было просто методом проб и ошибок», — объяснил старший инженер по движению Р. Х. Коутс. «Но мы хотели бы смоделировать это и сказать: а что, если убрать одну из этих перегородок?» Поскольку перегородки установлены непосредственно на пластине форсунки, они занимают площадь поверхности, которая в противном случае была бы занята большим количеством отверстий форсунки, распыляющих больше топлива и окислителя; следовательно, они лишают двигатель мощности. «Поэтому, если вы хотите повысить производительность этой штуки, мы можем оценить это с помощью современных аналитических методов и посмотреть, как это повлияет на стабильность вашего горения».

Но до того, как можно было провести какие-либо «горячие» испытания, команда должна была взять физически реальный двигатель F-1 и каким-то образом смоделировать его.