Rocketdyne F -1 - Rocketdyne F-1

F-1
F-1 rakettmotor.jpg
F-1 rakettmotor spesifikasjoner
Opprinnelsesland forente stater
Produsent Rocketdyne
Flytende drivstoffmotor
Drivmiddel LOX / RP-1
Blandingsforhold 2,27 (69% O2, 31% RP-1)
Syklus Gassgenerator
Opptreden
Trykk (vakuum) 1.746.000 lbf (7.770 kN)
Kraft (havnivå) 1.570.000 lbf (6.770 kN)
Trykk-til-vekt-forhold 94.1
Chamber trykk 70 bar (1015 psi; 7 MPa)
Spesifikk impuls (vakuum) 304 s (2,98 km/s)
Spesifikk impuls (havnivå) 263 s (2,58 km/s)
Massestrøm 5.683 lb/s (2.578 kg/s)
3.945 lb/s (1.789 kg/s) (LOX)
1.738 lb/s (788 kg/s) (RP-1)
Brenntid 150-163 s
Dimensjoner
Lengde 18,5 fot (5,6 m)
Diameter 3,7 m
Tørrvekt 18.400 kg
Brukt i
Saturn V

Den F1 , vanligvis kjent som Rocket F1, er en rakettmotor som er utviklet av Rocket . Denne motoren bruker en gassgeneratorsyklus utviklet i USA på slutten av 1950-tallet og brukt i Saturn V- raketten på 1960- og begynnelsen av 1970-tallet. Fem F-1-motorer ble brukt i S-IC første etappe av hver Saturn V, som fungerte som den viktigste lanseringen av Apollo-programmet . F-1 er fortsatt den kraftigste rakettmotoren med enkelt forbrenningskammer som noen gang er utviklet.

Historie

Wernher von Braun med F-1-motorene i Saturn V første etappe ved US Space and Rocket Center

Rocketdyne utviklet F-1 og E-1 for å oppfylle et amerikansk luftvåpenkrav fra 1955 for en veldig stor rakettmotor. E-1, selv om den ble vellykket testet i statisk avfyring, ble raskt sett på som en teknologisk blindvei og ble forlatt for den større, kraftigere F-1. Luftforsvaret stoppet til slutt utviklingen av F-1 på grunn av mangel på krav til en så stor motor. Den nylig opprettede National Aeronautics and Space Administration (NASA) satte imidlertid pris på nytten av en motor med så mye kraft og fikk Rocketdyne for å fullføre utviklingen. Testskyting av F-1-komponenter hadde blitt utført allerede i 1957. Den første statiske avfyringen av en F-1 i full etappe ble utført i mars 1959. Den første F-1 ble levert til NASA MSFC i oktober 1963. I desember 1964 fullførte F-1 flyvurderinger. Testingen fortsatte minst gjennom 1965.

Tidlige utviklingstester avslørte alvorlige forbrenningsstabilitetsproblemer som noen ganger forårsaket katastrofal svikt . Til å begynne med gikk fremgangen på dette problemet sakte, ettersom det var periodisk og uforutsigbart. Oscillasjoner på 4 kHz med harmoniske til 24 kHz ble observert. Etter hvert utviklet ingeniører en diagnostisk teknikk for å detonere små eksplosive ladninger (som de kalte "bomber") utenfor brennkammeret, gjennom et tangensielt rør ( RDX , C-4 eller svart pulver ble brukt) mens motoren fyrte. Dette tillot dem å bestemme nøyaktig hvordan løpekammeret reagerte på variasjoner i trykk, og å bestemme hvordan de skulle oppheve disse svingningene. Designerne kunne deretter raskt eksperimentere med forskjellige koaksiale drivstoffinjektorutforminger for å få den som er mest motstandsdyktig mot ustabilitet. Disse problemene ble løst fra 1959 til 1961. Til slutt var motorforbrenningen så stabil at den ville dempe kunstig indusert ustabilitet i løpet av en tidel av et sekund.

Design

F-1 rakettmotorkomponenter

F-1-motoren er den kraftigste væskedrevne rakettmotoren med en dyse som noen gang har fløyet. Den M-en rakettmotor er designet for å ha mer drivkraft, men det ble bare testet ved komponentnivå. Også, RD-170 produserer mer skyvekraft, men har fire dyser. F-1 brente RP-1 ( parafin av rakettkvalitet ) som drivstoff og brukte flytende oksygen (LOX) som oksydasjonsmiddel. En turbopump ble brukt til å injisere drivstoff og oksygen i forbrenningskammeret.

En bemerkelsesverdig utfordring ved konstruksjonen av F-1 var regenerativ kjøling av trykkammeret. Kjemisk ingeniør Dennis “Dan” Brevik stod overfor oppgaven med å sikre at den foreløpige brennkammerrørbunten og manifoldkonstruksjonen produsert av Al Bokstellar ville kjøre kult. I hovedsak var Breviks jobb å "sørge for at den ikke smelter." Gjennom Breviks beregninger av de hydrodynamiske og termodynamiske egenskapene til F-1 klarte han og teamet hans å fikse et problem kjent som 'sult'. Dette er når en ubalanse i statisk trykk fører til "hot spots" i manifoldene. Materialet som ble brukt til rørbunten F-1, forsterkningsbånd og manifold var Inconel-X750 , en ildfast nikkelbasert legering som var i stand til å tåle høye temperaturer.

Hjertet i motoren var trykkammeret, som blandet og brente drivstoffet og oksydasjonsmidlet for å produsere skyvekraft. Et kuppelformet kammer øverst på motoren tjente som en manifold som tilførte injeksjonsvæsker flytende oksygen , og tjente også som en holder for gimbal -lageret som overførte skyvekraften til rakettens kropp. Under denne kuppelen var injektorene, som ledet drivstoff og oksydator inn i trykkammeret på en måte designet for å fremme blanding og forbrenning. Drivstoff ble levert til injektorene fra en separat manifold; noe av drivstoffet reiste først i 178 rør nedover trykkkammerets lengde - som dannet omtrent den øvre halvdelen av eksosdysen - og tilbake for å kjøle dysen.

En gassgenerator ble brukt til å drive en turbin som drev separate drivstoff- og oksygenpumper, som hver matet trykkraftenheten. Turbinen ble kjørt med 5500 o / min , og produserte 55 000 bremsekrefter (41 MW). Bensinpumpen leverte 15 471 US gallon (58 560 liter) RP-1 per minutt mens oksidasjonspumpen leverte 24 811 US gal (93 920 l) flytende oksygen per minutt. Miljømessig måtte turbopumpen tåle temperaturer som spenner fra inngangsgass ved 820 ° C til flytende oksygen ved -188 ° C. Strukturelt ble det brukt drivstoff til å smøre og avkjøle turbinelagrene .

Test avfyring av en F-1-motor ved Edwards Air Force Base (De store kulene på plattformen er Horton Spheres for drivstoff og oksydasjonsmiddel)

Under trykkammeret var dyseforlengelsen , omtrent halvparten av motorens lengde. Denne forlengelsen økte motorens ekspansjonsforhold fra 10: 1 til 16: 1. Eksosen fra turbinen ble ført inn i dyseforlengelsen av en stor, konisk manifold; denne relativt kjølige gassen dannet en film som beskyttet dyseforlengelsen mot den varme (3.200 ° C) avgassen.

Hvert sekund brant en enkelt F-1 2.578 kg oksidasjonsmiddel og drivstoff: 3.945 lb flytende oksygen og 1.738 lb RP-1, og genererte 1.500.000 lbf (6,7 MN; 680 tf ) av skyvekraft. Dette tilsvarte en strømningshastighet på 671,4 US gal (2,542 l) per sekund; 413,5 US gal (1,565 l) LOX og 257,9 US gal (976 l) RP-1. I løpet av sine to og et halvt minutters drift drev de fem F-1-ene Saturn V-kjøretøyet til en høyde på 222 000 fot (68 km) og en hastighet på 6 164 mph (9 920 km/t). Den kombinerte strømningshastigheten til de fem F-1-ene i Saturn V var 12.710 l eller 12.490 kg per sekund. Hver F-1-motor hadde mer skyvekraft enn tre romferger-hovedmotorer til sammen.

Prosedyrer før og etter antennelse

Under statisk testskyting etterlot det parafinbaserte RP-1-drivstoffet hydrokarbonavleiringer og damper i motoren etter testtesten. Disse måtte fjernes fra motoren for å unngå problemer under motorhåndtering og fremtidig avfyring, og løsningsmidlet trikloretylen (TCE) ble brukt til å rengjøre motorens drivstoffsystem umiddelbart før og etter hver prøvefyring. Rengjøringsprosedyren innebar å pumpe TCE gjennom motorens drivstoffsystem og la løsningsmidlet renne over i en periode som varierer fra flere sekunder til 30–35 minutter, avhengig av motor og alvorlighetsgraden av avleiringer. For noen motorer ble motorens gassgenerator og LOX -kuppel også spylt med TCE før testskyting. F-1-rakettmotoren hadde sin LOX-kuppel, gassgenerator og drivstoffjakke med trykkammer spylt med TCE under lanseringsforberedelsene.

Spesifikasjoner

Installasjon av F-1-motorer til Saturn V S-IC-scenen. Den dyseforlengelsen er fraværende fra motoren er montert.
Apollo 4, 6 og 8 Apollo 9–17
Kraft , havnivå 1500,7 lbf (6,7 MN) 1,572,000 lbf (6,77 MN)
Brenntid 150 sekunder 165 sekunder
Spesifikk impuls 260 s (2,5 km/s) 263 s (2,58 km/s)
Kammerpress 70 bar (1015 psi; 7 MPa) 70 bar (1015 psi; 7 MPa)
Motorvekt tørr 18.353 kg 18.400 kg
Motorvektforbrenning 20116 lb (9115 kg) 9.150 kg
Høyde 19 fot (5,8 m)
Diameter 3,7 m
Utgang til halsforhold 16: 1
Drivmidler LOX og RP-1
Blandings masseforhold 2.27: 1 oksidasjonsmiddel til drivstoff
Entreprenør NAA/Rocketdyne
Kjøretøyapplikasjon Saturn V / S -IC 1. trinn - 5 motorer

Kilder:

F-1 forbedringer

F-1 utstilt på US Space & Rocket Center i Huntsville, Alabama .

F-1 skyvekraft og effektivitet ble forbedret mellom Apollo 8 (SA-503) og Apollo 17 (SA-512), noe som var nødvendig for å møte de økende nyttelastkravene til senere Apollo- oppdrag. Det var små ytelsesvariasjoner mellom motorer på et gitt oppdrag, og variasjoner i gjennomsnittlig skyvekraft mellom oppdrag. For Apollo 15 var F-1-ytelsen:

  • Kraft (gjennomsnittlig, per motor, løfting av havnivå): 6.909 MN (1.553.200 lbf)
  • Brenntid: 159 sekunder
  • Spesifikk impuls : 264,72 s (2,5960 km/s)
  • Blandingsforhold: 2,2674
  • S-IC total løftestøtte for havnivå: 7766000 lbf (34,54 MN)

Å måle og gjøre sammenligninger av rakettmotorkraft er mer komplisert enn det først kan se ut. Basert på faktisk måling var løftekraften til Apollo 15 7,823,000 lbf (34,80 MN), noe som tilsvarer en gjennomsnittlig F-1 skyvekraft på 1,565,000 lbf (6,96 MN)-litt mer enn den angitte verdien.

Ytterligere informasjon: Saturn V § S-IC skytsammenligninger
F-1-motor utstilt
på Kennedy Space Center

F-1A etter Apollo

Se også: Saturn MLV

I løpet av 1960-årene påtok Rocketdyne seg en oppdatering av utviklingen av F-1, noe som resulterte i den nye motorspesifikasjonen F-1A. Selv om den var veldig lik F-1 utad, produserte F-1A omtrent 20% større skyvekraft, 8 800 000 lbf (8 MN) i tester, og ville ha blitt brukt på fremtidige Saturn V-kjøretøyer i tiden etter Apollo . Saturn V-produksjonslinjen ble imidlertid stengt før slutten av Project Apollo, og ingen F-1A-motorer fløy noen gang.

Det var forslag om å bruke åtte F-1-motorer på den første fasen av Saturn C-8 og Nova-rakettene . Det er kommet mange forslag fra 1970-tallet og videre for å utvikle nye forbrukbare boostere basert på F-1-motordesignet. Disse inkluderer Saturn-Shuttle og Pyrios booster (se nedenfor) i 2013. Fra 2013 har ingen gått videre enn den første studiefasen. Den Comet HLLV ville ha brukt fem F-1A motorer på hovedkjernen, og to på hver av de boostere.

F-1 er den største, mest krevende enkeltkammeret, enkeltdysende flytende drivstoffmotoren. Det finnes større motorer med fast brensel , for eksempel Space Shuttle Solid Rocket Booster med en løftekraft på havnivå på 2800 000 lbf (12,45 MN) hver. Den sovjetiske (nå russiske) RD-170 kan utvikle mer skyvekraft enn F-1, på 1,630,000 lbf (7,25 MN) per motor på havnivå, men hver motor bruker fire forbrenningskamre i stedet for en for å løse forbrenningsstabilitetsproblemet .

F-1B booster

Den Vulcain for Ariane 5 raketten, benyttet en lignende syklus utforming til F-1-motor, med turbinavgassene føres direkte overbord.

Som en del av Space Launch System (SLS) -programmet hadde NASA kjørt Advanced Booster Competition , som skulle avsluttes med valget av en vinnende booster -konfigurasjon i 2015. I 2012 foreslo Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) å bruke en derivat av F-1-motoren i konkurransen som en flytende rakettforsterker . I 2013 begynte ingeniører ved Marshall Space Flight Center tester med et originalt F-1, serienummer F-6049, som ble fjernet fra Apollo 11 på grunn av en feil. Motoren ble aldri brukt, og i mange år var den ved Smithsonian Institution . Testene er designet for å gjøre NASA kjent med designet og drivstoffene til F-1 i påvente av å bruke en utviklet versjon av motoren i fremtidige dype romfartsapplikasjoner.

Pratt & Whitney , Rocketdyne og Dynetics , Inc. presenterte en konkurrent kjent som Pyrios i NASAs Advanced Booster Program, som tar sikte på å finne en kraftigere etterfølger til fem-segmentet Space Shuttle Solid Rocket Boosters beregnet på tidlige versjoner av Space Launch System , ved bruk av to forsterkede og kraftig modifiserte F-1B-motorer per booster. På grunn av motorens potensielle fordel ved spesifikk impuls , hvis denne F-1B-konfigurasjonen (med totalt fire F-1B-er) ble integrert med SLS Block 2, kunne kjøretøyet levere 150 tonn (330 000 lb) til lav bane rundt jorden , mens 113 tonn (249 000 lb) er det som anses å være oppnåelig med de planlagte solide boosterne kombinert med en firemotors RS-25- kjernetrinn.

F-1B-motoren har et designmål for å være minst like kraftig som den uflytede F-1A, samtidig som den er mer kostnadseffektiv. Designet inneholder et sterkt forenklet forbrenningskammer, et redusert antall motordeler og fjerning av F-1 eksosgjenvinningssystemet, inkludert turbinens eksos midtdyse og "gardin" kjøle manifold , med turbin eksos har en separat utløpspassasje ved siden av den forkortede hoveddysen på F-1B. Reduksjonen i delkostnader støttes av bruk av selektiv lasersmelting i produksjonen av noen metaldeler. Den resulterende F-1B-motoren er ment å produsere 1,800,000 lbf (8,0 MN) skyvekraft på havnivå, en 15% økning i forhold til omtrent 1,550,000 lbf (6,9 MN) skyvekraft som de modne Apollo 15 F-1-motorene produserte.

Steder for F-1-motorer

Uflytet F-1-motor utstilt på Pratt & Whitney (nå Aerojet Rocketdyne ), Canoga Park, Los Angeles
F-1-motor utstilt på INFINITY Science Center

Sekstifem F-1-motorer ble lansert ombord på tretten Saturn Vs, og hver første etappe landet i Atlanterhavet. Ti av disse fulgte omtrent samme flyazimut på 72 grader, men Apollo 15 og Apollo 17 fulgte betydelig mer sørlige asimuter (henholdsvis 80,088 grader og 91,503 grader). Den Skylab utskytingstransportmiddel fløy ved en nord asimut for å oppnå en høyere tilbøyelighet bane (50 grader versus de vanlige 32,5 grader).

Ti F-1-motorer ble installert på to produksjons Saturn Vs som aldri fløy. Den første fasen fra SA-514 vises på Johnson Space Center i Houston (selv om den eies av Smithsonian), og den første fasen fra SA-515 vises på INFINITY Science Center ved John C. Stennis Space Center i Mississippi.

Ytterligere ti motorer ble installert på to bakketest Saturn Vs hadde aldri til hensikt å fly. S-IC-T "All Systems Test Stage", en bakketestreplika, vises som den første fasen av en komplett Saturn V på Kennedy Space Center i Florida. SA-500D , Dynamic Test Vehicle, er utstilt på US Space and Rocket Center i Huntsville, Alabama .

En testmotor vises på Powerhouse Museum i Sydney , Australia . Det var den 25. av 114 forsknings- og utviklingsmotorer bygget av Rocketdyne, og den ble avfyrt 35 ganger. Motoren er lånt til museet fra Smithsonian's National Air and Space Museum . Det er den eneste F-1 som vises utenfor USA.

En F-1-motor, på lån fra National Air and Space Museum, er utstilt i Air Zoo i Portage, Michigan .

En F-1-motor er på et horisontalt display på Science Museum Oklahoma i Oklahoma City .

F-1 motor F-6049 vises vertikalt på Museum of Flight i Seattle, WA som en del av Apollo-utstillingen.

En F-1-motor er installert vertikalt som et minnesmerke for Rocketdyne-byggherrene på De Soto tvers over gaten fra det gamle Rocketdyne-anlegget i Canoga Park, California. Den ble installert i 1979, og flyttet fra parkeringsplassen over gaten en stund etter 1980.

F-1-motor utstilt utenfor New Mexico Museum of Space History i Alamogordo, NM.

Gjenoppretting

Gjenopprettede F-1-motordeler utstilt på Museum of Flight i Seattle .
Gjenopprettet F-1 motorinjektor fra Apollo 12- oppdraget som ble vist på Museum of Flight i Seattle .

28. mars 2012 rapporterte et team finansiert av Jeff Bezos , grunnlegger av Amazon.com , at de hadde funnet F-1-rakettmotorene fra et Apollo-oppdrag ved hjelp av sonarutstyr. Bezos uttalte at han planla å heve minst en av motorene, som hviler på en dybde på 4300 fot, cirka 640 km øst for Cape Canaveral, Florida. Tilstanden til motorene, som har vært under vann i mer enn 40 år, var imidlertid ukjent. NASA -administrator Charles Bolden ga ut en uttalelse som gratulerte Bezos og teamet hans med funnet og ønsket dem lykke til. Han bekreftet også NASAs holdning om at gjenopprettede artefakter vil forbli eiendommen til byrået, men at de sannsynligvis vil bli tilbudt Smithsonian Institution og andre museer, avhengig av antallet som ble gjenopprettet.

20. mars 2013 kunngjorde Bezos at han hadde lykkes med å bringe deler av en F-1-motor opp til overflaten, og ga ut fotografier. Bezos bemerket: "Mange av de originale serienumrene mangler eller mangler delvis, noe som kommer til å gjøre det vanskelig å identifisere oppdraget. Vi kan se mer under restaureringen." Gjenopprettingsskipet var Seabed Worker , og hadde om bord et team av spesialister organisert av Bezos for gjenopprettingsarbeidet. 19. juli 2013 avslørte Bezos at serienummeret til en av de gjenopprettede motorene er Rocketdyne -serienummer 2044 (tilsvarer NASA -nummer 6044), motor nr. 5 (i midten) som hjalp Neil Armstrong , Buzz Aldrin og Michael Collins med å nå månen med Apollo 11 -oppdraget. De gjenopprettede delene ble brakt til Kansas Cosmosphere and Space Center i Hutchinson for bevaringsprosessen.

I august 2014 ble det avslørt at deler av to forskjellige F-1-motorer ble funnet, en fra Apollo 11 og en fra en annen Apollo-flyvning, mens et fotografi av en renset motor ble utgitt. Bezos planlegger å sette motorene ut på forskjellige steder, inkludert National Air and Space Museum i Washington, DC

20. mai 2017 åpnet den permanente utstillingen Apollo på Museum of Flight i Seattle, WA og viser motorgjenstander gjenvunnet, inkludert trykkammeret og trykkammerinjektoren til nummer 3 -motoren fra Apollo 12 -oppdraget, samt en gassgenerator fra en motor som drev Apollo 16 -flyet.

Se også

Referanser

Merknader
Bibliografi

Eksterne linker