Приветствую вас, мои космические друзья. Эта статья больше года пролежала у меня в черновике. Работа над ней то начиналась, то прекращалась снова, по ряду причин. Речь в статье пойдет про ракетный двигатель Rocketdyne F-1 космической программы "Аполлон". Это будет перевод статьи которая была опубликован в сборнике под названием: REMEMBERING THE GIANTS APOLLO ROCKET PROPULSION DEVELOPMENT - "ВСПОМИНАЯ ГИГАНТОВ: РАЗВИТИЕ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРОГРАММЫ АПОЛЛОН".
Первая часть будет посвящена истории развития ракетного двигателя F-1, особенностям его конструкции и этапам тестирования. Заранее прошу прощения за возможные неточности по технической части (критика в комментариях приветствуется).
Об авторе
Роберт «Боб» Биггс проработал сорок семь лет в компании Rocketdyne, из них девять лет в качестве ведущего инженера-разработчика и инженера по проекту ракетного двигателя F-1 Engine Program. Он работал несколько месяцев над отмененном проекте крылатой ракеты «Навахо», еще три года в качестве ведущего инженера в группе анализа эффективности программы "Юпитер" и еще год в качестве менеджера Лаборатории динамического анализа. Биггс также 34 года работал над маршевым двигателем космического челнока "Спейс шаттл", выступая в качестве менеджера по разработке. и главного инженера проекта.
Прежде чем я углублюсь в историю разработки ракетного двигателя F-1, я хочу обсудить роль этого двигателя в высадке человека на Луну. Пять двигателей F-1 были установлены на первой ступени ракеты "Сатурн-5". Именно они подняли ракету-носитель "Сатурн-5", которая имела высоту 110 метров и весила 2721 тону, на высоту в 65 километров, и разогнали ее до скорости в 7 Махов. На это ушло две с половиной минуты, в процессе чего было сожжено 2071 тонна топлива. И это было довольно сложной задачей.
Моя история работы над проектом началась в том же году, когда я начал работать в компании Rocketdyne. Именно там в начале 1957 года зародился двигатель F-1. В 1957 году никакой космической программы еще не существовало. Компания Rocketdyne была занята работой над проектированием, разработкой и производством ракетных двигателей для доставки оружия массового поражения. Военно-воздушные силы США заключили контракт с компанией Rocketdyne, чтобы изучить вопрос, как создать ракетный двигатель с тягой в миллион фунтов (454 тонн-силы). Самая высокая тяга ракетного двигателя в то время составляла 150 000 фунтов (68 тонн-силы). По мнению Rocketdyne, новый мощный ракетный двигатель мог понадобиться для баллистической ракеты.
В июле 1958 года мы вступили в Международный геофизический год, в рамках которого ученые всего мира планировали и проводили эксперименты, чтобы узнать больше о Земле. Это была восемнадцатимесячная научная программа. В рамках этого мероприятия Соединенные Штаты планировали запустить искусственный спутник для облета Земли. Президент Дуайт Эйзенхауэр вмешался в этот процесс. Он боялся того, что «военно-промышленный комплекс», станет слишком могущественным. Он хотел, чтобы космическая программа, и программа по запуску спутника осуществлялась без использования какой-либо системы вооружений, и не военным персоналом. Таким образом, все люди, которые лучше всех знали, как запускать ракеты, не были допущены к работе над проектом. Им нужно было найти других людей, которых они называли - «гражданских». Именно это и было сделано. Программа "Авангард" появилась вне того, что у нас уже было. Ракеты: «Юпитер», «Тор», «Атлас», «Редстоун», «Навахо» в это время уже летали. Всё это происходило на фоне снижения национального престижа из-за ряда событий.
Первое событие произошло в октябре 1957 года. Весь Мир и Соединенные Штаты были шокированы, когда Советский Союз объявил о запуске «Спутника-1». Это был спутник массой около 83 килограмм. Нас шокировало то, что они смогли сделать это раньше, чем это сделали Соединенные Штаты. Прежде чем мы оправились от этого шока – а это было в течение месяца – они запустили «Спутник II». В качестве пассажира на нем полетела собака. Запуск «Спутника-2» также продемонстрировал Соединенным Штатам то, насколько хорошо обстоят дела у Советского Союза. Третья ступень не отделялась от орбитального аппарата, и только она весила 7,3 тонны. Советскому Союзу удалось вывести на орбиту 7,3 тонны. Кстати, наш спутник «Авангард» должен был весить восемь килограмм. Из того, что было выведено на орбиту Советским Союзом, можно было рассчитать, что советская ракета-носитель должна быть в три раза мощнее, чем самая мощная ракета-носитель, которая у нас была на то время - то есть носитель "Атлас".
Все это задало направление нашей работы. Нужно было начать разработку двигателя с гораздо более высокой тягой. В этот период времени в Министерстве обороны была сформирована организация под названием Агентство перспективных исследовательских проектов, которое руководило разработками новых технологий для всех вооруженных сил. Военно-воздушные силы, армия, морская пехота и военно-морской флот по сути разрабатывали одну и ту же технологию. Новое агентство было создано для того, чтобы предотвратить это. Оно должно было разрабатывать новые технологии для космоса.
Первая попытка запуска спутника "Авангард" была предпринята 6 декабря 1957 года. Ракета взорвался в метре над стартовой площадкой. К этому времени президент Эйзенхауэр смягчил свою политику и позволил Агентству по баллистическим ракетам армии США (ABMA) вмешаться в процесс и запустить спутник. На самом деле они использовали носитель "Редстоун", который был назван "Юпитер-С". Доктор Вернер фон Браун, возглавлявший ABMA, дал понять, что он может запустить спутник в течении двух месяцев. И в конце концов он был запущен. Спутник «Эксплорер-1» был выведен на орбиту. В марте 1960 года НАСА поглотило ABMA и взяло на себя все невоенные космические программы.
В мае 1960 года самолет-разведчик U-2, который должен был пролететь над Советским Союзом, был сбит. Следующий шок наступил, когда Юрий Гагарин отправился в космический полет; человек впервые побывал в космосе 12 апреля 1961 года. За этим последовало фиаско в заливе Свиней. Джон Кеннеди был президентом всего несколько месяцев и согласился на скоординированное с ЦРУ вторжение на Кубу, предполагая, что все кубинцы восстанут и будут бороться против диктатуры Фиделя Кастро, но этого не произошло. В мае 1961 года Алан Шепард завершил пятнадцатиминутный суборбитальный полет став первым американцем в космосе. По его итогу Джон Кеннеди произнес свою знаменитую речь об отправке человека на Луну и его благополучном возвращении. Эта речь прозвучала 25 мая 1961 года, и в тот же день было проведено первое испытание ракетного двигателя F-1.
Функция двигателя F-1 заключалась в том, чтобы обеспечить семь с половиной миллионов фунтов-силы тяги (3402 тонн-силы) для первой ступени ракеты «Сатурн-5». Все это основывалось (за исключением размеров), на той же технологии, которая использовалась для баллистических ракет. Разница была в том, что этот двигатель был намного больше, и самая большая проблема заключалась именно в его размере.
Его мощность была в десять раз больше тяги самого большого серийного двигателя, который составлял 150 000 фунтов-сил (68 тонн-силы). Она приближалась к полутора миллионам. Модернизация и увеличение мощности ракетного двигателя обычно составляла 10%, но мы никогда не сталкивались ни с чем подобным. Двигатель имел высоту 5 метров и ширину 3,6 метров. У него был уровень тяги, который начинался с 1,5 миллионов фунтов-силы (680 тонн-силы), плюс-минус 3 процента. В его конструкцию были внесены изменения, что подняло тягу до 1 522 000 фунтов-силы (690 тонн-силы), плюс-минус 1,5 процента. Двигатель должен был быть рассчитан на то же давление. Удельный импульс (мера эффективности работы двигателя) составлял 265 секунд, что было неплохо для тех времен. Сегодня это выглядит не так уж и хорошо.
Давление в камере сгорания было еще одной проблемой. Она была рассчитана на давление 1100 фунтов на квадратный дюйм (75 атмосфер). Самое высокое давление в камере сгорания самого мощного ракетного двигателя на тот период составляло 520 фунтов на квадратный дюйм (35 атмосфер), так что это было удвоение давления в камере сгорания и значительно большая тяга. Двигатель сжигал жидкий кислород и ракетное топливо-1 (RP-1 высокоочищенная форма керосина) при соотношении смеси 3 к 2,27. Продолжительность полета должна была составить 165 секунд.
Основные особенности двигателя F-1 заключаются в том, что у него был один турбонасос и вал, который был параллелен оси камеры сгорания. Он имел насос для жидкого кислорода в верхней части вала, топливный насос, и турбину. Для работы двух насосов требовалась одна турбина. Сопло имело соотношение площади 16:1. Сопло было трубчатым вплоть до расширения 10:1. Топливный турбонасос, как и насос для жидкого кислорода имели двойной выпуск. Он делил общую нагрузку напополам.
Топливо RP-1 использовалось не только для сжигания? Нами были применены уникальные подходы. Например, мы использовали топливо для смазки подшипников турбонасоса. F-1 имел отдельную систему откачки смазки из подшипников. Топливо также использовалось в качестве гидравлической жидкости. Оно использовался для работы клапанов двигателя и исполнительных механизмов управления вектором тяги.
F-1 оказался очень простым двигателем. Однако изначально его конструкция была очень сложной. Первый проект, который прошел экспертизу и был одобрен, имел три турбонасоса. Он имел гидразиновый насос, для которого требовался генератор гидразинового газа для работы турбины гидразинового насоса. Генератор гидразинового газа приводил в действие насос и турбину жидкого кислорода, а также топливный насос и его турбину. У такого двигателя был отдельный насос для жидкого кислорода, для топлива, и отдельный насос для гидразина. Было три насоса, каждый со своим валом и своей турбиной, которые были заменены. Собственно до первых испытаний двигателя, этот вариант так и не дошел. Конструкция была заменена одним турбонасосом. Двигатель также имел отдельную систему смазки для подшипников, которая была исключена.
Была одна конструкция, которая была действительно хлопотной, и мы не избавились от нее до первого теста. Нам пришлось пожить с ней какое-то время Она называлась камерой тяги с тройным коллектором. Представьте себе три пончика, сложенных друг на друга. Это были топливные коллекторы на верхнем конце камеры сгорания. Топливо поступало в средний коллектор, а затем шло вниз вниз по трубкам для охлаждения. Оно шло вниз, по одной половине трубок, а затем шло обратно через другую половину труб к другому коллектору. Еще было четыре трубки, которые шли от нижнего коллектора к верхнему коллектору. Потеря давления была ужасающей, но нам удалось продержаться некоторое время, пока мы не смогли изготовить гораздо более лучшую конструкцию.
На схеме двигателя F-1 турбонасос находился в верхнем левом углу. Зеленым цветом обозначен насос для окислителя, а красным для топлива. Поскольку турбонасосы имели два выпуска, им требовалось два топливопровода и два трубопровода жидкого кислорода, идущих к клапану. Имелось два клапана для подачи жидкого кислорода, по одному с каждой стороны двигателя, и два топливных клапана, по одному с каждой стороны двигателя. Картридж для гипергола в середине системы управления содержал жидкость, которая автоматически воспламенялась при попадании в патронник. Для его воспламенения не требовалось пиротехническое устройство.
Многие задавались вопросом, как выглядела стартовая последовательность. Для запуска двигателя требовалось около пяти секунд при так называемом форсировании. Все началось с открытия клапана управления двигателем, который представлял собой четырехходовой гидравлический клапан, подававший гидравлическую жидкость для открытия главного клапана подачи жидкого кислорода. Гидравлическая система на этом двигателе была достаточно прочной и надежной.
При первом открытии клапанов, жидкий кислород начинал течь через насос таким образом, что он начинал вращать его крыльчатку. Он раскручивал насос до 700-1000 оборотов в минуту, что избавляло от проблем с крутящим моментом и запускало двигатель на повышенную мощность. Сразу после этого открылись клапаны газогенератора. Газогенератор имел механически связанные клапаны, один для топлива, а другой для жидкого кислорода, поэтому они оба открывались одновременно. Газогенератор воспламенялся при очень низком давлении, после чего давление начинало нарастать. Требовалось две-три секунды, чтобы давление достигло точки, когда топливный клапан воспламенителя открывался, позволяя топливу попасть в камеру и запустить процесс зажигания. Как только воспламенение камеры сгорания было зафиксировано, открывались главные топливные клапаны, и тяга двигателя начинала нарастать. При отметке около 80 процентов тяги, ее нарастание на некоторое время замедлялась, а затем шло с увеличением. Причина этого была в том, что камера сгорания была заправлена этиленгликолем, поэтому первоначальное сгорание топлива в этот переходный период шло со смесью этиленгликоля с водой. Этиленгликоль не обеспечивал такого высокого давления в камере, как полное сгорание керосина, поэтому, когда он заканчивался, давление в камере продолжало расти и достигло 100 процентов.
Существовало требование для проведения квалификационных испытаний. Предположительно, концепция заключалась в том, чтобы взять два двигателя из партии наугад и подвергнуть их серии испытаний. Одной из таких серий были испытания на долговечность, которая представляла собой двадцать тестов с общей продолжительностью работы двигателя в 2250 секунд. Другая серия испытаний представляла собой моделирование множества неисправностей двигателя, а также различные климатических тесты. Эти две серии испытаний оказались достаточно удачными и они выполнили договорные требования по квалификационным испытаниям. Но на этом отработка длительности работы двигателя не закончилась.
Двигатель F-1 был одноразовым с продолжительностью работы в 165 секунд, но на самом деле мы испытали шесть двигателей с продолжительностью работы более 5000 секунд. Единственная причина, по которой этот двигатель не подлежал повторному использованию, заключалась в том, что он не подлежал возвращению. Если бы мы могли восстановить его после полета, он бы стал многоразовым.
Мы взяли на вооружение концепцию «всестороннего» тестирования. Концепция заключалась в том, чтобы провести испытания на полной первой ступени ракеты "Сатурн-5". Когда у нас было несколько серийных двигателей, они сначала должны были пройти приемочные испытания на испытательном стенде. Для этого потребовалось провести два теста, один калибровочный тест продолжительностью 40 секунд, и 165-секундный тест как во время запуска миссии. После этого двигатели были сгруппированы в кластеры по пять штук и установлены на первую ступень ракеты "Сатурн-5". Затем их тестировали в течение 125 секунд, что было максимальной продолжительностью испытания которое можно было провести.
Первые три ступени были испытаны в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама. Остальные из них были испытаны в Космическом центре НАСА имени Джона К. Стенниса недалеко от залива Сент-Луис, штат Миссисипи, на испытательном стенде B-2. Общее время, необходимое для приемочных испытаний, составило 495 секунд, а продолжительность полетных испытаний — 165 секунд. Все это суммировалось, но максимальное время работы, достигнутое любым двигателем, составляло 800 секунд.
(Продолжение следует)