Приветствую вас, мои космические друзья. Не так давно мы с вами обсуждали программу создания двигателя F-1, который использовался на первой ступени лунной ракеты "Сатурн-5".
Сегодня я предлагаю вашему вниманию статью Дуэйна Дэя о программе разработки намного более мощного ракетного двигателя - M-1, который мог затмить знаменитый ракетный двигатель F-1.
В середине 1960-х годов космическое агентство НАСА процветало. Оно потребляло почти четыре с половиной процента федерального бюджета — по сравнению с менее чем половиной процента в наши дни — и полным ходом работало над созданием программы "Аполлон" и всей необходимой инфраструктуры, чтобы успеть к установленному президентом Кеннеди сроку высадки человека на Луну до конца десятилетия. Руководство агентства также думало о планах на будущее, и финансировало разнообразные космические программы. НАСА финансировало множество теоретических исследований в области передовых двигательных установок, технологий и космических аппаратов. Оно также финансировало удивительно большое количество проектов по разработке передового космического оборудования, часть из которого дошла до этапа испытаний. Тем не менее многие из этих программ были отменены и на сегодняшний день в значительной степени забыты. Одним из таких проектов был мощный ракетный двигатель М-1.
Если бы двигатель М-1 был построен, он стал бы настоящим монстром - самым мощным ракетным двигателем из когда-либо разработанных. Он мог бы использоваться для верхних ступеней некоторых ракет-носителей, а возможно, даже для первых ступени ракет, которые бы пришли на смену "Сатурну-5". Подрядчик НАСА, компания Aerojet начал разработку двигателя в 1963 году, и дошла до ряда испытаний компонентов этого двигателя в течение следующих нескольких лет. Кроме того были построены многочисленные наземные объекты, включая большие испытательные стенды. Но программа разработки была отменена в начале 1965 года, до того как первый двигатель смог бы выйти на полномасштабные наземные испытания.
Рождение монстра
Ракетные двигатели, которые в конечном итоге были установлены на ракету "Сатурн-5", изначально создавались благодаря проектами ВВС США. Двигатель F-1, как и водородно-кислородный двигатель J-2 был разработан ВВС США. Первоначально ВВС планировали к осуществлению проект под названием "Лунный луч" для отправки людей на Луну и ракету-носитель Space Launch System (SLS) ("Система космических запусков"). В одной из конструкций носителя SLS для второй ступени использовался кластер из двенадцати двигателей J-2, но представители ВВС сочли эту конструкцию слишком сложной и заключили контракт с компанией Aerojet на разработку нового двигателя, получившего название M-1, с тягой в 1,2 миллиона фунтов-сил (5,3 миллиона ньютон или 544 тонн-силы) с целью замены двенадцати двигателей J-2 двумя двигателями M-1. После того как в 1958 году было создано космическое агентство НАСА, проекты армии и ВВС США стали постепенно передаваться новому гражданскому космическому агентству, включая проекты ракет семейства "Сатурн" и различные проекты по разработке ракетных двигателей, таких как F-1, и M-1.
Первоначально инженеры НАСА полагали, что для запуска командно-служебного модуля "Аполлон" к Луне и его возвращения им понадобится большая ракета, которая была названа Nova ("Нова"). Но в конечном итоге они пришли к выводу, что могут выполнить все поставленные задачи с помощью менее мощной ракеты "Сатурн-5". Однако, несмотря на то, что ракета "Сатурн-5" должна была стать самой мощной ракетой из когда-либо построенных, инженеры НАСА продолжали проектировать более мощные носители, которые, по их мнению, были необходимы для пилотируемых миссий на Марс, а также для создания лунных баз и запуска крупных космических станций. Поэтому, пока шла разработка "Сатурна-5", они производили оценку концепций больших ракет, под общим обозначением "Нова", хотя эти концепции имели мало общего с более ранними проектами ракеты-носителя "Нова".
К 1962 году некоторые сотрудники НАСА полагали, что для второй ступени будущей ракеты-носителя "Нова" потребуется мощный ракетный двигатель. Первоначально предполагалось использовать жидкостный водородно-кислородный двигатель с тягой в 1,2 миллиона фунтов-сил. Однако вскоре инженеры НАСА определили, что двигатель должен иметь тягу в 1,5 миллиона фунтов-сил, который можно будет модернизировать до тяги в 1,8 миллиона фунтов-сил (8 миллионов ньютонов или 816 тонн-силы).
Целью программы было создание высокоэффективной двигательной установки для ракет-носителей после "Сатурна-5", соответствующей требованиям к пилотируемым ракетам-носителям, которые должны были появиться к 1970-м годам. Но конструкторы M-1 также предполагали, что его можно будет использовать в модернизациях существующей ракеты-носителя "Сатурн-5", заменив пять двигателей J-2 на второй ступени одним двигателем M-1. Инженеры Aerojet также рассматривали возможность адаптации M-1 в качестве двигателя первой ступени для ракеты "Нова".
Двигатель М-1 состоял из одной камеры сгорания с регенеративным охлаждением, отдельных турбонасосных агрегатов, приводимых в движение отдельными газогенераторами (в отличие от одного газогенератора, приводящего в движение общий силовой вал), и сопла с охлаждением от выхлопных газов турбины. Выхлопные газы от газогенераторов были относительно холодными по сравнению с выхлопными газами двигателя, поэтому вместо того, чтобы сбрасывать их за борт, они направлялись в охлаждающие трубы в нижней части юбки двигателя. Они поступали в юбку при температуре около 700 градусов по Фаренгейту (371 градус по Цельсию) и нагревались до примерно 1000 градусов по Фаренгейту (538 градусов по Цельсию), прежде чем сбрасываться через небольшие сопла на конце юбки.
Управление вектором тяги обеспечивалось карданным подвесом всей двигательной установки. Удельный импульс — показатель топливной эффективности, или того, сколько мощности можно получить из определенного количества топлива, — составлял 428 секунд, что значительно больше, чем 263 секунды для двигателя F-1, работающего на керосине. Поскольку M-1 был разработан для работы в разреженной атмосфере на больших высотах, он имел очень большое сопло, значительно превышающее размеры сопла двигателя F-1.
Разработка двигателя началась в 1962 году, и в течение двух лет инженеры компании Aerojet добились значительного прогресса, чему отчасти способствовало то, что в конструкции двигателя газогенераторы и турбонасосы находились по отдельности. Это позволило изготавливать и испытывать компоненты ракетного двигателя по отдельности, прежде чем они могли быть объединены. Компания Aerojet разработала восемь камер сгорания, одиннадцать газогенераторов, четыре кислородных насоса и четыре водородных насоса, которые не были завершены к моменту закрытия программы.
Огромный двигатель, чудовищные затраты
Компания Aerojet завершила проектирование и анализ всей системы к 1963 году и перешла к полномасштабному производству. В мае 1963 года Aerojet начала испытания газогенератора двигателя M-1 - по сути, уменьшенного ракетного двигателя, используемого для работы турбонасосов, которые подавали водород и кислород в двигатель. Полномасштабные испытания двигателя первоначально планировалось провести к началу 1966 года. Но к апрелю 1963 года пересмотренный график разработки перенес испытательные полеты двигателя M-1 на 1969 год или позже.
Помимо работы над двигателем, компания Aerojet также начала строительство объектов для поддержки разработки программы ракетного двигателя. К ним относились лаборатории, цеха по изготовлению и испытанию компонентов ракетного двигателя. Кроме того, Aerojet приступила к строительству трех испытательных стендов в Северной Калифорнии.
Первоначальная оценка стоимости разработки двигателя M-1 составляла 90 миллионов долларов. В ноябре 1962 года управление контрактом по программе двигателя M-1 было передано из Космического центра имени Джорджа К. Маршалла в Хантсвилле в Исследовательский центр имени Льюиса в Кливленде, штат Огайо. К февралю 1963 года контракт с оплатой по принципу "затраты плюс фиксированная плата" составлял 190 миллионов долларов за 60-месячную программу, включающую предварительные летные испытания двигателя с тягой в 1,5 миллиона фунтов. К маю 1964 года стоимость программы увеличилась еще на 32 миллиона долларов, поскольку НАСА не смогло бы выполнить первоначальный график платежей. Но в конечном итоге, к январю 1965 года, стоимость всей программы выросла до 230 миллионов долларов. Увеличение составило более чем на 250% по сравнению с первоначальной оценкой.
Продолжение следует....