F-1

F-1
Generell beskrivelse
Bygger Rocketdyne
Fyrflytende drivmiddel endoreaktor
Exit
Fremstøt1 522 000 lb f (6 770 kN) ( SL )
1 746 000 lb f (7 770 kN) (i vakuum)
Vekt
Tømme8400 kg
Opptreden
jeg sp263 s (ved havnivå)
304 s (i vakuum)
DrivmiddelLOX og RP-1
BrukereSaturn V
motoroppføringer på Wikipedia

F -1 er en gassgenerator syklus rakettmotor utviklet i USA av Rocketdyne på slutten av 1950 -tallet . Den ble brukt i den første fasen av Saturn V - raketten som en del av Apollo-programmet og for skylab- romstasjonen . F-1 er fortsatt enkammermotoren med den høyeste skyvekraften som noen gang er produsert. [1]

Historie

Etter en forespørsel fra det amerikanske luftvåpenet om levering av en rakettmotor med høy kraft, fremmet Rocketdyne i 1955 utviklingen av to motorer, E-1 og den større F-1. Selv om E-1 allerede var i dyno-testfasen på den tiden, ble den snart forlatt for den kraftigere F-1. Til slutt sluttet flyvåpenet, som ikke lenger hadde behov for en aktør for slike forestillinger, å finansiere prosjektet som imidlertid ble overtatt av den nyetablerte NASA . Ingeniør Wernher von Braun fikk ansvaret for arbeidet og de første statiske testene av F-1 ble utført i mars 1959 . Under den første utviklingen viste F-1 betydelige forbrenningsuregelmessigheter som ofte førte til katastrofal ødeleggelse av selve motoren. For å reprodusere problemet på en forutsigbar og kontrollerbar måte, ble forbrenningskammeret modifisert ved å sette inn små eksplosive ladninger i tangentielt monterte rør for å simulere de momentane trykk- og temperatursvingningene som karakteriserte motorens (dårlige) funksjon. Dermed ble det introdusert nye typer drivstoffinjektorer som takket være en spesiell konfigurasjon gjorde det mulig å "dempe" trykktopper og dermed stabilisere forbrenningen. [2]

Teknikk

F-1 består hovedsakelig av et drivstoffsystem, et forbrenningskammer og en konvergerende-divergerende dyse . Drivmidlet, som består av flytende oksygen og RP-1 (en type raffinert parafin med lavt svovelinnhold), injiseres i forbrenningskammeret takket være en 41 MW turbopumpe . Motoren overfører skyvekraften til utskytningskonstruksjonen ved hjelp av et sfærisk lager installert på forbrenningskammerhodet. [3]

Drivstoffsystem

Ledningene som kommer fra tankene for flytende oksygen og RP-1 mater (ved hjelp av to strupeventiler) forbrenningskammeret til turbopumpen som er i stand til å levere totalt 1565 liter flytende oksygen per sekund og 976 liter per sekund med RP- 1. Gassgeneratoren til turbopumpen er utstyrt med elektriske glødeplugger som tillater start av forbrenning som skjer i overkant av drivstoff for å redusere temperaturen på gassene og dermed beskytte veggene til gassgeneratoren (som ikke er avkjølt) og turbinen av turbopumpen.

Flytende oksygen injiseres direkte inn i forbrenningskammeret, mens 70 % av drivstoffet først føres gjennom 178 rør i veggene til dysen og forbrenningskammeret for å avkjøle disse strukturene ved å absorbere (ved regenerering ) varmen.

Eksosgassene som drives ut fra turbinen til turbopumpen (som roterer med 5500 rpm) føres til en varmeveksler dedikert til å varme opp helium og oksygen som er nødvendig for trykksetting av tankene, og til slutt slippes ut i den siste delen av dysen.

Brennkammer

Forbrenningskammeret er koblet til bærerakettens struktur med et kardanledd som tillot de eksterne motorene til det første trinnet av Saturn V å rotere (og dermed kontrollere holdningen til hele vektoren) med omtrent 6 grader. Det flytende oksygenet pumpes gjennom to kanaler arrangert ved 180 ° gjennom en fordelingsplate plassert i den bakre delen av forbrenningskammeret som leder det til injektorene. Injektorene mottar samtidig drivstoffet fra et separat rør og forstøver det i rustfrie stålkonstruksjoner sammensatt av ringer og skott arrangert på en slik måte at forbrenningen blir homogen og demper eventuelle lokale forbigående trykktopper. Forbrenningen fortsetter i kammeret hvis vegger er regenerativt avkjølt av RP-1. Gassene ved høy temperatur (3300 ° C) og trykk (6,65 MPa ) når munnstykket hvor de ved å ekspandere genererer en skyvekraft (ved havnivå) på omtrent 6,77 MN .

Tenningen av motoren er garantert av en patron som inneholder en hypergolisk væske som, i kontakt med oksygen, antennes spontant. Ved tenning bryter overtrykket som genereres av drivstoffet inn i forbrenningskammeret den skjøre membranen til patronen, og frigjør væsken i et uavhengig system av injektorer som utløser forbrenningen som deretter fortsetter autonomt. Når motoren er slått av, kan den ikke slås på igjen.

Eksosmunnstykke

Avgassene fra turbinen til turbopumpen, etter å ha passert gjennom varmeveksleren, føres inn i den siste delen av dysen gjennom en perforert toroidkanal. Den siste delen av dysen (boltet til den første divergerende dyseseksjonen) øker ekspansjonsforholdet fra 10: 1 til 16: 1 og er termisk beskyttet av filmen av relativt kalde gasser (650 ° C) som kommer fra turbinen og innføres jevnt fra toroidkanalen.

Slå på

Å starte motoren krever en ekstern kilde til hydraulisk trykk, et tenningssystem for gassgenerator og hypergolsk væske. Tenningssekvensen forutser åpning av ventilen til den hydrauliske jordledningen til drivstoffet som føres inn i lavtrykksdrivstoffpumpen til turbopumpen. Samtidig åpner den flytende oksygenventilen og strømmer fra tanken inn i gassgeneratoren og hovedforbrenningskammeret. Ved hjelp av elektriske glødeplugger har forbrenningen i gassgeneratoren til turbopumpen startet, som begynner å pumpe oksygen inn i hovedforbrenningskammeret. Når strømningshastigheten og trykket øker, brytes den skjøre membranen til patronen som inneholder den hypergoliske væsken som brenner i kontakt med oksygen. Den påfølgende trykkøkningen beordrer åpningen av RP-1-ventilen som, når den kommer inn i forbrenningskammeret, tenner og opprettholder forbrenningen initiert av den hypergoliske væsken som raskt renner ut. Så snart turbopumpens strømningshastighet og forbrenningskammertrykket når nominelle verdier, kobles jordhydraulikktilførselen fra og RP-1-ventilen i utskytningstanken åpnes. De varme gassene som genereres i forbrenningskammeret er preget av en knallrød farge, mens de svarte røykene som omgir strålen som forlater dysen, skyldes eksosgassene fra turbinen til turbopumpen, produsert i forbrenningen (i overskudd av drivstoff) i gassgeneratoren og deretter injisert ringformet for termisk beskyttelse av eksosdyseforlengelsen. [3]

Avslutning

Avstengningssekvensen innebærer å stenge gassgeneratorens tilførselsventiler, drivstoffledningen og hovedoksygenledningen. Når trykket i forbrenningskammeret synker raskt, åpnes oksygenrenseventilen og lukkes så snart trykket er nullstilt. [3]

Versjoner

Fra Apollo 8 -oppdraget , etter kravene til nyttelasten som hadde økt i mellomtiden, var det nødvendig å modifisere F-1-motorene ved å øke skyvekraften som gikk fra 1 500 000 pund kraft (6,7 MN) for de første oppdragene til 1 553 200 pund kraft (6,909 MN) for Apollo 15 .

På 1960-tallet utviklet Pratt & Whitney en forbedret versjon (F-1A) med en skyvekraft på 1 800 000 pund kraft (8,0 MN) for å utstyre utskytere etter Saturn V, men utskytningslinjen ble stengt før slutten av Apollo-programmet og ingen F-1A har noen gang gått utover benktestfasen.

F-1B booster

Som en del av NASA Space Launch System (SLS)-programmet ble det lansert et anbud for bygging av neste generasjons boostere. I 2012 foreslo Pratt & Whitney Rocketdyne å bruke motorer avledet fra F-1 for å bygge boostere med raketter med flytende drivstoff. [4] [5] I 2013 testet Marshall Space Flight Center -teknikere en original F-1 (serienummer F-6049) som hadde landet fra Apollo 11 på grunn av en mindre funksjonsfeil (og siden den gang ikke lenger ble brukt) som ble bevart kl. Smithsonian Institution . Testene var nødvendige for at NASA igjen skulle bli kjent med prosedyrene og drivmidlene til F-1 med tanke på den utviklede versjonen som skulle brukes i de nye bærerakettene. [6]

Pratt og Whitney , Rocketdyne og Dynetics foreslo Pyrios- boosteren , utstyrt med et par F-1B-motorer, for NASA-programmet. Med en konfigurasjon av to boostere (for totalt fire F-1B-er), vil SLS Block II være i stand til å levere opptil 150 tonn nyttelast i lav bane , [7] over, takket være den overlegne effektiviteten til det flytende drivstoffet , de 113 tonnene som er forutsatt for konfigurasjonen med solid drivmiddelforsterker. [8]

F-1B har som designspesifikasjon en skyvekraft som er minst lik F-1A, men med lavere kostnader. Færre deler og et betydelig forenklet brennkammer er gitt. Eksosgjenvinningssystemet til turbinen til turbopumpen (som i F-1 introduserte gassene, ringformet, i forlengelsen av dysen), har blitt forenklet med innføringen av en separat kanal utenfor dysen (mer kort) av F-1B. Det kompliserte systemet med kjølerør som gikk gjennom brennkammeret og den første delen av munnstykket til F-1 er erstattet av en byggeprosess som innebærer kobling av en innvendig foring med et utvendig belegg av rustfritt stål til innsiden av som drivstoffet får til å strømme for regenerativ kjøling av dysen og forbrenningskammeret. [4] [9] F-1B-motoren forventes å gi en skyvekraft ved havnivå på 1 800 000 lb f (8,0 MN), en økning på omtrent 15 % i forhold til 1 550 000 lb f (6, 9 MN) av F-1-motorene installert på Apollo 15 . [4]

Merknader

  1. ^ W. David Woods, How Apollo Flew to the Moon , Springer, 2008, ISBN 978-0-387-71675-6 , s. 19
  2. ^ F - 1 ENGINE INJECTOR , på heroicrelics.org . Hentet 27. mai 2016 .
  3. ^ a b c ( EN ) F-1 Engine-faktaark ( PDF ), på history.msfc.nasa.gov , NASA . Hentet 1. juni 2016 (arkivert fra originalen 13. april 2016) .
  4. ^ a b c Lee Hutchinson, Ny F-1B rakettmotor oppgraderer design fra Apollo-tiden med 1,8 M lbs skyvekraft , Ars Technica, 15. april 2013. Hentet 15. april 2013 .
  5. ^ Rakettselskaper håper å gjenbruke Saturn 5-motorer på spaceflightnow.com .
  6. ^ Jay Reeves, NASA tester vintage motor fra Apollo 11 rakett , Associated Press, 24. januar 2013. Hentet 24. januar 2013 .
  7. ^ Chris Bergin, Dynetics og PWR som tar sikte på å likvidere SLS-boosterkonkurranse med F-1-kraft , nasaspaceflight.com , 9. november 2012. Hentet 27. desember 2013 .
  8. ^ Tabell 2. ATK Advanced Booster tilfredsstiller NASAs utforskningsløftkrav , på forum.nasaspaceflight.com .
  9. ^ Dynetics rapporterer "enestående" fremgang på F-1B rakettmotor. , Ars Technica, 13. august 2013. Hentet 13. august 2013 .

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker