| F-1 | |
|---|---|
| Motores F-1 en el escenario S-IC con el creador del cohete Saturno V, Wernher von Braun | |
| Tipo de | LRE |
| Combustible | Queroseno RP-1 |
| oxidante | oxígeno líquido |
| cámaras de combustión | una |
| País | EE.UU |
| Uso | |
| Tiempo de funcionamiento | 1967 - 1973 _ |
| Solicitud | " Saturno V " (primera etapa, S-IC ) |
| Desarrollo | F-1A, F-1B |
| Producción | |
| tiempo de creación | 1959 |
| Fabricante | Rocketdyne |
Características de peso y tamaño. |
|
| Peso | 9 115 (seco - 8 353) kg |
| Altura | 5,79 metros |
| Diámetro | 3,76 metros |
| Características de funcionamiento | |
| empuje |
Vacío: 790 tf (7,77 MN ) Ur. mar: 690 tf (6,77 MN ) |
| Impulso específico |
Nivel del mar: 263 s Vacío: 304 s |
| Horas Laborales | 165 segundos |
| Presión en la cámara de combustión |
7 MPa (69,1 atm ) |
| Grado de expansión | dieciséis |
| Relación oxidante/combustible | 2.27 |
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El F-1 es un motor cohete de propulsante líquido (LRE) estadounidense desarrollado por Rocketdyne . Utilizado en el vehículo de lanzamiento Saturno V. Se utilizaron cinco motores F-1 en la primera etapa del Saturno V, S-IC . Para 2008 [1] fue el motor cohete de cámara única más potente en vuelo.
El motor utilizaba queroseno RP-1 como combustible y oxígeno líquido como oxidante .
Antes de la creación del motor de cohete de propulsante líquido RD-170 (740 tf de empuje) y del propulsor lateral de propulsor sólido del transbordador espacial, el motor de cohete F-1 era el motor de cohete volador más poderoso. . Para 2018, el motor de cohete de propulsor líquido de una sola cámara más potente jamás volado (el motor M-1 tenía más empuje y se probó en un banco pero nunca se usó).
El F-1 fue desarrollado originalmente por Rocketdyne en respuesta a una solicitud de la USAF de 1955 para poder construir un motor de cohete muy grande. El resultado final de esta solicitud fueron dos motores diferentes, el E-1 y el F-1 más grande. El motor E-1, aunque se disparó con éxito en el banco de pruebas, se reconoció rápidamente como una opción tecnológicamente sin salida y se canceló a favor del F-1 más grande y potente. Posteriormente, la Fuerza Aérea de EE. UU. Detuvo el desarrollo adicional del F-1 debido a la falta de aplicaciones para un motor tan grande. Sin embargo, la NASA , creada durante este período de tiempo, apreció los beneficios que podría traer un motor de tal potencia, y firmó un contrato con Rocketdyne para completar su desarrollo. Las pruebas de las unidades F-1 comenzaron en 1957. La primera prueba de fuego de un F-1 experimental completamente ensamblado se realizó en marzo de 1959 [2] .
Siete años de desarrollo y pruebas de los motores F-1 revelaron serios problemas con la inestabilidad de la combustión, lo que a veces condujo a accidentes catastróficos. El trabajo para solucionar este problema fue inicialmente lento, ya que aparecía de forma intermitente e impredecible. El desarrollo del motor tomó varios años, durante los cuales se llevaron a cabo 1332 pruebas de cámara de combustión de tamaño completo con 108 opciones de cabeza de inyector y más de 800 pruebas de elementos. El costo total de la obra superó los $4 mil millones. El refinamiento se llevó a cabo en las siguientes áreas: aumento de las pérdidas acústicas en la cámara de combustión mediante la introducción de deflectores enfriados e instalación de absorbentes acústicos; disminuir las propiedades amplificadoras de la zona de combustión al deteriorar la calidad de la atomización; estirar la zona de combustión a lo largo de la cámara de combustión; reduciendo el consumo de combustible para la cortina de aire [3] [4] .
Finalmente, los ingenieros desarrollaron una técnica para detonar pequeñas cargas explosivas (a las que llamaron "bombas") ubicadas fuera de la cámara de combustión en toberas tangenciales durante las pruebas de fuego. Este método permitió determinar la respuesta de la cámara a un salto de presión. Los diseñadores pudieron experimentar rápidamente con diferentes cabezales de boquilla para encontrar la opción más sostenible. Trabajaron en estos problemas desde 1962 hasta 1965 [5] [6] . En el diseño final, la combustión en el motor era tan estable que podía extinguir de forma independiente una inestabilidad inducida artificialmente en una décima de segundo.
Sobre el papel de George Miller en el programa de pruebas de confiabilidad en tierra [7]Una característica de las pruebas previas al vuelo de los sistemas de misiles Saturn-5 fue la minuciosidad sin precedentes para garantizar la alta confiabilidad requerida del sistema de misiles. Uno de los jefes de la Dirección de Vuelo Tripulado de la NASA, George Edwin Miller , responsable de la confiabilidad del sistema del cohete, se basó en las pruebas del motor del cohete en el banco de tierra <...> A principios de la década de 1960, se creó una base de banco única en el Centro Espacial Marshall . Incluía un puesto de tiro para probar motores F-1 y varios puestos para pruebas de fuego prevuelo de la primera, segunda y tercera etapa del vehículo de lanzamiento (LV) Saturn-5, así como puestos para pruebas estáticas y dinámicas del LV en estado suspendido . El tiempo total de funcionamiento de los motores F-1 fue de más de 18.000 s. En la fase final de las pruebas, el motor se encendió 20 veces sin sacarlo del stand, mientras que su tiempo de funcionamiento fue de 2.250 s.Se proporcionó un control de tres etapas de la idoneidad de los motores para el vuelo: dos pruebas de fuego de control de cada instancia de motor antes de la instalación en una etapa de cohete, una tercera prueba de fuego como parte de una etapa. Tal técnica para monitorear la confiabilidad de los motores requería mucho tiempo y era económicamente costosa, pero su aplicación valió la pena con el funcionamiento sin problemas de los motores durante todo el programa Lunar [8] .
Como parte del programa Space Launch System , la NASA realizó una competencia para el desarrollo de propulsores laterales con el objetivo de elegir un ganador para fines de 2015. En 2012, Pratt & Whitney Rocketdyne propuso usar un refuerzo líquido con una nueva versión del F-1. [9]
En 2013, los ingenieros de la NASA decidieron mirar a la generación anterior de ingenieros que construyeron el F-1. Como parte del programa de desarrollo de portaaviones pesados SLS , se probó el generador de gas del motor F-1. [10] La prueba se realizó gracias a los jóvenes ingenieros del Centro Espacial Marshall que desmantelaron y escanearon en 3D un motor, con el número F-6090 , planeado para su uso en la misión cancelada Apolo 19 . De acuerdo con los planos recibidos, se ensamblaron nuevas piezas para el generador de gas a partir del motor con el número F-6049 , que fue probado. [11] .
Pratt & Whitney , Aerojet Rocketdyne y Dynetics participaron en la prueba y, como parte de la competencia por propulsores, propusieron un desarrollo llamado Pyrios para reemplazar los propulsores de cinco segmentos de estado sólido del transbordador espacial MTKK planeados para su uso en las primeras versiones del Sistema de lanzamiento espacial. Se planea que Pyrios sea un propulsor líquido con dos motores F-1B y, si se instala en el SLS Block II, el propulsor podría enviar 150 toneladas a una órbita de referencia baja . [12] .
La parte principal del motor era la cámara de combustión, en la que se mezclaban y quemaban el combustible y el oxidante, creando empuje. Una cámara abovedada en la parte superior del motor servía como conducto de distribución que suministraba oxígeno líquido a los inyectores y también servía como soporte para un cardán que transmitía la fuerza al cuerpo del cohete. Debajo de esta cúpula se encontraban los inyectores, a través de los cuales se dirigía el combustible y el comburente directamente a la cámara de combustión, fueron diseñados de tal manera que aseguraran una buena mezcla y combustión de los componentes. El combustible se suministró a la cabeza de la boquilla desde una tubería de distribución separada; parte del combustible se conducía a través de 178 conductos dispuestos a lo largo de toda la cámara de combustión, que ocupaban casi toda la mitad superior de la tobera , y regresaban enfriando la cámara [13] [14] .
Los gases de escape del gasificador se usaron para hacer girar una turbina que impulsaba bombas separadas de combustible y oxidante que alimentaban los sistemas de la cámara de combustión. El generador de gas hizo girar la turbina a una velocidad de 5.500 rpm, dando una potencia de 55.000 caballos de fuerza (41 MW). La bomba de combustible bombeaba 58.564 litros de queroseno RP-1 por minuto, mientras que la bomba oxidante bombeaba 93.920 litros de oxígeno líquido por minuto. En cuanto a las condiciones de funcionamiento, la turbobomba era capaz de soportar un rango de temperatura de 800 °C (1500 °F) de temperatura del gas del generador de gas a -180 °C (-300 °F) de temperatura del oxígeno líquido. El combustible también se utilizó para enfriar los cojinetes de la turbina y, junto con el aditivo RB0140-006 ( dialquilditiofosfato de zinc ), para lubricar los engranajes de la turbobomba [15] .
Debajo de la cámara de combustión había una tobera de tobera , que ocupaba aproximadamente la mitad de la longitud del motor. Este accesorio aumentó la relación de expansión del motor de 10:1 a 16:1. El escape del generador de gas de la turbobomba fue conducido a la boquilla por una gran tubería convergente; este gas relativamente frío formó una capa que protegió la boquilla de los gases de escape calientes (3200 °C) de la cámara de combustión. [dieciséis]
El F-1 quemó 1.789 kg (3.945 lb) de oxígeno líquido y 788 kg (1.738 lb) de queroseno RP-1 cada segundo de funcionamiento, produciendo 6,7 MN ( 1.500.000 lbf ) de empuje. Esto es igual al caudal de 1.565 litros (413,5 gal EE.UU. ) de oxígeno líquido y 976 litros (257,9 gal EE.UU.) de queroseno por segundo. Durante sus dos minutos y medio de operación, cinco motores F-1 elevaron el propulsor Saturn V a una altitud de 68 km, dándole una velocidad de 2,76 km/s (9920 km/h). El flujo de fluido combinado de los cinco motores F-1 en el Saturno V fue de 12 710 litros (3357 galones estadounidenses) por segundo, lo que podría vaciar una piscina de 110 000 litros (30 000 galones estadounidenses) en 8,9 segundos [16] . Un motor F-1 tenía más empuje (690 toneladas) que los tres motores principales del transbordador ( SSME ) combinados. [17] El empuje de un F-1 es aproximadamente igual al empuje de todo el sistema de propulsión de la primera etapa de 9 motores del moderno cohete Falcon 9 con una eficiencia ligeramente inferior: Merlin 1D + 282 impulso específico a una presión en la cámara de 97 atm. contra 265 s a 69 atm. en F-1.
El académico Boris Katorgin valoró mucho el grado de perfección técnica del F-1 [18] .
El archivo de documentación de diseño para el motor F-1 (12 volúmenes con un volumen total de más de 3800 páginas) está disponible gratuitamente [19] .
En marzo de 2012, el empresario estadounidense Jeff Bezos anunció que un grupo de arqueólogos submarinos financiado por él había descubierto restos de motores F-1 mediante sonar en el fondo del Océano Atlántico , a una profundidad de unos 4300 metros [20] [21] .
En mayo de 2017, algunos de los artefactos descubiertos se exhibieron en el Museo de Aviación de Seattle [22] .