Rocketdyne F-1 - Rocketdyne F-1

F-1
Moteur de fusée F-1.jpg
Spécifications du moteur de fusée F-1
Pays d'origine États Unis
Fabricant Rocketdyne
Moteur à carburant liquide
Propergol LOX / RP-1
Rapport de mélange 2,27 (69 % O2, 31 % RP-1)
Cycle Générateur de gaz
Performance
Poussée (vide) 1 746 000 lbf (7 770 kN)
Poussée (niveau de la mer) 1 522 000 lbf (6 770 kN)
Rapport poussée/poids 94,1
Pression de la chambre 70 bars (1 015 psi ; 7 MPa)
Impulsion spécifique (vide) 304 s (2,98 km/s)
Impulsion spécifique (niveau de la mer) 263 s (2,58 km/s)
Débit massique 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)
Temps de combustion 150-163 s
Dimensions
Longueur 18,5 pieds (5,6 m)
Diamètre 12,2 pieds (3,7 m)
Poids sec 18 500 lb (8 400 kg)
Utilisé dans
Saturne V

Le F-1 , communément appelé Rocketdyne F1, est un moteur-fusée développé par Rocketdyne . Ce moteur utilise un cycle de générateur de gaz développé aux États-Unis à la fin des années 1950 et utilisé dans la fusée Saturn V dans les années 1960 et au début des années 1970. Cinq moteurs F-1 ont été utilisés dans le premier étage S-IC de chaque Saturn V, qui a servi de lanceur principal du programme Apollo . Le F-1 reste le moteur de fusée à propergol liquide à chambre de combustion unique le plus puissant jamais développé.

Histoire

Wernher von Braun avec les moteurs F-1 du premier étage de Saturn V au US Space and Rocket Center

Rocketdyne a développé le F-1 et l' E-1 pour répondre à un besoin de l'US Air Force en 1955 pour un très gros moteur de fusée. Le E-1, bien que testé avec succès en tir statique, fut rapidement considéré comme une impasse technologique et fut abandonné pour le F-1 plus gros et plus puissant. L'Air Force a finalement arrêté le développement du F-1 en raison d'un manque d'exigences pour un moteur aussi gros. Cependant, l' Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace (NASA) récemment créée a apprécié l'utilité d'un moteur avec autant de puissance et a engagé Rocketdyne pour achever son développement. Des essais de tir de composants F-1 avaient été effectués dès 1957. Le premier tir statique d'un F-1 de développement complet a été effectué en mars 1959. Le premier F-1 a été livré à la NASA MSFC en octobre 1963. En décembre 1964, le F-1 a terminé les tests de qualification de vol. Les tests se sont poursuivis au moins jusqu'en 1965.

Les premiers tests de développement ont révélé de graves problèmes d' instabilité de combustion qui ont parfois causé des défaillances catastrophiques . Initialement, les progrès sur ce problème étaient lents, car ils étaient intermittents et imprévisibles. Des oscillations de 4 kHz avec des harmoniques à 24 kHz ont été observées. Finalement, les ingénieurs ont développé une technique de diagnostic consistant à faire exploser de petites charges explosives (qu'ils ont appelées « bombes ») à l'extérieur de la chambre de combustion, à travers un tube tangentiel ( RDX , C-4 ou poudre noire ont été utilisés) pendant que le moteur tirait. Cela leur a permis de déterminer exactement comment la chambre de marche réagissait aux variations de pression et de déterminer comment annuler ces oscillations. Les concepteurs pourraient alors expérimenter rapidement différentes conceptions d'injecteurs coaxiaux pour obtenir la plus résistante à l'instabilité. Ces problèmes ont été résolus de 1959 à 1961. Finalement, la combustion du moteur était si stable qu'elle auto-amortissait artificiellement l'instabilité induite en un dixième de seconde.

Concevoir

Composants du moteur-fusée F-1

Le moteur F-1 est le moteur de fusée à carburant liquide à tuyère unique le plus puissant jamais utilisé. Le moteur-fusée M-1 a été conçu pour avoir plus de poussée, mais il n'a été testé qu'au niveau des composants. De plus, le RD-170 produit plus de poussée, mais dispose de quatre tuyères. Le F-1 brûlait du RP-1 ( kérosène de qualité fusée ) comme carburant et utilisait de l'oxygène liquide (LOX) comme comburant. Une turbopompe a été utilisée pour injecter du carburant et de l'oxygène dans la chambre de combustion.

Un défi notable dans la construction du F-1 était le refroidissement régénératif de la chambre de poussée. L'ingénieur chimiste Dennis « Dan » Brevik devait s'assurer que le faisceau de tubes de la chambre de combustion et la conception du collecteur préliminaires produits par Al Bokstellar fonctionneraient à froid. En substance, le travail de Brevik consistait à « s'assurer qu'il ne fonde pas ». Grâce aux calculs de Brevik sur les caractéristiques hydrodynamiques et thermodynamiques du F-1, lui et son équipe ont pu résoudre un problème connu sous le nom de « famine ». C'est à ce moment qu'un déséquilibre de la pression statique conduit à des « points chauds » dans les collecteurs. Le matériau utilisé pour le faisceau de tubes de la chambre de poussée F-1, les bandes de renforcement et le collecteur était l' Inconel-X750 , un alliage réfractaire à base de nickel capable de résister à des températures élevées.

Le cœur du moteur était la chambre de poussée, qui mélangeait et brûlait le carburant et l'oxydant pour produire la poussée. Une chambre en forme de dôme au sommet du moteur servait de collecteur fournissant de l'oxygène liquide aux injecteurs , et servait également de support pour le palier de cardan qui transmettait la poussée au corps de la fusée. Sous ce dôme se trouvaient les injecteurs, qui dirigeaient le carburant et le comburant dans la chambre de poussée d'une manière conçue pour favoriser le mélange et la combustion. Le carburant était fourni aux injecteurs à partir d'un collecteur séparé; une partie du carburant a d'abord voyagé dans 178 tubes le long de la chambre de poussée - qui formait approximativement la moitié supérieure de la tuyère d'échappement - et retour afin de refroidir la tuyère.

Un générateur de gaz a été utilisé pour entraîner une turbine qui entraînait des pompes à carburant et à oxygène séparées, chacune alimentant l'ensemble de la chambre de poussée. La turbine fonctionnait à 5 500 tr / min , produisant 55 000 chevaux-vapeur (41 MW). La pompe à carburant a fourni 15 471 gallons américains (58 560 litres) de RP-1 par minute, tandis que la pompe à oxydant a fourni 24 811 gallons américains (93 920 l) d'oxygène liquide par minute. Sur le plan environnemental, la turbopompe devait résister à des températures allant du gaz d'entrée à 1 500 °F (820 °C) à l'oxygène liquide à -300 °F (-184 °C). Structurellement, le carburant a été utilisé pour lubrifier et refroidir les roulements de la turbine .

Test de tir d'un moteur F-1 à Edwards Air Force Base (les grandes sphères au sommet de la plate-forme sont des sphères Horton pour le carburant et l'oxydant)

Sous la chambre de poussée se trouvait le prolongement de la tuyère , environ la moitié de la longueur du moteur. Cette extension a augmenté le taux d'expansion du moteur de 10:1 à 16:1. L'échappement de la turbine était alimenté dans le prolongement de la tuyère par un grand collecteur conique; ce gaz relativement froid formait un film qui protégeait le prolongement de la buse des gaz d'échappement chauds (5 800 °F (3 200 °C)).

Chaque seconde, un seul F-1 a brûlé 5 683 livres (2 578 kg) d'oxydant et de carburant : 3 945 lb (1 789 kg) d'oxygène liquide et 1 738 lb (788 kg) de RP-1, générant 1 500 000 lbf (6,7 MN ; 680 tf ) de poussée. Cela équivalait à un débit de 671,4 gal US (2 542 l) par seconde ; 413,5 gal US (1 565 l) de LOX et 257,9 gal US (976 l) de RP-1. Au cours de leurs deux minutes et demie de fonctionnement, les cinq F-1 ont propulsé le véhicule Saturn V à une hauteur de 42 milles (222 000 pieds; 68 km) et à une vitesse de 6 164 mph (9 920 km/h). Le débit combiné des cinq F-1 de la Saturn V était de 3 357 gal US (12 710 l) ou 28 415 lb (12 890 kg) par seconde. Chaque moteur F-1 avait plus de poussée que trois moteurs principaux de la navette spatiale combinés.

Procédures pré et post allumage

Au cours de l'essai de tir statique, le carburant RP-1 à base de kérosène a laissé des dépôts et des vapeurs d' hydrocarbures dans le moteur après l'essai de tir. Ceux-ci ont dû être retirés du moteur pour éviter les problèmes lors de la manipulation du moteur et de l'allumage futur, et le solvant trichloréthylène (TCE) a été utilisé pour nettoyer le système de carburant du moteur immédiatement avant et après chaque essai d'allumage. La procédure de nettoyage impliquait de pomper du TCE dans le système de carburant du moteur et de laisser déborder le solvant pendant une période allant de quelques secondes à 30 à 35 minutes, selon le moteur et la gravité des dépôts. Pour certains moteurs, le générateur de gaz du moteur et le dôme LOX ont également été rincés au TCE avant l'essai de tir. Le moteur-fusée F-1 avait son dôme LOX, son générateur de gaz et sa chemise de carburant de chambre de poussée rincés au TCE pendant les préparatifs du lancement.

Caractéristiques

Installation de moteurs F-1 sur la scène Saturn V S-IC. L' extension de buse est absente du moteur en cours d'installation.
Apollo 4, 6 et 8 Apollo 9-17
Poussée , niveau de la mer 1 500 000 lbf (6,7 MN) 1 522 000 lbf (6,77 MN)
Temps de combustion 150 secondes 165 secondes
Impulsion spécifique 260 s (2,5 km/s) 263 s (2,58 km/s)
Pression de la chambre 70 bars (1 015 psi ; 7 MPa) 70 bars (1 015 psi ; 7 MPa)
Poids du moteur à sec 18 416 livres (8 353 kg) 18 500 lb (8 400 kg)
épuisement du poids du moteur 20 096 livres (9 115 kg) 20 180 livres (9 150 kg)
Hauteur 19 pi (5,8 m)
Diamètre 12,3 pi (3,7 m)
Ratio sortie/gorge 16:1
Propulseurs LOX et RP-1
Rapport de masse du mélange 2.27:1 comburant au carburant
Prestataire NAA/Rocketdyne
Demande de véhicule Saturn V / S-IC 1er étage - 5 moteurs

Sources:

Améliorations du F-1

La poussée et l'efficacité du F-1 ont été améliorées entre Apollo 8 (SA-503) et Apollo 17 (SA-512), ce qui était nécessaire pour répondre aux demandes croissantes de capacité de charge utile des missions Apollo ultérieures . Il y avait de petites variations de performances entre les moteurs sur une mission donnée, et des variations de poussée moyenne entre les missions. Pour Apollo 15 , les performances du F-1 étaient :

  • Poussée (moyenne, par moteur, décollage au niveau de la mer) : 1 553 200 lbf (6 909 MN)
  • Temps de combustion : 159 secondes
  • Impulsion spécifique : 264,72 s (2,5960 km/s)
  • Rapport de mélange : 2,2674
  • Poussée totale au décollage au niveau de la mer S-IC : 7 766 000 lbf (34,54 MN)

Mesurer et comparer la poussée des moteurs-fusées est plus compliqué qu'il n'y paraît au premier abord. Sur la base des mesures réelles, la poussée au décollage d' Apollo 15 était de 7 823 000 lbf (34,80 MN), ce qui équivaut à une poussée moyenne du F-1 de 1 565 000 lbf (6,96 MN) – légèrement plus que la valeur spécifiée.

Moteur F-1 exposé
au Kennedy Space Center

F-1A après Apollo

Au cours des années 1960, Rocketdyne a entrepris d'améliorer le développement du F-1, ce qui a donné lieu à la nouvelle spécification de moteur F-1A. Bien qu'extérieurement très similaire au F-1, le F-1A a produit une poussée supérieure d'environ 20%, 1 800 000 lbf (8 MN) lors des tests, et aurait été utilisé sur les futurs véhicules Saturn V dans l' ère post- Apollo . Cependant, la chaîne de production de Saturn V a été fermée avant la fin du projet Apollo et aucun moteur F-1A n'a jamais volé.

Il y a eu des propositions d'utiliser huit moteurs F-1 sur le premier étage des fusées Saturn C-8 et Nova . De nombreuses propositions ont été faites à partir des années 1970 pour développer de nouveaux boosters consommables basés sur la conception du moteur F-1. Ceux-ci incluent le Saturn-Shuttle et le booster Pyrios (voir ci-dessous) en 2013. En 2013, aucun n'a dépassé la phase d'étude initiale. Le Comet HLLV aurait utilisé cinq moteurs F-1A sur le noyau principal et deux sur chacun des boosters.

Le F-1 est le plus gros moteur à carburant liquide à une chambre et à une tuyère à la poussée la plus élevée. Il existe de plus gros moteurs à combustible solide , tels que le Space Shuttle Solid Rocket Booster avec une poussée au décollage au niveau de la mer de 2 800 000 lbf (12,45 MN) chacun. Le RD-170 soviétique (maintenant russe) peut développer plus de poussée que le F-1, à 1 630 000 lbf (7,25 MN) par moteur au niveau de la mer, cependant, chaque moteur utilise quatre chambres de combustion au lieu d'une, pour résoudre le problème d'instabilité de combustion .

Booster F-1B

Le Vulcain pour la fusée Ariane 5 utilise une conception de cycle similaire au moteur F-1, avec les gaz d'échappement de la turbine acheminés directement par-dessus bord.

Dans le cadre du programme Space Launch System (SLS), la NASA avait organisé l' Advanced Booster Competition , qui devait se terminer par la sélection d'une configuration de booster gagnante en 2015. En 2012, Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) a proposé d'utiliser un dérivé du moteur F-1 en compétition comme propulseur de fusée liquide . En 2013, les ingénieurs du Marshall Space Flight Center ont commencé des tests avec un F-1 d'origine, numéro de série F-6049, qui a été retiré d'Apollo 11 en raison d'un problème. Le moteur n'a jamais été utilisé, et pendant de nombreuses années, il était à la Smithsonian Institution . Les tests sont conçus pour familiariser la NASA avec la conception et les propulseurs du F-1 en prévision de l'utilisation d'une version évoluée du moteur dans les futures applications de vol dans l'espace lointain.

Pratt & Whitney , Rocketdyne et Dynetics , Inc. ont présenté un concurrent connu sous le nom de Pyrios dans le programme Advanced Booster de la NASA, qui vise à trouver un successeur plus puissant aux boosters à cinq segments de la navette spatiale Solid Rocket destinés aux premières versions du système de lancement spatial. , utilisant deux moteurs F-1B à poussée accrue et fortement modifiés par booster. En raison de l'avantage potentiel du moteur en impulsion spécifique , si cette configuration F-1B (utilisant quatre F-1B au total) était intégrée au SLS Block 2, le véhicule pourrait livrer 150 tonnes (330 000 lb) en orbite terrestre basse , tandis que 113 tonnes (249 000 lb) est ce qui est considéré comme réalisable avec les boosters solides prévus combinés à un étage de base RS-25 à quatre moteurs .

Le moteur du F-1B a pour objectif d'être au moins aussi puissant que le F-1A non piloté, tout en étant plus rentable. La conception intègre une chambre de combustion grandement simplifiée, un nombre réduit de pièces de moteur et la suppression du système de recyclage des gaz d'échappement F-1, y compris la tuyère centrale d'échappement de la turbine et le collecteur de refroidissement « rideau » , l'échappement de la turbine ayant un passage de sortie à côté de la buse principale raccourcie sur le F-1B. La réduction des coûts des pièces est facilitée par l'utilisation de la fusion laser sélective dans la production de certaines pièces métalliques. Le moteur F-1B résultant est destiné à produire 1 800 000 lbf (8,0 MN) de poussée au niveau de la mer, soit une augmentation de 15 % par rapport à la poussée approximative de 1 550 000 lbf (6,9 MN) produite par les moteurs Apollo 15 F-1 matures .

Emplacements des moteurs F-1

Moteur F-1 non piloté exposé à Pratt & Whitney (maintenant Aerojet Rocketdyne ), Canoga Park, Los Angeles
Moteur F-1 exposé au INFINITY Science Center

Soixante-cinq moteurs F-1 ont été lancés à bord de treize Saturn V, et chaque premier étage a atterri dans l'océan Atlantique. Dix d'entre eux suivaient approximativement le même azimut de vol de 72 degrés, mais Apollo 15 et Apollo 17 suivaient des azimuts nettement plus au sud (80,088 degrés et 91,503 degrés, respectivement). Le lanceur Skylab a volé à un azimut plus au nord pour atteindre une orbite d'inclinaison plus élevée (50 degrés contre les 32,5 degrés habituels).

Dix moteurs F-1 ont été installés sur deux Saturn V de série qui n'ont jamais volé. Le premier étage du SA-514 est exposé au Johnson Space Center de Houston (bien qu'appartenant au Smithsonian) et le premier étage du SA-515 est exposé au INFINITY Science Center du John C. Stennis Space Center au Mississippi.

Dix autres moteurs ont été installés sur deux Saturn V d'essai au sol n'ayant jamais eu l'intention de voler. Le S-IC-T "All Systems Test Stage", une réplique d'essai au sol, est exposé en tant que premier étage d'un Saturn V complet au Kennedy Space Center en Floride. SA-500D , le véhicule d'essai dynamique, est exposé au US Space and Rocket Center à Huntsville, Alabama .

Un moteur d'essai est exposé au Powerhouse Museum de Sydney , en Australie . C'était le 25e des 114 moteurs de recherche et développement construits par Rocketdyne et il a été tiré 35 fois. Le moteur est prêté au musée par le Smithsonian's National Air and Space Museum . C'est le seul F-1 exposé en dehors des États-Unis.

Un moteur F-1, prêté par le National Air and Space Museum, est exposé au Air Zoo de Portage, Michigan .

Un moteur F-1 est sur un présentoir horizontal au Science Museum Oklahoma à Oklahoma City .

Le moteur F-1 F-6049 est exposé verticalement au Museum of Flight de Seattle, WA dans le cadre de l'exposition Apollo.

Un moteur F-1 est installé verticalement comme un mémorial aux constructeurs de Rocketdyne sur De Soto en face de l'ancienne usine Rocketdyne à Canoga Park, en Californie. Il a été installé en 1979 et a été déplacé du parking de l'autre côté de la rue quelque temps après 1980.

Moteur F-1 exposé à l'extérieur du Musée d'histoire de l'espace du Nouveau-Mexique à Alamogordo, NM.

Récupération

Pièces de moteur F-1 récupérées exposées au Museum of Flight de Seattle .
Injecteur de moteur F-1 récupéré de la mission Apollo 12 exposé au Museum of Flight de Seattle .

Le 28 mars 2012, une équipe financée par Jeff Bezos , fondateur d' Amazon.com , a rapporté avoir localisé les moteurs de fusée F-1 d'une mission Apollo à l'aide d'un équipement sonar. Bezos a déclaré qu'il prévoyait de soulever au moins un des moteurs, qui repose à une profondeur de 14 000 pieds (4 300 m), à environ 400 miles (640 km) à l'est de Cap Canaveral, en Floride. Cependant, l'état des moteurs, qui ont été immergés pendant plus de 40 ans, était inconnu. L'administrateur de la NASA, Charles Bolden, a publié une déclaration félicitant Bezos et son équipe pour leur découverte et leur souhaitant du succès. Il a également affirmé la position de la NASA selon laquelle tous les artefacts récupérés resteraient la propriété de l'agence, mais qu'ils seraient probablement offerts à la Smithsonian Institution et à d'autres musées, en fonction du nombre récupéré.

Le 20 mars 2013, Bezos a annoncé qu'il avait réussi à faire remonter des pièces d'un moteur F-1 à la surface et a publié des photographies. Bezos a noté: "Beaucoup des numéros de série d'origine sont manquants ou partiellement manquants, ce qui va rendre l'identification de la mission difficile. Nous pourrions en voir plus pendant la restauration." Le navire de récupération était Seabed Worker et avait à son bord une équipe de spécialistes organisée par Bezos pour l'effort de récupération. Le 19 juillet 2013, Bezos a révélé que le numéro de série de l'un des moteurs récupérés est le numéro de série 2044 de Rocketdyne (équivalent au numéro de la NASA 6044), le moteur n°5 (au centre) qui a aidé Neil Armstrong , Buzz Aldrin et Michael Collins à atteindre la Lune avec la mission Apollo 11 . Les pièces récupérées ont été amenées au Kansas Cosmosphere and Space Center à Hutchinson pour le processus de conservation.

En août 2014, il a été révélé que des parties de deux moteurs F-1 différents avaient été récupérées, l'une d'Apollo 11 et l'autre d'un autre vol Apollo, tandis qu'une photographie d'un moteur nettoyé était publiée. Bezos prévoit d'exposer les moteurs à divers endroits, notamment au National Air and Space Museum de Washington, DC

Le 20 mai 2017, l'exposition permanente Apollo a ouvert ses portes au Museum of Flight de Seattle, WA et présente des artefacts de moteur récupérés, notamment la chambre de poussée et l'injecteur de chambre de poussée du moteur numéro 3 de la mission Apollo 12 , ainsi qu'un générateur de gaz de un moteur qui a propulsé le vol Apollo 16 .

Voir également

Les références

Remarques
Bibliographie

Liens externes