Rocketdyne F-1 - Rocketdyne F-1

F-1

Especificações do motor de foguete F-1
País de origem	Estados Unidos
Fabricante	Rocketdyne
Motor de combustível líquido
Propulsor	LOX / RP-1
Relação de mistura	2,27 (69% O2, 31% RP-1)
Ciclo	Gerador de gás
atuação
Empuxo (vácuo)	1.746.000 lbf (7.770 kN)
Impulso (nível do mar)	1.522.000 lbf (6.770 kN)
Relação empuxo-peso	94,1
Pressão da câmara	70 bares (1.015 psi; 7 MPa)
Impulso específico (vácuo)	304 s (2,98 km / s)
Impulso específico (nível do mar)	263 s (2,58 km / s)
Fluxo de massa	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)
Tempo de queima	150-163 s
Dimensões
Comprimento	18,5 pés (5,6 m)
Diâmetro	12,2 pés (3,7 m)
Peso seco	18.500 lb (8.400 kg)
Usado em
Saturno V

O F-1 , comumente conhecido como Rocketdyne F1, é um motor de foguete desenvolvido pela Rocketdyne . Este motor usa um ciclo gerador a gás desenvolvido nos Estados Unidos no final dos anos 1950 e usado no foguete Saturn V nos anos 1960 e início dos 1970. Cinco motores F-1 foram usados ​​no primeiro estágio S-IC de cada Saturn V, que serviu como o principal veículo de lançamento do programa Apollo . O F-1 continua sendo o motor de foguete de propelente líquido com câmara única de combustão mais poderoso já desenvolvido.

História

Wernher von Braun com os motores F-1 do primeiro estágio do Saturn V no US Space and Rocket Center

Rocketdyne desenvolveu o F-1 e o E-1 para atender a uma exigência da Força Aérea dos Estados Unidos de 1955 para um motor de foguete muito grande. O E-1, embora testado com sucesso em disparos estáticos, foi rapidamente visto como um beco sem saída tecnológico e foi abandonado pelo F-1 maior e mais poderoso. A Força Aérea acabou interrompendo o desenvolvimento do F-1 por causa da falta de requisitos para um motor tão grande. No entanto, a recém-criada Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) apreciou a utilidade de um motor com tanta potência e contratou a Rocketdyne para concluir seu desenvolvimento. Testes de disparos de componentes F-1 foram realizados já em 1957. O primeiro disparo estático de um F-1 em estágio completo de desenvolvimento foi realizado em março de 1959. O primeiro F-1 foi entregue à NASA MSFC em outubro de 1963. Em dezembro 1964, o F-1 completou os testes de classificação de vôo. Os testes continuaram pelo menos até 1965.

Os primeiros testes de desenvolvimento revelaram sérios problemas de instabilidade de combustão que às vezes causavam falhas catastróficas . Inicialmente, o progresso desse problema era lento, pois era intermitente e imprevisível. Foram observadas oscilações de 4 kHz com harmônicos até 24 kHz. Eventualmente, os engenheiros desenvolveram uma técnica de diagnóstico de detonar pequenas cargas explosivas (que eles chamaram de "bombas") fora da câmara de combustão, através de um tubo tangencial ( RDX , C-4 ou pólvora negra foram usados) enquanto o motor estava disparando. Isso permitiu que eles determinassem exatamente como a câmara de corrida respondia às variações de pressão e como anular essas oscilações. Os projetistas poderiam então experimentar rapidamente diferentes projetos de injetores de combustível coaxial para obter aquele mais resistente à instabilidade. Esses problemas foram resolvidos de 1959 a 1961. Por fim, a combustão do motor era tão estável que amortecia a instabilidade induzida artificialmente em um décimo de segundo.

Projeto

Componentes do motor de foguete F-1

O motor F-1 é o motor de foguete de combustível líquido de bico único mais poderoso já voado. O motor de foguete M-1 foi projetado para ter mais empuxo, mas foi testado apenas no nível de componente. Além disso, o RD-170 produz mais empuxo, mas tem quatro bicos. O F-1 queimava RP-1 ( querosene de grau de foguete ) como combustível e usava oxigênio líquido (LOX) como oxidante. Uma turbobomba foi usada para injetar combustível e oxigênio na câmara de combustão.

Um desafio notável na construção do F-1 foi o resfriamento regenerativo da câmara de impulso. O engenheiro químico Dennis “Dan” Brevik enfrentou a tarefa de garantir que o feixe de tubos da câmara de combustão preliminar e o projeto do coletor produzidos por Al Bokstellar funcionassem bem. Em essência, o trabalho de Brevik era "garantir que não derreta". Por meio dos cálculos de Brevik das características hidrodinâmicas e termodinâmicas do F-1, ele e sua equipe conseguiram resolver um problema conhecido como 'fome'. Isso ocorre quando um desequilíbrio da pressão estática leva a 'pontos quentes' nos coletores. O material usado para o feixe de tubos da câmara de impulso F-1, bandas de reforço e manifold foi Inconel-X750 , uma liga refratária à base de níquel capaz de suportar altas temperaturas.

O coração do motor era a câmara de empuxo, que misturava e queimava o combustível e o oxidante para produzir o empuxo. Uma câmara abobadada no topo do motor servia como um coletor que fornecia oxigênio líquido aos injetores e também servia como suporte para o mancal do cardan que transmitia o impulso ao corpo do foguete. Abaixo dessa cúpula ficavam os injetores, que direcionavam o combustível e o oxidante para a câmara de impulso de uma forma projetada para promover a mistura e a combustão. O combustível era fornecido aos injetores por um coletor separado; parte do combustível viajou primeiro em 178 tubos ao longo do comprimento da câmara de impulso - que formava aproximadamente a metade superior do bocal de exaustão - e voltou para resfriar o bocal.

Um gerador de gás foi usado para acionar uma turbina que acionava bombas de combustível e oxigênio separadas, cada uma alimentando o conjunto da câmara de impulso. A turbina foi movida a 5.500 RPM , produzindo 55.000 cavalos de força de freio (41 MW). A bomba de combustível forneceu 15.471 galões americanos (58.560 litros) de RP-1 por minuto, enquanto a bomba do oxidante entregou 24.811 galões americanos (93.920 l) de oxigênio líquido por minuto. Ambientalmente, a turbobomba era necessária para suportar temperaturas que variam de gás de entrada a 1.500 ° F (820 ° C) a oxigênio líquido a −300 ° F (−184 ° C). Estruturalmente, o combustível era usado para lubrificar e resfriar os mancais da turbina .

Teste de disparo de um motor F-1 na Base da Força Aérea Edwards (As grandes esferas no topo da plataforma são esferas Horton para o combustível e oxidante)

Abaixo da câmara de empuxo ficava a extensão do bico , quase a metade do comprimento do motor. Esta extensão aumentou a taxa de expansão do motor de 10: 1 para 16: 1. A exaustão da turbina era alimentada na extensão do bico por um grande coletor cônico; este gás relativamente frio formou uma película que protegeu a extensão do bico dos gases de exaustão quentes (5.800 ° F (3.200 ° C)).

A cada segundo, um único F-1 queimou 5.683 libras (2.578 kg) de oxidante e combustível: 3.945 lb (1.789 kg) de oxigênio líquido e 1.738 lb (788 kg) de RP-1, gerando 1.500.000 lbf (6,7 MN; 680 tf ) de impulso. Isso equivale a uma taxa de fluxo de 671,4 US gal (2.542 l) por segundo; 413,5 US gal (1.565 l) de LOX e 257,9 US gal (976 l) de RP-1. Durante seus dois minutos e meio de operação, os cinco F-1s impulsionaram o veículo Saturn V a uma altura de 42 milhas (222.000 pés; 68 km) e uma velocidade de 6.164 mph (9.920 km / h). A taxa de fluxo combinada dos cinco F-1s no Saturn V foi de 3.357 US gal (12.710 l) ou 28.415 lb (12.890 kg) por segundo. Cada motor F-1 tinha mais empuxo do que três motores principais do ônibus espacial combinados.

Procedimentos pré e pós-ignição

Durante o teste de disparo estático, o combustível RP-1 à base de querosene deixou depósitos de hidrocarbonetos e vapores no motor após o disparo do teste. Eles tiveram que ser removidos do motor para evitar problemas durante o manuseio do motor e futuras queimadas, e o solvente tricloroetileno (TCE) foi usado para limpar o sistema de combustível do motor imediatamente antes e após cada teste de ignição. O procedimento de limpeza envolveu bombear TCE através do sistema de combustível do motor e deixar o solvente transbordar por um período que varia de vários segundos a 30–35 minutos, dependendo do motor e da gravidade dos depósitos. Para alguns motores, o gerador de gás do motor e a cúpula LOX também foram lavados com TCE antes do teste de disparo. O motor de foguete F-1 teve sua cúpula LOX, gerador de gás e jaqueta de combustível da câmara de empuxo lavados com TCE durante os preparativos de lançamento.

Especificações

Instalação de motores F-1 no Estágio Saturn V S-IC. A extensão do bico está ausente do motor que está sendo instalado.

Fontes:

Melhorias F-1

F-1 em exibição no US Space & Rocket Center em Huntsville, Alabama .

O empuxo e a eficiência do F-1 foram melhorados entre a Apollo 8 (SA-503) e a Apollo 17 (SA-512), o que foi necessário para atender às crescentes demandas de capacidade de carga das missões Apollo posteriores . Houve pequenas variações de desempenho entre os motores em uma determinada missão e variações no empuxo médio entre as missões. Para a Apollo 15 , o desempenho do F-1 foi:

• Empuxo (média, por motor, decolagem ao nível do mar): 1.553.200 lbf (6,909 MN)
• Tempo de gravação: 159 segundos
• Impulso específico : 264,72 s (2,5960 km / s)
• Razão de mistura: 2,2674
• Empuxo de decolagem total do nível do mar S-IC : 7.766.000 lbf (34,54 MN)

Medir e fazer comparações do empuxo do motor de foguete é mais complicado do que pode parecer à primeira vista. Com base na medição real, o empuxo de decolagem da Apollo 15 foi 7.823.000 lbf (34,80 MN), o que equivale a um empuxo F-1 médio de 1.565.000 lbf (6,96 MN) - um pouco mais do que o valor especificado.

Motor F-1 em exibição
no Kennedy Space Center

F-1A após Apollo

Durante a década de 1960, Rocketdyne empreendeu o desenvolvimento do F-1, resultando na nova especificação de motor F-1A. Embora aparentemente muito semelhante ao F-1, o F-1A produziu empuxo cerca de 20% maior, 1.800.000 lbf (8 MN) em testes e teria sido usado em futuros veículos Saturno V na era pós- Apollo . No entanto, a linha de produção do Saturn V foi fechada antes do final do Projeto Apollo e nenhum motor F-1A já voou.

Houve propostas para usar oito motores F-1 no primeiro estágio dos foguetes Saturn C-8 e Nova . Inúmeras propostas foram feitas a partir da década de 1970 para desenvolver novos boosters descartáveis ​​baseados no projeto do motor F-1. Isso inclui o Saturn-Shuttle e o impulsionador Pyrios (veja abaixo) em 2013. Em 2013, nenhum avançou além da fase inicial de estudo. O Comet HLLV teria usado cinco motores F-1A no núcleo principal e dois em cada um dos propulsores.

O F-1 é o maior motor de combustível líquido de câmara única e bico único de maior empuxo já utilizado. Existem motores de combustível sólido maiores , como o Space Shuttle Solid Rocket Booster com um impulso de decolagem ao nível do mar de 2.800.000 lbf (12,45 MN) cada. O soviético (agora russo) RD-170 pode desenvolver mais empuxo do que o F-1, a 1.630.000 lbf (7,25 MN) por motor ao nível do mar, no entanto, cada motor usa quatro câmaras de combustão em vez de uma, para resolver o problema de instabilidade de combustão .

Booster F-1B

O Vulcain para o foguete Ariane 5 usa um projeto de ciclo semelhante ao do motor F-1, com os gases de escape da turbina canalizados diretamente para o mar.

Como parte do programa Space Launch System (SLS), a NASA estava realizando a Advanced Booster Competition , que estava programada para terminar com a seleção de uma configuração de booster vencedora em 2015. Em 2012, a Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) propôs o uso de um derivado do motor F-1 na competição como um foguete de reforço líquido . Em 2013, os engenheiros do Marshall Space Flight Center começaram os testes com um F-1 original, número de série F-6049, que foi removido da Apollo 11 devido a uma falha. O motor nunca foi usado e por muitos anos esteve no Smithsonian Institution . Os testes são projetados para familiarizar novamente a NASA com o design e os propulsores do F-1 em antecipação ao uso de uma versão evoluída do motor em futuras aplicações de vôo no espaço profundo.

Pratt & Whitney , Rocketdyne e Dynetics , Inc. apresentaram um concorrente conhecido como Pyrios no Advanced Booster Program da NASA, que visa encontrar um sucessor mais poderoso para os impulsionadores de foguetes sólidos do ônibus espacial de cinco segmentos destinados às primeiras versões do Sistema de Lançamento Espacial , usando dois motores F-1B de maior empuxo e fortemente modificados por booster. Devido à vantagem potencial do motor em impulsos específicos , se esta configuração F-1B (usando quatro F-1Bs no total) fosse integrada com o SLS Bloco 2, o veículo poderia entregar 150 toneladas (330.000 lb) em órbita baixa da Terra , enquanto 113 toneladas (249.000 lb) é o que é considerado possível com os boosters sólidos planejados combinados com um estágio central RS-25 de quatro motores .

O motor do F-1B tem o objetivo de ser pelo menos tão potente quanto o F-1A não voado, além de ser mais econômico. O projeto incorpora uma câmara de combustão bastante simplificada, um número reduzido de peças do motor e a remoção do sistema de reciclagem de escapamento F-1, incluindo o bocal intermediário de escapamento da turbina e o coletor de resfriamento "cortina" , com o escapamento da turbina tendo um passagem de saída ao lado do bocal principal encurtado no F-1B. A redução no custo das peças é auxiliada pelo uso de fusão seletiva a laser na produção de algumas peças metálicas. O motor F-1B resultante se destina a produzir 1.800.000 lbf (8,0 MN) de empuxo ao nível do mar, um aumento de 15% sobre os aproximadamente 1.550.000 lbf (6,9 MN) de empuxo que os motores Apollo 15 F-1 maduros produziram.

Locais dos motores F-1

Motor F-1 não voado em exibição na Pratt & Whitney (agora Aerojet Rocketdyne ), Canoga Park, Los Angeles

Motor F-1 em exibição no INFINITY Science Center

Sessenta e cinco motores F-1 foram lançados a bordo de treze Saturn Vs, e cada primeiro estágio pousou no Oceano Atlântico. Dez deles seguiram aproximadamente o mesmo azimute de vôo de 72 graus, mas a Apollo 15 e a Apollo 17 seguiram significativamente mais azimutes ao sul (80,088 graus e 91,503 graus, respectivamente). O veículo de lançamento Skylab voou em um azimute mais ao norte para alcançar uma órbita de inclinação mais alta (50 graus contra os habituais 32,5 graus).

Dez motores F-1 foram instalados em dois Saturno Vs de produção que nunca voaram. O primeiro estágio do SA-514 está em exibição no Johnson Space Center em Houston (embora pertencente ao Smithsonian) e o primeiro estágio do SA-515 está em exibição no INFINITY Science Center no John C. Stennis Space Center no Mississippi.

Outros dez motores foram instalados em dois testes de solo que o Saturn Vs nunca teve a intenção de voar. O S-IC-T "All Systems Test Stage", uma réplica de teste de solo, está em exibição como o primeiro estágio de um Saturn V completo no Kennedy Space Center, na Flórida. SA-500D , o veículo de teste dinâmico, está em exibição no US Space and Rocket Center em Huntsville, Alabama .

Um motor de teste está em exibição no Powerhouse Museum em Sydney , Austrália . Foi o 25º entre 114 motores de pesquisa e desenvolvimento construídos pela Rocketdyne e disparou 35 vezes. O motor foi emprestado ao museu pelo National Air and Space Museum do Smithsonian . É o único F-1 em exibição fora dos Estados Unidos.

Um motor F-1, emprestado pelo National Air and Space Museum, está em exibição no Air Zoo em Portage, Michigan .

Um motor F-1 está em um expositor horizontal no Science Museum Oklahoma em Oklahoma City .

O motor F-1 F-6049 é exibido verticalmente no Museum of Flight em Seattle, WA como parte da exibição da Apollo.

Um motor F-1 é instalado verticalmente como um memorial aos construtores de Rocketdyne em De Soto, do outro lado da rua da antiga fábrica de Rocketdyne em Canoga Park, Califórnia. Foi instalado em 1979 e mudou-se do estacionamento do outro lado da rua algum tempo depois de 1980.

Motor F-1 em exibição fora do Museu de História Espacial do Novo México em Alamogordo, NM.

Recuperação

Peças recuperadas do motor F-1 em exposição no Museum of Flight de Seattle .

Injetor do motor F-1 recuperado da missão Apollo 12 em exibição no Museu do Voo em Seattle .

Em 28 de março de 2012, uma equipe financiada por Jeff Bezos , fundador da Amazon.com , relatou que havia localizado os motores do foguete F-1 de uma missão Apollo usando equipamento de sonar. Bezos afirmou que planejava elevar pelo menos um dos motores, que descansam a uma profundidade de 14.000 pés (4.300 m), cerca de 400 milhas (640 km) a leste do Cabo Canaveral, Flórida. No entanto, a condição dos motores, que ficaram submersos por mais de 40 anos, era desconhecida. O administrador da NASA, Charles Bolden, divulgou um comunicado parabenizando Bezos e sua equipe por sua descoberta e desejando-lhes sucesso. Ele também afirmou a posição da NASA de que quaisquer artefatos recuperados permaneceriam propriedade da agência, mas que provavelmente seriam oferecidos ao Smithsonian Institution e outros museus, dependendo do número recuperado.

Em 20 de março de 2013, Bezos anunciou que tinha conseguido trazer peças de um motor F-1 para a superfície e divulgou fotos. Bezos observou: "Muitos dos números de série originais estão faltando ou parcialmente faltando, o que tornará a identificação da missão difícil. Podemos ver mais durante a restauração." O navio de recuperação era Seabed Worker , e tinha a bordo uma equipe de especialistas organizada por Bezos para o esforço de recuperação. Em 19 de julho de 2013, Bezos revelou que o número de série de um dos motores recuperados é Rocketdyne número de série 2044 (equivalente ao número da NASA 6044), o motor # 5 (central) que ajudou Neil Armstrong , Buzz Aldrin e Michael Collins a alcance a Lua com a missão Apollo 11 . As peças recuperadas foram levadas para o Kansas Cosmosphere and Space Center em Hutchinson para o processo de conservação.

Em agosto de 2014, foi revelado que partes de dois motores F-1 diferentes foram recuperados, um da Apollo 11 e um de outro vôo da Apollo, enquanto uma fotografia de um motor limpo foi divulgada. Bezos planeja colocar os motores em exibição em vários lugares, incluindo o National Air and Space Museum em Washington, DC

Em 20 de maio de 2017, a exposição permanente Apollo foi aberta no Museum of Flight em Seattle, WA e exibe artefatos do motor recuperados, incluindo a câmara de empuxo e o injetor da câmara de empuxo do motor número 3 da missão Apollo 12 , bem como um gerador de gás de um motor que impulsionou o vôo da Apollo 16 .

Veja também

• Comparação de motores de foguetes orbitais

Referências

Notas

Bibliografia

• Apollo 15 Press Kit
• Veículo de lançamento Saturn V, relatório de avaliação de voo, AS-510 , MPR-SAT-FE-71-2, 28 de outubro de 1971.

links externos

• E-1 na Encyclopedia Astronautica
• F-1 na Encyclopedia Astronautica
• F-1A na Encyclopedia Astronautica
• NASA SP-4206 Estágios para Saturno - a história oficial do veículo de lançamento Saturno da NASA
• Instruções de operação do motor F-1 (310 MB)
• O motor Saturn V F-1: levando a Apollo à história em Springer.com
• Remembering The Giants: Apollo Rocket Propulsion Development , 2009, John C. Stennis Space Center. Monografia em História Aeroespacial No. 45 NASA
• Como a NASA trouxe o monstruoso motor do "foguete lunar" F-1 de volta à vida
• Novo motor de foguete F-1B atualiza design da era Apollo com 1,8M lbs de empuxo
• Folha de fatos F-1 do escritório de história do MSFC
• Coleção Anthony Young, The University of Alabama in Huntsville Arquivos e coleções especiais Material de pesquisa sobre o desenvolvimento do motor F-1.