Rocketdyne F-1

Rocketdyne F-1 oli rakettmootor, mille arendas NASA tellimusel välja USA firma Rocketdyne.

Mootorit kasutati kanderaketi Saturn V esimeses astmes, mis viis esimesed inimesed Kuule. F-1 mootorid kasutati kõigil Saturn V startidel ja neist ei ebaõnnestunud ükski. F-1 on siiani võimsaim ühe põlemiskambriga rakettmootor.

F-1 mootorit arendati algselt õhujõudude jaoks, kes oli 1955. aastal esitanud tellimuse suurele rakettmootorile. Hiljem sooviti kahte mootorit ja tulemuseks oli, et Rocketdyne töötas välja mootorid E-1 ja F-1. Lõpuks tühistasid õhujõud tellimuse, sest nad ei vajanud nii võimsat mootorit nagu F-1. Siiski võttis Rocketdyne'iga ühendust NASA, kes oli nii võimsast mootorist huvitatud ja soovis, et see lõpuni arendataks. Esimene F-1 tarniti NASA-le oktoobris 1963.

1965. aastal avastasid insenerid, et alates teatud põlemiskambri suurusest ja sellesse sissepumbatava kütuse hulgast tekib põlemiskambris tugev turbulents ning sellest omakorda ohtlik kõrgsageduslik vibratsioon, mis võib viia avariini. Insenerid testisid sadu lahendusi, aga töökindel lahendus leiti siis, kui kütuse ja hapniku sisselaskeavades võeti kasutusele paljude väikeste avadega sõelataolised vaheplaadid. Mootorit testiti kuni 1966. aastani.

F-1 mootor on võimsaim ühe düüsiga vedelikukütusega rakettmootor, mis eales lennanud. Rakettmootor M-1 oli konstrueeritud suurema tõukejõuga, kuid seda katsetati ainult komponentide tasemel. Ka RD-170 tekitab suuremat tõukejõudu, kuid sellel on neli düüsi. F-1 põletas kütusena RP-1 (raketikvaliteediga petrooleumi) ja oksüdeerijana kasutati vedelat hapnikku (LOX). Kütuse ja hapniku põlemiskambrisse sisse paiskamiseks sisestati turbopump. Üks tähelepanuväärne väljakutse F-1 ehitamisel oli tõukekambri iseseisev jahutamine. Keemiainsener Dennis “Dan” Brevik seisis silmitsi ülesandega tagada Al Bokstellari toodetud esialgse põlemiskambri torukimp ja kollektorikujundus töötaks jahedalt. Sisuliselt oli Breviku ülesanne "veenduda, et see ei sulaks". Breviku F-1 hüdrodünaamiliste ja termodünaamiliste omaduste arvutuste abil suutsid ta koos meeskonnaga lahendada probleemi, mida tuntakse "nälgimise" all. Nälgimine tekib siis, kui staatilise rõhu tasakaalustamatus viib kollektorites kuumade punktideni. F-1 põlemiskambri torukimbu, tugevusribade ja kollektori jaoks kasutati materjali Inconel-X750, tulekindel niklipõhine sulam, mis on võimeline vastu pidama kõrgetele temperatuuridele. ^[1]

Mootori südameks oli põlemiskamber, mis tõukejõu saamiseks segas ja põletas kütuse ja oksüdeerija. Kuplikujuline kamber mootori ülaosas toimis kollektorina, mis varustas pihusteid vedela hapnikuga, ja seda ka stabilisaatori kinnitusena, mis kandis tõukejõu raketi korpusse. Selle kupli all olid pihustid, mis suunasid kütuse ja oksüdeerija tõukekambrisse, segamise ja põlemise soodustamiseks. Kütust tarniti pihustitesse eraldi kollektorist, osa kütust liikus düüsi jahutamiseks esmalt 178 toruga põlemiskambri ümber ja tagasi.

Turbiini juhtimiseks kasutati gaasigeneraatorit, mis käivitas eraldi kütuse- ja hapnikupumbad, millest igaüks toitis põlemiskambrikomplekti. Turbiini liikumiskiiruseks oli 5500 p/min, mis andis 55 000 pidurihobujõudu (41 MW). Kütusepump edastas 58 560 liitrit RP-1 minutis, samal ajal kui oksüdeerimispump edastas 93 920 l vedelat hapnikku minutis. Keskkonna seisukohast pidi turbopump taluma temperatuure alates sisendgaasist temperatuuril 820 °C kuni vedela hapnikuni temperatuuril –184 °C. Struktuuriliselt kasutati kütust turbiini laagrite määrimiseks ja jahutamiseks.

Tõukekambri all oli düüsi pikendus, umbes pool mootori pikkusest. See laiendus suurendas mootori paisumismäära 10:1-lt 16:1-le. Turbopumba heitgaasid juhiti düüsi pikendusse suure koonusekujulise kollektori abil, see suhteliselt jahe gaas moodustas kile, mis kaitses pihusti pikendust kuuma heitgaasi eest (3200 °C). ^[2]

Igas sekundis põletas üks F-1 2578 kg oksüdeerijat ja kütust: 1789 kg vedelat hapnikku ja 788 kg kütust. Tekitades 6,7 MN tõukejõudu. See võrdub voolukiirusega 2542 l sekundis; 1565 l LOX ja 976 l RP-1. Nende kahe ja poole minutise töötamise ajal viisid viis F-1 mootorid sõiduki Saturn V 68 km kõrgusele ja kiirusele 9920 km/h. Viie F-1 voolu kiirus Saturn V-s oli 12 710 l ehk 12 890 kg sekundis. Igal F-1 mootoril oli rohkem tõukejõudu kui kolmel kosmosesüstiku põhimootoril kokku. ^[3]

Staatilise testpõletamise ajal jättis petrooleumipõhine RP-1 kütus mootori proovipõlemisjärgselt süsivesinike ladestumise ja aurud. Need tuli mootorist eemaldada, et vältida probleeme mootori käsitsemise ja tulevase süütamise ajal, selleks vahetult enne ja pärast iga katsesüütamist puhastati mootori kütusesüsteemi lahustiga trikloroetüleeniga (TCE). Puhastusprotseduur hõlmas TCE pumpamist läbi mootori kütusesüsteemi ja lahusti ülevoolu laskmist mitmeks sekundiks kuni 30–35 minutini, sõltuvalt mootorist ja sademete tõsidusest. Mõne mootori korral pesti enne katse süütamist mootori gaasigeneraatorit ja LOXi kuppel ka TCE-ga. Rakettmootoril F-1 oli LOXi kuppel, gaasigeneraator ja tõukekambri kütusekate TCE-ga loputatud ettevalmistuste ajal.