El F-1 , comúnmente conocido como Rocketdyne F-1, es un motor de cohete desarrollado por Rocketdyne . Este motor utiliza un ciclo generador de gas desarrollado en los Estados Unidos a finales de la década de 1950 y se utilizó en el cohete Saturn V en la década de 1960 y principios de la de 1970. Se utilizaron cinco motores F-1 en la primera etapa S-IC de cada Saturn V, que sirvió como vehículo de lanzamiento principal del programa Apollo . El F-1 sigue siendo el motor cohete de propulsión líquida de cámara de combustión única más potente jamás desarrollado. [1]
Rocketdyne desarrolló el F-1 y el E-1 para cumplir con un requisito de la Fuerza Aérea de EE. UU. de 1955 de un motor de cohete muy grande. El E-1, aunque probado con éxito en disparo estático, rápidamente fue visto como un callejón sin salida tecnológico y fue abandonado por el F-1 más grande y potente. La Fuerza Aérea finalmente detuvo el desarrollo del F-1 debido a la falta de necesidad de un motor tan grande. Sin embargo, la recién creada Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio (NASA) apreció la utilidad de un motor de tanta potencia y contrató a Rocketdyne para completar su desarrollo. Ya en 1957 se habían realizado disparos de prueba de componentes del F-1. El primer disparo estático de un F-1 en desarrollo en etapa completa se realizó en marzo de 1959. El primer F-1 se entregó al MSFC de la NASA en octubre de 1963. En diciembre 1964, el F-1 completó las pruebas de calificación de vuelo. Las pruebas continuaron al menos hasta 1965. [2]
Las primeras pruebas de desarrollo revelaron graves problemas de inestabilidad de la combustión que en ocasiones provocaban fallos catastróficos . [3] Inicialmente, el progreso en este problema fue lento, ya que era intermitente e impredecible. Se observaron oscilaciones de 4 kHz con armónicos hasta 24 kHz. Finalmente, los ingenieros desarrollaron una técnica de diagnóstico para detonar pequeñas cargas explosivas (a las que llamaron "bombas") fuera de la cámara de combustión, a través de un tubo tangencial ( se utilizaban RDX , C-4 o pólvora negra ) mientras el motor estaba encendido. Esto les permitió determinar exactamente cómo respondía la cámara de funcionamiento a las variaciones de presión y determinar cómo anular estas oscilaciones. Luego, los diseñadores podrían experimentar rápidamente con diferentes diseños de inyectores de combustible coaxiales para obtener el más resistente a la inestabilidad. Estos problemas se abordaron desde 1959 hasta 1961. Con el tiempo, la combustión del motor era tan estable que amortiguaba la inestabilidad inducida artificialmente en una décima de segundo.
El motor F-1 es el motor de cohete de combustible líquido de boquilla única más potente jamás volado. El motor cohete M-1 fue diseñado para tener más empuje, pero sólo se probó a nivel de componentes. El RD-170 desarrollado posteriormente es mucho más estable, técnicamente más avanzado y produce más empuje, pero no tiene un diseño de cámara única. El F-1 quemó RP-1 ( queroseno apto para cohetes ) como combustible y utilizó oxígeno líquido (LOX) como oxidante. Se utilizó una turbobomba para inyectar combustible y oxígeno en la cámara de combustión.
Un desafío notable en la construcción del F-1 fue el enfriamiento regenerativo de la cámara de empuje. El ingeniero químico Dennis "Dan" Brevik se enfrentó a la tarea de garantizar que el diseño preliminar del haz de tubos de la cámara de combustión y del colector producido por Al Bokstellar funcionara en frío. En esencia, el trabajo de Brevik era "asegurarse de que no se derrita". A través de los cálculos de Brevik sobre las características hidrodinámicas y termodinámicas del F-1, él y su equipo pudieron solucionar un problema conocido como "inanición". Esto es cuando un desequilibrio de la presión estática genera "puntos calientes" en los colectores. El material utilizado para el haz de tubos de la cámara de empuje del F-1, las bandas de refuerzo y el colector fue Inconel-X750 , una aleación refractaria a base de níquel capaz de soportar altas temperaturas. [4]
El corazón del motor era la cámara de empuje, que mezclaba y quemaba el combustible y el oxidante para producir empuje. Una cámara abovedada en la parte superior del motor servía como colector que suministraba oxígeno líquido a los inyectores y también servía como soporte para el cojinete cardán que transmitía el empuje al cuerpo del cohete. Debajo de esta cúpula estaban los inyectores, que dirigían el combustible y el oxidante hacia la cámara de empuje de una manera diseñada para promover la mezcla y la combustión. El combustible se suministraba a los inyectores desde un colector independiente; parte del combustible viajó primero en 178 tubos a lo largo de la cámara de empuje, que formaba aproximadamente la mitad superior de la boquilla de escape , y regresó para enfriar la boquilla.
Se utilizó un generador de gas para impulsar una turbina que accionaba bombas de combustible y oxígeno separadas, cada una de las cuales alimentaba el conjunto de la cámara de empuje. La turbina funcionaba a 5500 RPM , produciendo 55 000 caballos de fuerza al freno (41 MW). La bomba de combustible entregó 15,471 galones estadounidenses (58,560 litros) de RP-1 por minuto, mientras que la bomba oxidante entregó 24,811 galones estadounidenses (93,920 L) de oxígeno líquido por minuto. Desde el punto de vista medioambiental, la turbobomba debía soportar temperaturas que oscilaban desde el gas de entrada a 1500 °F (820 °C) hasta el oxígeno líquido a -300 °F (-184 °C). Estructuralmente, se utilizó combustible para lubricar y enfriar los cojinetes de la turbina .
Debajo de la cámara de empuje estaba la extensión de la boquilla , aproximadamente la mitad de la longitud del motor. Esta extensión aumentó la relación de expansión del motor de 10:1 a 16:1. El escape de la turbina se alimentaba a la extensión de la boquilla mediante un colector cónico grande; este gas relativamente frío formó una película que protegía la extensión de la boquilla del gas de escape caliente (5800 °F (3200 °C)). [5]
Cada segundo, un solo F-1 quemaba 5.683 libras (2.578 kg) de oxidante y combustible: 3.945 lb (1.789 kg) de oxígeno líquido y 1.738 lb (788 kg) de RP-1, generando 1.500.000 lbf (6,7 MN; 680 tf ) de empuje. Esto equivalía a un caudal de 671,4 gal EE.UU. (2542 L) por segundo; 413,5 gal EE.UU. (1565 L) de LOX y 257,9 gal EE.UU. (976 L) de RP-1. Durante sus dos minutos y medio de operación, los cinco F-1 impulsaron el vehículo Saturn V a una altura de 42 millas (222.000 pies; 68 km) y una velocidad de 6.164 mph (9.920 km/h). El caudal combinado de los cinco F-1 en el Saturn V fue de 3357 gal EE.UU. (12 710 L) [5] o 28 415 lb (12 890 kg) por segundo. Cada motor F-1 tenía más empuje que tres motores principales del transbordador espacial combinados. [6]
Durante la prueba de encendido estática, el combustible RP-1 a base de queroseno dejó depósitos de hidrocarburos y vapores en el motor después del encendido de la prueba. Estos tuvieron que retirarse del motor para evitar problemas durante el manejo del motor y futuros encendidos, y se usó el solvente tricloroetileno (TCE) para limpiar el sistema de combustible del motor inmediatamente antes y después de cada disparo de prueba. El procedimiento de limpieza implicó bombear TCE a través del sistema de combustible del motor y dejar que el solvente se desbordara durante un período que oscilaba entre varios segundos y 30 a 35 minutos, dependiendo del motor y la gravedad de los depósitos. Para algunos motores, [ ¿cuáles? ] El generador de gas del motor y el domo LOX también se lavaron con TCE antes del disparo de prueba. [7] [8] El motor de cohete F-1 tenía su cúpula LOX, generador de gas y camisa de combustible de la cámara de empuje enjuagadas con TCE durante los preparativos del lanzamiento. [8]
Fuentes: [5] [9]
El empuje y la eficiencia del F-1 mejoraron entre el Apolo 8 (SA-503) y el Apolo 17 (SA-512), lo cual fue necesario para satisfacer las crecientes demandas de capacidad de carga útil de las misiones Apolo posteriores . Hubo pequeñas variaciones de rendimiento entre motores en una misión determinada y variaciones en el empuje promedio entre misiones. Para el Apolo 15 , el rendimiento del F-1 fue:
Medir y hacer comparaciones del empuje de un motor de cohete es más complicado [ ¿por qué? ] de lo que puede parecer a primera vista. [ ¿ según quién? ] Según mediciones reales, el empuje de despegue del Apolo 15 fue de 7.823.000 lbf (34,80 MN), lo que equivale a un empuje promedio del F-1 de 1.565.000 lbf (6,96 MN), un poco más que el valor especificado. [ cita necesaria ]
Durante la década de 1960, Rocketdyne llevó a cabo un desarrollo mejorado del F-1 que dio como resultado la nueva especificación del motor F-1A. Aunque exteriormente es muy similar al F-1, el F-1A produjo alrededor de un 20% más de empuje, 1.800.000 lbf (8 MN) en las pruebas, y se habría utilizado en futuros vehículos Saturn V en la era posterior a Apolo . Sin embargo, la línea de producción del Saturn V se cerró antes del final del Proyecto Apolo y ningún motor F-1A voló jamás. [10]
Hubo propuestas para utilizar ocho motores F-1 en la primera etapa de los cohetes Saturn C-8 y Nova . A partir de la década de 1970 se han hecho numerosas propuestas para desarrollar nuevos propulsores prescindibles basados en el diseño del motor F-1. Estos incluyen el Saturn-Shuttle y el propulsor Pyrios (ver más abajo) en 2013. [10] A partir de 2013 [actualizar], ninguno ha avanzado más allá de la fase de estudio inicial. El Comet HLLV habría utilizado cinco motores F-1A en el núcleo principal y dos en cada uno de los propulsores. [11]
El F-1 es el motor de combustible líquido de una sola cámara y boquilla más grande y de mayor empuje que se ha volado. Existen motores de combustible sólido más grandes , como el cohete propulsor sólido del transbordador espacial con un empuje de despegue al nivel del mar de 2.800.000 lbf (12,45 MN) cada uno. El RD-170 soviético (ahora ruso) puede desarrollar más empuje que el F-1, a 1.630.000 lbf (7,25 MN) por motor al nivel del mar; sin embargo, cada motor utiliza cuatro cámaras de combustión en lugar de una, para resolver el problema de inestabilidad de la combustión. .
Como parte del programa del Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS), la NASA había estado organizando el Concurso de Propulsores Avanzados, cuyo final estaba previsto con la selección de una configuración de propulsor ganadora en 2015. En 2013, los ingenieros del Centro Marshall de Vuelos Espaciales comenzaron las pruebas con un F-1 original, número de serie F-6049, que fue retirado del Apolo 11 debido a un problema técnico. El motor nunca se utilizó y durante muchos años estuvo en el Instituto Smithsonian . Las pruebas están diseñadas para volver a familiarizar a la NASA con el diseño y los propulsores del F-1 en anticipación al uso de una versión evolucionada del motor en futuras aplicaciones de vuelos en el espacio profundo. [12]
En 2012, Pratt & Whitney , Rocketdyne y Dynetics , Inc. presentaron un competidor conocido como Pyrios , un propulsor de cohete líquido , en el Programa de Impulso Avanzado de la NASA, cuyo objetivo es encontrar un sucesor más potente de los propulsores de cohetes sólidos de cinco segmentos del transbordador espacial. destinado a las primeras versiones del sistema de lanzamiento espacial. Pyrios utiliza dos motores F-1B de mayor empuje y muy modificados por propulsor. [13] [14] Debido a la ventaja potencial del motor en impulso específico , si esta configuración F-1B (usando cuatro F-1B en total) se integrara con el SLS Block 2, el vehículo podría entregar 150 toneladas (330,000 lb) a órbita terrestre baja , [15] mientras que 130 toneladas (290.000 lb) es lo que se considera alcanzable con los propulsores sólidos planificados combinados con una etapa central RS-25 de cuatro motores . [dieciséis]
El objetivo de diseño del motor del F-1B es ser al menos tan potente como el F-1A no volado, y al mismo tiempo ser más rentable. El diseño incorpora una cámara de combustión muy simplificada, un número reducido de piezas del motor y la eliminación del sistema de reciclaje de gases de escape del F-1, incluida la boquilla intermedia de escape de la turbina y el colector de refrigeración de "cortina" , teniendo el escape de la turbina un conducto separado. pasaje de salida al lado de la boquilla principal acortada en el F-1B. La reducción de los costes de las piezas se ve favorecida por el uso de fusión selectiva por láser en la producción de algunas piezas metálicas. [13] [17] El motor F-1B resultante está destinado a producir 1.800.000 lbf (8,0 MN) de empuje al nivel del mar, un aumento del 15% sobre los aproximadamente 1.550.000 lbf (6,9 MN) de empuje que el maduro Apollo 15 F- 1 motores producidos. [13] [ necesita actualización ]
Se lanzaron sesenta y cinco motores F-1 a bordo de trece Saturn V, y cada primera etapa aterrizó en el Océano Atlántico. Diez de ellos siguieron aproximadamente el mismo acimut de vuelo de 72 grados, pero el Apolo 15 y el Apolo 17 siguieron acimutes significativamente más hacia el sur (80,088 grados y 91,503 grados, respectivamente). El vehículo de lanzamiento Skylab voló en un azimut más al norte para alcanzar una órbita de mayor inclinación (50 grados frente a los 32,5 grados habituales). [18]
Se instalaron diez motores F-1 en dos Saturn V de producción que nunca volaron. La primera etapa del SA-514 está en exhibición en el Centro Espacial Johnson en Houston (aunque es propiedad del Smithsonian) y la primera etapa del SA-515 está en exhibición en el Centro de Ciencias INFINITY en el Centro Espacial John C. Stennis en Mississippi.
Se instalaron otros diez motores en dos Saturn V de prueba en tierra que nunca tuvieron la intención de volar. La "Etapa de prueba de todos los sistemas" del S-IC-T , una réplica de prueba terrestre, se exhibe como la primera etapa de un Saturn V completo en el Centro Espacial Kennedy en Florida. SA-500D , el vehículo de prueba dinámica, está en exhibición en el Centro Espacial y de Cohetes de EE. UU. en Huntsville, Alabama . [19]
Un motor de prueba está en exhibición en el Museo Powerhouse en Sydney , Australia . Fue el número 25 de los 114 motores de investigación y desarrollo construidos por Rocketdyne y fue disparado 35 veces. El motor está cedido al museo por el Museo Nacional del Aire y el Espacio del Smithsonian . Es el único F-1 en exhibición fuera de Estados Unidos. [20]
Un motor F-1, cedido por el Museo Nacional del Aire y el Espacio, se exhibe en el Air Zoo de Portage, Michigan . [21]
Un motor F-1 se encuentra en un soporte de exhibición horizontal en el Museo de Ciencias de Oklahoma en la ciudad de Oklahoma . [ cita necesaria ]
El motor F-1 F-6049 se exhibe verticalmente en el Museo de Vuelo en Seattle, Washington, como parte de la exhibición Apolo. [ cita necesaria ]
Un motor F-1 está instalado verticalmente como monumento a los constructores de Rocketdyne en De Soto Avenue, frente a la antigua planta de Rocketdyne en Canoga Park, California. Se instaló en 1979 y se trasladó desde el estacionamiento de enfrente algún tiempo después de 1980. [22]
Un motor F-1 se exhibe afuera del Museo de Historia Espacial de Nuevo México en Alamogordo, Nuevo México. [ cita necesaria ]
La cámara de propulsión de un F-1 se exhibe en la Cosmosphere . [23]
El 28 de marzo de 2012, un equipo financiado por Jeff Bezos , fundador de Amazon.com , informó que habían localizado los motores de cohetes F-1 de una misión Apolo utilizando equipos de sonar. [24] Bezos declaró que planeaba levantar al menos uno de los motores, que descansan a una profundidad de 14.000 pies (4.300 m), a unas 400 millas (640 km) al este de Cabo Cañaveral, Florida. Sin embargo, se desconocía el estado de los motores, que llevaban más de 40 años sumergidos. [25] El administrador de la NASA, Charles Bolden, emitió un comunicado felicitando a Bezos y su equipo por su hallazgo y les deseó éxito. También afirmó la posición de la NASA de que cualquier artefacto recuperado seguiría siendo propiedad de la agencia, pero que probablemente se ofrecería a la Institución Smithsonian y otros museos, dependiendo del número recuperado. [26]
El 20 de marzo de 2013, Bezos anunció que había logrado sacar a la superficie piezas de un motor de F-1 y publicó fotografías. Bezos señaló: "Muchos de los números de serie originales faltan o faltan parcialmente, lo que dificultará la identificación de la misión. Es posible que veamos más durante la restauración". [27] El barco de recuperación era Seabed Worker y tenía a bordo un equipo de especialistas organizado por Bezos para el esfuerzo de recuperación. [28] El 19 de julio de 2013, Bezos reveló que el número de serie de uno de los motores recuperados es el número de serie Rocketdyne 2044 (equivalente al número 6044 de la NASA), el motor número 5 (centro) que ayudó a Neil Armstrong , Buzz Aldrin y Michael Collins llegará a la Luna con la misión Apolo 11 . [29] Las piezas recuperadas fueron llevadas al Kansas Cosmosphere and Space Center en Hutchinson para el proceso de conservación. [29] [28]
En agosto de 2014, se reveló que se recuperaron partes de dos motores F-1 diferentes, uno del Apolo 11 y otro de otro vuelo del Apolo, mientras que se publicó una fotografía de un motor limpiado. Bezos planea exhibir los motores en varios lugares, incluido el Museo Nacional del Aire y el Espacio en Washington, DC [28]
El 20 de mayo de 2017, se inauguró la exhibición permanente del Apolo en el Museo de Vuelo en Seattle, WA , y muestra artefactos del motor recuperados, incluida la cámara de empuje y el inyector de la cámara de empuje del motor número 3 de la misión Apolo 12 , así como un generador de gas. de un motor que impulsó el vuelo del Apolo 16 .
