El F-1 es un motor de cohete desarrollado por Rocketdyne . El motor utiliza un ciclo generador de gas desarrollado en los Estados Unidos a fines de la década de 1950 y se utilizó en el cohete Saturno 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 Saturno V, que sirvió como el principal vehículo de lanzamiento del programa Apolo . El F-1 sigue siendo el motor de cohete de propulsante líquido de una sola cámara de combustión más potente jamás desarrollado. [1]
Rocketdyne desarrolló el F-1 y el E-1 para satisfacer un requerimiento de la Fuerza Aérea de los EE. UU. de 1955 de un motor de cohete muy grande. El E-1, aunque se probó con éxito en encendido estático, rápidamente se consideró un callejón sin salida tecnológico y se abandonó por el F-1, más grande y más potente. La Fuerza Aérea finalmente detuvo el desarrollo del F-1 debido a la falta de requerimientos para un motor tan grande. Sin embargo, la recientemente creada Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) apreció la utilidad de un motor con tanta potencia y contrató a Rocketdyne para completar su desarrollo. Los encendidos de prueba de los componentes del F-1 ya se habían realizado en 1957. El primer encendido estático de un F-1 de desarrollo de etapa completa se realizó en marzo de 1959. El primer F-1 fue entregado a la MSFC de la NASA en octubre de 1963. En diciembre de 1964, el F-1 completó las pruebas de habilitación de vuelo. Las pruebas continuaron al menos hasta 1965. [2]
Las primeras pruebas de desarrollo revelaron serios problemas de inestabilidad de la combustión que a veces causaban fallas catastróficas . [3] Inicialmente, el progreso en este problema fue lento, ya que era intermitente e impredecible. Se observaron oscilaciones de 4 kHz con armónicos de 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 usaba RDX , C-4 o pólvora negra ) mientras el motor estaba en funcionamiento. Esto les permitió determinar exactamente cómo respondía la cámara de funcionamiento a las variaciones de presión y determinar cómo anular estas oscilaciones. Los diseñadores pudieron entonces experimentar rápidamente con diferentes diseños de inyectores de combustible coaxiales para obtener el más resistente a la inestabilidad. Estos problemas se abordaron entre 1959 y 1961. Finalmente, la combustión del motor era tan estable que amortiguaba por sí sola la inestabilidad inducida artificialmente en una décima de segundo.
El motor F-1 es el motor cohete de una sola boquilla propulsado por líquido más potente que jamás haya volado. El motor cohete M-1 fue diseñado para tener más empuje, pero solo se probó a nivel de componentes. El RD-170, desarrollado posteriormente , es mucho más estable, tecnológicamente más avanzado , más eficiente y produce más empuje, pero utiliza cuatro boquillas alimentadas por una sola bomba. El F-1 quemaba RP-1 ( queroseno de grado cohete ) como combustible y utilizaba 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 asegurar que el diseño preliminar del haz de tubos de la cámara de combustión y del colector producido por Al Bokstellar funcionara a baja temperatura. En esencia, el trabajo de Brevik era "asegurarse de que no se derritiera". A través de los cálculos de Brevik de 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 conduce a "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 cardánico 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 separado; parte del combustible viajaba primero en 178 tubos a lo largo de la cámara de empuje, que formaba aproximadamente la mitad superior de la boquilla de escape , y de regreso para enfriar la boquilla.
Se utilizó un generador de gas para impulsar una turbina que accionaba bombas de combustible y oxígeno independientes, cada una de las cuales alimentaba el conjunto de la cámara de empuje. La turbina funcionaba a 5500 RPM , lo que producía 55 000 caballos de fuerza al freno (41 MW). La bomba de combustible suministraba 15 471 galones estadounidenses (58 560 litros) de RP-1 por minuto, mientras que la bomba oxidante suministraba 24 811 galones estadounidenses (93 920 L) de oxígeno líquido por minuto. Desde el punto de vista medioambiental, la turbobomba debía soportar temperaturas que iban 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 se encontraba la extensión de la tobera , que ocupaba aproximadamente la mitad de la longitud del motor. Esta extensión aumentaba la relación de expansión del motor de 10:1 a 16:1. El escape de la turbina se introducía en la extensión de la tobera a través de un colector cónico grande; este gas relativamente frío formaba una película que protegía la extensión de la tobera de los gases de escape calientes (3200 °C [5800 °F]). [5]
Cada segundo, un solo F-1 quemaba 2578 kg de oxidante y combustible: 1789 kg de oxígeno líquido y 788 kg de RP-1, lo que generaba 6,7 MN (1,500,000 lbf; 680 tf) de empuje. Esto equivalía a un caudal de 2542 L (671,4 galones estadounidenses) por segundo; 1565 L (413,5 galones estadounidenses) de LOX y 976 L (257,9 galones estadounidenses) de RP-1. Durante sus dos minutos y medio de funcionamiento, los cinco F-1 impulsaron el vehículo Saturno V a una altura de 68 km (42 millas; 222,000 pies) y una velocidad de 9920 km/h (6164 mph). El caudal combinado de los cinco motores F-1 del Saturno V era de 12 710 l (3357 galones estadounidenses) [5] o 12 890 kg (28 415 lb) por segundo. Cada motor F-1 tenía más empuje que tres motores principales del transbordador espacial combinados. [6]
Durante el encendido estático de prueba, el combustible RP-1 a base de queroseno dejó depósitos de hidrocarburos y vapores en el motor después del encendido de prueba. Estos tuvieron que ser eliminados del motor para evitar problemas durante la manipulación del motor y el encendido futuro, y el disolvente tricloroetileno (TCE) se utilizó para limpiar el sistema de combustible del motor inmediatamente antes y después de cada encendido de prueba. El procedimiento de limpieza implicó bombear TCE a través del sistema de combustible del motor y dejar que el disolvente se desbordara durante un período que oscilaba entre varios segundos y 30-35 minutos, dependiendo del motor y la gravedad de los depósitos. A veces, el generador de gas del motor y la cúpula LOX también se lavaron con TCE antes del encendido de prueba. [7] [8] El motor del cohete F-1 tenía su cúpula LOX, generador de gas y camisa de combustible de la cámara de empuje lavados 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 que era necesario para satisfacer las crecientes demandas de capacidad de carga útil de las misiones Apolo posteriores . Hubo pequeñas variaciones de rendimiento entre los 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 los motores de cohetes es más complicado de lo que parece a primera vista. Según las 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), ligeramente más que el valor especificado. [ cita requerida ]
Durante la década de 1960, Rocketdyne emprendió el desarrollo de mejoras para el F-1, lo que dio como resultado la nueva especificación del motor F-1A. Si bien en apariencia era muy similar al F-1, el F-1A producía un empuje aproximadamente un 20 % mayor, 1.800.000 lbf (8 MN) en pruebas, y se habría utilizado en futuros vehículos Saturno V en la era posterior al Apolo . Sin embargo, la línea de producción del Saturno V se cerró antes del final del Proyecto Apolo y nunca llegó a volar ningún motor F-1A. [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 desechables basados en el diseño del motor F-1. Entre ellas se incluyen el Saturn-Shuttle y el propulsor Pyrios (véase más abajo) en 2013. [10] A fecha de 2013 , ninguna ha pasado 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][actualizar]
El F-1 es el motor de combustible líquido de una sola cámara y una sola boquilla más grande y de mayor empuje que se haya volado. Existen motores de combustible sólido más grandes , como el cohete propulsor de combustible sólido del transbordador espacial, con un empuje de despegue a 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, con 1.630.000 lbf (7,25 MN) por motor a nivel del mar; sin embargo, cada motor utiliza cuatro cámaras de combustión en lugar de una, para resolver el problema de la inestabilidad de la combustión.
Como parte del programa del Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS), la NASA había estado llevando a cabo la Competencia de Propulsores Avanzados, que estaba programada para finalizar 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 una falla. El motor nunca se usó, y durante muchos años estuvo en el Instituto Smithsoniano . Las pruebas están diseñadas para volver a familiarizar a la NASA con el diseño y los propulsores del F-1 en previsión del uso de una versión evolucionada del motor en futuras aplicaciones de vuelo en el espacio profundo. [12]
En 2012, Pratt & Whitney , Rocketdyne y Dynetics , Inc. presentaron un competidor conocido como Pyrios , un cohete propulsor de combustible líquido , en el Programa de Propulsión Avanzada de la NASA, que tiene como objetivo encontrar un sucesor más potente para los cinco segmentos de los cohetes propulsores sólidos del transbordador espacial destinados 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 el impulso específico , si esta configuración F-1B (utilizando cuatro F-1B en total) se integrara con el Bloque 2 del SLS, el vehículo podría entregar 150 toneladas (330.000 lb) a la 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 . [16]
El motor F-1B tiene como objetivo de diseño ser al menos tan potente como el F-1A que aún no ha 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 tobera intermedia de escape de la turbina y el colector de refrigeración de "cortina" , con el escape de la turbina teniendo un pasaje de salida separado [17] al lado de la tobera principal acortada en el F-1B. La reducción en los costos de las piezas se ve facilitada por el uso de fusión selectiva por láser en la producción de algunas piezas metálicas. [13] [18] 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 producían los motores F-1 maduros del Apolo 15. [13] [ necesita actualización ]
Se lanzaron sesenta y cinco motores F-1 a bordo de trece Saturno 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 al sur (80,088 grados y 91,503 grados, respectivamente). El vehículo de lanzamiento Skylab voló a un acimut más al norte para alcanzar una órbita de mayor inclinación (50 grados frente a los 32,5 grados habituales). [19]
Se instalaron diez motores F-1 en dos Saturn V de producción que nunca volaron. La primera etapa del SA-514 se exhibe en el Centro Espacial Johnson en Houston (aunque es propiedad del Smithsonian) y la primera etapa del SA-515 se exhibe en el Centro Científico 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 se pensó que volarían. La S-IC-T "All Systems Test Stage", una réplica de prueba en tierra, está en exhibición como la primera etapa de un Saturn V completo en el Centro Espacial Kennedy en Florida. SA-500D , el vehículo de prueba dinámico, está en exhibición en el Centro Espacial y de Cohetes de Estados Unidos en Huntsville, Alabama . [20]
En el Museo Powerhouse de Sídney (Australia) se exhibe un motor de prueba . Fue el motor número 25 de los 114 motores de investigación y desarrollo construidos por Rocketdyne y se encendió 35 veces. El motor está en préstamo al museo por parte del Museo Nacional del Aire y el Espacio del Instituto Smithsoniano . Es el único F-1 en exhibición fuera de los Estados Unidos. [21]
Un motor F-1, prestado por el Museo Nacional del Aire y del Espacio, está en exhibición en el Zoológico Aéreo de Portage, Michigan . [22]
Un motor F-1 se exhibe en un stand horizontal en el Museo de Ciencias de Oklahoma en Oklahoma City . [ cita requerida ]
El motor F-1 F-6049 se exhibe verticalmente en el Museo del Vuelo en Seattle, Washington , como parte de la exhibición Apollo. [ cita requerida ]
En la avenida De Soto, frente a la antigua planta Rocketdyne en Canoga Park, California, se instaló un motor F-1 en posición vertical como monumento a los constructores de Rocketdyne. Se instaló en 1979 y se trasladó desde el estacionamiento del otro lado de la calle poco después de 1980. [23]
Un motor F-1 se exhibe afuera del Museo de Historia Espacial de Nuevo México en Alamogordo, Nuevo México. [ cita requerida ]
Una cámara de empuje F-1 recuperada se exhibe en Cosmosphere . [24] Un motor intacto (sin extensión de boquilla) se muestra al aire libre.
El 28 de marzo de 2012, un equipo financiado por Jeff Bezos , fundador de Amazon.com , informó que habían localizado los motores del cohete F-1 de una misión Apolo utilizando un equipo de sonar. [25] Bezos afirmó 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 habían estado sumergidos durante más de 40 años. [26] 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 al Instituto Smithsoniano y otros museos, dependiendo del número recuperado. [27]
El 20 de marzo de 2013, Bezos anunció que había logrado sacar a la superficie partes de un motor 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". [28] El barco de recuperación fue Seabed Worker y tenía a bordo un equipo de especialistas organizado por Bezos para el esfuerzo de recuperación. [29] El 19 de julio de 2013, Bezos reveló que el número de serie de uno de los motores recuperados es el número de serie 2044 de Rocketdyne (equivalente al número 6044 de la NASA), el motor n.º 5 (centro) que ayudó a Neil Armstrong , Buzz Aldrin y Michael Collins a llegar a la Luna con la misión Apolo 11. [30] Las piezas recuperadas se llevaron al Centro Espacial y Cosmosfera de Kansas en Hutchinson para el proceso de conservación. [30] [29]
En agosto de 2014, se reveló que se habían recuperado partes de dos motores F-1 diferentes, uno del Apollo 11 y otro de otro vuelo Apollo, y 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 [29].
El 20 de mayo de 2017, se inauguró la exhibición permanente del Apolo en el Museo del Vuelo en Seattle, Washington, 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 .
