F-1 - продолжение

В 2013 году НАСА предприняла попытку вернуть к жизни движок первой ступени Сатурна-V.
Программу назвали F-1B.
Краткий и вольный перевод, картинки в оригинальной статье, опубликованной на ресурсе ArsTechnica в том же 2013 году.
Примечания и отсебятина - курсивом.
 
Новый носитель, SLS (6 лет спустя мы уже знаем, что там всё идет как-то не так), постепенно обретает форму на кульманах НАСА.
Тем не менее, НАСА не будет строить ракету самостоятельно - это даст возможность частным компаниям побороться за право производить компоненты к ней.
Один из возможных вариантов, вместо твердотопливных ускорителей в стиле Space Shuttle, SLS могла бы использовать ЖРД, что сделало бы её первой ракетой для пилотируемых полетов без ТТРД за последние 30 лет.
 Advanced Booster Competition - конкурс за разработку этой идеи, в которую включилась компания  Dynetics.
Dynetics в партнерстве с Rocketdyne (создавшей, среди прочих, двигатели F-1), сейчас часть Pratt-Wittney,  предложила конструкцию ускорителя на ЖРД, базирующемся на F-1. Двигатель назвали F-1B, а ускоритель - Pyrios.
 
Ars побывал на огневых испытаниях газогенератора в Хантсвилле, после чего детально побеседовал с людьми из PWR о новом двигателе. Dynetics представила стенд с моделью нового двигателя и рисунком, показывающим отличия F-1B от F-1, а также маленькую модель SLS с двумя ускорителями Pyrios.
 
Kim Doering из Dynetics сказал вот что :
"Первое, что вы отметите, он большой. Просто очень, очень большой кусок техники. В F-1 они нуждались в каждой доле тяги, которую могли достичь, поэтому они взяли выхлоп турбины и направили его в сопло, чтобы получить дополнительную тягу. Это сделало двигатель немного больше, но если вы посмотрите на тот замысловатый путь, которым они шли к созданию, это было реально очень трудно и очень дорого.
Главная разница, которую отмечает большинство людей, в том, что мы избавились от сброса выхлопа турбины в сопло и в той части сопла, которая ниже места ввода выхлопа (в F-1). Газогенератор (в F-1) использовался для привода топливного насоса, а его выхлоп надо было куда-то девать. Поэтому его направили в сопло, прикрыв его стенки. Выхлоп турбины был всё еще насыщен горючим, горел медленнее и экранировал от намного более горячих продуктов сгорания, создающих тягу. Этот плотный медленно горящий выхлоп хорошо заметен - это более темноокрашенный факел у среза сопла перед гораздо более ярким основным выхлопом".
 
Выхлопная труба турбины - одна из наиболее отличающихся деталей F-1, отходит от боковой части сопла и затем оборачивается вокруг сопла приблизительно на середине его длины. Избавление от этой детали существенно изменяет внешний вид нового двигателя.
"Так что сопло будет меньше даже на посторонний взгляд, хотя всё равно огромным. Это сэкономит кучу денег и уменьшит сложность двигателя, чего мы хотим для соответствия специфическим целям НАСА - ценовой доступности и характеристикам", - продолжил Doering.
 
К счастью удаление газопровода выхлопа турбины не ухудшит серьезно тягу двигателя. Doering указал, что F-1B конструируется, чтобы иметь тягу на уровне модернизированного F-1A из 60-х, т.е. порядка 816 тонн и позволить выводить до 150т. на НОО в конфигурации с 4мя двигателями на двух ускорителях и двигателями RS-25 и J-2X в остальных ступенях SLS. Также оставляется задел для модернизации с увеличением выводимой массы еще на 20т без необходимости серьезных изменений.
 
Dynetics и PWR пытаются подойти как можно ближе к характеристикам старого модернизированного двигателя F-1A, который тестировался в 60-х, но не летал. Оригинальное железо работало очень хорошо и изменения производились только для уменьшения цены.
Doering подтвердил, что потери тяги нового двигателя незначительны, хотя есть и потери импульса.
 
Теперь сюрприз.
Двигатель больше не является коллекцией трубок (с их шероховатостью  ).
F-1 состоял из двух частей : 1я часть фактически была очень сложным набором трубок, спаянных вместе и скрепленных обручами как бочка.
Керосин циркулировал по трубкам для поглощения тепла и охлаждения выхлопа. Трубки шли вниз до места вброса выхлопа турбины и возвращались обратно. Ниже трубопровода выхлопа турбины, охватывавшего сопло как два пальца, находилось съемное расширение сопла, фокусировавшее процесс сгорания и помогавшего получить добавку тяги.
 
Прогресс в технологиях производства позволит F-1B не париться со сложными трубопроводами верхней части сопла и как это сейчас (ну ладно, в 2013) видится новый двигатель будет иметь значительно более простую камеру сгорания и стальное сопло.
Как сказал Andy Crocker из Dynetics, сопло будет состоять из внутреннего лайнера и внешней рубашки, спаянных вместе, с охлаждением топливом, циркулирующим по каналам в лайнере. Это намного проще и дешевле, чем сделать бочку из трубок, как в оригинальном F-1.
Как так-то, похерили выдающуюся конструкцию, которая толкала Сатурн и использовать то, что отсталый совок делал еще полвека назад?
 
Другая существенная разница, это использование современной электроники и последовательност зажигания и запуска. F-1 использовал набор клапанов и проверок давления в стиле Руби Голдберга (та же хрень, что в игрушке Incredible machine, только на полвека раньше), с помощью которой инженер Nick Case, называвший это логикой механики жидкостей, запускал двигатель. Поток жидкости или газа через черех различные отверстия и проходы в двигателе создавал каскад условий, перемещавших клапан здесь и закрывавших переключатель там, последовательно, что приводило к впрыску топлива в камеру сгорания и приводило к зажиганию. Облом на любом из шагов обваливал весь каскад и двигатель на запускался. Это была гениальная система, замещавшая механическое управление там, где сейчас всё делается с помощью софта. F-1B будет использовать новые датчики и софт в последовательности пуска. Это также даст дополнительную отказоустойчивость и позволит операторам запуска гораздо лучше видеть как ведет себя двигатель во время старта.
Тут еще целый раздел, посвящённый описанию выбора ракетного топлива, опускаю.
Как уже упомянуто, испытания газогенератора были в 2013 на площадке НАСА с использованием его испытательного оборудования.
Ключевой вопрос.
 
А полетит ли это когда-нибудь вообще?
Dynetics и ей субконтрактор PWR надеются представить альтернативную конструкцию ускорители на ЖРД, которая не только удовлетворит требования конкурса, но и покажет экономию средств, и практичность.
Невозможно отрицать романтику F-1B. Даже несмотря на его военные и политические корни, проект Аполлон безусловно является наиболее выдающимся техническим достижением в истории человечества (ща заплачу, умеют нагонять патетику). За 5 лет мы, не НАСА, не Америка, а мы, люди, оставили нашу планету позади и отправились куда-то еще. Учитывая размеры Солнечной системы, это можно сравнить с прогулкой по заднему двору, но потребовавшей миллиарды долларов и несчитанные часы, и не-несущественное количество жизней. Все эти путешествия были сделаны на спине монструозных двигателей F-1 и идея вновь вернуть их к жизни, чтобы толкать ракету побольше Сатурна-V волнует сердце. Только по конструкции камеры сгорания и сопла этот двигатель имеет больше общего с РД-107, чем с F-1.
Вопрос в том, перевесит ли практическая сторона романтику. Конкурс Advanced Booster будет идти до 2015 года до выбора между ТТРД и ЖРД. F-1B может стать двигателем, отправившим астронавтов на Марс, или остаться заметкой в википедии.
 
Потом срок конкурса был продлен еще как минимум на 2 года. Чем кончилось дело понять трудно, по состоянию дел на 2015 НАСА отдавало предпочтение ускорителям компании ATK, той, что делала ускорители для шаттлов. Похоже F-1B таки не взлетит.