로켓다인 F-1

Rocketdyne F-1
F-1
F-1 rocket engine.jpg
F-1 로켓 엔진 사양
원산지미국
제조원로켓다인
액체 연료 엔진
추진제LOX/RP-1
혼합비2.27 (69 % O2, 31 % RP-1)
사이클밀폐 가스 발생기
성능
추력, 진공1,746,000 lbf (7,770 kN
스러스트, 해수면1,522,000파운드 (6,770 kN)
추력 대 중량비94.1
챔버 압력70 바 (1,015 psi, 7 MPa)
특정 임펄스, 진공304초 (2.98km/s)
특정 임펄스, 해수면263초(2.58km/s)
질량 흐름5,683파운드/초 (2,578 kg/초)
3,945파운드/초(1,789kg/초)(LOX)
1,738파운드/초(788kg/초)(RP-1)
굽는 시간150 ~ 15초
치수
길이18.5피트(5.6m)
직경12.2피트(3.7m)
건조 중량18,500파운드(8,400kg)
사용처
새턴 V

흔히 로켓다인 F1로 알려진 F-1은 로켓다인이 개발한 로켓 엔진이다.이 엔진은 1950년대 후반 미국에서 개발된 가스 발생 사이클을 사용하며 1960년대와 1970년대 초반 새턴 V 로켓에 사용되었다.아폴로 계획의 주요 발사체 역할을 했던 새턴 V의 S-IC 1단에는 5개의 F-1 엔진이 사용되었다.F-1은 지금까지 [1]개발된 단일 연소실 액체추진 로켓 엔진 중 가장 강력한 엔진이다.

역사

미국 우주 로켓 센터의 새턴 V 1단 F-1 엔진을 탑재한 베르너 폰 브라운

로켓다인은 1955년 미 공군의 초대형 로켓 엔진 요건을 충족시키기 위해 F-1과 E-1을 개발했다.E-1은 정전기 발사에 성공했지만 곧 기술적 막다른 골목으로 인식되었고 더 크고 강력한 F-1을 위해 포기되었다.공군은 결국 F-1의 대형 엔진 수요가 부족하다는 이유로 개발을 중단했다.하지만 최근 만들어진 미항공우주국(NASA)은 매우 강력한 힘을 가진 엔진의 유용성을 높이 평가하여 로켓다인을 계약하여 개발을 완료하였다.F-1 부품의 시험 발화는 1957년에 이미 수행되었다.1959년 3월 F-1의 전단계 개발용 정전기 발사가 처음 실시되었다.최초의 F-1은 1963년 10월에 NASA MSFC에 인도되었다.1964년 12월, F-1은 비행 등급 테스트를 완료했다.테스트는 적어도 [2]1965년까지 계속되었다.

초기 개발 테스트에서 심각한 연소 불안정 문제가 발견되었으며, 이는 때때로 치명적인 [3]고장을 야기했습니다.처음에는 이 문제가 간헐적이고 예측할 수 없었기 때문에 진행이 느렸습니다.24kHz의 고조파를 포함한 4kHz의 진동이 관찰되었습니다.결국, 엔지니어들은 엔진이 점화되는 동안 접선관(RDX, C-4 또는 검은 분말)을 통해 연소실 밖에서 작은 폭발물을 폭발시키는 진단 기술을 개발했습니다.이를 통해 작동 챔버가 압력 변화에 어떻게 반응하는지 정확하게 결정하고 이러한 진동을 무효화하는 방법을 결정할 수 있었습니다.그 후 설계자는 다양한 동축 연료 주입기 설계를 신속하게 실험하여 불안정성에 가장 강한 것을 얻을 수 있었다.이 문제들은 1959년부터 1961년까지 다루어졌다.결국 엔진 연소는 매우 안정적이었고, 1/10초 이내에 스스로 불안정성을 완화시킬 수 있었습니다.

설계.

F-1 로켓 엔진 부품

F-1 엔진은 단일 노즐 액체 연료 로켓 엔진 중 가장 강력한 엔진이다.M-1 로켓 엔진은 더 많은 추력을 가지도록 설계되었지만, 부품 수준에서만 시험되었다.또한 RD-170은 추진력이 더 높지만 4개의 노즐이 있습니다.F-1은 연료로 RP-1(로켓급 등유)을 연소시키고 산화제로 액체산소(LOX)를 사용했다.연료와 산소를 연소실로 주입하기 위해 터보펌프가 사용되었습니다.

F-1의 건설에서 주목할 만한 과제 중 하나는 추력실의 회생 냉각이었다.화학 엔지니어 Dennis "Dan" Brevik은 Al Bokstella가 생산한 예비 연소실 튜브 번들과 다지관 설계를 확실하게 작동시켜야 하는 과제에 직면했습니다.본질적으로 브레빅의 일은 "녹지 않도록 하는 것"이었다.F-1의 유체역학 및 열역학 특성에 대한 브레빅의 계산을 통해 그와 그의 팀은 '기아'로 알려진 문제를 해결할 수 있었다.이때 정압의 불균형이 매니폴드의 '핫 스폿'으로 이어질 수 있습니다.F-1 스러스트 챔버 튜브 번들, 보강 밴드 및 매니폴드에 사용된 재료는 고온에도 견딜 수 있는 내화 니켈 기반 합금인 Inconel-X750이었습니다.[4]

엔진의 심장은 추력 챔버로 연료와 산화제를 혼합하여 연소시켜 추력을 생성합니다.엔진 상단의 돔형 챔버는 인젝터에 액체 산소를 공급하는 다지관 역할을 했으며, 추력을 로켓 본체에 전달하는 짐벌 베어링의 마운트 역할도 했습니다.이 돔 아래에는 혼합 및 연소를 촉진하도록 설계된 방식으로 연료와 산화제를 스러스트 챔버로 유도하는 인젝터가 있습니다.연료는 별도의 매니폴드에서 인젝터로 공급되었습니다. 연료 중 일부는 처음에 178개의 튜브를 통해 스러스트 챔버의 길이(배기 노즐의 약 상반부를 형성)를 따라 이동한 후 노즐을 냉각하기 위해 역류했습니다.

가스 발생기는 별도의 연료 및 산소 펌프를 구동하여 각각 스러스트 챔버 어셈블리에 연료를 공급하는 터빈을 구동하는 데 사용되었습니다.터빈은 5,500RPM으로 구동되어 55,000마력(41MW)의 브레이크 출력을 발휘했습니다.연료 펌프는 분당 15,471 US 갤런(58,560 L)의 RP-1을 공급했고 산화제 펌프는 분당 24,811 US 갤런(93,920 l)의 액체 산소를 공급했습니다.환경적으로 터보펌프는 1,500°F(820°C)의 입력 가스부터 -300°F(-184°C)의 액체 산소까지 다양한 온도를 견딜 수 있어야 했습니다.구조적으로 터빈 베어링을 윤활하고 냉각하는 데 연료가 사용되었습니다.

Edwards 공군기지에서 F-1 엔진 시험 발화(플랫폼 상단의 큰 구체는 연료 및 산화제용 Horton Spears)

스러스트 챔버 아래에는 엔진 길이의 약 절반인 노즐 익스텐션이 있었습니다.이 확장에 의해 엔진의 팽창비가 10:1에서 16:1로 증가했습니다.터빈의 배기 가스는 테이퍼형 대형 매니폴드를 통해 노즐 익스텐션으로 공급되었습니다. 이 비교적 차가운 가스는 뜨거운(5,800°F(3,200°C) 배기 [5]가스로부터 노즐 익스텐션을 보호하는 막을 형성했습니다.

매초 하나의 F-1이 5,683파운드(2,578kg)의 산화제와 연료(액체 산소 3,945파운드(1,789kg)와 RP-1 1,738파운드(788kg))를 연소하여 1,500,000파운드힘(6.7MN; 680tf)의 추력을 발생시켰다.이는 671.4 US gal (2,542 l)/초의 유량, 413.5 US gal (1,565 l)의 LOX 및 257.9 US gal (976 l)의 RP-1에 해당합니다.2분 30초 동안 5대의 F-1은 새턴 V 차량을 42마일 (222,000피트; 68km)의 높이와 9,920km/h (6,164mph)의 속도로 이동시켰다.토성 V에 있는 5개의 F-1의 합계 유속은 3,357 US gal(12,710 l)[5] 또는 초당 28,415파운드(12,890 kg)였습니다.각각의 F-1 엔진은 3개의 우주왕복선 메인 엔진을 [6]합친 것보다 더 많은 추력을 가지고 있었다.

점화 전후의 절차

정적 시험 연소 중 등유 기반 RP-1 연료는 엔진 포스트 시험 연소 시 탄화수소 침전물과 증기를 남겼습니다.엔진 핸들링 및 향후 연소 시 문제를 방지하기 위해 엔진에서 이러한 부품을 제거해야 했으며, 각 시험 연소 직전과 직후 엔진의 연료 시스템을 청소하기 위해 용제 트리클로로에틸렌(TCE)을 사용했습니다.청소 절차에서는 엔진의 연료 시스템을 통해 TCE를 펌핑하고 엔진과 침전물의 심각도에 따라 몇 초에서 30-35분 동안 용제가 넘쳐 흐르도록 하는 작업이 포함되었습니다.일부 엔진의 경우 엔진 가스 발생기와 LOX 돔도 시험 연소 [7][8]전에 TCE로 플러싱되었습니다.F-1 로켓 엔진은 발사 [8]준비 과정에서 LOX 돔, 가스 발생기, 추력실 연료 재킷을 TCE로 플러싱했다.

사양

새턴 V-IC 스테이지에 F-1 엔진 설치장착 중인 엔진에 노즐 익스텐션이 없습니다.
아폴로 4, 6, 8호 아폴로 9-17호
추력, 해수면 1,500,000파운드(6.7MN) 1,522,000파운드 (6.77 MN)
굽는 시간 150초 165초
특정 임펄스 260초(2.5km/s) 263초(2.58km/s)
챔버 압력 70 바 (1,015 psi, 7 MPa) 70 바 (1,015 psi, 7 MPa)
엔진 중량 건조 18,416파운드(8,353kg) 18,500파운드(8,400kg)
엔진 중량 연소 20,096파운드 (9,115 kg) 20,180파운드 (9,150 kg)
높이 19 피트 (5.8 m)
직경 12.3 피트 (3.7 m)
출구 대 목의 비율 16:1
추진제 LOX 및 RP-1
혼합물 질량비 2.27:1 산화제와 연료 연결
청부업자 NAA/로켓다인
차량 응용 프로그램 새턴 V/S-IC 1단 - 엔진 5개

출처:[5][9]

F-1의 개량점

F-1은 앨라배마주 헌츠빌에 있는 미국 우주 로켓 센터에 전시되어 있다.

F-1 추진력과 효율은 아폴로 8호(SA-503)와 아폴로 17호(SA-512) 사이에서 향상되었으며, 이는 이후 아폴로 임무의 증가하는 탑재 용량 수요를 충족시키기 위해 필요했다.주어진 임무에서 엔진 간에는 작은 성능 차이가 있었고 임무 간에는 평균 추력 차이가 있었다.아폴로 15의 경우 F-1의 성능은 다음과 같습니다.

  • 추력(엔진당 평균, 해수면 이륙): 1,553,200파운드힘(6.909MN)
  • 굽는 시간: 159초
  • 비임펄스: 264.72초(2.5960km/s)
  • 혼합비: 2.2674
  • S-IC 총 해수면 발사 추력: 7,766,000파운드힘 (34.54 MN)

로켓 엔진의 추력을 측정하고 비교하는 것은 처음 보는 것보다 더 복잡하다.실제 측정에 따르면, 아폴로 15호의 발사 추력은 7,823,000파운드힘(34.80MN)으로, 이는 평균 F-1 추력 1,565,000파운드힘(6.96MN)에 해당하며, 이는 지정된 값보다 약간 더 큽니다.

추가 정보: 새턴 V † S-IC 스러스트 비교
F-1 엔진 표시
케네디 우주 센터에서

아폴로 이후의 F-1A

참고 항목: Saturn MLV

1960년대에 Rocketdyne은 새로운 엔진 사양 F-1A를 만들면서 F-1의 개발을 강화하였다.F-1과 외관상 매우 유사하지만, F-1A는 테스트에서 약 20% 더 큰 추력, 1,800,000파운드힘(8MN)을 발휘했으며, 이후 아폴로 시대에 미래의 새턴 V 차량에 사용되었을 것입니다.그러나 새턴 V 생산 라인은 아폴로 프로젝트가 끝나기 전에 폐쇄되었고 F-1A 엔진은 [10]비행하지 않았다.

새턴 C-8과 노바 로켓의 1단에는 8기의 F-1 엔진을 사용하자는 제안이 있었다.F-1 엔진 설계를 기반으로 한 새로운 소모성 부스터를 개발하기 위해 1970년대부터 여러 가지 제안이 제기되어 왔다.여기에는 2013년 [10]토성-셔틀과 피리오스 부스터(아래 참조)가 포함됩니다.2013년 현재, 초기 연구 단계를 넘어서는 진행자는 없습니다.혜성 HLLV는 메인 코어에 5개의 F-1A 엔진과 각 부스터에 [11]2개의 엔진을 사용했을 것이다.

F-1은 비행 중인 단일 챔버, 단일 노즐 액체 연료 엔진 중 가장 크고, 가장 강력한 엔진이다.각각 2,800,000파운드힘(12.45MN)의 해수면 발사 추력을 가진 우주왕복선 고체 로켓 부스터와 같은 더 큰 고체 연료 엔진이 존재합니다.소련제(현재의 러시아제) RD-170은 F-1보다 더 많은 추력을 낼 수 있으며, 해수면에서는 엔진당 1,630,000파운드힘(7.25MN)이지만, 각 엔진은 연소 불안정 문제를 해결하기 위해 1개가 아닌 4개의 연소실을 사용합니다.

F-1B 부스터

아리안 5 로켓의 벌케인은 F-1 엔진과 유사한 사이클 설계를 사용하며 터빈 배기가스는 직접 배관을 통해 배관을 한다.

우주발사시스템(SLS) 프로그램의 일환으로, NASA는 2015년에 우승하는 부스터 구성을 선정하는 것으로 끝날 예정이었던 어드밴스드 부스터 대회를 운영해왔다.2013년, 마셜 우주 비행 센터의 엔지니어들은 결함으로 인해 아폴로 11호에서 제거된 원래의 F-1, 일련 번호 F-6049로 테스트를 시작했다.이 엔진은 전혀 사용되지 않았고, 수년 동안 스미스소니언 연구소에서 사용되었습니다.이 테스트는 NASA가 미래의 심우주 비행 [12]응용 분야에서 발전된 버전의 엔진을 사용할 것으로 예상하기 위해 F-1의 설계와 추진체에 익숙해지도록 하기 위해 고안되었다.

2012년, 프랫 앤 휘트니, 로켓다인, 다이네틱스사는 NASA의 어드밴스드 부스터 프로그램에서 액체 로켓 부스터인 피리오스로 알려진 경쟁자를 소개했는데, 이 프로그램은 초기 우주 발사 시스템을 위한 5분할 우주 왕복선 고체 로켓 부스터의 더 강력한 후계자를 찾는 것을 목표로 하고 있다.Pyrios는 [13][14]부스터당 추진력이 높아지고 고도로 개조된 F-1B 엔진 2개를 사용한다.이 F-1B 구성(총 4F-1Bs을 사용하여)은 SLS블록 2와 통합되었고 특정한 충동 안에 엔진 잠재적 이점으로 인해 차량(33만 lb)는 동안 113톤(24lb)이 성취할 수 있는으로 계획된 고체 부스터는 four-engin과 결합하고 있지구 orbit,[15] 낮은 150톤 이상 전달할 수 있다.음.정말S-25 코어 [16]스테이지

F-1B 엔진은 적어도 미발사 F-1A만큼 강력하면서도 비용 효율이 높다는 설계 목표를 가지고 있습니다.이 설계에는 대폭 간소화된 연소실, 엔진 부품 수 감소 및 F-1 배기 재활용 시스템(터빈 배기 미드 노즐 및 "커튼" 냉각 매니폴드 포함)이 통합되어 있으며, 터빈 배기에는 F-1B의 단축된 메인 노즐 옆에 별도의 출구 통로가 있습니다.부품 비용 절감은 일부 금속 [13][17]부품 생산에 선택적 레이저 용융을 사용함으로써 도움이 됩니다.그 결과 생성된 F-1B 엔진은 해수면에서 1,800,000파운드힘(8.0MN)의 추력을 발생시키도록 설계되었으며, 이는 성숙한 아폴로 15 F-1 엔진이 [13]생성한 추력 약 1,550,000파운드힘(6.9MN)보다 15% 증가한 것이다.[needs update]

F-1 엔진의 위치

로스앤젤레스 카노가 공원 프랫 앤 휘트니(현 에어로젯 로켓다인)에 전시된 미발광 F-1 엔진
F-1 엔진은 INFINITY Science Center에 전시되어 있습니다.

F-1 엔진 65대가 13개의 새턴 V에 실려 발사되었고, 각 1단은 대서양에 착륙했다.이들 중 10개는 거의 같은 비행 방위각인 72도를 따랐지만, 아폴로 15호와 아폴로 17호는 훨씬 더 남쪽 방위각(각각 80.088도와 91.503도.Skylab 발사체는 더 높은 기울기 궤도에 도달하기 위해 더 북쪽의 방위각으로 비행했다.[18]

F-1 엔진 10대는 한번도 비행하지 않은 새턴 V 2대에 장착됐다.SA-514의 첫 번째 무대는 휴스턴의 존슨 우주 센터에 전시되어 있으며(스미스소니언 소유이지만), SA-515의 첫 번째 무대는 존 C의 인피니티 과학 센터에 전시되어 있다. 미시시피에 있는 스테니스 우주 센터입니다

또 다른 10개의 엔진은 두 번의 지상 테스트에 설치되었다. 토성 V는 결코 비행할 의도가 없었다.지상 테스트 복제품인 S-IC-T "All Systems Test Stage"는 플로리다의 케네디 우주 센터에 완전한 새턴 V의 첫 단계로 전시되어 있다.다이내믹 테스트 차량인 SA-500D는 [19]앨라배마주 헌츠빌에 있는 미국 우주 로켓 센터에 전시되어 있다.

시험 엔진이 호주 시드니의 파워하우스 박물관에 전시되어 있다.로켓다인이 만든 114개의 연구개발 엔진 중 25번째 엔진으로 35번 발사됐다.이 엔진은 스미스소니언 국립항공우주박물관에서 박물관으로 대여된다.그것은 [20]미국 밖에서 전시된 유일한 F-1이다.

국립항공우주박물관에서 대여한 F-1 엔진은 미시간주 [21]포티지에 있는 에어 동물원에 전시되어 있다.

오클라호마시티에 있는 오클라호마 과학관의 수평 진열대에 F-1 엔진이 있다.

F-1 엔진 F-6049는 아폴로 전시회의 일환으로 미국 시애틀에 있는 비행 박물관에 수직으로 전시되어 있다.

F-1 엔진은 캘리포니아 캐노가 파크에 있는 오래된 로켓다인 공장 건너편에 있는 드 소토에 있는 로켓다인 건설업자들을 기념하기 위해 수직으로 설치되어 있다.1979년에 설치되었고,[22] 1980년 이후 얼마 지나지 않아 길 건너편 주차장에서 옮겨졌습니다.

NM, Alamogordo에 있는 New 멕시코 우주 역사 박물관 밖에 전시된 F-1 엔진.

회복

시애틀의 비행 박물관에 전시된 F-1 엔진 부품을 회수했다.
아폴로 12호 임무에서 회수된 F-1 엔진 인젝터는 시애틀의 비행 박물관에 전시되어 있다.

2012년 3월 28일, Amazon.com의 설립자인 Jeff Bezos가 자금을 지원한 팀은 수중 음파 탐지 [23]장비를 사용하여 아폴로 임무에서 F-1 로켓 엔진을 발견했다고 보고했습니다.베조스는 플로리다 케이프 커내버럴에서 동쪽으로 약 400마일(640km) 떨어진 수심 14,000피트(4,300m)에 엔진 중 적어도 하나를 올릴 계획이라고 말했다.그러나 40년 이상 잠긴 엔진의 상태는 알려지지 않았다.[24]NASA의 찰스 볼든 행정관은 베조스와 그의 팀이 발견한 것을 축하하며 성공을 기원하는 성명을 발표했다.그는 또한 회수된 유물은 기관의 소유물로 남을 것이지만,[25] 회수된 유물의 수에 따라 스미스소니언 연구소와 다른 박물관에 제공될 것이라는 NASA의 입장을 단언했다.

2013년 3월 20일, 베조스는 F-1 엔진의 부품을 지상으로 끌어올리는 데 성공했다고 발표하고 사진을 공개했다.베조스는 "원래 일련번호의 상당수가 누락되거나 일부 누락되어 임무 식별이 어려워질 것"이라고 말했다.복구하는 [26]동안 더 많은 것을 볼 수 있을 것입니다."회수선은 Seaved Worker로, 복구 [27]작업을 위해 Bezos가 조직한 전문가 팀이 탑승했다.2013년 7월 19일, 베조스는 회수된 엔진들 중 하나의 일련 번호가 Neil Armstrong, Buzz Aldrin, 그리고 Michael Collins가 아폴로 11호 [28]임무로 달에 도착할 수 있도록 도운 5번 엔진인 Rocketdyne 일련 번호 2044(NASA 번호 6044와 동일)라고 밝혔다.회수된 부품들은 [28][27]보존 과정을 위해 허친슨의 캔자스 우주권과 우주 센터로 보내졌다.

2014년 8월, 아폴로 11호와 아폴로 11호의 F-1 엔진과 다른 아폴로 비행기의 F-1 엔진 두 개의 부품이 회수된 것이 밝혀졌고, 청소된 엔진의 사진도 공개되었다.베조스는 워싱턴 D.C.[27]의 국립 항공 우주 박물관을 포함한 다양한 장소에 엔진을 전시할 계획이다.

2017년 5월 20일 미국 워싱턴주 시애틀의 비행박물관에서 개막된 아폴로 상설전시회는 아폴로 12호 미션에서 3번 엔진의 추력실과 추력실 인젝터, 아폴로 16호 비행에 동력을 공급한 엔진의 가스 발생기 등 엔진 유물을 전시하고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

메모들
  1. ^ W. 데이비드 우즈, 아폴로가 달에 날아간 방법, 스프링거, 2008, ISBN978-0-387-71675-6, 19페이지
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참고 문헌

외부 링크

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