[Космонавтика] Лунный F-1: самый первый и самый знаменитый (ТОП-5 самых мощных ракетных двигателей)

С чего начинается любой космический проект? Разумеется с ракеты. Спутники, космические корабли, автоматические межпланетные станции – все нуждаются в достаточно мощном средстве выведения, без которого они просто останутся на Земле малополезной кучкой металлолома. Причем если вы желаете отправить в космос аппарат побольше или послать его подальше, то вам потребуется действительно большая и мощная ракета.

А с чего начинается любая ракета? Конечно с двигателей. Это, безусловно, самая сложная и дорогая часть любой ракеты, определяющая её возможности и характеристики. Соответственно, хорошей большой ракете требуются большие двигатели. В нескольких следующих постах мы познакомимся с пятью самыми мощными ракетными двигателями, когда-либо сокрушающими своим грохотом воздух нашей планеты. А начнем мы, разумеется, с самого первого.

 

ЛУННЫЙ F-1: САМЫЙ ПЕРВЫЙ И САМЫЙ ЗНАМЕНИТЫЙ

Первым в нашем списке будет двигатель F-1. Он использовался на первой ступени лунной ракеты Сатурн-V, отправившей американских астронавтов на Луну в конце 60-х. Сатурн-V, как известно, до сих пор является самой мощной ракетой в истории мировой космонавтики. На её первой ступени были установлены 5 кислородно-керосиновых F-1, каждый из которых имел тягу 680 тонн (да, автор в курсе, что тяга это сила, а значит её нужно измерять в тоннах-силах, а если задротствовать - так и вообще в ньютонах. Но так как статья пишется для обычных людей, то измерять тягу мы будем в привычных обывательских тоннах. А кто будет возмущаться в комментах - тот зануда). Этот двигатель имел одну камеру сгорания, и хотя позже появились жидкостные ракетные двигатели, превосходящие F-1 по величине силы тяги, этот двигатель остаётся мировым рекордсменом по тяге на одну камеру. 

Двигатель F-1 в полный рост. Фигурка человека снизу дана для масштаба.

Именно потрясающие характеристики Сатурна-V позволили США в 1969-м году доставить астронавтов на Луну, заметно реабилитировавшись после обидных поражений в начале космической эры. В свою очередь, Сатурн-V был бы невозможен, если бы не удалось разработать F-1. По крайней мере, советская попытка создать в те же годы похожую по грузоподъемности лунную ракету Н1-Л3 на базе сравнительно небольших двигателей НК-15 потерпела неудачу в основном именно из-за отказов слишком многочисленных двигателей и сопутствующих систем. В свою очередь, F-1 отработал свою программу на "пять" - ни один из 65 летавших двигателей на 13 ракетах даже не чихнул в полете, честно разгоняя верхнюю часть ракеты до двух с половиной километров в секунду.

Кроме своих реализованных достижений, F-1 имеет не менее интересную историю разработки. Строго говоря, этот двигатель парадоксальным образом противоречит общепринятой схеме развития техники. Мы ожидаем, что двигатели должны развиваться постепенно: от слабых к всё более мощным. Однако разработка двигателя F-1 началась ещё... до начала космической эры! История этого изделия  начинается за два с лишним года до полета первого спутника, когда в 1955 году американские ВВС выдали фирме "Рокетдайн" задание на разработку жидкостного ракетного двигателя сверхбольшой тяги для установки на межконтинентальную баллистическую ракету. Первоначальный вариант имел индекс E-1 и должен был развивать тягу порядка 160 тонн. Разработка продвигалась так успешно, что через несколько лет "Рокетдайн" обосновал возможность создания еще более мощного двигателя F-1 аналогичной конструкции тягой уже в миллион фунтов (порядка 450 тонн). К тому времени интерес военных к Е-1 постепенно стал угасать, и работы были сконцентрированы на F-1. Разработку довели до начала испытаний отдельных компонентов в 1957-м году, но вскоре заморозили - для такого мощного двигателя попросту не нашлось боевой ракеты.

Однако покрыться пылью на полке двигателю не дали. Оглушительный триумф первого советского спутника всколыхнул всё околокосмическое направление. В США в срочном порядке было создано Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), которое стало собирать все подходящие проекты и разработки. Работа над F-1 была продолжена по контракту с Агентством и уже в 1959-м году первый прототип этого двигателя встал на огневой стенд для краткосрочного прожига. Как видим, это произошло задолго до принятия лунной программы "Аполлон" - НАСА работало на будущее. Собственно, именно такой подход и дал американским космическим специалистам возможность в 1961-м году быстро и уверенно сформулировать для президента Дж.Кеннеди возможные будущие программы, в которых Штаты могли обогнать СССР. И в том же году F-1 впервые был запущен на практически полную огневую мощь.

Увы, радость от успехов была явно преждевременной. Двигатель F-1 отказывался стабильно работать. В ходе все новых и новых испытаний его работа неожиданно становилась нестабильной, а некоторые прожиги закончились феерическим взрывом - можете сами представить, как может бомбануть пукан у дуры в три человеческих роста, сжигающей почти три тонны компонентов топлива в секунду. Пускать на таких двигателях трех астронавтов и оборудование стоимостью в несколько миллиардов нынешних долларов было решительно невозможно. 

Выяснилось, что процессы горения в столь огромной по размерам камере сгорания были нестабильны и в сгорающей кислородно-керосиновой смеси возникали сильные хаотичные колебания давления. Не имея в те годы практически никаких теоретических знаний о процессах, происходящих внутри, инженеры Рокетдайна могли только методом перебора пытаться найти такую конфигурацию камеры сгорания и форсуночной головки (именно этот узел, занимавший всю заднюю стенку камеры сгорания, отвечает за распыление жидкого кислорода и керосина внутри камеры), чтобы работа двигателя стала стабильной. 

Так выглядит F-1, если залезть заглянуть в сопло. Диск с отверстиями и решеткой - форсуночная головка, цилиндрическая часть двигателя от неё до начала расширения - камера сгорания. Стенка камеры и сопла собрана из трубок, по которым течет холодный керосин из баков, охлаждая камеру.

Проблема была в том, что колебания давления возникали совершенно бессистемно, не давая возможности определить их причину или хотя бы быстро сравнивать эффективность внесенных изменений. Прошел 1961-й год, потом 62-й, начался 63-й, ракета Сатурн-V была давно полностью спроектирована, под неё уже даже шла разработка космического корабля "Аполлон" и лунного модуля, а ключевой элемент ракеты продолжал пугать испытателей  хлопками и взрывами. Вскоре не только на полигоне, но и в кабинетах дирекции НАСА отчетливо запахло керосином - дело шло к пересмотру всей лунной программы.

Двигатель F-1 испытывается на огневом стенде. "Грязное" пламя не означает, что двигатель сейчас взорвется. Оно у F-1 по жизни такое.

Однако в 1963-м году рокетдайновцы предложили оригинальный способ преднамеренного инициирования нестабильности горения. Для этого перед очередным испытанием внутри камеры сгорания к форсуночной головке прикрепляли небольшую бомбочку в термопрочном чехле. Через несколько секунд после начала испытания чехол прогорал и бомбочка взрывалась, нарушая ударной волной процесс горения керосина. Зная, где находится центр нестабильности и какова величина его воздействия, инженеры могли быстро анализировать реакцию двигателя на это возмущение. Эксперименты шли один за другим, конструкторы меняли форму камеры и форсуночной головки, устанавливали на неё специальные решетки различной формы, просверливали форсуночные отверстия под разными углами и разного диаметра - на это ушло еще полтора года и почти тысяча огневых испытаний. Но результат в итоге был получен, двигатель F-1 не только перестал "чихать" при обычных испытаниях, но даже не реагировал на взрывы бомбочек внутри себя. В ходе работ также подняли тягу до окончательных 680 тонн. В 1965-м году на стенд была водружена уже вся первая ступень в сборе, развившая тягу в рекордные 3 с половиной тысячи тонн без малого. Забавно, но даже в 1967-м году, уже после начала полетов Сатурна-V, инженеры Рокетдайна печально констатировали, что они так и не понимают ни причин возникновения нестабильностей горения в F-1, ни за счет чего им удалось с ними справиться...

Джефф Безос объясняет своим конструкторам, как не надо делать двигатели. В качестве пособия используется настоящая летавшая форсуночная головка F-1, которую Безос спёр у НАСА поднял со дна Атлантического океана.

К сожалению, огромная камера так и осталась родимым пятном F-1. В отличие от советского 4-хкамерного РД-170, который породил целое семейство более слабых двигателей с двумя и даже одной камерой, F-1 не мог быть "распилен"; на части, а значит обречен использоваться только на действительно больших ракетах. В свою очередь, комплекс инженерных решений, обеспечивших стабильность работы этого двигателя, исключил возможность регулирования тяги, так называемого "дросселирования" - двигатель был стабилен только при определенном расходе топлива, а при попытке изменения расхода тут же снова появлялись опасные колебания. К тому же сам двигатель имел низкий для керосиновых двигателей удельный импульс, то есть был довольно прожорлив. Судьба F-1 была решена: двигатель отправили на заслуженную пенсию в музеи. Строго говоря, иного и не следовало ожидать: F-1 был основан на идеях и решениях 50-х годов и после окончания лунной программы оказался безнадежно устаревшим. Идеи вытащить знаменитого гиганта из нафталина и поставить на очередной проект супертяжелой ракеты иногда появляются, но так и остаются идеями.

 

Дорогой, прожорливый и неуклюжий - двигатель F-1 останется, пожалуй, самым знаменитым ракетным двигателем в истории космонавтики ХХ века, войдя во все учебники по ракетостроению и энциклопедии, описывающих лунную эпопею. После него были двигатели и мощнее, и совершеннее, но ни один из них не достиг и половины того, чего достиг этот знаменитый пенсионер.