Новое - хорошо забытое старое. Двигатель F-1B предложен для SLS

Я предложил Алексею Хохлову написать статью на эту тему, но он недостаточно владеет английским, а русскоязычные источники проигнорировали эту новость про старость.

Речь идет о конкурсе на боковые ускорители для SLS, который объявили в НАСА. Вроде, всё было решено: 2 твердотопливных 5-секционных ускорителя с тягой по 1250 тонн силы на уровне моря, оставшиеся в наследство от программы Спейс-Шаттл. Но со временем, в НАСА решили всё-таки провести конкурс и получить альтернативные варианты для принятия окончательного решения.

В середине 2012 года Pratt & Witney совместно с Rocketdyne и Dynetics, Inc. предложили НАСА создать боковые ускорители не твердотопливные, а жидкостные, более мощные, чем ТТ SRB. Предложение включало создание бустера с двумя ЖРД F-1B, который они предлагают создать на базе F-1A.

Для начала, небольшая предистория.

Все знают или хотя бы слышали про двигатели F-1, которые устанавливали на первой ступени Сатурна-5. Именно эти двигатели позволили в конце 60-х доставить американских астронавтов на Луну. По сей день, 45 лет спустя, F-1 остается самым большим и мощным однокамерным ЖРД, когда-либо летавшим в космос.

Обращаю внимание на 2 уточнения:

1. "Однокамерный".

Есть РД-170 с большей на 50 тс тягой (740 против 690), чем F-1, но это 4-камерный двигатель. Эта разница абсолютно принципиальная. Вернер фон Браун сделал мощный однокамерный F-1 и поставил 5 таких двигателей на первую ступень Сатурна. Сатурн развивал на старте тягу 3515 тс (5*703 тс - Аполлон-15), что позволяло "забросить" на НОО целых 140 тонн полезной нагрузки (Аполлон-15 - 140,2 тонны). Кроме того, 5 однокамерных двигателей дали Сатурну запас надежности: при отказе одного из 5 движков, Сатурн успешно выводил груз на орбиту. Многокамерные двигатели, по своей конструктивной особенности, нельзя устанавливать по несколько штук в один корпус. Это влечет за собой не только полное отсутствие запаса по надежности, но, в случае использования "пакетной схемы" резко увеличивает максимальный диаметр носителя. Союз, поднимающий на орбиту 7 тонн, вместе с боковыми блоками имеет габарит почти такой же 10-метровый, как и Сатурн-5, поднимавший до 140 тонн. Если можно было бы связать 5 двигателей РД-170 в "пакет" - это было бы 5 ракет Зенит в связке, каждая из которых имеет диаметр 3,9 метра. Естественно, что связка 5 блоков по 4 метра будет иметь значительно большее аэродинамическое сопротивление.

2. "Летавший в космос".

На самом деле, существовал значительно более мощный и более "продвинутый двигатель", который команда фон Брауна разработала для следующего поколения носителей Сатурн - Сатурн Нова. Фон Браун не собирался останавливаться на достигнутых рекордах и на полетах с высадкой 2 астронавтов на Луну. Его команда, ещё до высадки Армстронга и Олдрина, приступила к испытаниям наследника F-1  - ЖРД F-1A. Испытания прошли в 1968 году, двигатель показал очень солидные результаты и высокую надежность, был разработан полный техпроцесс серийного производства, определены изготовители частей, узлов и агрегатов, поставщики материалов, технология испытаний и приемки, разработаны проекты стендов для испытаний ступени ракеты, но... НАСА не смогла получить финансирования для продолжения программы и всё ушло в архивы. Нам осталась только относительно скудная информация в Encyclopedia Astronautica

 
 

rdynf1a.jpg
F-1A:
Advanced Engines planned for uprated Saturn and Nova boosters

Rocketdyne Lox/Kerosene rocket engine. 9189.6 kN. Study 1968. Designed for booster applications. Gas generator, pump-fed. Isp=310s.

Thrust (sl): 8,003.800 kN (1,799,326 lbf). Thrust (sl): 816,178 kgf. Engine: 8,098 kg (17,853 lb). Chamber Pressure: 70.00 bar. Area Ratio: 16. Propellant Formulation: Lox/RP-1. Thrust to Weight Ratio:115.71.

Status: Study 1968. Unfuelled mass: 8,098 kg (17,853 lb). Height: 5.48 m (17.97 ft). Diameter: 3.61 m (11.84 ft). Thrust: 9,189.60 kN (2,065,904 lbf). Specific impulse: 310 s. Specific impulse sea level: 270 s. Burn time: 158 s. First Launch: 1967.

Для невладеющих английским, перевожу:

F-1A: Усовершенствованный двигатель для модернизированных ракет Сатурн и Нова.

- Изготовитель Рокетдайн. Керосин-кислородный.

- Тяга на уровне моря 816,178 тс

- Удельный импульс на уровне моря 270 с

- Тяга в вакууме 937,078 тс

- Удельный импульс в вакууме 310 с

- Вес двигателя 8,089 т

- Диаметр 3,61 м

- Высота 5,48 м

- Тяговооруженность на уровне моря 100,9:1

Предполагалось, что эти двигатели будут устанавливаться на новые носители. Например, ракета NOVA MM 1B грузоподъемностью на НОО до 330 тонн полезной нагрузки, которая должна была быть подготовлена к запуску не позднее 1972 года, должны были быть установлены ЧЕТЫРНАДЦАТЬ двигателй F-1A. На первой ступени NOVA MM 1C, грузоподъемностью 444 тонны полезной нагрузки на НОО, собирались устанавливать целых ВОСЕМНАДЦАТЬ двигателй F-1A. Были и более скромные проекты - по 5 F-1A на первой ступени. Двигатели, кстати, предполагалось возвращать (не знаю как) и использовать повторно. В той же Энциклопедии Астронавтики сказано:

    • Stage 1. 1 x Nova MM 1C-1. Gross Mass: 8,943,000 kg (19,715,000 lb). Empty Mass: 590,000 kg (1,300,000 lb). Thrust (vac): 161,710.000 kN (36,353,850 lbf). Isp: 304 sec. Burn time: 151 sec. Isp(sl): 271 sec. Diameter: 21.00 m (68.00 ft). Span: 27.10 m (88.90 ft). Length: 49.70 m (163.00 ft). Propellants: Lox/Kerosene. No Engines: 18. Engine: F-1A. Status: Study 1963. Comments: Operational date would have been February 1973.
    • Stage 2. 1 x Nova MM 1C-2. Gross Mass: 2,041,000 kg (4,499,000 lb). Empty Mass: 163,000 kg (359,000 lb). Thrust (vac): 20,015.000 kN (4,499,550 lbf). Isp: 428 sec. Burn time: 387 sec. Diameter: 18.30 m (60.00 ft). Span: 18.30 m (60.00 ft). Length: 49.70 m (163.00 ft). Propellants: Lox/LH2. No Engines: 3. Engine: M-1. Status: Study 1963. Comments: Operational date would have been February 1973.

Проекты были, двигатели были подготовлены к производству, но никогда не использовались. И хотя F-1A остается самым мощным испытанным ЖРД, F-1 остается по сей день самым мощным однокамерным ЖРД, летавшим в космос.

Это была предистория. А теперь, собственно, новость.

As part of the Space Launch System (SLS) program, NASA is running the Advanced Booster Competition, scheduled to end with the selection of a winning booster configuration in 2015. In 2012, PWR proposed using a derivative of the F-1 engine in the competition. In 2013, engineers at the Marshall Space Flight Center began tests with an original F-1, serial number F-6049, which was removed from Apollo 11 due to a glitch. The engine was never used, and for many years it was at the Smithsonian Institution. The tests are designed to refamiliarize NASA with the design and propellants of the F-1 in anticipation of using an evolved version of the engine in future deep space flight applications.

Pratt and Whitney, Rocketdyne and Dynetics, Inc. presented a competitor to the 5 segment Space Shuttle Solid Rocket Booster and NK-33 engines intended for the Space Launch System, using two increased-thrust and heavily modified F-1B engines. Due to the engine's potential advantage in specific impulse (a unit analogous to car fuel efficiency), if this F-1B configuration were integrated with the SLS Block II, the vehicle could deliver 150 metric tons to low earth orbit, 20 metric tons greater than what is achievable with the currently planned solid boosters.

The F-1B engine has a design goal to be at least as powerful as the un-flight-tested F-1A, while also being more cost effective. The design incorporates a greatly simplified combustion chamber, a reduced number of engine parts, and the removal of the F-1 exhaust recycling system, including the turbopump exhaust mid-nozzle and the "curtain" cooling manifold. The reduction in parts costs is aided by using Selective laser melting in the 3-D printing of metallic parts. The resulting F-1B engine is intended to produce 1,800,000 lbf (8.0 MN) of thrust at sea level, a 15% increase over the approximate 1,550,000 lbf (6.9 MN) of thrust that the mature Apollo 15 F-1 engines produced.

F-1B booster

Для невладеющих аглицким - перевожу:

В рамках программы SLS, NASA проводит конкурс Advanced Booster Competition, который должен завершиться выбором конфигурации ускорителей в 2015-м году.

В 2012-м Пратт и Витней совместно с Рокетдайн предложили использовать усовершенствованный двигатель на основе F-1. В 2013-м году инженеры Marshall Space Flight Center начали испытывать оригинальный ЖРД F-1, серийный номер F-6049, который готовился для использования в полете Аполлон-11, но был заменен другим, в связи с неполадками. Двигатель никогда не использовался и много лет простоял в экспозиции Смитсониевского Музея. Испытания двигателя имеют целью восстановить опыт NASA по дизайну и обеспечениею топливом двигателей F-1 в свете возможного использования усовершенствованного двигателя для будущих исследований глубокого космоса.

Pratt and Whitney, Rocketdyne and Dynetics, Inc. представили конкурента 5-сегментному твердотопливному ускорителю спейс-шаттл и ускорителям с ЖРД НК-33, которые предлагались для использования в составе SLS. В связи с потенциальным преимуществом F-1B в удельном импульсе (аналог топливной экономичности автомобилей), если этот вариант будет принят для SLS Блок II, носитель сможет доставлять на НОО до 150 тонн полезной нагрузки, что на 20 тонн больше, чем настоящая версия SLS с твердотопливными ускорителями.

ЖРД F-1B должен иметь, по крайней мере, не меньшую тягу, чем не летавший, но испытанный F-1A, будучи более затратно эффективным. Предлагаемый дизайн предусматривает значительно упрощенную камеру сгорания, уменьшенное количество деталей двигателя, отказ от F-1 exhaust recycling system, включая промежуточное сопло турбонасоса и отказ от "рубашки" охлаждения сопла. Снижение числа сборочных деталей и стоимости будет обеспечиваться лазерным плавлением в ходе 3-D печати металлических частей.

В результате, ЖРД F-1B будет создавать тягу около 816,46 тс на уровне моря - на 15% больше, чем F-1 развивал при запуске Аполлона-15.

 Курсивом я выделил часть, которая тычет носом в дерьмо всяких мухопоповых и прочих стариковых, которые рассуждают, что двигателей F-1 никогда не было, а в музеях выставлены "муляжи". Как видите, "муляж" поставили на испытательный стенд и начинают "гонять" заново. Вот такой я злобный - тычу "уважаемых" писак-разоблачителей "пиндосовской аферы" носом в дерьмо. Да и поделом им.

Вернемся к конкурсу.

На стороне твердотопливных ускорителей - дешевизна и многоразовость использования.

Но двигателисты обещают сделать эти жидкостные ускорители тоже многоразовыми (с Маском сговорятся, что-ли?). А тяга ускорителя с  двумя F-1B больше 1630 тонн (2 ускорителя - 3260 тс), значительно превышает 1250 тонн (2 ускорителя - 2500 тс), которые развивает твердотопливный ускоритель. При лучшей весовой отдаче за счет большего удельного импульса, такой ускоритель обещает существенный прирост в грузоподъемности всей системы (только прирост тяги на уровне моря, по сравнению с твердотопливными ускорителями составит 766 тс, что больше, чем развивает Зенит-2 с двигателем РД-170 - 740 тс).

На стороне твердотопливных ускорителей также и тот факт, что они имеются в наличии, технологии их производства, заправки и транспортировки хорошо отработаны и откатаны. А жидкостные ускорители придется создавать практически с нуля, что потребует и времени, и денег и человеческих рессурсов. Но, с моей точки зрения, с учетом долгосрочной перспективы, это имеет смысл.

С другой стороны, СпейсХ создает альтернативный, частный сверхмощный носитель, который обещает быть и мощнее, и в разы дешевле НАСАйского SLS, даже в развитии Блок II. Это конкуренция в действии. Побеждает тот, кто предложит лучшую услугу (грузоподъёмность и надежность) раньше и за меньшие деньги. Если Маск сдержит свои обещания, бюджетные деньги, вложенные НАСА в SLS, могут оказаться выброшенными на ветер. Та же НАСА сможет покупать услуги вывода своих космических аппаратов на орбиту у СпейсХ, сэкономив большие деньги, направив их на развитие пилотируемых и беспилотных миссий в дальний космос. Недавно я тиснул заметку о том, что в Стенниус Центре состоялась торжественная церемония открытия испытательного комплекса для испытаний первого мощного (320 тс. на ур.моря, 440 тс. в вакууме) метан-кислородного двигателя Раптор компании СпейсХ. Судя по опубликованной информации, это двигатель для верхних ступеней и полетов в глубокий космос, а для первой ступени должен быть создан метан-кислородный двигатель с тягой до 780 тс на уровне моря. Семейство ракет Фалькон-Х, которое проектируется под эти движки, предположительно, будет иметь грузоподъемность в диапазоне от 85 до 420 тонн на НОО. Обращают на себя внимание внимание 3 аспекта: метан-кислород, как компромис между высоким удельным импульсом водорода и более высокой удельной плотностью керосина; метан может добываться на других планетах (например, на Марсе); применение схемы с дожиганием генераторного газа. Всё это говорит о ближнем и дальнем прицеле разработки: от сверхбольших грузов на орбиту Земли (огромные орбитальные станции и межпланетные корабли), до высадки и создания колоний на отдаленных планетах.

Заметьте, работы идут - люди работают, что-то проектируют, что-то уже испытывают, назначают какие-то сроки, обозначают конкретные проектные параметры и во всё это вкладываются немалые деньги. Причем НЕ бюджетные, а что называется "из собственного кармана".

 

Недавно мы тут ломали копья по поводу перспектив РФ в создании тяжелых и сверхтяжелых носителей. Шел разговор об отказе Росскосмоса от не к ночи помянутого Протона и отработке Ангары. У самой мощной (из проектируемых версий) Ангары - Ангара А7.2В, грузоподъемность на НОО всего 50 тонн. Не говоря уже о дороговизне и времени, когда эта версия сможет реализоваться, это даже меньше, чем у очень недорогого Фалькон-Хэви (53 тонны, 78 млн баксов), который должен начать летать как только СпейсХ освоит посадку блоков первой ступени на космодром, предположительно в начале 2015 года. То есть, 53 тонны на НОО Фалькон-Хэви уже почти реальность, реально обеспеченная технологиями, контрактами и финансированием, а 50-тонная Ангара А7.2В - пока только проект, сначала придется запускать, отрабатывать и добиваться надежности более легких версий (в этом году обещают испытать Ангара-1.2 и 5.

Неприятное сравнение того, над чем работают в РФ и в США, какие цели перед собой рисуют и какие перспективы пытаются реализовать.