F-1 жертвы удельного импульса ради достижения ВЧ-устойчивости

Вслед за двухступенчатыми «Сатурном-1» и «Сатурном-1Б» команда Вернера фон Брауна задумала трехступенчатый «Сатурн-V». Двигательная установка I ступени состояла из 5 новых двигателей F-1 на топливе керосин + жидкий кислород с тягой 680 т Х 5=3401 т. Вторая и третья ступень использовали водородно-кислородный двигатель J-2: 5 двигателей на II ступени и 1 – на третьей. По первоначальному проекту ракета-носитель «Сатурн-V» имела стартовую массу более 2700 т, высоту 111 м, могла доставить на орбиту груз 140 т или послать груз 47 т на Луну.
...
Прежде всего, создание уникального двигателя первой ступени F-1 с тягой 680т. Трудности заключались не только в больших геометрических размерах этого двигателя (высота–5,9м), которые требовали крупного промышленного оснащения, но, главное, в преодолении барьера неустойчивости горения в камере сгорания двигателя. Мало кто верил в успех разработки.

Специалисты ведущих двигательных КБ в Советском Союзе в подавляющем большинстве не верили в возможность создания такого двигателя. А тех, кто симпатизировал и предлагал начать разработку отечественных крупных двигателей, обвинили в рекордизме и гигантомании и на этом успокоились».

Б.И. Губанову довелось неоднократно встречаться с главным инженером этого двигателя Джерри Томсоном, который с самого начала, работая в команде фон Брауна, был прямым и непосредственным участником процесса рождения этого сверхмощного двигателя.
...
Двигатель F-1 разрабатывался в 1959-1966гг. Большой двигатель – большие проблемы. Проблема №1 – исключить неустойчивость горения в камере двигателя F-1. Двадцать из 44 огневых испытаний первых двигателей F-1 имели аварийный исход из-за разрушительных высокочастотных колебаний давления в камере двигателя [15].

В Центре им. Маршалла был создан специальный комитет по изучению неустойчивости горения в камере двигателя, который возглавил Джерри Томсон. В комитет вошли 6 постоянных членов и 5 консультантов – от Центра им. Маршалла, от исследовательского центра Льюиса, от ВВС, от промышленности, от университетов. Специальное подразделение для решения проблемы неустойчивого горения в ЖРД F-1 было создано и на фирме «Рокетдайн».

Реагируя на глубокую обеспокоенность Управления пилотируемых космических полётов, в ноябре 1962г. фон Браун подготовил специальный меморандум. Он подчеркнул озабоченность этой проблемой Центра им. Маршалла и высоко оценил шаги, предпринятые в «Рокетдайн». В свою очередь, он не обещал быстрого или лёгкого решения. В меморандуме фон Браун изложил ясное понимание ситуации. «Хотя многие организации работали над решением проблемы неустойчивости горения в ЖРД в течении последних 10 лет, никто ещё не приблизился к адекватному пониманию самого процесса. Поэтому не было возможности использовать соответствующие критерии проектирования форсуночной головки для обеспечения устойчивого горения в камере двигателя. Это заставило промышленность применить почти полностью эмпирический подход к разработке форсуночной головки и камеры сгорания. Такой подход не только дорогостоящий и трудоёмкий – техническое решение для одного двигателя, как правило, не подходит к другому» [14].
Фон Браун начал обширное исследование проблемы и предложил, чтобы университеты, в частности, присылали аспирантов для работы над различными аспектами проблемы неустойчивого горения в ЖРД. В марте 1963 года эту проблему посчитали одной из самых серьёзных в программе «Сатурн-Апполон». «Рокетдайн» потребовалось 12 месяцев для разработки конструкции форсуночной головки, пригодной для предполётных испытаний двигателя, однако некоторые неприятные аномалии сохранились. К июлю 1964 года работы по исключению случаев неустойчивого горения продолжались, а «Рокетдайн» получила дополнительный контракт на $22 миллиона долларов с особым указанием ускорить исследования.

Значительная теоретическая работа была выполнена двумя исследователями из Принстона - Дэвидом Харье и Луиджи Крокко, а также Ричардом Примом из исследовательского центра Льюиса. Штаб-квартира NASA даже удовлетворила просьбу фон Брауна направить представителей «Рокетдайн» и Центра им. Маршалла для обсуждения указанной проблемы с Крокко в Риме, где он проводил отпуск.

Требовательное внимание к деталям привело к незначительным изменениям конструкции форсуночной головки, которые, однако, привели к значительным результатам. После тщательных расчётов увеличение диаметра отверстий впрыска горючего привело к одному из самых важных вкладов в повышении устойчивости горения. С этой целью также корректировались значения углов, под которыми сталкивались струи окислителя и горючего. Использовался также способ экспериментальной оценки конструктивных изменений форсуночной головки и камеры, которой заключался в создании импульсного возмущения от взрыва маленькой «бомбочки», которая крепилась на огневом днище форсуночной головки. По характеру изменения давления в камере сгорания в переходном процессе можно было судить об устойчивости данной конструкции камеры и оценить запасы устойчивости, например, по длительности переходного процесса. Изменение размеров «бомбочки» позволяло получать импульсное возмущение различной величины. В начале этой серии испытаний переходный процесс устанавливался за более чем 1600 милисекунд, что приводило к опасному состоянию, успешная конструкция после возмущения «успокаивалась» за 100 милисекунд.

Окончательная конструкция форсуночной головки включала переконструированные форсунки горючего (3700 штук) и окислителя (2600 штук) и рационально расположенные антипульсационные перегородки на огневом днище форсуночной головки в виде двух концентрических колец и 12 радиальных ребер, разделяющих зону горения на 13 частей [11]. Эти, казалось бы, незначительные изменения потребовали около 18 месяцев работы, в итоге удалось получить конструкцию с отличными демпфирующими характеристиками и разрешение Центра имени Маршалла на пуск двигателя F-1 в 1965 году. Таким образом «Рокетдайн» потребовалось 7 лет, чтобы справиться с проблемой устойчивости двигателя F-1 по отношению к высокочастотным колебаниям. [14]

> В.А. Задонцев. Две жизни и две ракеты Вернера фон Брауна (1912-1977).

 

По первоначальному проекту ракета-носитель «Сатурн-V» имела стартовую массу более 2700 т, высоту 111 м, могла доставить на орбиту груз 140 т или послать груз 47 т на Луну.

 

"маленькой лжи обыватель не верит, так как и сам умеет врать по-мелкому, но когда ложь чудовищна, обыватель просто представить себе не может, что можно так соврать./"Mein Kampf" Адольф Гитлер/

 

В 1952 году фронт работ по ЖРД был расширен. В НИИ-88 появилось два конструкторских бюро: ОКБ-2 (главный конструктор A. M. Исаев) и ОКБ-3 (главный конструктор Д. Д. Севрук). «Докосмический» период работы своего ОКБ Исаев в шутку называл «каменным веком ракетной техники». Тем не менее, именно тогда им были выдвинуты фундаментальные идеи, позволившие совершить переворот в сфере реактивного двигателестроения как у нас в стране, так и за рубежом. Одна из них - знаменитый «исаевский крест». При разработке в 1946 году 8-тонного двигателя для зенитной управляемой ракеты «исаевцы» впервые столкнулись с явлением высокочастотных колебаний давления в камере сгорания, в считанные секунды после запуска разрушавших изделие. Исаев предложил, по общему признанию, гениальное решение - крестообразно установить антипульсационные перегородки на форсуночную головку, после чего на высокочастотных колебаниях, как шутили сотрудники, «навсегда был поставлен крест - в прямом и переносном смысле».
> Беседы о ракетных двигателях