Rocketdyne F-1

El F-1 es un motor de cohete desarrollado por Rocketdyne . El motor utiliza un ciclo de generador de gas desarrollado en Estados Unidos a finales de la década de 1950 y se empleó en el cohete Saturno V en las décadas de 1960 y principios de 1970. Cinco motores F-1 se utilizaron en la primera etapa S-IC de cada Saturno V, que sirvió como vehículo de lanzamiento principal del programa Apolo . El F-1 sigue siendo el motor de cohete de propulsión líquida de cámara de combustión única más potente jamás desarrollado. ^{[ 1 ]}

Rocketdyne desarrolló los motores F-1 y E-1 para satisfacer un requisito de la Fuerza Aérea de los EE. UU. de 1955 para un motor de cohete muy grande. El E-1, aunque se probó con éxito en encendido estático, pronto se consideró un callejón sin salida tecnológico y se abandonó en favor del F-1, más grande y potente. La Fuerza Aérea finalmente detuvo el desarrollo del F-1 debido a la falta de necesidad de un motor de tal tamaño. Sin embargo, la recién creada Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) reconoció la utilidad de un motor con tanta potencia y contrató a Rocketdyne para completar su desarrollo. Las pruebas de encendido de los componentes del F-1 se habían realizado ya en 1957. El primer encendido estático de una etapa completa del F-1 en desarrollo se realizó en marzo de 1959. El primer F-1 se entregó al Centro de Vuelo Espacial Multiespecie de la NASA en octubre de 1963. En diciembre de 1964, el F-1 completó las pruebas de calificación de vuelo. Las pruebas continuaron al menos hasta 1965. ^{[ 2 ]}

Las primeras pruebas de desarrollo revelaron graves problemas de inestabilidad de la combustión que a veces causaban fallas catastróficas . ^{[ 3 ]} Inicialmente, el progreso en este problema fue lento, ya que era intermitente e impredecible. Se observaron oscilaciones de 4  kHz con armónicos de hasta 24  kHz. Finalmente, los ingenieros desarrollaron una técnica de diagnóstico que consistía en detonar pequeñas cargas explosivas (a las que llamaban "bombas") fuera de la cámara de combustión, a través de un tubo tangencial ( se usaban RDX , C-4 o pólvora negra ) mientras el motor estaba en funcionamiento. Esto les permitió determinar con exactitud cómo respondía la cámara en marcha a las variaciones de presión y cómo anular estas oscilaciones. Los diseñadores pudieron entonces experimentar rápidamente con diferentes diseños de inyectores de combustible coaxiales para obtener el más resistente a la inestabilidad. Estos problemas se abordaron entre 1959 y 1961. Finalmente, la combustión del motor era tan estable que amortiguaba automáticamente la inestabilidad inducida artificialmente en una décima de segundo.

El motor F-1 es el motor de cohete monocámara de combustible líquido más potente jamás probado. El motor de cohete M-1 fue diseñado para generar mayor empuje, pero solo se probó a nivel de componentes. El RD-170, desarrollado posteriormente , es mucho más estable, tecnológicamente más avanzado , más eficiente y produce mayor empuje, pero cuenta con cuatro cámaras de combustión alimentadas por una sola bomba. El F-1 utilizaba RP-1 ( queroseno de grado cohete ) como combustible y oxígeno líquido (LOX) como oxidante. Una turbobomba se empleaba para inyectar el combustible y el oxígeno en la cámara de combustión.

Un desafío notable en la construcción del F-1 fue el enfriamiento regenerativo de la cámara de combustión. El ingeniero químico Dennis "Dan" Brevik se enfrentó a la tarea de asegurar que el diseño preliminar del haz de tubos y el colector de la cámara de combustión, producido por Al Bokstellar, funcionara a baja temperatura. En esencia, el trabajo de Brevik consistía en "asegurarse de que no se fundiera". Mediante los cálculos de Brevik sobre las características hidrodinámicas y termodinámicas del F-1, él y su equipo lograron solucionar un problema conocido como "falta de refrigeración". Esto ocurre cuando un desequilibrio de la presión estática genera "puntos calientes" en los colectores. El material utilizado para el haz de tubos, las bandas de refuerzo y el colector de la cámara de combustión del F-1 fue Inconel-X750 , una aleación refractaria a base de níquel capaz de soportar altas temperaturas. ^{[ 4 ]}

El corazón del motor era la cámara de combustión, que mezclaba y quemaba el combustible y el oxidante para producir empuje. Una cámara abovedada en la parte superior del motor servía como colector que suministraba oxígeno líquido a los inyectores , y también como soporte para el cojinete cardánico que transmitía el empuje al cuerpo del cohete. Debajo de esta cúpula se encontraban los inyectores, que dirigían el combustible y el oxidante hacia la cámara de combustión de forma que favoreciera la mezcla y la combustión. El combustible se suministraba a los inyectores desde un colector independiente; parte del combustible viajaba primero por 178 tubos a lo largo de la cámara de combustión —que formaba aproximadamente la mitad superior de la tobera de escape— y de vuelta para enfriarla.

Se utilizó un generador de gas para accionar una turbina que impulsaba bombas de combustible y oxígeno independientes, cada una alimentando el conjunto de la cámara de empuje. La turbina giraba a 5500 RPM , produciendo 55 000 caballos de fuerza (41 MW) . La bomba de combustible suministraba 15 471 galones estadounidenses (58 560 litros) de RP-1 por minuto, mientras que la bomba de oxidante suministraba 24 811 galones estadounidenses (93 920 L) de oxígeno líquido por minuto. En cuanto al medio ambiente, la turbobomba debía soportar temperaturas que iban desde el gas de entrada a 1500 °F (820 °C) hasta el oxígeno líquido a −300 °F (−184 °C) . Estructuralmente, se utilizaba combustible para lubricar y enfriar los cojinetes de la turbina .        

Debajo de la cámara de combustión se encontraba la extensión de la tobera , aproximadamente la mitad de la longitud del motor. Esta extensión aumentaba la relación de expansión del motor de 10:1 a 16:1. Los gases de escape de la turbina se introducían en la extensión de la tobera mediante un colector grande y cónico; este gas, relativamente frío, formaba una película que protegía la extensión de la tobera de los gases de escape calientes ( 3200 °C [5800 °F]) . ^{[ 5 ]}  

Cada segundo, un solo F-1 quemaba 5683 libras (2578 kg) de oxidante y combustible: 3945 lb (1789 kg) de oxígeno líquido y 1738 lb (788 kg) de RP-1, generando 1 500 000 lbf (6,7 MN; 680 tf) de empuje. Esto equivalía a un caudal de 671,4 galones estadounidenses (2542 L) por segundo; 413,5 galones estadounidenses (1565 L) de LOX y 257,9 galones estadounidenses (976 L) de RP-1. Durante sus dos minutos y medio de funcionamiento, los cinco F-1 impulsaron el vehículo Saturno V a una altura de 42 millas (222 000 pies; 68 km) y una velocidad de 6164 mph (9920 km/h) . El caudal combinado de los cinco motores F-1 del Saturno V era de 3357 galones estadounidenses (12 710 litros) ^{[ 5 ]} o 28 415 libras (12 890 kg) por segundo. Cada motor F-1 tenía más empuje que los tres motores principales del transbordador espacial combinados. ^{[ 6 ]}                          

Procedimientos previos y posteriores al encendido

Durante las pruebas de encendido estático, el combustible RP-1 a base de queroseno dejó depósitos y vapores de hidrocarburos en el motor después de la prueba. Estos debían eliminarse del motor para evitar problemas durante su manipulación y futuros encendidos, y se utilizó el disolvente tricloroetileno (TCE) para limpiar el sistema de combustible del motor inmediatamente antes y después de cada prueba de encendido. El procedimiento de limpieza consistía en bombear TCE a través del sistema de combustible del motor y dejar que el disolvente rebosara durante un período que oscilaba entre varios segundos y 30-35 minutos, dependiendo del motor y la gravedad de los depósitos. A veces, el generador de gas y la cúpula de LOX del motor también se enjuagaban con TCE antes de la prueba de encendido. ^{[ 7 ] [ 8 ]} El motor de cohete F-1 tenía su cúpula de LOX, generador de gas y camisa de combustible de la cámara de empuje enjuagados con TCE durante los preparativos del lanzamiento. ^{[ 8 ]}

Presupuesto

Fuentes: ^{[ 5 ] [ 9 ]}

F-1A después del Apolo

Durante la década de 1960, Rocketdyne emprendió el desarrollo de mejoras para el motor F-1, lo que dio como resultado la nueva especificación F-1A. Si bien exteriormente era muy similar al F-1, el F-1A producía un empuje aproximadamente un 20 % mayor, 1.800.000 lbf (8 MN) en las pruebas, y se habría utilizado en futuros vehículos Saturno V en la era posterior al programa Apolo . Sin embargo, la línea de producción del Saturno V se cerró antes de la finalización del Proyecto Apolo y ningún motor F-1A llegó a volar. ^{[ 10 ]}  

Hubo propuestas para utilizar ocho motores F-1 en la primera etapa de los cohetes Saturno C-8 y Nova . Desde la década de 1970 en adelante, se han presentado numerosas propuestas para desarrollar nuevos propulsores desechables basados ​​en el diseño del motor F-1. Entre ellos se incluyen el Saturno-Transbordador y el propulsor Pyrios (véase más abajo) en 2013. ^{[ 10 ]} A partir de 2013, ninguno ha avanzado más allá de la fase de estudio inicial. El Comet HLLV habría utilizado cinco motores F-1A en el núcleo principal y dos en cada uno de los propulsores. ^{[ 11 ]}

El F-1 es el motor de combustible líquido monocámara y monobobina más grande y de mayor empuje que se ha utilizado. Existen motores de combustible sólido más grandes , como el cohete propulsor sólido del transbordador espacial, con un empuje de despegue a nivel del mar de 2.800.000 lbf (12,45 MN) cada uno. El RD-170 soviético (ahora ruso) puede generar más empuje que el F-1, con 1.630.000 lbf (7,25 MN) por motor a nivel del mar; sin embargo, cada motor utiliza cuatro cámaras de combustión en lugar de una, para resolver el problema de la inestabilidad de la combustión .    

Como parte del programa del Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS), la NASA había estado llevando a cabo la Competencia de Propulsores Avanzados, que estaba programada para finalizar con la selección de una configuración de propulsor ganadora en 2015. En 2013, los ingenieros del Centro de Vuelos Espaciales Marshall comenzaron las pruebas con un F-1 original, número de serie F-6049, que fue retirado del Apolo 11 debido a una falla. El motor nunca se utilizó y durante muchos años estuvo en la Institución Smithsonian . Las pruebas están diseñadas para que la NASA se familiarice nuevamente con el diseño y los propulsores del F-1, anticipándose al uso de una versión evolucionada del motor en futuras aplicaciones de vuelos al espacio profundo. ^{[ 12 ]}

En 2012, Pratt & Whitney , Rocketdyne y Dynetics , Inc. presentaron un competidor conocido como Pyrios , un propulsor de cohete líquido , en el Programa de Propulsores Avanzados de la NASA, que busca un sucesor más potente para los propulsores de cohete sólido de cinco segmentos del Transbordador Espacial, destinados a las primeras versiones del Sistema de Lanzamiento Espacial. Pyrios utiliza dos motores F-1B modificados y de mayor empuje por propulsor. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Debido a la ventaja potencial del motor en impulso específico , si esta configuración F-1B (utilizando cuatro F-1B en total) se integrara con el SLS Block 2, el vehículo podría entregar 150 toneladas (330 000 lb) a la órbita terrestre baja , ^{[ 15 ]} mientras que 130 toneladas (290 000 lb) es lo que se considera alcanzable con los propulsores sólidos planificados combinados con una etapa central RS-25 de cuatro motores. ^{[ 16 ]}  

El motor F-1B tiene como objetivo de diseño ser al menos tan potente como el F-1A, que nunca llegó a volar, y además ser más rentable. El diseño incorpora una cámara de combustión muy simplificada, un número reducido de piezas del motor y la eliminación del sistema de reciclaje de gases de escape del F-1, incluyendo la tobera media de escape de la turbina y el colector de refrigeración de "cortina" , con el escape de la turbina teniendo un conducto de salida separado ^{[ 17 ]} junto a la tobera principal acortada en el F-1B. La reducción en los costos de las piezas se ve favorecida por el uso de fusión selectiva por láser en la producción de algunas piezas metálicas. ^{[ 13 ] [ 18 ]} El motor F-1B resultante está diseñado para producir 1.800.000 lbf (8,0 MN) de empuje a nivel del mar, un aumento del 15% con respecto a los aproximadamente 1.550.000 lbf (6,9 MN) de empuje que producían los motores F-1 maduros del Apolo 15. ^{[ 13 ]}    

Se lanzaron sesenta y cinco motores F-1 a bordo de trece Saturno V, y cada primera etapa aterrizó en el océano Atlántico. Diez de estas misiones siguieron aproximadamente el mismo acimut de vuelo de 72 grados, pero las misiones Apolo 15 y Apolo 17 siguieron acimuts significativamente más al sur (80,088 grados y 91,503 grados, respectivamente). El vehículo de lanzamiento Skylab voló con un acimut más al norte para alcanzar una órbita de mayor inclinación (50 grados frente a los 32,5 grados habituales). ^{[ 19 ]}

Se instalaron diez motores F-1 en dos cohetes Saturno V de producción que nunca volaron. La primera etapa del SA-514 se exhibe en el Centro Espacial Johnson en Houston (aunque pertenece al Instituto Smithsoniano) y la primera etapa del SA-515 se exhibe en el Centro Científico INFINITY del Centro Espacial John C. Stennis en Mississippi.

Se instalaron otros diez motores en dos Saturno V de prueba en tierra que nunca fueron diseñados para volar. La S-IC-T , "Etapa de prueba de todos los sistemas", una réplica de prueba en tierra, se exhibe como la primera etapa de un Saturno V completo en el Centro Espacial Kennedy en Florida. El SA-500D , el Vehículo de prueba dinámico, se exhibe en el Centro Espacial y de Cohetes de EE. UU. en Huntsville, Alabama . ^{[ 20 ]}

Un motor de prueba se exhibe en el Museo Powerhouse de Sídney , Australia . Fue el número 25 de los 114 motores de investigación y desarrollo construidos por Rocketdyne y se encendió 35 veces. El motor fue cedido en préstamo al museo por el Museo Nacional del Aire y el Espacio del Smithsonian . Es el único F-1 en exhibición fuera de los Estados Unidos. ^{[ 21 ]}

Un motor F-1, cedido en préstamo por el Museo Nacional del Aire y el Espacio, se exhibe en el Air Zoo en Portage, Michigan . ^{[ 22 ]}

Un motor de F-1 se exhibe sobre un soporte horizontal en el Museo de Ciencias de Oklahoma, en Oklahoma City .

El motor F-1 F-6049 se exhibe verticalmente en el Museo del Vuelo en Seattle, Washington, como parte de la exposición Apolo.

Un motor F-1 está instalado verticalmente como monumento a los constructores de Rocketdyne en la avenida De Soto, frente a la antigua planta de Rocketdyne en Canoga Park, California. Fue instalado en 1979 y trasladado desde el estacionamiento al otro lado de la calle algún tiempo después de 1980. ^{[ 23 ]}

Un motor F-1 está expuesto en el exterior del Museo de Historia Espacial de Nuevo México en Alamogordo, Nuevo México.

Una cámara de empuje F-1 recuperada se exhibe en el Cosmosphere . ^{[ 24 ]} Un motor intacto (sin extensión de tobera) se exhibe al aire libre.

Recuperación

El 28 de marzo de 2012, un equipo financiado por Jeff Bezos , fundador de Amazon.com , informó haber localizado los motores de cohete F-1 de una misión Apolo utilizando equipos de sonar. ^{[ 25 ]} Bezos declaró que planeaba recuperar al menos uno de los motores, que se encuentran a una profundidad de 4300 metros (14 000 pies ) , a unos 640 kilómetros (400 millas) al este de Cabo Cañaveral, Florida. Sin embargo, se desconocía el estado de los motores, que habían estado sumergidos durante más de 40 años. ^{[ 26 ]} El administrador de la NASA, Charles Bolden, emitió un comunicado felicitando a Bezos y a su equipo por su hallazgo y deseándoles éxito. También reafirmó la postura de la NASA de que cualquier artefacto recuperado seguiría siendo propiedad de la agencia, pero que probablemente se ofrecería a la Institución Smithsonian y a otros museos, dependiendo de la cantidad recuperada. ^{[ 27 ]}  

El 20 de marzo de 2013, Bezos anunció que había logrado traer a la superficie partes de un motor F-1 y publicó fotografías. Bezos señaló: "Muchos de los números de serie originales faltan o faltan parcialmente, lo que dificultará la identificación de la misión. Podríamos ver más durante la restauración". ^{[ 28 ]} El barco de recuperación era el Seabed Worker y tenía a bordo un equipo de especialistas organizado por Bezos para el esfuerzo de recuperación. ^{[ 29 ]} El 19 de julio de 2013, Bezos reveló que el número de serie de uno de los motores recuperados es el número de serie 2044 de Rocketdyne (equivalente al número 6044 de la NASA), el motor n.° 5 (central) que ayudó a Neil Armstrong , Buzz Aldrin y Michael Collins a llegar a la Luna con la misión Apolo 11. ^{[ 30 ]} Las partes recuperadas fueron llevadas al Centro Espacial y Cosmético de Kansas en Hutchinson para el proceso de conservación. ^{[ 30 ] [ 29 ]}

En agosto de 2014, se reveló que se habían recuperado partes de dos motores F-1 diferentes, uno del Apolo 11 y otro de otro vuelo del Apolo, y se publicó una fotografía de un motor limpio. Bezos planea exhibir los motores en varios lugares, incluido el Museo Nacional del Aire y el Espacio en Washington, D.C. ^{[ 29 ].}

El 20 de mayo de 2017, se inauguró la exposición permanente del programa Apolo en el Museo del Vuelo de Seattle, Washington , que exhibe artefactos de motores recuperados, incluyendo la cámara de combustión y el inyector de la cámara de combustión del motor número 3 de la misión Apolo 12 , así como un generador de gas de un motor que impulsó el vuelo del Apolo 16 .

• Comparación de motores de cohetes orbitales

Notas

Bibliografía

• Kit de prensa del Apolo 15 archivado el 12 de mayo de 2008 en Wayback Machine .
• Vehículo de lanzamiento Saturno V, Informe de evaluación de vuelo, AS-510 , MPR-SAT-FE-71-2, 28 de octubre de 1971.

Manuales

• Manual técnico R-3896-1: Datos del motor del cohete F-1
• Manual técnico R-3896-3 Volumen I: Mantenimiento y reparación del motor cohete F-1
• Manual técnico R-3896-3 Volumen II: Mantenimiento y reparación del motor cohete F-1
• Manual técnico R-3896-4: Despiece ilustrado del motor cohete F-1
• Manual técnico R-3896-5 Volumen I: Equipos de apoyo en tierra y reparación del motor cohete F-1
• Manual técnico R-3896-5 Volumen II: Mantenimiento y reparación de equipos de apoyo en tierra - Motor cohete F-1
• Manual técnico R-3896-6: Instalación y reparación del aislamiento térmico del motor cohete F-1
• Manual técnico R-3896-9: Motor cohete F-1 para transporte
• Manual técnico R-3896-11: Instrucciones de funcionamiento del motor de cohete F-1

• E-1 en la Enciclopedia Astronáutica
• F-1 en la Enciclopedia Astronáutica
• F-1A en la Enciclopedia Astronáutica
• NASA SP-4206 Etapas hacia Saturno: la historia oficial de la NASA del vehículo de lanzamiento Saturno.
• Instrucciones de funcionamiento del motor F-1 (310 MB)
• El motor F-1 del Saturno V: Impulsando al Apolo hacia la historia en Springer.com
• Recordando a los gigantes: Desarrollo de la propulsión de cohetes Apolo , 2009, Centro Espacial John C. Stennis. Monografía en Historia Aeroespacial n.° 45 de la NASA.
• Cómo la NASA devolvió la vida al monstruoso motor F-1 del "cohete lunar".
• El nuevo motor de cohete F-1B mejora el diseño de la era Apolo con 1,8 millones de libras de empuje.
• Hoja informativa de la oficina de historia del MSFC F-1
• Colección Anthony Young, Archivos y Colecciones Especiales de la Universidad de Alabama en Huntsville. Material de investigación sobre el desarrollo del motor F-1.
• Centro Espacial y de Cohetes de EE. UU.: La PRIMERA prueba de los cinco motores F-1 en 1965 en YouTube .