F-1 (moteur-fusée)

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F-1

Description de l'image  F-1 rocket engine at KSC.jpg.
Caractéristiques
Type moteur Générateur de gaz
Ergols Kérosène / Oxygène liquide
Poussée 6,91 MNewtons (au sol)
Vitesse d'éjection 2580 m/s
Impulsion spécifique 265 s.
Pression chambre combustion 70 bars
Moteur orientable 6° sur 2 axes (hydraulique)
Masse 8400 kg (à sec)
Hauteur 5,8 m.
Diamètre 3,7 m.
Rapport de section 16
Durée de fonctionnement 159 s.
Modèle décrit Apollo 15
Utilisation
Utilisation 1er étage
Lanceur Saturn V
Premier vol 1967
Statut Retiré du service
Constructeur
Pays États-Unis
Constructeur Rocketdyne

Le F-1 était un moteur-fusée de très grande puissance développé par Rocketdyne pour propulser le premier étage du lanceur américain géant Saturn V du programme Apollo. Les cinq moteurs F-1 utilisés sur Saturn V, d'une poussée unitaire de 6,91 millions de Newtons brulaient de l'oxygène liquide (LOX) et du kérosène (RP-1).

Avec une poussée de 6,7 MN (680 tonnes), le F1 est encore aujourd’hui considéré comme le moteur-fusée à ergols liquides et à chambre de combustion unique le plus puissant à avoir été mis en service. Le moteur russe RD-171 (1986) atteint une poussée supérieure (790 tonnes au sol) mais en utilisant 4 chambres de combustion distinctes.

Historique[modifier | modifier le code]

Les origines du F-1 remontent à 1955, lorsque la compagnie Rocketdyne se vit confier par l'Armée de l'air américaine, la réalisation d'un moteur-fusée à forte puissance d’une poussée de 4,45 MN. Dès le début, le développement du moteur progressa rapidement et en 1957, Rocketdyne produit les spécifications détaillées de la chambre de combustion et débute les essais sur certaines composantes du moteur. En 1958, le projet est abandonné par l'Armée de l'air qui considére qu'un moteur de ce type est trop puissant pour ses besoins. La NASA, qui dès sa création en 1958 suit de près le développement du F-1, décide de reprendre à son compte le projet et en 1959. L'agence spatiale renouvelle le contrat avec son constructeur Rocketdyne pour poursuivre son développement en faisant passer sa poussée à 6,7 millions de newtons.

La conception d’un moteur-fusée d’une telle puissance (la poussée du futur F-1 allait surpasser de loin tout ce qui a été réalisé dans ce domaine) représentait alors un véritable défi pour les ingénieurs de Rocketdyne. Un défi technique que devaient relever les américains dans le but de mettre en orbite des charges plus lourdes et ultimement, envoyer un homme sur la Lune avant les soviétiques.

Pour obtenir un moteur géant d’une grande fiabilité (exigence primordiale pour un moteur destiné aux vols habités) et mener ce projet à terme le plus rapidement possible, les concepteurs décidèrent d’utiliser une approche conservatrice dans l’élaboration du moteur et choisirent, lorsque cela était possible, des mécanismes et des concepts ayant déjà fait leurs preuves. Par exemple, le choix des ergols se porta sur des substances déjà bien maîtrisées à l’époque, l’oxygène liquide et le RP-1. Malgré l’adoption de cette approche prudente favorisant la simplicité de conception, le développement du F-1 allait rencontrer un problème majeur.

En effet, dès les premiers véritables tests de mise à feu dans les années 1959-1960, apparurent de sérieux phénomènes d’instabilité de combustion qui pouvaient entraîner la destruction du moteur. Le personnel de Rocketdyne et de Marshall, aidé de plusieurs spécialistes en provenance des milieux universitaires et industriels, mit près de sept ans à résoudre ce problème intermittent et imprévisible. Les ingénieurs développèrent une technique très efficace qui consistait à faire exploser des petites charges (nommées « bomb's ») dans la chambre de combustion durant les tests de mise à feu. Ceci leur permit d’étudier avec précision la réponse de la chambre aux variations de pression et d’expérimenter divers modèles d’injecteurs en conditions d’instabilité. Après plusieurs années de recherches, la combustion devint tellement stable qu’une instabilité induite artificiellement était amortie en moins de 1/10e de seconde.

Le 6 septembre 1966, le F-1 recevait sa qualification complète pour les vols habités.

Schéma du moteur

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

L'injecteur (au fond) et les tubes formant la paroi de la chambre de combustion.

Pour limiter les problèmes de développement une approche conservatrice a été retenue et le moteur-fusée F-1 reprend dans ses grandes lignes l'architecture du moteur H-1 développé pour les lanceurs Saturn I avec toutefois une poussée huit fois plus importante (près de 800 tonnes). C'est un engin de très grande taille avec une hauteur de 5,8 mètres pour un diamètre de 3,7 mètres et une masse à sec d'environ 8,4 tonnes. La moitié de cette hauteur est attribuable à la tuyère qui fait passer le rapport de section de la tuyère de 10:1 à 16:1. Celle-ci est boulonnée au moteur pour faciliter le transport de celui-ci. L'alimentation du moteur est à flux dérivé : un générateur de gaz brûle une faible fraction des ergols pour entrainer et mettre sous pression via une turbopompe les ergols avant de les injecter dans la chambre de combustion. Dans ce type d'alimentation, les gaz produits par le générateur de gaz sont perdus (ils ne sont pas réinjectés dans la tuyère) mais l'architecture qui en résulte est beaucoup plus simple et donc moins difficile à mettre au point et moins propice à une défaillance[1].

La turbopompe unique qui alimente en ergols à la fois le générateur de gaz et la chambre de combustion est animée par une turbine à deux étages d'une puissance de 41 MW tournant, en régime nominal, à 5550 tours par minute. Elle est alimentée par les gaz en sortie du générateur de gaz et son axe entraine directement les pompes à kérosène et à oxygène liquide avec un débit de 2,72 tonnes par seconde. Le générateur de gaz comme la turbopompe sont fixés à la chambre de combustion ce qui permet d'éviter le recours à une tuyauterie flexible qui aurait été nécessaire lorsque le moteur est incliné pour orienter sa poussée. L'oxygène liquide mis sous pression par la turbopompe passe par un échangeur de chaleur qui utilise les gaz chauds en sortie de la tuyère pour réchauffer l'ergol avant son injection dans la chambre de combustion à une pression de 70 bars. La paroi de la chambre de combustion est constituée par un réseau de 89 tubes verticaux brasés de manière à former un ensemble continu qui descend jusqu'en dessous le col de la tuyère. Dans la région de la chambre de la chambre à combustion où le taux d'expansion des gaz est de 3:1, les tubes se subdivisent pour conserver un diamètre relativement constant. 70% du kérosène en sortie de la turbopompe circule dans ces tubes pour maintenir la température de la paroi en-dessous de son point de fusion avant d'être renvoyé par un deuxième réseau de tubes pour être injecté dans la chambre de combustion. Les ergols sont injectés par 3 700 orifices pour le kérosène et 2 600 orifices pour l'oxygène[2].

La partie basse de la tuyère, qui n'est pas refroidie par le système tubulaire décrit ci-dessus, est maintenue en dessous de sa température de fusion par injection des gaz en sortie de la tuyère de la turbopompe. Ceux-ci circulent entre la paroi externe continue de la tuyère et sa paroi interne perforée. Il en résulte un film de gaz, dont la température n'est que de 650°C, qui s'interpose ainsi entre la paroi en acier inoxydable et les gaz expulsés de la chambre de combustion à une température de 3 200°C. Sur les cinq moteurs F-1, quatre sont montés en périphérie, et un au centre de la base du premier étage. La poussée des moteurs montés en périphérie est orientable de 6° avec deux degrés de liberté grâce à des vérins actionnés par un système hydraulique actionné par le kérosène sous pression[2]. Les cinq moteurs sont montés sur une structure de poussée particulièrement massive (22 tonnes sur une masse à vide totale de 136 tonnes du premier étage) constituée de 4 longerons reliés par deux poutres assemblées en croix et deux cadres circulaires.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Galerie de photos[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « SATURN V News reference : F-1 engine Fact Sheet », Centre de vol spatial Marshall,‎ décembre 1968 (), p. 3
  2. a et b (en) « SATURN V News reference : F-1 engine Fact Sheet », Centre de vol spatial Marshall,‎ décembre 1968 (), p. 3-1 à 3-5

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]