Roketdyne F-1

Roketdyne F-1 adalah mesin roket yang dikembangkan oleh Rocketdyne. Mesin ini menggunakan siklus generator gas yang dikembangkan di Amerika Serikat pada akhir tahun 1950-an dan digunakan dalam roket Saturn V pada tahun 1960-an dan awal tahun 1970-an. Lima mesin F-1 digunakan dalam tahap pertama S-IC dari setiap Saturn V, yang berfungsi sebagai wahana peluncur utama program Apollo. F-1 tetap menjadi mesin roket berbahan bakar cair dengan ruang bakar tunggal terkuat yang pernah dikembangkan.

 Sejarah 
Rocketdyne mengembangkan F-1 dan E-1 untuk memenuhi persyaratan Angkatan Udara AS tahun 1955 untuk mesin roket yang sangat besar. E-1, meskipun berhasil diuji dalam penembakan statis, dengan cepat dianggap sebagai jalan buntu teknologi, dan ditinggalkan untuk F-1 yang lebih besar dan lebih bertenaga. Angkatan Udara akhirnya menghentikan pengembangan F-1 karena kurangnya persyaratan untuk mesin sebesar itu. Namun, Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional (NASA) yang baru saja dibentuk menghargai kegunaan mesin dengan daya sebesar itu dan mengontrak Rocketdyne untuk menyelesaikan pengembangannya. Uji penembakan komponen F-1 telah dilakukan sejak tahun 1957. Penembakan statis pertama dari F-1 tahap pengembangan penuh dilakukan pada bulan Maret 1959. F-1 pertama dikirim ke NASA MSFC pada bulan Oktober 1963. Pada bulan Desember 1964, F-1 menyelesaikan uji peringkat penerbangan. Pengujian berlanjut setidaknya hingga tahun 1965.

Pengujian pengembangan awal mengungkap masalah ketidakstabilan pembakaran yang serius yang terkadang menyebabkan kegagalan katastrofik. Awalnya, kemajuan pada masalah ini lambat, karena terputus-putus dan tidak dapat diprediksi. Osilasi 4 kHz dengan harmonik hingga 24 kHz diamati. Akhirnya, para insinyur mengembangkan teknik diagnostik dengan meledakkan muatan peledak kecil (yang mereka sebut "bom") di luar ruang pembakaran, melalui tabung tangensial (RDX, C-4 atau bubuk hitam digunakan) saat mesin menyala. Ini memungkinkan mereka untuk menentukan dengan tepat bagaimana ruang yang berjalan merespons variasi tekanan, dan untuk menentukan cara meniadakan osilasi ini. Para perancang kemudian dapat dengan cepat bereksperimen dengan berbagai desain injektor bahan bakar koaksial untuk mendapatkan yang paling tahan terhadap ketidakstabilan. Masalah-masalah ini diatasi dari tahun 1959 hingga 1961. Akhirnya, pembakaran mesin sangat stabil, sehingga dapat meredam sendiri ketidakstabilan yang disebabkan secara artifisial dalam sepersepuluh detik.

 Desain 
Mesin F-1 adalah mesin roket berbahan bakar cair dengan nosel tunggal terkuat yang pernah diterbangkan. Mesin roket M-1 dirancang untuk memiliki daya dorong lebih besar, tetapi hanya diuji pada tingkat komponen. RD-170 yang dikembangkan kemudian jauh lebih stabil, secara teknologi lebih maju, lebih efisien dan menghasilkan daya dorong lebih besar, tetapi menggunakan empat nosel yang diisi oleh satu pompa. F-1 membakar RP-1 (minyak tanah kelas roket) sebagai bahan bakar dan menggunakan oksigen cair (LOX) sebagai oksidator. Turbopump digunakan untuk menyuntikkan bahan bakar dan oksigen ke dalam ruang pembakaran.

Satu tantangan penting dalam konstruksi F-1 adalah pendinginan regeneratif ruang dorong. Insinyur kimia Dennis "Dan" Brevik dihadapkan dengan tugas untuk memastikan bundel tabung ruang bakar awal dan desain manifold yang diproduksi oleh Al Bokstellar akan berjalan dingin. Intinya, tugas Brevik adalah "memastikannya tidak meleleh." Melalui perhitungan Brevik tentang karakteristik hidrodinamik dan termodinamik F-1, ia dan timnya mampu memperbaiki masalah yang dikenal sebagai 'kelaparan'. Ini terjadi ketika ketidakseimbangan tekanan statis menyebabkan 'titik panas' di manifold. Bahan yang digunakan untuk bundel tabung ruang dorong F-1, pita penguat, dan manifold adalah Inconel-X750, paduan berbasis nikel tahan api yang mampu menahan suhu tinggi.

Jantung mesin adalah ruang dorong, yang mencampur dan membakar bahan bakar dan oksidator untuk menghasilkan daya dorong. Ruang berbentuk kubah di bagian atas mesin berfungsi sebagai manifold yang memasok oksigen cair ke injektor, dan juga berfungsi sebagai dudukan untuk bantalan gimbal yang menyalurkan daya dorong ke badan roket. Di bawah kubah ini terdapat injektor, yang mengarahkan bahan bakar dan oksidator ke dalam ruang dorong dengan cara yang dirancang untuk meningkatkan pencampuran dan pembakaran. Bahan bakar disuplai ke injektor dari manifold terpisah; sebagian bahan bakar pertama-tama mengalir dalam 178 tabung di sepanjang ruang dorong — yang membentuk kira-kira setengah bagian atas nosel pembuangan — dan kembali untuk mendinginkan nosel.

Generator gas digunakan untuk menggerakkan turbin yang menggerakkan pompa bahan bakar dan oksigen terpisah, masing-masing memberi makan rakitan ruang dorong. Turbin digerakkan pada 5.500 RPM, menghasilkan 55.000 tenaga kuda rem (41 MW). Pompa bahan bakar menghasilkan 15.471 galon AS (58.560 liter) RP-1 per menit sementara pompa oksidator menghasilkan 24.811 galon AS (93.920 L) oksigen cair per menit. Secara lingkungan, turbopump diharuskan untuk menahan suhu mulai dari gas input pada 1.500 °F (820 °C) hingga oksigen cair pada −300 °F (−184 °C). Secara struktural, bahan bakar digunakan untuk melumasi dan mendinginkan bantalan turbin.

Di bawah ruang dorong terdapat ekstensi nosel, kira-kira setengah panjang mesin. Ekstensi ini meningkatkan rasio ekspansi mesin dari 10:1 menjadi 16:1. Gas buang dari turbin dialirkan ke ekstensi nosel oleh manifold besar yang meruncing; gas yang relatif dingin ini membentuk lapisan yang melindungi ekstensi nosel dari gas buang panas (5.800 °F (3.200 °C)).

Setiap detik, satu F-1 membakar 5.683 pon (2.578 kg) oksidator dan bahan bakar: 3.945 pon (1.789 kg) oksigen cair dan 1.738 pon (788 kg) RP-1, menghasilkan daya dorong 1.500.000 lbf (6,7 MN; 680 tf). Ini setara dengan laju aliran 671,4 galon AS (2.542 L) per detik; 413,5 galon AS (1.565 L) LOX dan 257,9 galon AS (976 L) RP-1. Selama dua setengah menit beroperasi, lima F-1 mendorong kendaraan Saturn V ke ketinggian 42 mil (222.000 kaki; 68 km) dan kecepatan 6.164 mph (9.920 km/jam). Laju aliran gabungan dari lima F-1 di Saturn V adalah 3.357 galon AS (12.710 L) atau 28.415 lb (12.890 kg) per detik. Setiap mesin F-1 memiliki daya dorong lebih besar daripada tiga Mesin Utama Pesawat Ulang Alik yang digabungkan.

 Prosedur pra dan pasca penyalaan 
Selama uji tembak statis, bahan bakar RP-1 berbasis minyak tanah meninggalkan endapan hidrokarbon dan uap di mesin pasca uji tembak. Endapan ini harus dikeluarkan dari mesin untuk menghindari masalah selama penanganan mesin dan penembakan di masa mendatang, dan pelarut trikloroetena (TCE) digunakan untuk membersihkan sistem bahan bakar mesin segera sebelum dan setelah setiap uji tembak. Prosedur pembersihan melibatkan pemompaan TCE melalui sistem bahan bakar mesin dan membiarkan pelarut meluap selama beberapa detik hingga 30–35 menit, tergantung pada mesin dan tingkat keparahan endapan. Terkadang generator gas mesin dan kubah LOX juga dibilas dengan TCE sebelum uji tembak. Mesin roket F-1 memiliki kubah LOX, generator gas, dan jaket bahan bakar ruang dorong yang dibilas dengan TCE selama persiapan peluncuran.

 Spesifikasi 

 Apollo 4, 6, and 8 Apollo 9–17 Thrust, at sea level   Burn time 150 seconds 165 seconds Specific impulse   Chamber pressure   Engine weight dry   Engine weight burnout   Height  Diameter  Exit to throat ratio 16:1 Propellants LOX and RP-1 Mixture mass ratio 2.27:1 oxidizer to fuel Contractor NAA/Rocketdyne Vehicle application Saturn V / S-IC 1st stage - 5 engines
Sumber:

 Peningkatan F-1 
Daya dorong dan efisiensi F-1 ditingkatkan antara Apollo 8 (SA-503) dan Apollo 17 (SA-512), yang diperlukan untuk memenuhi tuntutan kapasitas muatan yang meningkat pada misi Apollo berikutnya. Ada sedikit variasi kinerja antara mesin pada misi tertentu, dan variasi daya dorong rata-rata antar misi. Untuk Apollo 15, kinerja F-1 adalah:
 Dorongan (rata-rata, per mesin, lepas landas di permukaan laut): 1.553.200 lbf (6,909 MN)
 Waktu pembakaran: 159 detik
 Impuls spesifik : 264,72 s (2,5960 km/s)
 Rasio campuran: 2.2674
 Total daya dorong lepas landas permukaan laut S-IC : 7.766.000 lbf (34,54 MN)

Mengukur dan membuat perbandingan daya dorong mesin roket lebih rumit daripada yang terlihat pertama kali. Berdasarkan pengukuran aktual, daya dorong lepas landas Apollo 15 adalah 7.823.000 lbf (34,80 MN), yang setara dengan daya dorong rata-rata F-1 sebesar 1.565.000 lbf (6,96 MN) – sedikit lebih besar dari nilai yang ditentukan.

 F-1A setelah Apollo 
Selama tahun 1960-an, Rocketdyne melakukan pengembangan peningkatan F-1 yang menghasilkan spesifikasi mesin baru F-1A. Meskipun secara lahiriah sangat mirip dengan F-1, F-1A menghasilkan daya dorong sekitar 20% lebih besar, 1.800.000 lbf (8 MN) dalam pengujian, dan akan digunakan pada kendaraan Saturn V masa depan di era pasca- Apollo. Namun, jalur produksi Saturn V ditutup sebelum berakhirnya Proyek Apollo dan tidak ada mesin F-1A yang pernah terbang.

Ada usulan untuk menggunakan delapan mesin F-1 pada tahap pertama roket Saturn C-8 dan Nova. Sejumlah usulan telah diajukan sejak tahun 1970-an dan seterusnya untuk mengembangkan pendorong sekali pakai baru yang didasarkan pada desain mesin F-1. Ini termasuk Saturn-Shuttle, dan pendorong Pyrios (lihat di bawah) pada tahun 2013. Hingga tahun 2013, tidak ada yang melampaui fase studi awal. Comet HLLV akan menggunakan lima mesin F-1A pada inti utama dan dua pada masing-masing pendorong.

F-1 adalah mesin bahan bakar cair satu ruang terbesar dengan daya dorong tertinggi yang pernah diterbangkan. Ada juga mesin bahan bakar padat yang lebih besar, seperti Space Shuttle Solid Rocket Booster dengan daya dorong lepas landas di permukaan laut sebesar 2.800.000 lbf (12,45 MN) per mesin. RD-170 Soviet (sekarang Rusia) dapat mengembangkan daya dorong lebih besar daripada F-1, yaitu sebesar 1.630.000 lbf (7,25 MN) per mesin di permukaan laut, tetapi, setiap mesin menggunakan empat ruang pembakaran, bukan satu, untuk mengatasi masalah ketidakstabilan pembakaran.

 Penguat F-1B 
Sebagai bagian dari program Space Launch System (SLS), NASA telah menjalankan Advanced Booster Competition, yang dijadwalkan berakhir dengan pemilihan konfigurasi booster pemenang pada tahun 2015. Pada tahun 2013, teknisi di Marshall Space Flight Center memulai pengujian dengan F-1 asli, nomor seri F-6049, yang dikeluarkan dari Apollo 11 karena gangguan. Mesinnya tidak pernah digunakan, dan selama bertahun-tahun berada di Smithsonian Institution. Pengujian ini dirancang untuk membiasakan kembali NASA dengan desain dan propelan F-1 untuk mengantisipasi penggunaan versi mesin yang lebih maju dalam aplikasi penerbangan luar angkasa di masa mendatang.

Pada tahun 2012, Pratt & Whitney, Rocketdyne, dan Dynetics, Inc. memperkenalkan pesaing yang dikenal sebagai Pyrios, sebuah pendorong roket cair, dalam Program Pendorong Canggih NASA, yang bertujuan untuk menemukan penerus yang lebih kuat untuk Pendorong Roket Padat lima segmen Space Shuttle yang ditujukan untuk versi awal Space Launch System. Pyrios menggunakan dua mesin F-1B dengan daya dorong yang ditingkatkan dan dimodifikasi secara besar-besaran per pendorong. Karena keunggulan potensial mesin dalam impuls spesifik, jika konfigurasi F-1B ini (menggunakan empat F-1B secara total) diintegrasikan dengan SLS Block 2, wahana ini dapat mengirimkan 150 ton (330.000 lb) ke orbit Bumi rendah, sementara 130 ton (290.000 lb) adalah apa yang dianggap dapat dicapai dengan pendorong padat yang direncanakan dikombinasikan dengan tahap inti RS-25 bermesin empat.

Mesin F-1B memiliki tujuan desain agar setidaknya sama kuatnya dengan F-1A yang belum diterbangkan, sementara juga lebih hemat biaya. Desainnya menggabungkan ruang pembakaran yang sangat disederhanakan, jumlah komponen mesin yang berkurang, dan penghilangan sistem daur ulang gas buang F-1, termasuk nosel tengah gas buang turbin dan manifold pendingin "tirai", dengan gas buang turbin memiliki saluran keluar terpisah di samping nosel utama yang diperpendek pada F-1B. Pengurangan biaya komponen dibantu dengan menggunakan peleburan laser selektif dalam produksi beberapa komponen logam. Mesin F-1B yang dihasilkan dimaksudkan untuk menghasilkan daya dorong 1.800.000 lbf (8,0 MN) di permukaan laut, peningkatan 15% dari daya dorong sekitar 1.550.000 lbf (6,9 MN) yang dihasilkan oleh mesin Apollo 15 F-1 yang matang.

 Lokasi mesin F-1 
Enam puluh lima mesin F-1 diluncurkan di atas tiga belas Saturn V, dan setiap tahap pertama mendarat di Samudra Atlantik. Sepuluh di antaranya mengikuti azimuth penerbangan yang kira-kira sama yaitu 72 derajat, tetapi Apollo 15 dan Apollo 17 mengikuti azimuth yang jauh lebih ke selatan (masing-masing 80.088 derajat dan 91.503 derajat). Kendaraan peluncur Skylab terbang pada azimuth yang lebih ke utara untuk mencapai orbit inklinasi yang lebih tinggi (50 derajat dibandingkan dengan 32,5 derajat yang biasa).Orloff, Richard (September 2004). NASA, Apollo By the Numbers, "Earth Orbit Data" Doherty, Kerry (November 2009). Powerhouse Museum "Inside the Collection" 

Sepuluh mesin F-1 dipasang pada dua Saturn V produksi yang tidak pernah terbang. Tahap pertama dari SA-514 dipamerkan di Johnson Space Center di Houston (meskipun dimiliki oleh Smithsonian) dan tahap pertama dari SA-515 dipamerkan di INFINITY Science Center di John C. Stennis Space Center di Mississippi.

Sepuluh mesin lainnya dipasang pada dua Saturn V uji darat yang tidak pernah dimaksudkan untuk terbang. "All Systems Test Stage" S-IC-T, replika uji darat, dipamerkan sebagai tahap pertama dari Saturn V lengkap di Kennedy Space Center di Florida. SA-500D, Dynamic Test Vehicle, dipamerkan di US Space and Rocket Center di Huntsville, Alabama.

Mesin uji coba dipamerkan di Museum Powerhouse di Sydney, Australia. Mesin ini merupakan mesin ke-25 dari 114 mesin penelitian dan pengembangan yang dibuat oleh Rocketdyne dan telah dinyalakan sebanyak 35 kali. Mesin ini dipinjamkan ke museum dari Museum Dirgantara dan Udara Nasional Smithsonian. Ini merupakan satu-satunya F-1 yang dipamerkan di luar Amerika Serikat.

Mesin F-1, yang dipinjamkan dari Museum Udara dan Antariksa Nasional, dipamerkan di Kebun Binatang Udara di Portage, Michigan.

Mesin F-1 berada di stan pajangan horizontal di Museum Sains Oklahoma di Oklahoma City.

Mesin F-1 F-6049 ditampilkan secara vertikal di Museum Penerbangan di Seattle, Washington sebagai bagian dari pameran Apollo.

Mesin F-1 dipasang secara vertikal sebagai peringatan bagi para pembuat Rocketdyne di De Soto Avenue, di seberang jalan dari bekas pabrik Rocketdyne di Canoga Park, California. Mesin ini dipasang pada tahun 1979, dan dipindahkan dari tempat parkir di seberang jalan beberapa waktu setelah tahun 1980.

Mesin F-1 dipamerkan di luar Museum Sejarah Luar Angkasa New Mexico di Alamogordo, New Mexico.

Ruang dorong F-1 yang sudah berhasil ditemukan dipamerkan di Cosmosphere. Mesin yang masih utuh (tanpa ekstensi nosel) dipamerkan di luar ruangan.

 Pemulihan 
Pada tanggal 28 Maret 2012, sebuah tim yang didanai oleh Jeff Bezos, pendiri Amazon.com, melaporkan bahwa mereka telah menemukan mesin roket F-1 dari misi Apollo menggunakan peralatan sonar. Bezos menyatakan bahwa ia berencana untuk mengangkat setidaknya satu dari mesin tersebut, yang berada pada kedalaman 14.000 kaki (4.300 m), sekitar 400 mil (640 km) di sebelah timur Cape Canaveral, Florida. Namun, kondisi mesin tersebut, yang telah terendam selama lebih dari 40 tahun, tidak diketahui. Administrator NASA Charles Bolden merilis sebuah pernyataan yang mengucapkan selamat kepada Bezos dan timnya atas penemuan mereka dan berharap mereka sukses. Ia juga menegaskan posisi NASA bahwa artefak apa pun yang ditemukan akan tetap menjadi milik badan tersebut, tetapi kemungkinan akan ditawarkan ke Smithsonian Institution dan museum lainnya, tergantung pada jumlah yang ditemukan.Walker, Brian (March 20, 2013). "Apollo Mission Rocket Engines Recovered" , CNN Light Years blog"Updates: 19 July 2013" , Bezos Expeditions, July 19, 2013, accessed July 21, 2013.

Pada tanggal 20 Maret 2013, Bezos mengumumkan bahwa ia telah berhasil membawa bagian-bagian mesin F-1 ke permukaan, dan merilis foto-fotonya. Bezos mencatat, "Banyak nomor seri asli yang hilang atau sebagian hilang, yang akan membuat identifikasi misi menjadi sulit. Kita mungkin akan melihat lebih banyak lagi selama restorasi." Kapal pemulihan itu adalah Seabed Worker, dan memiliki tim spesialis yang diorganisasi oleh Bezos untuk upaya pemulihan. Pada tanggal 19 Juli 2013, Bezos mengungkapkan bahwa nomor seri salah satu mesin yang dipulihkan adalah nomor seri Rocketdyne 2044 (setara dengan nomor NASA 6044), mesin #5 (tengah) yang membantu Neil Armstrong, Buzz Aldrin, dan Michael Collins mencapai Bulan dengan misi Apollo 11. Bagian-bagian yang dipulihkan dibawa ke Kansas Cosmosphere and Space Center di Hutchinson untuk proses konservasi.
Pada bulan Agustus 2014, terungkap bahwa bagian dari dua mesin F-1 yang berbeda ditemukan, satu dari Apollo 11 dan satu dari penerbangan Apollo lainnya, sementara foto mesin yang telah dibersihkan dirilis. Bezos berencana untuk memajang mesin-mesin tersebut di berbagai tempat, termasuk Museum Udara dan Antariksa Nasional di Washington, DC

Pada tanggal 20 Mei 2017, pameran permanen Apollo dibuka di Museum Penerbangan di Seattle, WA dan menampilkan artefak mesin yang ditemukan termasuk ruang dorong dan injektor ruang dorong dari mesin nomor 3 dari misi Apollo 12, serta generator gas dari mesin yang menggerakkan penerbangan Apollo 16.

 Lihat pula 
 BE-3 – mesin berbahan bakar hidrogen yang saat ini dioperasikan oleh Blue Origin
 SpaceX Raptor – mesin berbahan bakar metana yang dikembangkan oleh SpaceX
 Merlin – mesin operasional berbahan bakar minyak tanah oleh SpaceX
 BE-4 (Blue Engine 4) – mesin berbahan bakar metana yang dikembangkan oleh Blue Origin
 Wahana peluncur antariksa 
 Mesin roket 
 Pendorong vernier
 Rutherford
 RD-107
 NK-33
 RD-120
 RD-170 
 RD-0124
 RD-191
 RD-180
 RD-193
 RD-801
 RD-810
 YF-100
 YF-115
 YF-130

 Referensi 

Kategori:Mesin roket yang menggunakan propelan minyak tanah
Kategori:Mesin Rocketdyne
Kategori:North American Aviation
Kategori:Mesin roket yang menggunakan siklus generator gas
Kategori:Mesin roket Amerika Serikat