Le F-1 était un moteur-fusée de très grande puissance, développé par Rocketdyne pour propulser le premier étage (S-IC) du lanceur américain géant Saturn V du programme Apollo. Les cinq moteurs F-1 utilisés sur Saturn V, d'une poussée unitaire au sol de 6,77 méganewtons (690 tonnes) brûlaient de l'oxygène liquide (LOX) et du kérosène (RP-1).
Le F-1 est toujours en 2026 le moteur-fusée à ergols liquides et à chambre de combustion unique le plus puissant à avoir été mis en service.
Historique
La genèse du moteur F-1 Les origines du F-1 remontent à 1955, lorsque la compagnie Rocketdyne se voit confier par l'armée de l'Air américaine, la réalisation d'un moteur-fusée à forte puissance, d’une poussée de . Dès le début, le développement du moteur progresse rapidement. En 1957, Rocketdyne produit les spécifications détaillées de la chambre de combustion et débute les essais sur certains composants du moteur.
En 1958, le projet est abandonné par l'armée de l'Air, qui considère qu'un moteur de ce type est trop puissant pour ses besoins. La NASA, qui dès sa création suit de près le développement du F-1, décide d’émettre un appel d'offres le pour un moteur développant une poussée de . Le , la NASA annonce avoir sélectionné Rocketdyne. Elle signe un contrat en ce sens le .
Durant la phase de conception, entre 1959 et 1961, le moteur est simplifié :
Abandon du générateur de gaz à monergol utilisant de l'hydrazine stockée dans un réservoir sur le pas de tir au profit d'un générateur de gaz utilisant les ergols du moteur-fusée. Abandon des 3 turbopompes (hydrazine, RP-1 et LOX) au profit d'une seule turbopompe commune au RP-1 et LOX.
Après les premiers tests statiques, la simplification va se poursuivre :
Simplification de l'injection de RP-1 depuis une triple rampe d'injection vers une seule rampe permettant de supprimer quatre vannes d'admission entre ces trois rampes. Suppression de la régulation active de la puissance provoquant un fonctionnement instable du moteur-fusée.
Les moteurs sont construits à Canoga Park en Californie. L'intégralité des tests réalisés par Rocketdyne se déroulent sur le site de Edwards Air Force Base en Californie. Le site d'essai est situé à moins de du lieu de fabrication.
Le premier test statique du F-1 va avoir lieu le , jour du discours Special Message to the Congress on Urgent National Needs du président des États-Unis, John F. Kennedy, annonçant sa volonté d'envoyer un Américain poser le pied sur la Lune avant la fin des années 1960.
Comparaison avec la technologie disponible en 1960 Le Programme Gemini, démarré en 1961, utilise une version spécifiquement adaptée issue de la famille des lanceurs Titan. Les 12 missions de ce programme sont basées sur la version Titan II GLV.
+Comparaison des poussées du étage de Titan GLV et de Saturn VLanceurTitan II GLVSaturn VMasse au décollage151 tonnes3 038 tonnesPremier vol8 avril 19649 novembre 1967Motorisation 2 x LR-87-75 x F-1Puissance unitaire (au sol)Poussée au décollageErgolsAérozine 50 / peroxyde d’azotekérosène / oxygène liquide
Le moteur F-1 est 7 fois plus puissant que le moteur LR-87-7, Saturn V est 20 fois plus lourde et 18 fois plus puissante que Titan II GLV.
La conception d’un moteur-fusée d’une telle puissance, devant supporter les vibrations induites par l'utilisation de 5 moteurs simultanément ont posé de nombreux problèmes pour les ingénieurs de Rocketdyne.
Les campagnes de test et de fiabilisation Durant la première année, à partir de , les tests statiques vont se faire à 66% de la poussée cible. Au cours de ces tests, une combustion instable provoque l'arrêt prématuré de sept essais (soit 10% des tests statiques) sans dégâts ou destruction des moteurs. La campagne de tests se poursuit sans résoudre la cause du problème.
Le premier test statique à 100% de la poussée cible est effectué le .
vignette|Premier test statique à 100% de la poussée cible pendant la durée cible en 1962 sur le site de Edwards Air Force Base en Californie
Le premier test statique à 100% de la poussée cible pendant la durée cible () est réalisé le soit une année après le premier test statique. Ce délai exceptionnellement court est remarquable.
Cependant, le un premier moteur est détruit au cours d'un essai à la suite d'un phénomène de combustion instable. Une équipe spécialisée est formée afin d'identifier et de résoudre ce problème. Les essais continuent et au cours de ceux-ci dix autres incidents vont se produire provoquant la destruction de deux moteurs supplémentaires et des dommages dans 8 autres cas.
Les années 1963 et 1964 sont utilisées afin de fiabiliser le moteur au travers de campagnes d'essai intensives. D'autres problèmes de fiabilité sont détectés sur la pompe LOX de la turbopompe. Ils sont graduellement résolus. Durant cette période, essais sont conduits.
Livraison et qualification Le premier moteur F-1 de série est livré à la NASA le au Centre de vol spatial Marshall, Alabama. Au total, 98 moteurs seront livrés sur les 106 commandés lors de la signature du contrat le . La production est interrompue à la suite de l’arrêt du programme Apollo.
Les moteurs livrés ont été améliorés au cours du programme avec 2 spécifications.
Vols réalisésApollo 4, 6 et 8Apollo 9 à 17 & Skylab-1Nombre d'allumages20 max.20 max.Durée de fonctionnement maxPoussée (au sol) () ()Durée max d'une poussée (en vol)Impulsion spécifique260 s (2.5 km/s)265 s (2.58 km/s)Masse (à sec)Masse (en fonctionnement)
Le moteur F-1 n'a pas de rallumage en vol, il est utilisé avec une poussée continue de 150 à 165 secondes. Cependant, pour passer les différentes qualifications et essais au sol, il doit pouvoir être allumé 20 fois pour une durée totale de fonctionnement de .
vignette|235x235px|Test statique du premier étage (S-IC) de Saturn V au Centre de vol spatial Marshall en Alabama
Deux moteurs sont sélectionnés afin de réaliser les essais de qualification par la NASA à partir d'. La qualification sera prononcée le :
Le premier moteur (NASA F-5037) est allumé 20 fois pour une utilisation totale de avec succès. Le deuxième moteur (NASA F-5039) est utilisé pour vérifier les limites d'utilisations opérationnelles définies ainsi que la gestion des dysfonctionnements. Il sera utilisé au cours de 34 essais et d'utilisation.
Le premier essai statique du premier étage (S1-C) de Saturn V avec cinq moteurs F-1 d'une durée de est réalisé le . Cet essai est réalisé avec deux mois d'avance par rapport au calendrier prévu. Le premier test statique à 100% de la poussée cible pendant est réalisé le 5 aout 1965.
Par la suite, tous les moteurs livrés subissent au moins trois essais de validation par la NASA :
moteur isolé : essai de calibrage d'une durée de moteur isolé : essai pendant correspondant à sa durée maximum de poussée prévue 5 moteurs montés dans la configuration S1-C : essai pendant
Ainsi à l'issue de son vol final, un moteur F-1 avait subi au moins quatre allumages et une durée d'utilisation de . L'intégralité des tests réalisés par la NASA se déroulent sur le site du Centre de vol spatial Marshall en Alabama.
Utilisation en vol et fin des tests Sur les 98 livrés à la NASA, 65 moteurs F-1 furent utilisés en vol au cours des 13 lancements de Saturn V. Ils avaient tous une durée d'utilisation inférieure à à l'issue du vol.
Rocketdyne produisit 114 moteurs supplémentaires pour ses activités de recherche, tests et qualification.
Au total, les moteurs F-1 subirent essais pour un total cumulé de d'utilisation. Six moteurs dépassèrent plus de d'utilisation. Si l'étage (S1-C) de Saturn V avait été récupérable, les moteurs F-1 étaient largement réutilisables.
La dernière utilisation d'un moteur F-1 eut lieu lors du vol Skylab 1 le .
Conception
Choix technologiques et design 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. 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. C'est un engin de très grande taille avec une hauteur de pour un diamètre de . La moitié de cette hauteur est attribuable à la tuyère, dont le rapport de section s'évase 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 combustion étagée : un générateur de gaz brûle une faible fraction des ergols pour entraîner et mettre sous pression, via une turbopompe, les ergols avant de les injecter dans la chambre de combustion. Dans ce type d'alimentation, un mélange riche en carburant est brûlé dans le générateur de gaz, et le gaz produit entraîne la turbine des pompes de carburant et de comburant avant d'être injecté dans la tuyère du moteur, où il complète sa combustion.
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Pièce permettant l'orientation du moteur de 6° sur 2 axes afin de mettre en œuvre une poussée vectorielle. Il relie le moteur à l'armature principale du premier étage de Saturn V. Les surfaces de contact sont réalisées en Téflon/fibre de verre afin de minimiser les frottements lors des rotations.
vignette|L'injecteur (au fond) et les tubes formant la paroi de la chambre de combustion.
L'injecteur est une plaque en acier inoxydable percée de orifices d'injection de RP-1 et orifices d'injection de LOX repartis en cercles concentriques alternés. C'est cette pièce qui fut à l'origine des problèmes d'instabilité de combustion.
L'un des défis relevé dans la conception du F-1 est le refroidissement de la chambre de combustion ainsi que celles de la tuyère car il n'existe aucun alliage pouvant résister à de telles températures et pressions malgré l'emploi de l'Inconel-X750, un alliage réfractaire à base de nickel capable de résister à des températures élevées avec un point de fusion à .
La chambre de combustion & convergent utilise le principe de refroidissement par régénération : le RP-1 circule dans la paroi composée de 178 tubes brasés pour former la paroi (89 descendants + 89 montants). Afin de respecter le profil en expansion de la tuyère, ces tubes se subdivisent en 2 pour former une paroi de 356 tubes secondaires. Le concept de refroidissement par régénération fut déjà mis en œuvre sur le V2 cependant à des températures et pression moindres.
Pour réaliser cette pièce nécessitant plus de de brasures, ainsi que pour améliorer la résistance, le plus grand four à braser des États-Unis est construit. La construction de ces pièces nécessitent trois opérations de brasage distinctes à trois températures décroissantes avec 3 métaux d'apport :
Assemblage des tubes primaires et secondaires → métal d'apport : Au-27Pd-22Ni-10Cr cuit à Assemblage des tubes entre eux avec les anneaux et bandes afin de créer l'enveloppe → métal d'apport : Ag-20Pd-5Mn cuit à Renforcement des joints le nécessitant dans l'enveloppe → métal d'apport : Au-18Ni cuit à
Toute réparation ultérieure se fait en utilisant le troisième métal d'apport. Les procédés de construction, outils de production et méthodes de vérification sont conçus et mis en œuvre spécifiquement pour ce moteur.
vignette|Vue du moteur F-1 avec au premier plan l'injecteur des gaz froids issus de la turbopompe.
Pour des raisons de transport, la tuyère est démontable et boulonnée à la partie supérieure. En effet, la moitié de la hauteur du moteur est attribuable à cette pièce dont le rapport de section s'évase de 10:1 à 16:1.