Двигатель M-1 был разработан компанией Aerojet в начале 1960-х годов как самый мощный жидкостный ракетный двигатель на топливной паре жидкий водород/жидкий кислород. Изначально он предназначался для замены 12 двигателей J-2 на второй ступени перспективной ракеты ВВС США. С созданием NASA проект перешёл под контроль гражданского агентства, и с 1962 года предполагалось использовать M-1 как на второй ступени ракеты Nova, так и в качестве замены пяти J-2 на второй ступени Сатурна 5
В рамках проекта проводились полномасштабные испытания ключевых узлов, включая камеру сгорания с форсуночной головкой, турбонасосы, газогенератор и уникальную фторную систему зажигания
Тяга в вакууме - 680 тонн-сил, а при форсировании - до 816 тс
Удельный импульс — до 428 секунд в вакууме, при давление в камере сгорания 69 бар (с форсированием - 79)
Расход топлива - 2.75 т/с в номинале. Габариты тоже внушительные - длина 8.15 м, диаметр сопла 5.28 м, масса 11.2 тонны. Управление вектором тяги на 10 градусов, со скоростью поворота до 15 град/с
Конструкция и ключевые узлы
Форсуночная головка и камера сгорания
ФГ состояла из 3000 двухкомпонентных форсунок, разделённых на 19 зон с антипульсационными перегородками, почти как у F-1. Перегородки охлаждались жидким водородом через внутренние каналы к форсункам и дополнительно защищалась завесными форсунками
Камера сгорания до расширения 14:1 составлялась из множества трубок со стенкой от 1.5 до 3 мм из нержавеющей стали 347, по которым протекал жидкий водород. Так же в части трубок были отверстия, которые создавали пристеночный защитный слой, куда уходило 2-4% общего расхода водорода, вторая же зона камеры сгорания с расширением от 14 до 40 охлаждалась выхлопом турбонасоса с температурой газа от 370 до 590 градусов
Турбонасосные агрегаты (ТНА)
Двигатель М-1 был оснащён двумя автономными турбонасосными агрегатами (для окислителя и горючего), турбины которых приводились во вращения восстановительным газом от единого газогенератора.
— Водородный ТНА: 8-ступенчатый осевой насос (со шнеком на входе) мощностью 74140 л.с., который приводился во вращение на скорости 12960 об/мин 2-х ступенчатой турбиной. Давление водорода на выходе из насоса составляло 113 бар, а крыльчатки насоса и турбин были сделаны из никель-хромового сплава Inconel 718, корпус ТНА – из нержавеющей стали
— Кислородный ТНА: состоял из центробежного насоса и 2-х ступенчатой турбины, которые приводясь во вращение от газогенератора и прокачивали окислитель под давлением 105 бар при скорости вращения 3530 об/мин
Отдельно хочется поговорить про уникальную систему – фторная система поджига ЖРД М-1
Инженеры выбрали нестандартное решение — газообразный фтор вместо традиционных пиропатронов и факельных систем. Из преимуществ - моментальный поджиг, стабильность и управляемость свойств, а также - крайняя надежность
Для поджига в камере сгорания стояло 4 форсунки, через которых после начала подачи водорода подавалось 0.7 кг/с газообразного фтора, который поджигал водород, а затем начинал подаваться в камеру и кислород
Система показала 100% надёжность на всех тестах, включая нестабильные режимы и низкие давления
Подобный подход уже применялся в малых водородных камерах в центре НАСА Льюис еще с 1958 года, но М-1 стал первым полноразмерным двигателем, где фтор использовался для поджига
Испытания
Стендовые работы шли с 1963 по 1967 годы. Тестировали всё: от отдельных узлов до сборок на различных стендах. Из важных вех - двигатель на испытаниях достиг тяги 520 тонн на уровне моря, что до сих пор является рекордом по тяге водородных ЖРД
Несмотря на то, что программа не дошла до лётных испытаний, M-1 стал важнейшим шагом в развитии криогенных технологий ЖРД — по масштабу и сложности он был на уровне F-1. Задел, приобретённый в ходе разработки M-1, повлиял на технические решения будущего двигателя RS-25 - главного двигателя Шаттла