MOTEURS F-1
Le F-1 est le plus grand moteur-fusée à ergols liquides conventionnels (RP-1/LOX) jamais développé. Sa poussée au niveau de la mer est d’environ 6 771 000 N (soit environ 680 tonnes-force). Sa conception, bien que relativement simple sur le plan architectural, représente un saut d’échelle majeur par rapport aux moteurs développés pour les lanceurs Navajo, Jupiter, Thor, Atlas, Titan I et Saturn I. Plusieurs problèmes de stabilité de combustion sont résolus durant son développement, et aucun cas de défaillance en vol n’est enregistré.
 Vue rapprochée d'un F-1. Noter que l'extension de tuyère qui se trouve sous le collecteur d'échappement de la turbine est abscente |
 F-1 complet (ensemble chambre de poussée et extension de tuyère) sur chariot de manutention |
Spécifications :
Application : Saturn V.
Premier vol : 1967.
Masse à vide : 8 390 kg.
Longueur : 5,8 m
Diamètre maximal : 3,7 m.
Oxydant (comburant) : oxygène liquide (LOX), délivré à raison de 1 789 kg/s.
Carburant : RP-1 (kérosène), délivré à raison de 788 kg/s.
Rapport de mélange : 2,27.
Poussée : 6 672 kN au niveau de la mer (SL), portée par la suite à 6 806 kN au niveau de la mer, puis à 7 028 kN au niveau de la mer.
Impulsion spécifique : 265 s au niveau de la mer (SL), 304 s dans le vide (vac).
Rapport d'expension : 16:1 avec tuyère, 10:1 sans.
Pression de la chambre de combustion : 65,7 atm.
Température de la chambre de combustion : 3 300 °C.
Durée de combustion nominale : 150 s.
 Représentation 3D du moteur F-1 |
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 Le F-1 sous tous les angles |
Les principaux composants du moteur sont :
la chambre de poussée, le système d'alimentation en ergols, la turbopompe, le système de génération de gaz, le système de pressurisation des réservoirs d'ergols, l'échangeur thermique, le système électrique, le système de commande hydraulique et le système d'instrumentation de vol.
Description
L'ENSEMBLE CHAMBRE DE POUSSÉE
Il se compose d’un cardan de pivotement (gimbal), d’un dôme d’oxydant, d’un injecteur, du corps de chambre de combustion, d’une tuyère d’expansion et d’une isolation thermique.
CARDAN DE PIVOTEMENT
Le bloc du cardan de pivotement permet à l’ensemble du moteur de tourner autour de ses axes X et Z, fournissant ainsi un contrôle directionnel du vecteur de poussée pour exécuter les commandes de tangage, de lacet et de roulis du système de guidage du véhicule. Le cardan constitue également l’interface de poussée principale entre le moteur et la structure du véhicule (ou le banc d'essai). Il s’agit d’un joint sphérique universel basse friction en acier, équipé de surfaces d’appui de type rotule mâle et femelle (liaison rotule). Un matériau composite composé de fibre de verre imprégnée de Téflon, appelé Fabroid, est collé sur les surfaces d'appui des logements femelles. Les garnitures en Fabroid du cardan sont lubrifiées lors de l'assemblage et ne nécessitent aucune lubrification ultérieure, assurant un faible frottement permanent sur les surfaces d’appui. Les composants principaux du cardan se composent d'une plaque de désalignement, d'un siège, d'un corps, d'un bloc et d'un axe. Un soufflet de protection en fibre de verre imprégnée de silicone entoure le cardan pour protéger l'ensemble des conditions environnementales défavorables.
La plaque de désalignement constitue l'interface entre le dôme d'oxydant et le cardan ; elle intègre des guides et des dispositifs de réglage filetés pour positionner l'ensemble latéralement. Huit trous oblongs dans la bride de la plaque, coïncidant avec huit inserts filetés dans la bride du dôme, permettent un ajustement latéral de la plaque le long de l'axe X. Huit trous surdimensionnés dans la bride du siège, coïncidant avec les trous oblongs de la plaque, permettent quant à eux un ajustement latéral du siège le long de l'axe Z. Le guide inférieur de la plaque vient se loger dans une rainure de guidage usinée directement dans le dôme d'oxydant. Le siège repose sur cette plaque de désalignement et possède sa propre rainure de guidage dans laquelle s'encastre le guide supérieur de la plaque de désalignement. Le siège contient la section de logement femelle doublée de Fabroid dans laquelle se déplacent les parties sphériques mâles du corps, et il intègre deux bras qui soutiennent l'axe.
Le corps du cardan est l'interface directe du moteur avec la structure du véhicule ou du banc d'essai. Ce corps intègre à la fois la section sphérique mâle pour le logement du siège et une section de logement femelle doublée de Fabroid pour la partie sphérique mâle du bloc. Le bloc contient la section sphérique mâle correspondant au logement femelle du corps. Les côtés du bloc sont doublés de Fabroid, tout comme les parois du trou dans lequel s'insère l'axe. Cet axe, qui traverse les bras de support du siège, transmet la totalité des charges de poussée entre le moteur et le véhicule. L'axe est bloqué contre toute rotation et tout mouvement axial par deux ensembles de retenue à bouchon et vis. Ce système mécanique autorise un débattement maximal de ±6° selon les axes X et Z, permettant ainsi l’orientation précise du vecteur de poussée tout en assurant l’alignement et la transmission de la force de poussée.
L'injecteur
L’injecteur assure la répartition du carburant et de l’oxydant dans la chambre de combustion selon un rapport de mélange, une pression et un schéma d’injection optimisés afin d’amorcer et de maintenir une combustion stable et efficace. Fabriqué en acier inoxydable CRES (Corrosion-Resistant Steel), il s’agit d’un injecteur de type plaque comportant 31 gorges annulaires, comprenant 16 gorges annulaires pour le carburant alternant avec 15 gorges annulaires pour l’oxydant. L’oxydant est acheminé vers l’injecteur depuis le dôme d’oxydant supérieur via des passages percés axialement. Le carburant arrive depuis le collecteur de l’injecteur et alimente les gorges annulaires correspondantes par l’intermédiaire de 32 passages radiaux. L’injecteur mesure environ 1,12 mètre de diamètre (44 in), dont environ 0,99 mètre (39 in) est exposé à la chambre de combustion. Son épaisseur est d’environ 203 mm (8 in), mesurée entre sa face arrière et sa face d’injection.
 Injecteur final avec ses cloisons circulaires et radiales appartenant à la famille d'injecteurs dits « 5U ». Image originale de Vince Wheelock via le site heroicrelics |
 Vue en coupe de l'injecteur F-1 avec le dôme d'oxydant monté au dessus de lui. Image originale de Vince Wheelock via le site heroicrelics, traduction par Paul Cultrera |
La face avant de l'injecteur est complétée par des éléments en cuivre brasés dans ces gorges annulaires. Les 15 gorges annulaires d'oxydant reçoivent chacune un anneau en cuivre percé, formant une configuration d’injection en doublet oxydant-sur-oxydant. Les 16 gorges annulaires de carburant reçoivent quant à elles 14 anneaux en cuivre percés, formant une configuration d’injection en doublet carburant-sur-carburant, ainsi que 2 cloisons (baffle) circulaires concentriques en cuivre. Afin de contrer le phénomène critique des instabilités de combustion, 12 cloisons radiales en cuivre viennent compléter ces deux cloisons circulaires concentriques. Cet ensemble de cloisons, entièrement refroidi par circulation de carburant, divise la face de l’injecteur en 13 compartiments distincts (identifiés numériquement de 1 à 13, les cloisons étant désignées alphabétiquement de A à N) afin d’amortir les ondes de pression liées aux instabilités de combustion tangentielles et transversales générées lors de la mise à feu. Les 12 cloisons radiales sont directement alimentés en carburant par la cloison circulaire externe sur lequel elles sont brasées.
 Ensemble injecteur en coupe. Image originale tirée du site enginehistory.org. Adaptation et traduction : Cultrera Paul |
 Vue en coupe des cloisons. Images originales tirées du site enginehistory.org et heroicrelics. Adaptation et traduction : Cultrera Paul |
 Configuration finale de l'injecteur, deux cloisons circulaires et 12 cloisons radiales divisent sa face en 13 compartiments. Ces compartiments sont identifiés numériquement, de 1 à 13, et les cloisons sont identifiées alphabétiquement, de A à N. Les 12 cloisons radiales en cuivre, refroidis par le carburant, sont alimentées en carburant par la cloison circulaire extérieure auquel elles sont brasées. Le centre du compartiment n° 13 est taraudé pour la fixation de la tige de l'obturateur de col |
Le système d'allumage est directement intégré à cette structure : chacun des 12 compartiments extérieurs comporte deux injecteurs de fluide d'allumage, tandis que le compartiment central n°13 en comporte un seul, soit un total de 25 orifices d'injection sur la face de l'injecteur. Ces embases sont reliées par des tubes d'alimentation individuels à l’ensemble collecteur hypergolique, lui-même fixé sur un support du collecteur de carburant de la chambre de poussée.
Le système d'allumage utilise une cartouche, mesurant environ 46 cm (18 in) de long et 6,03 cm (2-3/8 in) de diamètre, installée dans le conteneur hypergolique. L'assemblage est fixé à un support situé sur le collecteur de carburant de la chambre de poussée. La cartouche contient un fluide composé de 85 % de triéthylborane et de 15 % de triéthylaluminium. Ces deux composés sont pyrophoriques et s'enflamment donc spontanément au contact de l'oxygène. Lors de la séquence d'allumage, ce fluide est libéré par les 25 orifices de carburant d’allumage de l'injecteur (dont l'aspect évoque des têtes de vis fendues) ; il s'enflamme instantanément dès son entrée dans la chambre de combustion au contact du flux de LOX, amorçant ainsi l’allumage. Enfin, le centre exact du compartiment n°13 est fileté afin de permettre la fixation de l’axe du bouchon de col.
 Collecteur hypergolique et sa cartouche |
 Photo montrant plusieurs injecteurs de fluide d'allumage, dont les orifices d'injection ressemblent beaucoup aux têtes de vis fendues, sur la face de l'injecteur |
En résumé, le carburant est injecté par environ 3 700 orifices et l’oxydant par environ 2 600 orifices sur cette face d’injection, où ils se mélangent intimement avant combustion.
DÔME D'OXYDANT (OU DE COMBURANT)
Le dôme d’oxydant sert de collecteur pour la distribution de l’oxydant vers l’injecteur de la chambre de poussée, assure une surface de montage pour le cardan de pivotement et transmet les efforts de poussée à la structure de l’étage S-IC. Cet ensemble est une unité soudée en acier inoxydable résistant à la corrosion (CRES) et en alliage à base de nickel, constituée du corps du dôme proprement dit et d’un collecteur torique. Le corps du dôme contient la bride de fixation et des montants de support destinés à faire l'interface avec l'injecteur, ainsi qu'une bride de montage fendue et percée pour recevoir le bloc du cardan.
L’oxygène liquide pénètre dans le collecteur à un débit volumique de 93 919,55 l/min (24 811 gal/min) par deux entrées (ou admissions) placées à 180° l’une de l’autre afin d’assurer une distribution uniforme de l'ergol ; ces deux entrées servent également de points de montage pour les vannes d’oxydant n°1 et n°2. Le collecteur intègre en outre un bossage à bride pour le raccordement de la ligne d'alimentation en oxygène de l'échangeur thermique. Afin d'empêcher la formation de vortex (tourbillons) au sein de l’oxydant cryogénique, ce qui perturberait le flux, le collecteur torique est isolé en deux compartiments distincts par deux cloisons de séparation (ou barrages) soudées à 90 degrés par rapport aux entrées d'admission.
LE CORPS DE LA CHAMBRE DE POUSSÉE
Le corps de la chambre de poussée constitue à la fois une chambre de combustion destinée à brûler les ergols et une tuyère présentant le rapport de détente requis de 10:1, permettant d’expulser les gaz de combustion à la vitesse supersonique nécessaire pour générer la poussée souhaitée. La structure en forme de cloche est à paroi tubulaire et est refroidie par régénération grâce au carburant (RP-1). Le corps de la chambre comporte quatre ensembles de bras de support externes (ou jambes de force) : deux bras de support sont destinés à soutenir la turbopompe et deux autres bras de support servent à la fixation des vérins de cardan fournis par le constructeur du véhicule. Il intègre un collecteur d’admission de carburant situé à l’extrémité côté injecteur, ainsi qu’un collecteur d’échappement de turbine soudé à l'opposé. Des supports et goujons soudés aux bandes et sangles de renfort entourant la chambre de poussée fournissent des points d’ancrage pour les couvertures d’isolation thermique.
La chambre de poussée est une structure entièrement assemblée par brasage au four. Sa partie supérieure est composée de 178 tubes primaires formés hydrauliquement à partir de superalliage Inconel X-750 de 2,78 cm (1-3/32 in) de diamètre extérieur. Les tubes de la chambre de poussée sont dédoublés : pour s'adapter à la variation de diamètre de la structure évasée, chaque tube primaire de la zone supérieure est relié et soudé, au niveau du plan du rapport de détente de 3:1 (76,2 cm ou environ 30 in en dessous du col), à deux tubes secondaires plus fins d’un diamètre extérieur de 2,54 cm (1 in). Ce sont ainsi 356 tubes secondaires qui forment la paroi inférieure de la tuyère depuis ce plan de transition jusqu'au rapport de détente final de 10:1. Afin de faciliter l'orientation et les opérations techniques sur les faces internes de la chambre, une perle de soudure surélevée comportant le numéro du tube et une flèche de direction du flux permet d'identifier le tube de remontée de carburant n°1 ainsi que les tubes de descente de carburant n°60 et 120 au niveau de la bague d'extrémité de l'injecteur. À l'extérieur de la chambre, ces mêmes tubes sont marqués de façon identique sur les bandes et sangles de renfort situées sous le col de la chambre de poussée.
 Cette photographie montre la partie de la chambre de poussée du moteur F-1 refroidie par régénération, en cours de fabrication (photo orginale : site heroicrelics) |
 Détails des tubes primaires et secondaires composant la chambre de poussée |
Le carburant entre dans le collecteur d’admission par deux entrées situées à 180° l’une de l’autre. À partir de ce collecteur, le flux est réparti dans les tubes primaires. Un tube primaire sur deux est un tube de descente de carburant, entaillé sur son côté extérieur au niveau de la zone du collecteur d'admission pour y recevoir le carburant. Un bouchon à orifice calibré est brasé dans chaque tube de descente juste au-dessus de cette entaille : il dérive directement 30 % du carburant vers le collecteur de l’injecteur principal. Les 70 % restants du débit sont utilisés pour le refroidissement régénératif des parois et descendent le long de la chambre à travers la structure tubulaire jusqu'au collecteur de retour de carburant situé à l'extrémité arrière de la tuyère. Depuis ce collecteur de retour (qui est soudé à la base des tubes secondaires et intègre quatre orifices de drainage placés à 90 degrés pour évacuer les fluides résiduels), le carburant est renvoyé vers le haut par les tubes de retour montants adjacents pour alimenter le collecteur de l'injecteur. La paroi interne de ce collecteur de retour comporte également quarante pattes de fixation soudées, spécifiquement dédiées à l'installation du dispositif d'essai d'étanchéité de l'échappement de la turbine.
Le collecteur d'échappement de la turbine, façonné à partir de tôles d'acier inoxydable (CRES) préformées, forme un tore dont la section transversale diminue de l'entrée vers la sortie autour de l'extrémité arrière du corps de la chambre de poussée. Quinze joints oméga, dont le profil en forme de lettre grecque Ω fait office de soufflet d'étanchéité flexible et de joints de dilatation, compensent les variations thermiques subies par cette structure. Sur le plan de son montage, le collecteur est soudé à un bouclier thermique, qui est lui-même soudé à la paroi externe de la chambre de poussée. Il reçoit les gaz d'échappement riches en carburant en provenance de l'échangeur thermique. À l'entrée du collecteur, ces gaz sont répartis uniformément, tandis qu'à la sortie, des ailettes de guidage assurent une distribution homogène de la pression statique avant de les acheminer vers la cavité située entre les parois de l'extension de tuyère.
 Montage du collecteur d’échappement de turbine. Photo originale Ebay |
 Coupe transvesale du montage du collecteur d'échappement de la turbine avec le collecteur de retour de carburant et la bride de montage de l'extension de tuyère (détail) |
 Schéma du montage du collecteur d'échappement de la turbine avec l'extension de tuyère et la circulation du film de refroidissement (complet) |
Le personnel de l’entreprise Rocketdyne a consacré des efforts importants à la maîtrise des opérations de brasage nécessaires à la fabrication de la chambre de poussée. Il s’agissait d’un défi technologique complexe consistant à développer un procédé capable de sceller de manière étanche des centaines de tubes minces dans une structure unifiée, apte à résister à de très hautes températures et à de très fortes pressions. Pour la fabrication de l'assemblage complexe de la chambre de poussée du F-1, Rocketdyne a dû mettre en œuvre des capacités de brasage industriel sans précédent aux États-Unis, nécessitant la conception et la réalisation d'un four de dimensions exceptionnelles permettant d'obtenir un assemblage brasé homogène et fiable des centaines de tubes constituant la paroi régénérative.
Fabrication et assemblage de la chambre de poussée du F-1 par brasage au four La fabrication de la chambre de poussée du moteur F-1 représentait un défi industriel majeur en raison des conditions extrêmes auxquelles elle devait être soumise. La solution retenue par Rocketdyne reposait sur l'utilisation de l'Inconel X-750 et sur un procédé complexe d'assemblage par brasage au four. Les différents composants de la chambre de poussée, notamment la jaquette en Inconel X-750, l'anneau d'injecteur, les anneaux d'extrémité et les frettes entourant la section de tuyère, étaient usinés avec précision. Les tubes de la chambre de poussée, également en Inconel X-750, étaient formés avec des tolérances précises avant d'être assemblés afin de constituer l'ensemble tubulaire assurant le refroidissement régénératif. Après l'usinage et le formage des composants, ceux-ci étaient préparés en vue des opérations de brasage. Le dépôt électrolytique de nickel appliqué sur l'enveloppe de la chambre de poussée et sur l'ensemble tubulaire constituait un procédé critique pour la réussite du brasage de l'Inconel X-750 et était contrôlé par une spécification. Tous les composants de la chambre de poussée, y compris ceux recevant ce dépôt, étaient soumis à une succession d'opérations de nettoyage comprenant un dégraissage, un nettoyage alcalin et un rinçage final à l'eau désionisée afin d'obtenir des conditions optimales de brasage. L'analyse des exigences de fiabilité des joints brasés de la chambre de poussée conduisit Rocketdyne à retenir un procédé de brasage en trois étapes utilisant trois alliages différents : Au-27Pd-22Ni-10Cr (alliage de brasage à base d'or-palladium-nickel-chrome), Ag-20Pd-5Mn (argent-palladium-manganèse) et Au-18Ni (or-nickel). Le choix de ces alliages répondait à plusieurs contraintes : assurer de bonnes caractéristiques de mouillage et d'écoulement lors des opérations successives de brasage, sans formation d'eutectiques à bas point de fusion ni de composés intermétalliques fragiles, limiter l'érosion du métal de base, garantir une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion ainsi qu'une résistance mécanique et une conductivité thermique suffisantes à haute température. Lors de la première opération de brasage, les deux tubes secondaires de la chambre de poussée sont assemblés au tube primaire par chauffage par induction. Ces pièces de détail forment alors un sous-ensemble destiné à être ultérieurement empilé et brasé au four dans le cadre de l'assemblage complet de la chambre de poussée. Lors de la seconde opération de brasage, tous les composants de la chambre de poussée — incluant les sous-ensembles de tubes primaires et secondaires, la jaquette, les frettes et les anneaux d'extrémité — sont assemblés lors d'une opération principale de brasage au four. Lors de la troisième opération de brasage, la chambre était partiellement réalliée dans certaines zones de joints critiques et soumise à une seconde opération de brasage au four. EN DÉTAIL Les composants de la chambre de poussée, tels que la jaquette, l'anneau d'injection et l'anneau de sortie, sont tous usinés avec précision. La jaquette en Inconel X-750, issue de procédés de forgeage et de soudage, est soumise à des exigences strictes de processus et de qualité lors de sa fabrication. Les tubes en Inconel X-750 de la chambre de poussée sont façonnés selon des tolérances de précision, puis brasés par induction à l'aide d'un procédé semi-automatisé. Les frettes qui entourent la chambre dans la section de la tuyère sont formées avec précision pour une exactitude maximale. Ainsi, l'ensemble de la chambre est capable de respecter les jeux minimaux nécessaires pour établir des joints par capillarité et une bonne fluidité de l'alliage de brasage. L'étape suivante et cruciale de la fabrication, après l'usinage des composants individuels, est leur préparation de surface. Le nickelage électrolytique de la jaquette de la chambre de poussée et du faisceau de tubes — un processus critique pour la réussite du brasage de l'Inconel X-750 — est régi par des spécifications strictes. Tous les composants de la chambre de poussée, en plus de ceux qui sont plaqués, sont soumis à une succession d'opérations de nettoyage, comprenant le dégraissage, un nettoyage alcalin et un rinçage final à l'eau déminéralisée afin de garantir des conditions de brasage optimales. Les composants de la chambre de poussée sont alors prêts pour l'assemblage. Lors de la première opération de brasage, les deux tubes secondaires de la chambre de poussée sont assemblés au tube primaire par chauffage par induction. Ces pièces de détail forment alors un sous-ensemble destiné à être ultérieurement empilé et brasé au four dans le cadre de l'assemblage complet de la chambre de poussée.  La chambre de poussée du F-1 est assemblée et traitée avec l'alliage de brasage au four dans une salle blanche, afin de répondre aux exigences de propreté indispensables à un brasage de haute fiabilisation. L'insertion des sous-ensembles de tubes de la chambre dans la jaquette et les anneaux d'extrémité, étape appelée « opération d'empilage », est réalisée dans un gabarit d'empilage. Cet outillage assure l'alignement initial entre le faisceau de tubes, la jaquette et les anneaux d'extrémité avant l'application de l'alliage.  Application au pistolet de l'alliage de brasage sous forme de poudre La première opération de brasage est exécutée en utilisant un alliage de brasage sous forme de poudre. L'application est réalisée par un procédé de pulvérisation mis au point par Rocketdyne. Ce procédé, de même que l'ensemble des phases du brasage au four de la chambre de poussée, est régi par la spécification technique de l'entreprise intitulée "F-1 Furnace Brazing Process Specification". Lors de cette pulvérisation, l'alliage est appliqué sur les joints tube-à-tube à l'intérieur et à l'extérieur de la chambre de poussée. La chambre est alors prête pour son montage sur l'outillage de brasage au four. Une exigence essentielle pour réussir le brasage de la chambre de poussée réside dans la capacité de l'outillage à soutenir l'intérieur du faisceau de tubes de la chambre de poussée à des températures dépassant les 1 093 °C (2 000 °F). Cette opération est réalisée à l'aide d'un dispositif unique appelé vessie de mise en pression. Ce dispositif est constitué d'une enveloppe flexible en alliage résistant à la chaleur, façonnée selon le profil intérieur de la chambre de poussée et qui, lorsqu'elle est mise sous pression, soutient le faisceau de tubes. L'utilisation de cet outillage représente une rupture significative par rapport aux concepts de support antérieurs, qui utilisaient un mandrin rigide à haute masse en alliage résistant à la chaleur. La faible masse et les excellentes caractéristiques de support interne de la vessie de mise en pression ont été des facteurs déterminants pour établir un cycle de brasage au four relativement rapide et économiquement viable.  Dispositif de maintien (ou vessie de mise en pression) La cornue de brasage répond à une seconde exigence de l'opération de brasage au four : l'élimination de l'oxygène de l'atmosphère entourant l'ensemble brasé. Pour exclure cet oxygène, il est nécessaire de confiner une atmosphère protectrice de haute pureté autour de la chambre de poussée. En raison de sa nature critique, l'ensemble du processus est une opération hautement développée et étroitement contrôlée. Le four, conçu spécifiquement pour le brasage du F-1 et d'autres chambres de poussée, est unique par sa conception et ses performances. Sa construction à haute densité énergétique et à faible masse offre une architecture à capacité thermique minimale et à réponse rapide aux exigences de chauffage de la chambre de poussée pendant le cycle de brasage. Trois zones de régulation de la température contribuent également de manière significative à la capacité du four à fournir un chauffage uniforme et une réponse rapide. Ces caractéristiques de performance permettent d'initier le cycle de brasage au four avec celui-ci à température ambiante. Ce facteur minimise le choc thermique auquel la chambre de poussée serait normalement exposée si elle était soudainement introduite dans un four fonctionnant déjà à sa température de régime (ou à proximité).
La première opération de brasage au four assemblait l'ensemble des composants principaux de la chambre de poussée : les sous-ensembles de tubes, l'enveloppe, les frettes de renfort et les anneaux d'extrémité. Après ce premier cycle de brasage, la chambre de poussée était minutieusement nettoyée, brossée et rincée afin d'éliminer les résidus de liant, les particules d'alliage non fixées et l'agent d'arrêt, garantissant ainsi des conditions optimales pour le second cycle de brasage. Puis elle était retournée en salle blanche pour que certaines zones spécifiques des assemblages soient réalimentées en alliage.  La chambre de poussée en cours de chargement dans la cornue (avant le second brasage au four) Assurance qualité post-brasage À la suite de la seconde opération de brasage au four, la chambre de poussée est soumise à une série de tests de pression, de ressuage et de radiographie. Ces tests permettent de vérifier que les joints brasés de la chambre de poussée sont totalement exempts de fuites de gaz chauds et de carburant ; ils comprennent : Test de pression pour détecter les fuites de gaz chauds au niveau des joints tube-à-tube. Contrôle radiographique des joints tube-à-tube dans les zones critiques de la chambre. Tests de ressuage des joints pour détecter les fuites de carburant. Test de pression hydraulique statique pour détecter les fuites de carburant. Toute fuite détectée sur un joint brasé lors de ces tests est réparée à l'aide d'un alliage de réparation or-nickel (Au-18Ni) , au moyen d'un chalumeau oxyacétylénique ou d'une torche TIG (soudage à l'arc sous gaz inerte avec électrode de tungstène), puis l'ensemble est soumis à un nouveau test.
Enfin, une troisième opération de brasage au four finalisait l'ensemble. Ces trois cycles devaient être réalisés sans refusion des assemblages précédents. Les exigences du système d'alliages furent donc définies par une plage de brasage comprise entre 927 et 1 232 °C (1 700 et 2 250 °F), avec une séparation minimale de 28 °C (50 °F) entre les plages de fusion des alliages sélectionnés. Ce procédé de fabrication associant usinage de précision, formage des tubes, préparation des surfaces, dépôt de nickel, assemblage contrôlé et brasage au four en plusieurs étapes permit d'obtenir une chambre de poussée répondant aux exigences élevées de fiabilité du procédé de fabrication. |
L'EXTENSION DE TUYÈRE DE LA CHAMBRE DE POUSSÉE
L'extension de tuyère augmente le rapport de détente de la chambre de poussée de 10:1 à 16:1. Il s’agit d’un élément démontable, de construction soudée en alliage à base de nickel, fixé par boulonnage sur la bride de sortie du corps de la chambre de poussée. Structurellement, elle possède des parois interne et externe séparées par des profilés en Z, avec des bandes de renfort en acier inoxydable (CRES) soudées sur la circonférence de sa paroi externe.
Sa paroi intérieure est protégée des gaz de combustion, dont la température atteint environ 3 204 °C (5 800 °F), par un refroidissement par film utilisant les gaz d’échappement de la turbine, à une température d’environ 649 °C (1 200 °F).
Ces gaz pénètrent dans l'extension au sein de la cavité comprise entre la paroi extérieure continue et la paroi intérieure, cette dernière étant constituée de bardeaux métalliques (shingles). Ils s’échappent ensuite par des fentes d’injection ménagées entre les 23 rangées de bardeaux et s’écoulent le long de leur surface intérieure, formant une couche protectrice entre la paroi de l'extension de tuyère et les gaz de combustion beaucoup plus chauds provenant de la chambre de poussée.
 Vue rapprochée de l'extension de tuyère. Noter, sur le haut de l'image, les boulons de fixation sur la bride de sortie du corps de la chambre de poussée (photo originale Wikipédia, auteur : Varnav) |
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CARTOUCHE HYPERGOLIQUE
La cartouche hypergolique (voir schéma plus haut avec le collecteur d'hypergols) fournit le fluide permettant d'amorcer la combustion dans la chambre de poussée. Elle se présente sous la forme d'un cylindre fermé à chacune de ses extrémités par un disque de rupture soudé et contient un fluide hypergolique composé de 85 % de triéthylborane (TEB) et de 15 % de triéthylaluminium (TEA). Tant que ce fluide demeure contenu dans la cartouche hermétiquement scellée, il reste stable. En revanche, il s'enflamme spontanément au contact de l'oxygène, quelle qu'en soit la forme.
Lors du démarrage du moteur, l'augmentation de la pression du carburant dans le circuit d'alimentation de l'allumeur provoque la rupture des disques. Le carburant et le fluide hypergolique sont alors introduits dans la chambre de poussée par un circuit distinct intégré à l'injecteur. Au contact du comburant déjà présent dans la chambre, le fluide hypergolique s'enflamme spontanément, amorçant ainsi la combustion du carburant.
ALLUMEURS PYROTECHNIQUES
Les allumeurs pyrotechniques à haute tension amorcent la combustion dans le générateur de gaz et rallument les gaz d'échappement de turbine riches en carburant dans la rallonge de tuyère. Deux allumeurs sont installés dans les bossages d'allumeur de la bride d'entrée de la chambre de combustion du générateur de gaz, et deux allumeurs sont installés dans les bossages de la rallonge de tuyère près de la zone de rapport de détente de 11:1.
La structure externe de l'allumeur se compose d'un tube métallique serti et soudé à une extrémité dans un réceptacle doté de quatre broches de contact électrique. L'extrémité opposée du tube est scellée par un disque en feuille d'alliage d'argent. À l'intérieur, l'allumeur comporte deux manchons en plastique, un ensemble d'initiateurs à double élément, une charge pyrotechnique principale, une diode et le câblage nécessaire pour relier les deux circuits de l'allumeur aux quatre broches du réceptacle. Lorsqu'une impulsion électrique de 500 VCA (Volts en Courant Alternatif) est appliquée au circuit de l'allumeur (BD), la diode se déclenche, permettant à un courant nominal de 4,5 ampères de circuler et d'allumer l'initiateur. La flamme et les particules chaudes provenant de l'initiateur enflamment la charge pyrotechnique principale. La combustion de la charge principale sectionne le fil de liaison noyé dans la charge en 200 à 800 millisecondes et se poursuit pendant 6,5 à 9,5 secondes. Le sectionnement du fil de liaison de l'allumeur fournit un signal positif au système de commande électrique du moteur indiquant que l'allumeur a fonctionné de manière satisfaisante. Lorsqu'une tension de 250 VCA ou moins est appliquée au circuit de l'initiateur, la diode empêche le passage du courant et l'allumeur ne se déclenchera pas.
PANNEAU D'INTERFACE
Le panneau d'interface du moteur est monté au-dessus des arrivées d'oxydant et de carburant de la turbopompe. Il intègre les emplacements de raccordement destinés au véhicule pour les connecteurs électriques entre le moteur et ce dernier. Il sert également de point d'attache pour les supports de l'isolation thermique.
L'ISOLATION THERMIQUE DES MOTEURS F-1
Le système d'isolation thermique (Thermal Insulation System ou TIS) protège les moteurs F-1 des températures extrêmes (jusqu'à 1 399 °C) générées par le rayonnement des panaches des moteurs et les reflux thermiques pendant le fonctionnement du bloc de poussée.
Contrairement à une idée largement répandue, les moteurs F-1 des Saturn V n'étaient pas dépourvus d'isolation thermique en vol. Si la plupart des essais statiques furent réalisés sans ces protections, les cinq moteurs du premier étage étaient, lors des lancements, entièrement recouverts de leur isolation thermique.
Cette protection était indispensable. Dès la séquence d'allumage sur la plateforme de lancement, la base de la Saturn V était enveloppée de flammes et de fumée, soumettant les moteurs à un important rayonnement thermique. En vol, le phénomène se poursuivait sous une autre forme : à mesure que le lanceur s'élevait dans une atmosphère de moins en moins dense, les panaches d'échappement se dilataient jusqu'à occuper la zone de basse pression située sous l'étage S-IC, provoquant la recirculation d'une partie des gaz d'échappement chauds autour des moteurs.
La conception de cette isolation relevait initialement de Boeing, dans le cadre du développement de l'étage S-IC. Toutefois, en raison de la géométrie complexe des moteurs F-1 et de leurs interfaces avec l'étage, cette responsabilité fut finalement transférée à Rocketdyne.
Un objectif de masse de 68 kg (150 lb) avait été fixé pour l'isolation de chaque moteur. Cette estimation se révéla rapidement beaucoup trop optimiste, puisque le système complet d'isolation thermique, comprenant également les supports et l'ensemble de fixation, atteignit finalement près de 544 kg (1 200 lb).
Deux types d'isolants thermiques sont utilisés à cet effet : des panneaux isolants métalliques en Inconel et des couvertures en amiante.
Les panneaux isolants métalliques sont constitués de segments préformés composés d’une couche de matelas isolant en Refrasil, intercalée entre deux feuilles d'Inconel texturé. La feuille intérieure, en contact avec la chambre de poussée, a une épaisseur de 0,101 mm (0,004 in), tandis que la feuille extérieure atteint 0,152 mm (0,006 in), une épaisseur également retenue pour les panneaux du cocon — le carénage protecteur entourant les composants sensibles comme l'échangeur thermique, la turbopompe et les arrivées de propergols. La feuille en contact avec le cocon est munie d'évents afin d'éviter son gonflement sous l'effet de la dilatation des gaz ou de la vapeur d'eau éventuellement piégés. Ces panneaux protègent les grandes surfaces de la chambre de poussée et de la tuyère, les conduites de l'échangeur thermique ainsi que la zone du cocon, depuis la gorge de la chambre de poussée jusqu'au panneau de connexion. Ils sont conçus pour épouser parfaitement la forme du moteur et peuvent être déposés puis remontés au Centre spatial Kennedy afin de faciliter les opérations d'entretien et de maintenance.
Les couvertures isolantes en amiante sont constituées de plusieurs couches de tissu d'amiante, renforcées par du fil-frein en Inconel et revêtues sur une face d'une feuille d'aluminium. Elles comportent deux, quatre ou cinq couches selon leur emplacement sur le moteur. Ces couvertures sont utilisées sur les bords extérieurs de la tuyère, au-dessus du dôme d'oxydant entre le palier du système de pivot et le panneau d'interface, ainsi qu'au-dessous du cocon, entre la chambre de poussée et le collecteur de la turbine. Pour fixer les différents éléments de l'isolation thermique, on utilise : des support, vis, des écrous autobloquants, des rondelles, des écrou clips, des boulons et du fil-frein en Inconel.
Le système d'isolation thermique constituait par ailleurs un véritable sous-ensemble mécanique du moteur. Il ne se limitait pas aux matériaux isolants eux-mêmes : les supports, éléments de fixation et interfaces avec le moteur faisaient partie intégrante de sa conception. Les supports d'isolation étaient installés au cours de l'assemblage du moteur, certains étant mis en place après l'installation du F-1 dans l'étage S-IC. Le caractère démontable de ces éléments permettait leur installation, leur inspection et leur remplacement au cours des opérations de maintenance et de préparation du moteur.
Les moteurs F-1 étaient ainsi équipés de ce système d'isolation thermique lors de chacun des vols de la Saturn V.
 Schéma avant/aprés application de l'isolation |
 Localisation de la protection thermique |
 Gros plan sur la protection thermique du F-1 |
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Le système n'était toutefois installé qu'après l'achèvement des essais du moteur. Lors des essais statiques au Mississippi Test Facility, l'isolation thermique n'était pas nécessaire et n'était donc pas installée. Au Kennedy Space Center, le TIS était mis en place après les essais d'étanchéité et les essais fonctionnels, afin de préserver l'accès aux composants du moteur et d'éviter que l'isolant ne soit endommagé par d'éventuelles projections de fluides. Une fois installé, il enveloppait complètement le moteur et était ensuite protégé par une housse environnementale destinée à le préserver des intempéries pendant la préparation du lanceur.
Afin de reproduire les conditions thermiques rencontrées en vol, le système d'isolation fut soumis à des essais au Marshall Space Flight Center (MSFC), où les gaz d'échappement d'un turboréacteur étaient dirigés sur un cocon thermique installé dans une enceinte d'essais. Ces essais démontrèrent que les composants du moteur F-1 étaient efficacement protégés contre les effets de la chaleur.
La conception du système ne fut cependant pas immédiatement définitive. Lors des essais du véhicule 500-F au complexe de lancement 39, un violent orage imprégna d'eau l'isolant en Refrasil. Les ingénieurs craignirent alors que la vapeur surchauffée produite au démarrage des moteurs ne provoque la rupture et l'arrachement des panneaux isolants en vol. Des essais complémentaires réalisés par Boeing montrèrent qu'il était nécessaire d'aménager des évents à des emplacements soigneusement étudiés afin de permettre l'évacuation de la vapeur et d'éviter toute surpression interne en cas d'absorption d'humidité.
TURBOPOMPE
Le saviez-vous ? La turbopompe, désignée MK10, a nécessité davantage d’efforts de conception et de développement que tout autre sous-ensemble du moteur.
Elle est montée parallèlement à l’axe longitudinal de la chambre de poussée. Son support principal est assuré par deux ensembles de jambes de support à trois branches (tripodes), soudés au corps de la chambre de poussée, ainsi que par les quatre conduites haute pression d’ergols reliant la turbopompe à la chambre de poussée.
La turbopompe est un ensemble à entraînement direct constitué d’une pompe à oxydant (comburant), d’une pompe à carburant et d’une turbine montées sur un arbre commun. Elle assure l’alimentation en oxygène liquide (LOX) et en RP-1 du générateur de gaz et de la chambre de poussée via des systèmes d’alimentation sous haute pression. Les trois sections sont reliées structurellement entre elles par des goupilles, qui permettent un mouvement radial relatif afin de compenser les effets des différences thermiques entre les sections d'oxydant, de carburant et de turbine. Une vanne de régulation du fluide de refroidissement des paliers, montée sur la section de pompe à carburant, alimente en carburant de refroidissement les paliers situés dans les sections de la pompe à oxydant et de la turbine.
 Vue d'ensemble légendée de la turbopompe complète. Image originale "F-1 Engine Familiarization Training Manual, R-3896-1". Extraction, nettoyage, adaptation et traduction Cultrera Paul |
 Vue en coupe de la turbopompe Mark 10. Image originale " F-1 Rocket Engine Supplement Technical Manual (R-3896-1A). Extraction, nettoyage, adaptation et traduction Cultrera Paul |
 Ci-dessus, turbopompe en exposition au National Air and Space Museum (crédit photo Dee Jay) |
L’oxygène liquide entre par une admission axiale unique alignée avec l'arbre et est refoulé tangentiellement par deux sorties. Le carburant entre par deux admissions radiales et est également refoulé tangentiellement par deux sorties. Cette configuration à double entrée (pour le carburant) et double sortie permet d’équilibrer les charges radiales dans les pompes. Les orifices de refoulement doubles de chaque pompe contribuent également à l’équilibrage des charges radiales appliquées à l’ensemble.
L’arbre principal ainsi que les éléments en rotation qui y sont directement fixés sont équilibrés dynamiquement avant l’assemblage final de la turbopompe. Cet équilibrage est obtenu par l’ajout de bouchons (ou inserts) d'équilibrage dans la roue de la pompe à carburant et de masses d’équilibrage dans les roues de turbine.
Trois ensembles de roulements supportent l’arbre : les paliers n°1 et n°2 sont des roulements à billes appairés, situés entre les pompes à oxydant et à carburant ; le palier n°3 est quant à lui un roulement à rouleaux situé entre la pompe à carburant et la turbine. Les zones des paliers n°1 et n°2 disposent d'un chauffage électrique externe pour empêcher le gel du carburant lors du refroidissement de la pompe à oxydant avant le démarrage du moteur ; ces trois paliers sont entièrement lubrifiés et refroidis par la circulation du carburant (RP-1) sous pression.
Une couronne dentée montée sur l’arbre est utilisée pour la rotation manuelle du système en association avec le carter d’engrenage de virage (vireur) et sert également au contrôle de la vitesse de rotation via un capteur (transducteur) magnétique.
L’étanchéité est assurée par un ensemble combiné de neuf joints en carbone (comprenant les joints primaires et intermédiaires d’oxydant, les joints des paliers lubrifiés par le carburant, les joints primaires et d'admission de carburant, et les joints de gaz chauds), complété par des joints en matériaux plastiques (Kel-F, Téflon) et en élastomères synthétiques (Buna-N, Viton-A), afin d’isoler strictement les ergols, les fluides de refroidissement et les gaz chauds dans leurs zones respectives.
La turbopompe est équipée d'un système d'équilibrage destiné à maîtriser les charges de poussée axiale exercées sur l'arbre et les assemblages de roulements à billes, engendrées principalement par les forces créées par la différence de pression de part et d'autre de la roue de la pompe à oxydant. Ce système d'équilibrage utilise l'espace situé entre l'arrière de la roue de la pompe à carburant et la volute de carburant comme cavité d'équilibrage ; la pression de carburant provenant du côté refoulement de la pompe à carburant y est acheminée et régulée afin de contrebalancer partiellement la poussée axiale développée par la roue de la pompe à oxydant.
La rotation manuelle de l'arbre de la turbopompe, destinée à faciliter la préservation (stockage/protection) de la turbopompe et à détecter un couple de décollement et de rotation excessif, est assurée par un mécanisme à pignon et couronne dentée. La couronne est reliée par des cannelures à l'arbre de la turbopompe, et le pignon est monté sur le carter du mécanisme de rotation dans une position débrayée maintenue par ressort. Lorsque la rotation manuelle de l'arbre de la pompe est nécessaire, le pignon est poussé vers l'intérieur pour s'engrener avec la couronne, et une force de rotation est appliquée. Le manchon de la couronne comporte deux trous, espacés de 180 °, utilisés conjointement avec un capteur magnétique pour surveiller la vitesse de l'arbre pendant le fonctionnement du moteur.
Les paliers de la turbopompe sont refroidis par du carburant sous pression, acheminé par l'intermédiaire d'une vanne de régulation du fluide de refroidissement jusqu'à des gicleurs situés au niveau des paliers. Le carburant est acheminé en parallèle depuis la vanne de régulation vers les paliers n° 1 et n° 2, ainsi que vers le palier n° 3, avant d'être évacué par-dessus bord via le système de vidange externe du carburant. Sur les moteurs intégrant la modification MD145, l'acheminement en parallèle depuis la vanne de régulation du fluide de refroidissement a été remplacé par un système en série. Cette modification achemine l'effluent de vidange des paliers n° 1 et n° 2 pour lubrifier par barbotage le palier n° 3, l'ensemble étant ensuite évacué par-dessus bord via le système de vidange externe. Deux réchauffeurs à résistance blindée (type cal-rod), moulés dans le bloc de retenue des paliers n° 1 et n° 2, empêchent la formation de condensation et de givre sur les paliers pendant la période de veille du moteur.
LA POMPE À OXYDANT
La pompe à oxydant (comburant) assure l’alimentation en oxydant du générateur de gaz et de la chambre de poussée à un débit constant de 93 919,55 litres par minute (24 811 gallons US par minute). Elle comprend une entrée, un inducteur, une roue centrifuge, une volute, des roulements, des joints d’étanchéité et des entretoises.
L’oxydant (ou comburant : LOX) est introduit dans la pompe par l’admission d’oxydant. L’inducteur situé à cette admission augmente la pression de l’oxydant lorsqu’il pénètre dans la roue centrifuge (impeller), afin de prévenir le phénomène de cavitation. Cette roue accélère le fluide jusqu’à la pression requise et le refoule par des sorties diamétralement opposées vers les conduites haute pression alimentant le générateur de gaz et la chambre de poussée. L’entrée, reliée à un conduit provenant du réservoir principal d’oxydant, est fixée par boulonnage à la volute d’oxydant. Deux segments de type anneaux de piston situés entre l’entrée et la volute se dilatent et se contractent en fonction des variations de température afin de maintenir une étanchéité efficace entre les côtés haute et basse pression de l’entrée.
Des orifices situés du côté basse pression de l’entrée permettent aux fuites au travers des joints annulaires de s’écouler vers le côté aspiration de l’inducteur, maintenant ainsi une basse pression. La volute d’oxydant est fixée à la volute de carburant par des goupilles et des boulons empêchant tout mouvement axial ou rotationnel.
Le joint primaire d’oxydant ainsi que l’entretoise situés dans la volute d’oxydant empêchent le carburant de pénétrer dans la cavité de drainage du joint primaire d’oxydant. Le joint intermédiaire d’oxydant reçoit une purge d’hélium gazeux qui se sépare vers le joint primaire et vers les cavités de drainage des paliers n°1 et n°2. Ce flux d'hélium agit comme une barrière de sécurité afin d’assurer une séparation positive entre l’oxydant cryogénique et le carburant servant à la lubrification des paliers.
LA POMPE À CARBURANT
La pompe à carburant (RP-1) assure l’alimentation en carburant du générateur de gaz et de la chambre de poussée à un débit de 58 598,6 litres par minute (15 471 gallons US par minute). Elle comprend une entrée, un inducteur, une roue centrifuge, une volute, des roulements, des joints d’étanchéité et des entretoises.
Le carburant est introduit dans la pompe par l’admission de carburant. L’inducteur situé à cette admission augmente la pression du carburant lorsqu’il pénètre dans la roue centrifuge, afin de prévenir le phénomène de cavitation. Celle-ci accélère le carburant jusqu’à la pression requise et le refoule par deux sorties diamétralement opposées vers les conduites haute pression alimentant le générateur de gaz et la chambre de poussée.
La volute de carburant est boulonnée à l’entrée, ainsi qu’à une bague fixée par goupilles à la volute d’oxydant. Une bague d’usure située sur la volute est en contact avec la roue. La cavité située entre la volute et la roue est appelée cavité d’équilibrage. La pression dans cette cavité exerce une force axiale sur la roue de carburant afin de contrebalancer la force opposée exercée par la roue d’oxydant, permettant ainsi de réguler la charge axiale appliquée aux paliers n°1 et n°2.
Les fuites entre l’entrée de la roue et la zone de refoulement sont limitées par une bague d’usure, qui agit comme un orifice d'étranglement en s’appuyant sur la roue. La volute de carburant assure le maintien du boîtier de roulement, lequel loge les paliers n°1 et n°2 et intègre le système de réchauffage électrique externe de cette zone.
Le joint d'étanchéité du palier, situé entre le palier n°1 et le joint intermédiaire d’oxydant, empêche le carburant destiné à la lubrification d’entrer en contact avec l’oxydant. Si du carburant franchit ce joint, le flux de purge d'hélium provenant du joint intermédiaire d’oxydant l’expulse vers l’extérieur (via la ligne de drain). Du côté carburant du palier n°2, un joint de confinement maintient le carburant de lubrification dans la cavité du palier. Le dernier joint de la volute de carburant est le joint primaire de pompe. Il maintient le carburant sous pression dans la cavité d’équilibrage, assure le maintien de cette pression et empêche le carburant haute pression de s'échapper vers les zones de basse pression.
LA TURBINE
La turbine entraîne les pompes à carburant et à oxydant. Elle développe une puissance d’environ 55 000 chevaux-vapeur (≈ 410 MW). Elle est installée à l'extrémité arrière, adjacente à la pompe à carburant, et est isolée thermiquement de celle-ci afin d’éviter toute interaction destructrice entre des fluides à températures extrêmes (environ 815 °C pour les gaz de la turbine et la température ambiante du carburant).
Il s’agit d’une turbine à action à deux étages à sauts de vitesse (configuration Curtis), constituée de deux roues mobiles séparées par un distributeur (stator) intermédiaire.
Le gaz chaud provenant du générateur de gaz pénètre dans la turbine par le collecteur d’admission de turbine à un débit de 170 livres par seconde (77,11 kg/s). Le collecteur d’admission de turbine contient les éléments structurels de la section turbine et assure l’interface avec la pompe à carburant au moyen de six entretoises structurelles, chacune associée à des raccords à chape et des axes de fixation ajustés individuellement.
Le collecteur comporte une bride d’entrée reliée au générateur de gaz et une bride de sortie reliée à l’échangeur thermique. Les gaz sont d’abord dirigés par un ensemble de tuyères distributrices (couronne d'injection) vers la roue de turbine du premier étage, puis par des segments de distributeur statorique vers la roue de turbine du second étage. Ce flux de gaz à haute énergie entraîne la rotation de la turbine, qui entraîne à son tour les pompes à ergols via l'arbre commun.
Chaque roue de turbine est constitué d’un disque muni d’encoches en pied de sapin (fir tree) sur sa périphérie, dans lesquelles les aubes (ailettes) sont glissées et verrouillées.
 Partie inférieure de la turbopompe contenant la turbine |
 Roues de turbine. Celle du premier étage à gauche, celle du second étage à droite. Photos originales : site heroicrelics |
La roue du premier étage est reliée à l’arbre principal par un accouplement de type Curvic, capable d’absorber les fortes contraintes de cisaillement au démarrage. La roue du second étage est fixée à la roue du premier étage au moyen d’un entretoise équipée d’un double accouplement Curvic.
L’arbre principal est supporté côté turbine par le palier n°3, un roulement à rouleaux qui absorbe les charges radiales. Ce roulement est intégré dans un support de palier fixé au carter d’engrenage de virage (vireur) et au collecteur d’admission de turbine.
L’étanchéité de la section turbine est assurée par plusieurs dispositifs : deux joints principaux pour gaz chauds (n°8 et n°9), en carbone segmenté à ressorts, qui isolent le palier n°3, ainsi que des joints pare-pression et un joint d'étanchéité en nid d’abeille en Inconel. Ce dernier, associé à des lécheurs (dentures) usinés sur les talons d'aubes, forme un joint à labyrinthe limitant le contournement des gaz (pertes marginales).
En régime nominal, la vitesse de rotation de la turbine est de 5 550 tours par minute.
VANNE DE RÉGULATION DU REFROIDISSEMENT DES PALIERS
La vanne de régulation du carburant de refroidissement des paliers régule le débit de carburant de refroidissement vers les paliers de la turbopompe et fournit un moyen d'acheminer l'huile de préservation vers ces paliers. Il s'agit d'un clapet à champignon normalement fermé, actionné par pression et chargé par ressort, intégrant une redondance destinée à garantir en permanence l'alimentation en carburant de refroidissement. L'ensemble de la vanne se compose de deux clapets de carburant de refroidissement et d'un clapet d'huile de préservation, de trois filtres de 40 microns, d'un restricteur destiné à doser le débit de carburant de refroidissement, ainsi que d'un corps intégrant un raccord rapide permettant de brancher la canalisation d'alimentation en huile de préservation.
Les clapets redondants du carburant de refroidissement s'ouvrent lorsque la pression de refoulement de la pompe à carburant atteint 225 psig, dirigeant le carburant de refroidissement à travers le restricteur vers les paliers de la turbopompe. Le restricteur est calibré lors des essais de réception du moteur afin de fournir une pression de palier comprise entre 200 et 540 psig. Le clapet d'huile de préservation s'ouvre lors des opérations de préservation sous une pression comprise entre 9 et 20 psig et dirige l'huile de préservation vers les paliers de la turbopompe. Sur les moteurs incorporant la modification MD145, l'orifice alimentant l'anneau de jet du palier de turbine est obturé puis modifié afin de s'adapter au système de lubrification en série.
COUDES D'ENTRÉE DE CARBURANT DE LA TURBOPOMPE
Les coudes d'entrée de carburant de la turbopompe n° 1 et n° 2 sont des coudes à simple entrée et double sortie intégrant des ailettes de guidage internes. Le carburant s'écoule radialement dans l'assemblage d'entrée de la pompe à carburant à partir des deux coudes d'entrée montés à 180 degrés l'un de l'autre. Des goujons de levage sont prévus sur les coudes pour faciliter leur manipulation. Des orifices de surveillance des joints sont prévus sur les brides de sortie aval. Un point de fixation pour le support du panneau d'interface du moteur est situé sur chaque coude, et des points de fixation sont situés du côté de la conduite du coude pour fixer une housse d'isolation thermique flexible (en caoutchouc) autour de la liaison avec le panneau d'interface du moteur. Le coude n° 2 comporte un point de fixation à bride pour le flexible de retour moteur de la vanne de vérification.
VANNE D'OXYDANT
Le moteur dispose de deux vannes d'oxydant identiques qui acheminent le débit d'oxygène liquide vers la chambre de poussée ainsi que le fluide de commande hydraulique d'ouverture vers la vanne de commande du générateur de gaz. Les vannes d'oxydant sont à actionnement hydraulique, à fermeture par ressort, équilibrées en pression, de type à clapet, à position de repli en marche (fail-to-the-run), et se caractérisent par un temps de réponse rapide ainsi que de faibles caractéristiques de fonctionnement en termes de perte de charge (delta-P). Une vanne de séquence normalement fermée, partie intégrante de chaque vanne d'oxydant et ouverte mécaniquement par celle-ci, dirige, en position ouverte, le fluide de commande hydraulique vers l'orifice d'ouverture de la vanne de commande du générateur de gaz.
La vanne d'oxydant est conçue de telle sorte qu'en position ouverte, aux conditions nominales de pression et de débit d'oxydant du moteur, elle ne se ferme pas si la pression du fluide de commande hydraulique à l'ouverture est perdue. La vanne d'oxydant se compose d'un corps contenant les orifices d'entrée et de sortie d'oxydant ainsi que le siège du joint de clapet ; d'un clapet muni d'un joint en Téflon usiné maintenu par un anneau de retenue ; d'un couvercle fixé au corps de la vanne, contenant les deux ressorts de fermeture du clapet et servant également de support pour le cylindre et de guide pour la tige de piston ; d'un cylindre, dans lequel se déplace le piston d'actionnement, qui comporte les orifices d'actionnement d'ouverture et de fermeture et supporte l'arbre d'entraînement de l'indicateur de position ; d'une culasse de cylindre qui contient les orifices d'entrée et de sortie de la vanne de séquence et sert également de support pour le clapet de la vanne de séquence ; ainsi que d'une tige de piston conique qui relie l'actionneur au clapet, ouvre mécaniquement la vanne de séquence et actionne l'indicateur de position.
La vanne de séquence est une vanne à clapet chargée par ressort qui vient s'appliquer contre la culasse du cylindre de la vanne d'oxydant, à laquelle elle est articulée. La vanne de séquence est décollée de son siège par la tige de piston pour acheminer le fluide de commande hydraulique d'ouverture vers la vanne de commande du générateur de gaz lorsque la vanne d'oxydant atteint 16,4 % de sa position d'ouverture. L'indicateur de position se compose d'une résistance variable à mouvement rotatif et d'interrupteurs de position ouverte et fermée. L'indicateur de position est monté sur le cylindre de la vanne d'oxydant et est couplé à l'arbre d'entraînement de l'indicateur, lui-même relié mécaniquement à la tige de piston. L'interrupteur de position assure la logique à relais dans le circuit de commande électrique du moteur, tandis que la résistance variable fournit l'instrumentation nécessaire à l'enregistrement du mouvement du clapet de la vanne.
Chaque vanne d'oxydant intègre un clapet anti-retour de purge de la coupole d'oxydant destiné à admettre de l'azote gazeux en aval du clapet de la vanne pour purger la coupole d'oxydant de la chambre de poussée. Le clapet anti-retour est une vanne à clapet, chargée par ressort en position fermée, qui autorise l'écoulement dans une seule direction lorsque la pression différentielle aux bornes de la vanne excède 5,0 psi. Cinq types de joints sont employés dans la vanne d'oxydant : des joints en Téflon usinés, des joints à lèvres en Mylar, des joints Naflex en acier revêtus de Téflon et des joints toriques en Buna-N.
VANNE DE CARBURANT
Le moteur dispose de deux vannes de carburant identiques destinées à acheminer le carburant vers la chambre de poussée. Ces vannes sont à commande hydraulique, à fermeture par ressort, équilibrées en pression, de type à clapet, à position de repli en marche (fail-to-the-run), et se caractérisent par un temps de réponse rapide ainsi que de faibles pertes de charge (delta P). La vanne de carburant est conçue de telle sorte qu'en position ouverte, aux conditions nominales de pression et de débit de carburant du moteur, elle ne se ferme pas si la pression du fluide de commande hydraulique à l'ouverture est perdue.
La vanne de carburant se compose d'un corps contenant les orifices d'entrée et de sortie de carburant, les orifices de fermeture et d'ouverture, un orifice de vidange, un orifice de purge, un siège de joint de clapet et son anneau de retenue, un clapet chargé par ressort muni d'un joint en Téflon usiné maintenu par un anneau de retenue, un guide d'actionneur percé intérieurement pour assurer le passage de l'orifice d'ouverture, ainsi qu'un piston relié au clapet. L'anneau de retenue du joint de nez comporte 12 passages percés radialement destinés à diriger le carburant dans la cavité d'équilibrage pendant la dernière partie de la course de fermeture de la vanne.
Ce dispositif facilite la fermeture de la vanne en maintenant une pression de fluide positive dans la cavité d'équilibrage. Un indicateur de position est fixé au corps de la vanne et s'emboîte dans l'arbre du piston. Cet indicateur se compose d'une résistance variable à mouvement linéaire et d'interrupteurs de position ouverte et fermée. Les interrupteurs de position assurent la logique à relais dans le circuit de commande électrique du moteur, tandis que la résistance variable fournit l'instrumentation nécessaire à l'enregistrement du mouvement du clapet de la vanne.
Trois types de joints sont employés dans la vanne de carburant : des joints en Téflon usinés, des joints toriques en Viton-A et des joints toriques en Buna-N.
CONDUITE HAUTE PRESSION D'OXYDANT
Les conduites haute pression d'oxydant contiennent et distribuent l'oxydant séparément vers chacune des vannes d'oxydant, tout en assurant le support de l'extrémité avant de la turbopompe. Ces conduites sont constituées de tubes en aluminium étiré, cintrés en une section continue. Cette conception offre la souplesse nécessaire pour compenser la dilatation, la contraction et les vibrations. Chaque conduite nécessite une cale sur mesure à chaque extrémité. Ces cales sont usinées pour un moteur particulier et ne sont pas interchangeables. Sur les moteurs intégrant la modification MD-137, les cales sur mesure sont remplacées par des cales de sélection usinées selon différentes dimensions normalisées. Une bride de prélèvement pour la conduite d'oxydant du générateur de gaz est prévue sur la conduite haute pression d'oxydant n° 2.
CONDUITE HAUTE PRESSION DE CARBURANT
Les conduites haute pression de carburant contiennent et distribuent le carburant séparément vers chacune des vannes de carburant et assurent le support de l'extrémité avant de la turbopompe. La construction et la conception des conduites de carburant offrent la souplesse nécessaire pour compenser la dilatation, la contraction et les vibrations. Chaque conduite nécessite une cale sur mesure à chaque extrémité. Sur les moteurs intégrant la modification MD-137, les cales sur mesure sont remplacées par des cales de sélection de différentes dimensions (dash numbers). Des piquages (tap-offs) pour la vanne de commande de refroidissement des paliers, le collecteur du filtre de cardan, la vanne de carburant de l'allumeur et le raccord rapide de vidange de la conduite haute pression de carburant sont prévus sur la conduite haute pression de carburant n° 1. Des piquages pour la conduite de carburant du générateur de gaz, la vanne de commande du moteur, la purge de carburant n° 2 et le raccord rapide de vidange de la conduite haute pression de carburant sont prévus sur la conduite haute pression de carburant n° 2.
SYSTÈME DE GÉNÉRATION DE GAZ
Le système de génération de gaz fournit la puissance interne et les gaz chauds nécessaires à l’entraînement de la turbine à deux étages à récupération de vitesse. Il comprend une vanne du générateur de gaz, un injecteur, une chambre de combustion et les conduites d’alimentation en ergols.
 Générateur de gaz (rendu très proche de la forme finale), avril 1965. Image originale : Saturn V Booster - The F-1 Engine de D.E. Aldrich (via le site Heroirelics.org) |
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Les ergols sont prélevés sur les conduites de sortie n°2 de carburant et d’oxydant de la turbopompe, puis introduits dans le générateur de gaz via la vanne et l’injecteur. Ils sont ensuite enflammés dans la chambre de combustion au moyen de deux allumeurs pyrotechniques. La vanne est actionnée hydrauliquement par la pression du carburant provenant du système de commande hydraulique.
Le rapport de mélange du générateur de gaz est volontairement très riche en carburant par rapport à celui de la chambre de combustion principale, afin de maintenir une température de combustion suffisamment basse (~815 °C) pour préserver ce générateur non refroidi ainsi que les aubes de la turbine. Les gaz produits entraînent la turbine, puis leur énergie résiduelle est exploitée en aval dans l’échangeur thermique ainsi que pour la pressurisation des réservoirs du lanceur.
Le générateur de gaz est contenu dans un volume compact d’environ 45,7 × 61,0 × 71,1 cm (18 × 24 × 28 in) et présente une masse d’environ 99,8 kg (220 lb). Il est constitué d’une vanne à double boisseau sphérique, d’un raccord en T pour le collecteur d’admission de carburant, d’un dôme d’oxydant faisant partie intégrante de l’injecteur, ainsi que de la chambre de combustion. Six types de joints d’étanchéité sont utilisés dans le générateur de gaz : des joints Naflex et des joints en K en acier inoxydable plaqué argent, ainsi que des rondelles d’écrasement en cuivre pour les applications en gaz chaud ; des joints en K en acier revêtus de Téflon pour les applications cryogéniques ; et des joints toriques en Buna-N pour les applications carburant.
VANNE DU GÉNÉRATEUR DE GAZ
La vanne à boisseau sphérique du générateur de gaz est une vanne à commande hydraulique assurant le contrôle et le séquencement de l’introduction des ergols dans le générateur de gaz.
Elle intègre deux éléments sphériques creux montés sur arbres et commandés par un actionneur unique. Chaque boisseau comporte un conduit d’entrée et un conduit de sortie. Les passages d’entrée et de sortie sont disposés diamétralement opposés dans le boisseau d’oxydant et séparés de 150° dans le boisseau de carburant. Un tube est soudé entre les conduits d’entrée et de sortie du boisseau de carburant afin de réduire les pertes de charge.
Les boisseaux s’appuient sur des sièges d’étanchéité de type soufflet. Le joint soufflet côté carburant comporte un coude de déflexion pour la sortie carburant, profilé afin de réduire la chute de pression dans le circuit d’alimentation du générateur de gaz. Les arbres des boisseaux tournent sur roulements à rouleaux, et chaque boisseau est également guidé par des roulements et pistes de roulement au niveau du carter d’actionneur.
La vanne est actionnée hydrauliquement par la pression du carburant provenant du système de commande hydraulique. Le fluide hydraulique est acheminé à travers un passage ménagé dans le corps de la vanne afin de maintenir l’intégrité des joints et d’éviter le blocage du boisseau. Il est également dirigé à travers un passage situé dans le piston, entre les positions d’ouverture et de fermeture, afin d’empêcher le blocage du joint et l’emprisonnement d’air.
La vanne intègre un contacteur de position à mouvement linéaire ainsi qu’un connecteur électrique intégré, montés dans le couvercle. Ce dernier comporte également des orifices filetés destinés à l’installation de thermocouples fournis par le contractant de l’étage et assure l’étanchéité du compartiment du contacteur.
La sortie oxydant de la vanne est raccordée directement à l’entrée oxydant de l’injecteur du générateur de gaz. La sortie carburant est reliée à l’injecteur via le raccord d'admission de carburant en T. Quatre types de joints d’étanchéité sont utilisés dans la vanne du générateur de gaz : joints KEL-F usinés, joints à lèvre en KEL-F, joints toriques en Buna-N, et joints Naflex en acier revêtu de Téflon.
INJECTEUR DU GÉNÉRATEUR DE GAZ
L’injecteur assure l’acheminement et la répartition du carburant et de l’oxydant vers la chambre de combustion du générateur de gaz. Il s’agit d’un injecteur multi-orifices à face plane, intégrant un dôme, un corps d'injecteur, un collecteur annulaire, cinq anneaux d’oxydant, cinq anneaux de carburant et une pastille centrale de carburant. La vanne du générateur de gaz ainsi que le raccord d'admission de carburant en T sont montés directement sur l’injecteur.
Le carburant entre dans l’injecteur via ce raccord en T, en provenance de la vanne du générateur de gaz. Il est distribué à travers des passages internes du corps de l'injecteur, puis injecté dans la chambre de combustion par les orifices des cinq anneaux de carburant ainsi que par la pastille centrale. Une partie des orifices de l’anneau de carburant externe assure également la formation d’un film de carburant destiné au refroidissement de la paroi de la chambre de combustion.
L’oxydant, également issu de la vanne du générateur de gaz, entre dans l’injecteur par le collecteur d’admission d’oxydant. Il est distribué à travers des passages internes du corps de l'injecteur, puis injecté dans la chambre de combustion via les orifices des cinq anneaux d’oxydant.
La configuration des orifices est conçue selon un motif à doublets (jets concourants du même ergol), où les orifices des anneaux d'oxydant et de carburant sont percés selon un angle permettant au jet d'un orifice de percuter le jet d'un autre orifice de même nature, favorisant ainsi le mélange et la stabilité de la combustion dans le générateur de gaz.
 Plaque d'injection du générateur de gaz |
 Injecteur et chambre de combustion du générateur de gaz |
CHAMBRE DE COMBUSTION DU GÉNÉRATEUR DE GAZ
La chambre de combustion du générateur de gaz (voir ci-dessus à gauche) fournit l’espace nécessaire à la combustion des ergols et assure l’acheminement des gaz de combustion vers le collecteur d’admission de la turbine de la turbopompe. Il s’agit d’une chambre à paroi simple, de type collecteur soudé, située entre l’injecteur du générateur de gaz et l’entrée de la turbine. La chambre est thermiquement isolée par une chemise en tôle fixée autour du corps principal.
La bride d’entrée constitue le point de fixation de l’ensemble injecteur-dôme et intègre un déflecteur incliné à 45°, destiné à guider le film de refroidissement vers la partie inférieure de la chambre. Elle comporte également deux bossages espacés de 45°, destinés à l’installation des allumeurs pyrotechniques, ainsi que deux prises de pression espacées de 150° permettant la surveillance de la pression des gaz.
Un orifice supplémentaire sert d'orifice de drainage et de détection des fuites d’étanchéité entre l’injecteur et la chambre de combustion.
La bride de sortie, assurant la liaison avec le collecteur de turbine, comporte deux prises de pression espacées de 90° pour la mesure de pression, ainsi qu’un orifice destiné au drainage et à la détection des fuites d’étanchéité à cette interface.
La température des parois de la chambre est maintenue dans des limites compatibles avec le fonctionnement nominal grâce à un refroidissement par film assuré par l’anneau externe de carburant de l’injecteur, ainsi qu’au rapport de mélange riche en carburant utilisé par le générateur de gaz.
RÔLE DU GAZ PRODUIT
Le gaz chaud issu du générateur de gaz est injecté dans la turbine à un débit de 77,110 kg/s. Il traverse un premier étage comportant une roue de 119 aubes, puis un second étage comportant une roue de 117 aubes. Grâce à ce flux, la turbine atteint sa vitesse nominale d'environ 5 500 tr/min.
L'ÉCHANGEUR THERMIQUE
L’échangeur thermique est contenu dans une enveloppe de base de 109,2 cm (43 in) de diamètre et 147,3 cm (58 in) de longueur, le diamètre variant de 101,6 cm (40 in) au niveau de la sortie de turbine à 61,0 cm (24 in) au niveau du collecteur d’échappement de turbine.
Les gaz chauds issus de la turbine sont dirigés vers l’échangeur thermique, où une partie de la chaleur est transférée aux serpentins d’oxygène et d’hélium. L’échangeur utilise ces gaz d’échappement pour chauffer le GOX (oxygène gazeux) et l’hélium destiné à la pressurisation.
L’ensemble comprend quatre serpentins pour l’oxygène et deux serpentins pour l’hélium, installés dans le conduit d’échappement de la turbine, entre la sortie de la turbopompe et les systèmes de pressurisation et d’alimentation du moteur. Lors de l’échange thermique, une petite partie de l’oxygène liquide est vaporisé en GOX pour la pressurisation du réservoir d'oxydant du véhicule, tandis que l’hélium est réchauffé pour la pressurisation du réservoir de carburant du véhicule. L’échangeur assure la vaporisation du LOX à cet effet.
La partie supérieure de l’échangeur thermique renferme les serpentins d’hélium ainsi que les brides de montage des lignes d’alimentation et de retour d’hélium et d’oxygène. Chaque bride comporte des orifices permettant la détection des fuites d’étanchéité, et les orifices d’admission intègrent des orifices calibrés destinés au contrôle du débit à travers les serpentins.
La partie inférieure de l’échangeur thermique renferme les serpentins d’oxygène et intègre un ensemble à soufflet destiné à compenser la dilatation thermique durant le fonctionnement du moteur. Des ensembles de tubes bridés, serrés contre les serpentins et soudés à des supports intégrés au corps de l’échangeur, assurent leur maintien mécanique. Les connexions de l’échangeur thermique avec le collecteur d’échappement de turbine et le collecteur d’échappement de la chambre de poussée sont assurées par des joints métalliques Naflex à action par pression.
SYSTÈME DE COMMANDE DU MOTEUR
Le système de commande du moteur régulait le fonctionnement du moteur en dirigeant, commandant et séquençant l’actionnement des vannes d’ergols durant les phases de démarrage, de transition, de régime principal et de coupure. Le système de commande était composé de la vanne de commande du moteur, de la vanne d’arrêt redondante, de la vanne de vérification et de l’ensemble du collecteur hypergolique. Des orifices calibrés au sein du système de commande réglaient la temporisation des vannes d’ergols.
VANNE DE COMMANDE
La vanne de commande du moteur dirigeait le fluide hydraulique afin d’ouvrir et de fermer les vannes d’ergols ainsi que la vanne à boisseau sphérique du générateur de gaz. La vanne de commande du moteur était à commande électrique et à actionnement hydraulique, et comportait un verrouillage hydraulique interne qui maintenait l’actionnement après la disparition du signal de démarrage. La vanne comprenait un piston de forçage permettant de désactiver son actionnement en cas de défaillance du solénoïde d’arrêt. L’ensemble se composait d’une section de commande et d’une section de collecteur de filtration.
La section de commande comprenait deux vannes pilotes à solénoïde (de démarrage et d’arrêt), deux vannes à clapet asservies, un tiroir sélecteur et son fourreau appairés, un actionneur d’arrêt, un piston de forçage et un corps de vanne. Les vannes pilotes à solénoïde étaient identiques, à l’exception du connecteur électrique du solénoïde de démarrage, qui comportait deux broches, tandis que celui du solénoïde d’arrêt en comportait trois, afin d’éviter toute erreur de branchement. Pour garantir que le moteur ne puisse pas être démarré lorsque le solénoïde d’arrêt était déconnecté, le fil négatif du solénoïde de démarrage était câblé en série avec le fil négatif du solénoïde d’arrêt. Chaque vanne à solénoïde se composait d’une bobine, d’un clapet à double action (l’armature) et de deux sièges de clapet (amont et aval). La bobine était alimentée sous 24 à 30 VCC. Le clapet était maintenu par un ressort contre le siège aval. Chaque vanne à solénoïde était protégée par un filtre de 10 microns au niveau de son passage d’admission. Un passage dans le corps de la vanne de commande dirigeait le fluide vers un conduit menant à la cavité du clapet. Deux passages permettaient l’écoulement du fluide depuis la cavité vers le cylindre de la vanne pilote asservie lorsque le clapet était désactivé. Le siège aval constituait la base de l’ensemble de la vanne et comportait un passage qui était fermé lorsque le clapet était désactivé et ouvert lorsque le clapet était activé.
Deux vannes pilotes asservies, chacune asservie à sa vanne pilote à solénoïde respective, dirigeaient le fluide afin de déplacer le tiroir sélecteur. Chaque vanne pilote asservie se composait d’un clapet, de deux sièges de clapet identiques, d’un piston, d’un cylindre et d’un ressort. Le clapet était un disque actionné par pression, flottant librement entre les deux sièges de clapet. Les deux faces du clapet étaient finies pour assurer une étanchéité métal sur métal avec les sièges de clapet. Les sièges de clapet, séparés par une entretoise, étaient installés face à face de chaque côté du clapet. Au démarrage, le décollement momentané du clapet de sa position normale permettait à la pression hydraulique de déplacer le tiroir sélecteur en position d’ouverture. Le cylindre logeait le piston et le ressort et était percé pour admettre la pression hydraulique dans la cavité du ressort lorsque la vanne pilote à solénoïde était hors tension. Lorsque le solénoïde de démarrage était alimenté, le piston était momentanément actionné par la force transmise à sa tige par le clapet.
La vanne sélectrice était constituée d’un tiroir et d’un fourreau appairés. Le tiroir, flottant à l’intérieur du fourreau, était un cylindre creux à extrémité fermée, doté de trois orifices et de deux portées d’étanchéité. Le tiroir était actionné depuis sa position normale (fermée), maintenue par ressort, sous l’effet de la pression du fluide engendrée par l’actionnement momentané de la vanne pilote asservie au démarrage. Une fois actionné, le tiroir était verrouillé hydrauliquement par la pression du fluide provenant de l’orifice ouvert. Le fourreau comportait trois orifices qui s’alignaient avec trois passages annulaires dans la cavité de la vanne sélectrice. Quatre joints toriques avec des bagues anti-extrusion en Téflon empêchaient les fuites entre les passages annulaires. Un bouchon de retenue fileté maintenait la vanne sélectrice dans sa cavité et constituait une butée mécanique pour le tiroir.
L’actionneur d’arrêt était un piston à rappel par ressort, actionné hydrauliquement, qui positionnait le tiroir sélecteur en position fermée. L’actionneur était normalement commandé par la vanne pilote asservie d’arrêt, mais pouvait être directement actionné par le piston de forçage en cas de défaillance de la vanne d’arrêt. Quatre trous permettaient d’admettre le fluide de commande dans la cavité du ressort depuis un passage annulaire alimenté par la vanne pilote asservie d’arrêt. Le piston de forçage était actionné hydrauliquement et couplé mécaniquement à l’actionneur d’arrêt. Le piston servait à positionner le tiroir sélecteur en cas de défaillance de la vanne d’arrêt. Une source de pression externe était nécessaire pour actionner le piston, qui positionnait mécaniquement le tiroir sélecteur en position fermée. Le piston était maintenu désactivé contre une butée par un ressort hélicoïdal. La butée retenait le piston de forçage dans sa cavité et comportait l’orifice d’admission de la pression de forçage. Le corps de la vanne de commande abritait les éléments fonctionnels et était boulonné à l’ensemble du collecteur de filtration. L’interface entre le corps de la vanne et l’ensemble du collecteur de filtration était rendue étanche par une plaque d’étanchéité.
Le collecteur de filtration constituait le point d’alimentation, de filtration et de distribution pour l’ensemble du fluide du système de commande. Le collecteur de filtration se composait de deux clapets anti-retour à battant, de trois filtres et d’un corps de collecteur. Les clapets anti-retour étaient montés bride contre bride dans une cavité d’alimentation commune. L’un des clapets anti-retour obturait l’orifice d’admission du fluide d’alimentation GSE, et l’autre obturait l’orifice d’admission du fluide d’alimentation moteur (ENG). Trois filtres à treillis métallique de 25 microns étaient installés dans l’ensemble du collecteur. Un filtre se trouvait dans le circuit d’alimentation et un dans chacun des passages d’ouverture et de fermeture. Le corps du collecteur abritait les filtres et était boulonné au corps de la vanne de commande. Deux orifices filetés dans la cavité d’alimentation des filtres ENGINE/GSE fournissaient la pression nécessaire à l’instrumentation et au système de forçage d’urgence. Des passages reliaient les cavités des filtres de fermeture, d’ouverture et d’alimentation aux orifices correspondants de la section de commande. Trois types de joints étaient utilisés dans la vanne de commande du moteur : des joints toriques en Viton-A pour les joints de bouchons et de purge, un joint Gask-O-Seal en Viton-A au niveau de l’interface entre le collecteur et les vannes à solénoïde, et des joints toriques en Buna-N pour toutes les autres applications.
VANNE D'ARRÊT REDONDANTE
La vanne d’arrêt redondante était une vanne trois voies à commande par solénoïde, normalement fermée, incorporant deux filtres de 10 microns (l’un en forme de disque, l’autre cylindrique), des sièges d’admission et d’évent fixes, ainsi qu’un clapet flottant maintenu par ressort en position fermée contre le siège d’admission. La fonction de la vanne était de diriger la pression hydraulique vers l’orifice de pression de forçage de la vanne de commande du moteur, constituant ainsi un moyen redondant de provoquer l’arrêt du moteur en cas de défaillance du solénoïde d’arrêt de la vanne de commande du moteur, et de permettre la vidange de l’orifice de pression de forçage pendant les opérations de vérification du moteur et de fonctionnement.
Une alimentation continue de 24 à 30 VCC était nécessaire pour maintenir la vanne sous tension. Le signal d’excitation était appliqué simultanément au solénoïde de la vanne d’arrêt redondante et au solénoïde d’arrêt de la vanne de commande du moteur au moment de la coupure du moteur. Le corps de la vanne d’arrêt redondante comportait un orifice interne taraudé de VIDANGE (DRAIN), ainsi que des orifices d’entrée (IN) et de sortie (OUT) à brides. Le connecteur électrique du solénoïde était un connecteur à quatre broches, dont trois seulement étaient utilisées. La broche A était utilisée pour le signal d’excitation positif, la broche B pour le retour négatif et la broche C pour surveiller le signal reçu au niveau du solénoïde. Les broches A et D étaient reliées électriquement en interne dans le connecteur. Les joints utilisés dans la vanne d’arrêt redondante étaient des joints toriques en Buna-N.
VANNE DE VÉRIFICATION
La vanne de vérification, dont l’encombrement hors tout était de (8 × 9 × 14 in), était située juste en dessous de la vanne de commande du moteur, sur le côté n° 2 de la chemise de la chambre de poussée. Il s’agissait d’une vanne sélectrice motorisée qui dirigeait le fluide de retour du système de commande du moteur vers l’équipement de support au sol (GSE) ou vers la source d’alimentation du moteur. La vanne de vérification se composait d’un boisseau sphérique, d’un corps à trois orifices et d’un actionneur. L’actionneur était un moteur réversible de 24 à 30 VCC intégrant un réducteur à engrenages, des contacteurs de position et des contacteurs de fin de course. L’actionneur contrôlait la position du boisseau afin de diriger le fluide de commande depuis l’orifice d’admission vers l’un des orifices de sortie. Lors des opérations de vérification ou de maintenance du moteur, le boisseau de la vanne de vérification était positionné de manière que le carburant entrant par l’orifice d’admission soit dirigé à travers le boisseau puis vers l’orifice de sortie de retour GSE n° 2. Pour un tir statique du moteur ou en vol, le boisseau était positionné de manière que le carburant entrant par l’orifice d’admission soit dirigé à travers le boisseau puis vers l’orifice de sortie de retour moteur n° 1. Trois types de joints étaient utilisés dans la vanne de vérification : des joints toriques en Viton-A pour les applications dynamiques, des joints toriques en Buna-N pour les applications statiques et des joints en Téflon usinés pour l’étanchéité du boisseau.
ENSEMBLE COLLECTEUR HYPERGOLIQUE
L’assemblage du collecteur hypergolique séquençait le fonctionnement du moteur depuis la phase d’allumage jusqu’au régime principal. L’assemblage était fixé à un support situé sur le collecteur de carburant de la chambre de poussée et se composait d’un conteneur de cartouche hypergolique, d’une vanne de contrôle d’allumage, d’une vanne de carburant d’allumage et d’un contacteur de présence de la cartouche hypergolique. Seuls le conteneur de cartouche hypergolique et le contacteur de présence de la cartouche hypergolique étaient des composants remplaçables de l’assemblage. Le conteneur hypergolique était un collecteur cylindrique dans lequel était installée la cartouche hypergolique. Le contacteur de présence de la cartouche hypergolique était un contacteur actionné par came qui indiquait la position installée de la cartouche hypergolique.
VANNE DE SURVEILLANCE D'ALLUMAGE
La vanne de surveillance d’allumage dirige l’ouverture des vannes de carburant et ne permet à celles-ci de s’ouvrir qu’après l’obtention d’un allumage satisfaisant dans la chambre de poussée. La vanne de surveillance d’allumage est une vanne trois voies à rappel par ressort, actionnée par pression et à sécurité intégrée, montée sur le collecteur hypergolique et actionnée par la pression de combustion de l’allumage. Un clapet à double face, maintenu par ressort, dirige la pression d’ouverture vers les vannes de carburant lorsque la pression de combustion de l’allumage, agissant sur une membrane en Mylar laminé, déplace le clapet vers la position ouverte de la vanne. Une fois le clapet déplacé, la vanne reste en position ouverte jusqu’à la coupure du moteur, sous l’effet de la pression différentielle exercée sur les faces amont et aval du clapet.
Des joints « slipper » en Téflon/Viton-A et des joints toriques en Buna-N sont utilisés pour les applications d’étanchéité dynamique et statique. Un orifice interne situé entre les orifices d’admission et de sortie permet la recirculation du fluide afin de purger l’air du fluide de commande. Un verrouillage mécanique, actionné par l’intermédiaire d’une tige à came positionnée de manière à actionner le suiveur lorsqu’une cartouche hypergolique non rompue est installée, empêche l’actionnement de la vanne de contrôle d’allumage tant que la cartouche hypergolique n’est pas rompue. L’orifice de référence atmosphérique est mis à l’évent vers le système de vidange du carburant par-dessus bord.
VANNE DE CARBURANT D'ALLUMAGE
La vanne de carburant d’allumage fait partie intégrante de l’assemblage du collecteur hypergolique. La vanne de carburant d’allumage est ouverte par la pression de carburant appliquée à l’orifice FUEL INLET du collecteur hypergolique depuis le conduit de sortie de carburant n° 1. Lorsque la vanne de carburant d’allumage est ouverte, un passage interne dans le collecteur dirige le carburant depuis la vanne de carburant d’allumage vers le conteneur hypergolique, où le carburant rompt d’abord les membranes de la cartouche hypergolique, puis suit le fluide hypergolique jusqu’à la chambre de poussée pour l’allumage. Un joint torique en Téflon situé dans le nez du clapet s’appuie contre un siège usiné dans le corps du collecteur hypergolique. La précharge souhaitée du ressort est obtenue en ajoutant des cales au ressort.
SYSTÈME D'INSTRUMENTATION DE VOL
Le système d’instrumentation de vol surveille les performances du moteur lors des opérations de vérification, d’essai et de vol du véhicule. Le système se compose de transducteurs de pression, de transducteurs de température, d’indicateurs de position, d’un dispositif de mesure du débit, de boîtes de jonction de distribution électrique et des faisceaux électriques associés.
Le système d’instrumentation de vol de base comprend un système principal et un système auxiliaire. Le système d’instrumentation principal comprend les paramètres critiques pour tous les tirs statiques du moteur et les lancements ultérieurs du véhicule ; le système auxiliaire est utilisé pendant les phases de recherche, de développement et d’essais de réception du programme d’essais statiques du moteur, ainsi que lors des premiers vols du véhicule.
Huit types de joints sont utilisés dans l’installation du système d’instrumentation de vol : des joints plats en feuille de caoutchouc-amiante pour les applications des connecteurs électriques ; des joints toriques en Viton-A et des Gask-O-Seals pour les applications carburant ; des rondelles d’écrasement en cuivre, des joints Naflex à base de nickel cuivrés et des joints K en acier plaqués or pour les applications à gaz chauds ; ainsi que des joints Naflex et K en acier revêtus de Téflon pour les applications cryogéniques.
Sur les moteurs intégrant la modification MD96, les transducteurs, les faisceaux et le matériel connexe constituant l'instrumentation auxiliaire sont supprimés, à l'exception du transducteur de mesure du débit à l'entrée d'oxydant de l'échangeur de chaleur. Le débitmètre d'oxydant de l'échangeur de chaleur et son faisceau électrique associé sont conservés afin de maintenir la capacité d'étalonnage de l'échangeur de chaleur.
BOÎTES DE JONCTION PRIMAIRE ET AUXILIAIRE
Il y a deux boîtes de jonction électriques dans le système d'instrumentation de vol : la boîte de jonction primaire située dans le système primaire et la boîte de jonction auxiliaire située dans le système auxiliaire. Sur les moteurs intégrant la modification MD96, la boîte de jonction auxiliaire est supprimée. Les boîtes de jonction servent de points de raccordement pour les circuits de signal des transducteurs respectifs, soit vers et depuis le système de télémétrie et d'instrumentation pendant le vol du véhicule, soit vers et depuis le centre de contrôle lors des essais statiques du moteur. La boîte de jonction primaire comporte des emplacements pour huit connexions électriques ; la boîte de jonction auxiliaire comporte des emplacements pour cinq connexions électriques. Les deux boîtes de jonction sont hermétiquement scellées pour empêcher toute pénétration éventuelle de contaminants et d'humidité.
TRANSDUCTEURS DE PRESSION
Le transducteur de l'instrumentation de vol est un transducteur de pression absolue à entrée et sortie en courant continu (CC), constitué d'un élément mécanique de sommation des forces couplé à un pont électrique. La sortie du pont électrique est directement proportionnelle à la pression appliquée au réseau de sommation des forces mécaniques. Les quatre éléments du pont dans le transducteur sont actifs. Pour chaque élément du pont dont l'impédance augmente avec l'augmentation de la pression, un deuxième élément du pont voit son impédance diminuer avec l'augmentation de la pression. Ces éléments sont connectés dans le pont de manière à obtenir une sensibilité maximale de ce dernier.
Le transducteur contient également les éléments de circuit nécessaires pour isoler la sortie de l'entrée, fournir une tension d'excitation régulée du pont, assurer toute l'amplification nécessaire du pont, fournir si nécessaire une démodulation de la sortie du pont et assurer tout le filtrage de sortie requis, afin que le transducteur puisse être alimenté par une tension d'entrée nominale de 28 V CC et fournir une sortie de 5 V CC sur toute la plage de pression. Le transducteur dispose de la capacité de simuler la sortie à 20 et 80 pour cent de sa plage de fonctionnement.
Ces points de simulation sont activés en appliquant une tension de 28 V CC aux broches E et F pour les points de 20 et 80 pour cent, respectivement. L'application de cette tension active un circuit de commutation qui substitue une résistance dans le réseau du pont, simulant ainsi la sortie du pont pour 20 ou 80 pour cent de la plage de pression de l'instrument.
Le transducteur utilise un connecteur à six broches dont les fonctions des broches sont les suivantes :
a. Broche A, excitation positive (+28 V CC)
b. Broche B, sortie positive (+5 V CC à pleine échelle de pression)
c. Broche C, retour de sortie
d. Broche D, retour d'excitation
e. Broche E, étalonnage à 20 pour cent (+28 V CC)
f. Broche F, étalonnage à 80 pour cent (+28 V CC)
DÉBITMÈTRE D'OXYDANT
Le débitmètre d'oxydant est un transducteur de débit de liquide volumétrique de type turbine, monté entre le clapet anti-retour de l'échangeur de chaleur (ou thermique) et la conduite d'entrée d'oxydant, destiné à mesurer le débit d'oxydant entrant dans le serpentin de l'échangeur de chaleur. Le débitmètre se compose d'un ensemble rotor qui détecte l'écoulement de l'oxydant, de redresseurs d'écoulement qui dirigent le flux d'oxydant à travers le rotor, et de deux bobines de captage. Les bobines de captage sont des unités fermées et étanches à l'humidité, pourvues de connecteurs électriques. Chaque bobine est blindée électrostatiquement et enrobée, et contient une bobine auxiliaire isolée à des fins de vérification.
L'écoulement de l'oxydant à travers le débitmètre met le rotor en mouvement. La vitesse angulaire du rotor est fonction du débit volumétrique de l'oxydant et est détectée par le capteur magnétique lorsque la densité de flux à travers la bobine varie. Les lignes de flux traversant la bobine s'établissent et s'effondrent, générant une force électromotrice (fem) qui peut être mesurée au niveau du connecteur. L'amplitude de cette fem est fonction de la vitesse angulaire du rotor, de la distance entre le capteur et le sommet des pales, et du matériau des pales (une constante). La fréquence générée dépend de la vitesse du rotor et du nombre de pales et est en corrélation directe avec le débit. À des fins de vérification, une entrée sinusoïdale à 200 cps (cycles par seconde) avec une crête de 10 volts sur la bobine auxiliaire produira un signal de crête de 1 à 3 volts à la même fréquence sur la bobine primaire ou de sortie.
TRANSDUCTEUR DE VITESSE
Le système d'instrumentation de vol utilise un seul transducteur de vitesse. Le transducteur est de type capteur magnétique utilisé pour détecter la vitesse de la turbopompe. L'ensemble se compose d'une section de sonde qui abrite les bobines de captage, d'une section d'adaptateur (soudée entre la sonde et le connecteur électrique) filetée pour permettre l'installation de l'unité dans le carter d'engrenage de couple de la turbopompe, d'un connecteur électrique et d'une bobine de captage qui sert de générateur d'impulsions. Lorsque le transducteur est installé, l'extrémité de la sonde s'aligne avec le tachymètre à deux trous situé sur le manchon d'engrenage de couple de la turbopompe. À mesure que l'arbre de la turbopompe tourne et que chaque trou passe devant l'extrémité de la sonde, la densité de flux de la bobine de captage est interrompue. L'établissement et l'effondrement des lignes de flux génèrent une tension aux bornes des conducteurs. Cette tension, proportionnelle à la vitesse de l'arbre de la pompe, est ensuite conditionnée en vue de son enregistrement. L'amplitude de la tension dépend de la vitesse angulaire de l'arbre de la turbopompe, de la distance entre la bobine de captage et le manchon d'engrenage de couple, ainsi que du milieu constituant l'entrefer. La fréquence est déterminée par la vitesse angulaire de l'arbre de la pompe et le nombre de trous dans le manchon d'engrenage de couple.
SYSTÈME DE PURGE ET DE VIDANGE DU MOTEUR
Le système de purge et de vidange du moteur permet de prévenir la contamination dans les zones critiques du moteur et permet l'évacuation en toute sécurité des fluides de refroidissement usagés, des ergols résiduels et des fluides provenant de fuites de joints. Le système de purge du moteur et le système de vidange du moteur sont chacun divisés en un système en mode de service et un système en mode opérationnel.
SYSTÈME DE PURGE EN MODE SERVICE
Le système de purge en mode de service utilise de l'azote gazeux fourni par les installations pour expulser les ergols et fluides résiduels du moteur. Le système de purge en mode de service se compose de raccords rapides sur les vannes de carburant n° 1 et n° 2 pour fournir de l'azote gazeux aux vannes de carburant et à la chambre de poussée, d'un raccord rapide sur l'assemblage du collecteur hypergolique pour purger le conteneur hypergolique et le tuyau de carburant d'allumage des fluides résiduels, d'un raccord rapide sur le tube de détection de la vanne de surveillance de l'allumage pour purger le tube du fluide résiduel, d'un raccord rapide au niveau de la vanne de régulation du fluide de refroidissement des paliers pour purger les conduites d'alimentation en fluide de refroidissement des paliers du fluide de refroidissement résiduel et du composé de préservation, et de six bossages filetés sur le dôme d'oxydant pour purger le dôme d'oxydant et l'injecteur du fluide de rinçage résiduel.
SYSTÈME DE PURGE EN MODE OPÉRATIONNEL
Le système de purge en mode opérationnel utilise de l'azote gazeux fourni par le véhicule et les installations pour établir une barrière de pression afin de protéger les sections d'oxydant du moteur contre la contamination. L'azote gazeux est fourni au moteur par l'intermédiaire de deux raccords de purge. L'un des raccords de purge fournit de l'azote gazeux provenant du véhicule à 80 psig pour purger le joint intermédiaire de la pompe à oxydant. L'autre raccord de purge dirige l'azote gazeux à 800 psig vers le générateur de gaz et les vannes d'oxydant n° 1 et n° 2 pour empêcher les contaminants de pénétrer dans les sections d'oxydant du générateur de gaz et de la chambre de poussée pendant l'allumage et la transition vers le régime principal.
SYSTÈME DE VIDANGE EN MODE DE SERVICE
Le système de vidange en mode de service permet de vidanger le carburant résiduel et le fluide du système de commande du moteur pendant la maintenance et la sécurisation du moteur après les essais. Le système de vidange en mode de service se compose de raccords rapides et de bouchons de vidange situés aux points bas des systèmes d'alimentation en ergols et de commande. Les raccords rapides utilisés pour la vidange du carburant résiduel sont situés sur les coudes d'entrée de carburant n° 1 et n° 2, les conduites haute pression de carburant n° 1 et n° 2, le collecteur d'entrée de carburant de la chambre de poussée, le collecteur hypergolique et le générateur de gaz. Les raccords rapides pour la vidange du fluide du système de commande sont situés sur la conduite de retour moteur du système de commande, la conduite d'alimentation moteur du système de commande et la conduite de retour de l'actionneur de cardan. Quatre bouchons de vidange situés sur le collecteur de retour de carburant de la chambre de poussée permettent de vidanger les tubes de la chambre de poussée de leur carburant résiduel, de leur fluide de préremplissage ou de leur solvant de rinçage.
SYSTÈME DE VIDANGE EN MODE OPÉRATIONNEL
Le système de vidange en mode opérationnel fournit un moyen d'évacuation par-dessus bord des fuites de fluide traversant les joints internes de certains composants, ainsi que du fluide de refroidissement des paliers usagé provenant de la turbopompe. Le système de vidange en mode opérationnel se compose de conduites de vidange par-dessus bord d'oxydant et de carburant séparées et d'un collecteur de vidange de carburant. Les fuites de joints de carburant et de fluide de commande ainsi que le fluide de refroidissement usagé sont recueillis dans une seule conduite de vidange de carburant par-dessus bord du côté n° 2 du moteur. Le collecteur de vidange de carburant est le point de vidange collectif pour le fluide de refroidissement usagé et l'excès de composé de préservation restant pendant les procédures de préservation de la turbopompe. Les fuites d'oxydant traversant le joint d'oxydant primaire de la turbopompe et les joints d'oxydant internes des vannes d'oxydant n° 1 et n° 2 et de la vanne de commande du générateur de gaz sont dirigées vers une conduite de vidange par-dessus bord d'oxydant du côté n° 1 du moteur. Cette ligne dirige également par-dessus bord le flux de purge traversant le côté oxydant du joint intermédiaire de la turbopompe. Parallèlement à la conduite de vidange par-dessus bord d'oxydant du côté n° 1 du moteur se trouve la conduite de vidange par-dessus bord de la purge d'azote, qui dirige par-dessus bord le flux de purge traversant le côté carburant du joint intermédiaire.
FABRICATION ET FONCTIONNEMENT
Les moteurs F-1 sont fabriqués par Rocketdyne à Canoga Park, en Californie. Ils présentent une conception d’une remarquable ingéniosité structurelle. Le F-1 est construit à partir de tubes en Inconel X-750 d’un diamètre d’environ 2,78 cm, qui sont formés hydrauliquement afin d’obtenir le profil précis de la section méridienne de la tuyère. Un faisceau est ensuite formé, constituant la structure de la chambre de poussée, composé de 178 tubes principaux disposés côte à côte.
À la partie inférieure, pour s'adapter à l'élargissement de la tuyère, chaque tube principal se divise en deux, portant ainsi le nombre total de tubes à 356 dans la section basse de la chambre. Le carburant circule dans ces tubes, assurant le refroidissement régénératif de la tuyère avant d’être injecté dans la chambre de poussée. Les tubes sont assemblés par brasage à l’aide d’un alliage à base de cuivre, d’argent et d’or. Ce processus transforme la structure même de la tuyère en un échangeur thermique haute performance : le carburant absorbe la chaleur intense des gaz de combustion, empêchant la fusion de l'acier tout en augmentant sa propre température avant l'injection.
La fabrication du F-1 relevait d'un exploit industriel, chaque moteur nécessitant des milliers d'heures de main-d'œuvre qualifiée. Les tolérances d'usinage de la turbopompe, tournant à très haute vitesse, étaient extrêmement serrées pour garantir la fiabilité. Chaque chambre de poussée subissait des contrôles radiographiques rigoureux sur ses soudures pour prévenir toute fuite sous pression. Enfin, chaque exemplaire était soumis à des essais statiques complets avant d'être certifié pour le vol. Pour répondre aux exigences du programme Apollo, les matériaux étaient sélectionnés pour leur résistance extrême aux chocs thermiques et vibratoires. La traçabilité de chaque pièce, du métal brut aux composants finis, était assurée par une documentation technique sans faille. Cette discipline de production permettait de maintenir une cohérence de performance inédite pour des moteurs de cette puissance.
CONTRÔLE NON DESTRUCTIF Pierre angulaire de l’assurance qualité, de la fiabilité et des performances des moteurs-fusées à ergols liquides de Rocketdyne, l’utilisation du contrôle non destructif (CND) s’appliquait tant aux matériaux qu’aux composants destinés à ses moteurs. Il s’agissait d’une phase essentielle du processus de fabrication, car un matériau ou une pièce défectueux pouvait entraîner la défaillance d’un composant ou d’un sous-ensemble, ce qui pouvait à son tour provoquer la destruction du moteur. Chaque pièce devait satisfaire à des tests et à des inspections rigoureux. Chez Rocketdyne, le CND impliquait le Laboratoire de développement en ingénierie (Engineering Development Laboratory), le Laboratoire d’assurance qualité (Quality Assurance Laboratory) et le Département d’inspection de la production (Production Inspection Department). Le Laboratoire de développement en ingénierie (EDL) était responsable de la révision et de la spécification des revues de conception, de l’évaluation des matériaux par analyse des défaillances, de la recherche et du développement sur les méthodes de test, ainsi que de l’introduction de nouvelles méthodes de test dans l’inspection de la production. Le Laboratoire d’assurance qualité (QAL) était responsable des plans de CND, de la formation des inspecteurs, du soutien aux inspections de production, de la surveillance interne et chez les fournisseurs, du soutien aux essais sur le terrain et de l’introduction de nouvelles méthodes de test dans l’inspection de la production. La fonction principale du Département d’inspection de la production (PID) était d’évaluer les composants, matériaux et procédés du moteur par rapport aux exigences et spécifications des plans d’ingénierie afin de soutenir la fabrication. Les inspecteurs de Rocketdyne, s’appuyant sur des instruments avancés et des équipements de test sophistiqués, ont garanti à la fois la fluidité de la circulation du matériel et la fiabilité de l’évaluation des tests. Le PID était également responsable de la planification et de l’ordonnancement des méthodes de test durant la fabrication. Rocketdyne a utilisé une variété de méthodes de CND pour évaluer les matériaux et les procédés, englobant à la fois l’ensemble du spectre électromagnétique et divers autres moyens visant à fournir une évaluation qualitative ou quantitative du matériau ou du procédé sans altérer l’article testé. Son programme de fiabilité des moteurs commençait dès la conception et la fabrication pour garantir un matériel précis et à haute résistance qui ne faillirait pas lors de son fonctionnement dans les conditions spécifiées. Des inspections approfondies visant à s’assurer qu’une pièce respectait ses tolérances, ses états de surface et ses procédés de fabrication spécifiés constituaient des étapes indispensables. Une fois les composants individuels testés, un assemblage pouvait être soumis à des tests approfondis au cours de son développement afin de déceler les faiblesses inhérentes. Des essais de développement réussis ont ouvert la voie à un processus reproductible pour la production d’un moteur destiné aux essais de réception. Toutes les procédures de CND élaborées pour les moteurs précédents ont été appliquées au F-1, bien que dans certains cas elles aient dû être modifiées pour tenir compte de la taille sans précédent de ce nouveau moteur. Voici les méthodes de contrôle non destructif utilisées par Rocketdyne : 1. Contrôle radiographique (Radiographic inspection) Fonctionnement : Utilisation d'un film placé dans un boîtier étanche à la lumière et exposition à un rayonnement émis par un isotope radioactif d'Iridium-192. L'image négative obtenue était ensuite évaluée. 2. Contrôle par ressuage (Liquid penetrant inspection) Fonctionnement : Application d'un colorant ou d'un pénétrant fluorescent (par trempage, pulvérisation ou pinceau) sur une pièce préalablement nettoyée. Les tests d'étanchéité consistaient à appliquer le pénétrant sur la surface interne et un révélateur sur la surface externe. 3. Contrôle par magnétoscopie (Magnetic particle testing) Fonctionnement : Création d'un champ magnétique adapté (orienté longitudinalement ou circonférentiellement) dans la pièce, application de particules magnétiques et recherche d'accumulations. Les pièces devaient ensuite être démagnétisées. 4. Contrôle par ultrasons (Ultrasonic testing) Fonctionnement : Utilisation de fréquences de 1 à 25 mégahertz par transmission ou écho d'impulsion. Cette méthode offrait une grande sensibilité, une forte puissance de pénétration et une automatisation rapide (notamment pour l'inspection des tubes de la chambre de poussée en Inconel-X). 5. Contrôle par courants de Foucault (Eddy current testing) Fonctionnement : Un champ magnétique alternatif induisait des courants de Foucault dans l'objet, permettant de mesurer les variations d'alliage, les traitements thermiques, la dureté, l'importance des défauts, les dimensions, la conductivité et la perméabilité. 6. Contrôle infrarouge (Infrared testing) Fonctionnement : Observation des variations de chaleur émises par un objet à travers sa surface, soit pendant le chauffage de la pièce, soit pendant sa phase de refroidissement, afin de révéler des défauts ou des altérations de fabrication. 7. Cinéradiographie et radiographie dynamique (Kinefluorography and cinefluorography) Fonctionnement : Passage de rayons X à travers l'objet testé, observé à l'aide d'un intensificateur d'image fluoroscopique et de caméras cinématographiques. 8. Appareils de mesure d'épaisseur (Thickness testing devices) Outils spécifiques : Le Permascope (revêtements non magnétiques sur substrat ferrique). Le Dermitron (anodisation sur aluminium ou revêtements non conducteurs). Le Betascope (or sur cuivre ou chrome sur aluminium). Le Process Nucleonics Thickness Gage (rétrodiffusion gamma pour les tubes de chambre de poussée à parois minces). 9. Contrôle de dureté (Hardness testing) Outils : Utilisation du duromètre standard Rockwell, ainsi que des testeurs Brinell et Riehle dans un laboratoire métallurgique dédié. 10. Inspection visuelle (Visual inspection) Outils : Aides optiques telles que des loupes, des binoscope et des endoscopes à fibre optique. |
La turbopompe est montée directement sur la chambre de poussée, comme sur son prédécesseur, le moteur H-1. Elle assure l’alimentation de la chambre de poussée avec environ 2 tonnes de LOX et 1 tonne de RP-1 par seconde et développe une puissance d’environ 60 000 chevaux.
Le générateur de gaz, qui entraîne la turbine de la turbopompe, utilise les mêmes ergols que la chambre de poussée, mais avec un rapport de mélange spécifique pour limiter la température des gaz à l’entrée de la turbine. Le générateur de gaz brûle une fraction des ergols afin de produire les gaz chauds qui entraînent la turbine de la turbopompe.
Les essais au banc sont réalisés au centre d’essais de la NASA à Edwards dans des conditions proches du fonctionnement réel. Après validation, les moteurs sont transportés par camion ou par avion vers La Nouvelle-Orléans pour être intégrés à l’étage S-IC.
Par contre, son fonctionnement est complexe et particulièrement ingénieux. On y relève néanmoins une dépendance fonctionnelle importante : le générateur ne fonctionne que si les pompes fonctionnent, les pompes ne fonctionnent que si la turbopompe fonctionne, et la turbine ne fonctionne que si le générateur fonctionne. Il s’agit donc d’une boucle fonctionnelle.
Pour faire simple, il suffit de mettre en route le moteur pour que tout s’enclenche. En effet, dès que le moteur est en service, les systèmes s’activent mutuellement. C’est pour cela que le moteur a besoin d’une source extérieure de pression pneumatique, hydraulique, de courant électrique, ainsi que d’un système d’allumage par hypergols pour le démarrage.
PROCÉDURE DE DÉMARRAGE DU F-1
SÉQUENCE DE DÉMARRAGE (lors d'essai au sol)
Le démarrage du moteur F-1 nécessitait environ cinq secondes. Lors des essais au sol, la pression hydraulique fournie par les équipements de soutien au sol (GSE) initiait une séquence de démarrage à montée progressive. Cette séquence débutait par l'ouverture de la vanne de commande du moteur, dirigeant le fluide hydraulique vers la vanne principale d'oxydant (LOX). L'ouverture de cette dernière permettait au LOX de saturer les circuits d'injection, préparant ainsi la mise en rotation de la turbopompe.
Les vannes du générateur de gaz s'ouvraient ensuite, admettant du RP-1 et du LOX dans le générateur de gaz, où deux allumeurs pyrotechniques déclenchaient la combustion.
Après deux à trois secondes, la pression générée devenait suffisante pour ouvrir la vanne d'alimentation de l'allumeur de la chambre de poussée. Celle-ci admettait alors une injection de fluide hypergolique (TEA/TEB), provoquant l'allumage spontané au contact du LOX dans la chambre de poussée. Dès que cet allumage était détecté par le système de séquencement hydraulique, les vannes principales de carburant s'ouvraient, augmentant la poussée.
Avant le démarrage, les tubes de refroidissement de la chambre de poussée étaient remplis d'environ 393,7 litres (104 gallons) d'un mélange d'éthylène glycol et d'eau. Durant cette phase transitoire, ce mélange était consommé en priorité, produisant une pression dans la chambre de combustion inférieure à celle obtenue avec le seul RP-1. Une fois ce mélange purgé, la pression de chambre continuait à augmenter jusqu'à atteindre 100 % de la valeur nominale.
Les séquences de démarrage et d'arrêt du moteur étaient commandées par un système électro-hydraulique. Lors des essais au sol, des relais électriques des équipements de soutien au sol (GSE), associés à des solénoïdes sur le moteur, assuraient le pilotage des fonctions. En vol, ces commandes étaient transmises par les systèmes embarqués du lanceur. Un système de commande hydraulique à orifices calibrés séquençait l'ouverture des vannes d'ergols, assisté par des dispositifs mécaniques couplés garantissant le bon ordre d'allumage.
PHASE DE PRÉPARATION DU MOTEUR
La phase de préparation du moteur correspond aux opérations permettant de vérifier que le moteur et les installations d’essais sont dans un état satisfaisant pour effectuer un démarrage en toute sécurité. Cette phase s’achève par l’émission d’un signal « ENGINE PREPARATION COMPLETE » qui, associé à un signal indiquant que les installations d’essais sont également prêtes, autorise l’alimentation électrique du commutateur de démarrage du moteur.
PHASE DE DÉMARRAGE ET D'ALLUMAGE DU MOTEUR (partie 1)
La phase de démarrage et d’allumage du moteur débute par l’actionnement manuel du commutateur de démarrage et se poursuit jusqu’à l’ouverture des vannes d’ergols, l’établissement de la combustion et la transition vers le régime principal.
L’actionnement du commutateur de démarrage déclenche électriquement la séquence automatique de démarrage. Celle-ci provoque la rotation de la vanne de commande vers la position de retour moteur, l’activation de la purge opérationnelle du dôme d’oxydant, ainsi que la mise en fonctionnement d’une temporisation associée à la vanne de commande. À l’expiration de cette temporisation, lorsque la vanne de commande a atteint la position de retour moteur, les dispositifs de chauffage de la turbopompe sont mis hors tension. L’alimentation électrique est alors appliquée aux allumeurs pyrotechniques du générateur de gaz et de la rallonge de tuyère, tandis qu’une temporisation de démarrage est enclenchée.
À l’expiration de cette seconde temporisation, après confirmation électrique de la combustion des allumeurs par la rupture de leurs liaisons fusibles, le solénoïde de démarrage de la vanne de commande du moteur ainsi qu’une temporisation de la phase d’allumage sont alimentés.
L’actionnement du solénoïde de démarrage provoque le déplacement du tiroir de commande de la vanne de commande du moteur. Ce déplacement interrompt l’alimentation en fluide hydraulique de fermeture fournie depuis le sol et dirige ce fluide vers l’orifice d’ouverture des vannes d’oxydant n°1 et n°2, ainsi que vers l’orifice d’entrée de la vanne de surveillance de l’allumage. L’ouverture des vannes d’oxydant permet à l’oxydant d’alimenter la zone de combustion de la chambre de poussée et provoque simultanément l’ouverture mécanique des vannes de séquence. Lorsque celles-ci s’ouvrent, le fluide hydraulique est dirigé vers l’orifice d’ouverture de la vanne du générateur de gaz.
L’ouverture de la vanne du générateur de gaz permet l’admission des ergols dans la chambre de combustion du générateur de gaz, où ils sont enflammés par les allumeurs pyrotechniques. Les gaz chauds ainsi produits, riches en carburant, sont dirigés à travers la turbine puis le collecteur d’échappement de la chambre de poussée jusqu’à la rallonge de tuyère, où ils se mélangent à l’atmosphère riche en oxydant présente dans la chambre de poussée et sont enflammés par les allumeurs de la rallonge de tuyère.
L’écoulement des gaz de combustion du générateur de gaz à travers la turbine entraîne la mise en rotation de la turbopompe, ce qui provoque l’augmentation progressive de la pression de refoulement des pompes à carburant et à oxydant.
PHASE DE DÉMARRAGE ET D'ALLUMAGE DU MOTEUR (partie 2)
Lorsque la pression de refoulement de la pompe à carburant atteint environ 225 psig, la vanne de régulation du refroidissement des paliers s’ouvre et dirige le carburant vers les paliers de la turbopompe afin d’assurer leur lubrification et leur refroidissement.
Lorsque la pression de carburant (RP-1) augmente jusqu’à environ 375 psig, la vanne d’alimentation de l’allumeur est déplacée hors de son siège, permettant l’admission de carburant vers l’allumeur hypergolique, ce qui provoque la rupture des membranes d’éclatement. Le fluide hypergolique, suivi du carburant d’allumage, s’écoule alors vers la zone de combustion de la chambre de poussée, où il réagit avec le LOX déjà présent et établit l’allumage.
La rupture des membranes de la cartouche hypergolique déverrouille également la vanne de surveillance de l’allumage, et une pression de chambre d’environ 20 psig, détectée au niveau de son orifice de commande, provoque l’actionnement de cette vanne. Celle-ci dirige alors le fluide de commande vers l’orifice d’entrée alimentant les orifices d’ouverture des vannes de carburant n°1 et n°2.
RÉGIME PRINCIPAL DU MOTEUR
Le régime principal du moteur correspondait à la période de fonctionnement du moteur initiée lorsque celui-ci atteignait 90 % de sa poussée nominale.
L’activation du pressostat « Thrust OK » signalait l’entrée en régime principal.
Lors de la transition vers le régime principal, la source de pression du système de commande était automatiquement transférée au moteur lorsque la pression de refoulement du carburant du moteur dépassait la pression fournie par la source externe au sol. Lorsque les vannes de carburant atteignaient la position complètement ouverte, la vanne d’alimentation du système de commande au sol était fermée.
La temporisation de la phase d’allumage, qui aurait déclenché une coupure du moteur si les vannes de carburant ne s’étaient pas ouvertes dans la limite de temps définie, arrivait à expiration et désactivait le solénoïde de démarrage de la vanne de commande du moteur. Le tiroir de commande n’était pas affecté, car il était hydrauliquement verrouillé en position ouverte dans la vanne.
PROCÉDURE D'ARRÊT DU MOTEUR F-1
L'arrêt du moteur était initié électriquement par l'activation simultanée du solénoïde d'arrêt de la vanne de contrôle moteur et du solénoïde de la vanne d'arrêt redondante. Lorsque le solénoïde d'arrêt de la vanne de contrôle était alimenté, le tiroir de commande était basculé en position fermée ; cela annulait la pression d'ouverture et appliquait une pression de fermeture aux vannes d'ergols. L'activation de la vanne d'arrêt redondante permettait à celle-ci de s'actionner hydrauliquement et d'orienter la pression du système de contrôle vers l'orifice de dérivation (override) de la vanne de contrôle moteur. La pression sur cet orifice forçait le basculement du tiroir de commande en position fermée, garantissant ainsi l'arrêt si le tiroir ne s'était pas repositionné lors de l'activation du premier solénoïde. Lorsque la pression de fermeture était appliquée aux vannes d'ergols, des orifices calibrés dans les lignes de commande fermaient séquentiellement la vanne du générateur de gaz, les vannes d'oxydant et les vannes de carburant, dans cet ordre précis.
Lors de l'initiation de l'arrêt, les réchauffeurs de paliers de la turbopompe étaient réactivés et la purge de service de l'oxydant était mise en fonction. La fermeture de la vanne du générateur de gaz supprimait l'énergie motrice de la turbine, entraînant une chute rapide de la pression de décharge du carburant. À mesure que cette pression chutait, la vanne de carburant de l'allumeur et les vannes de contrôle du fluide de refroidissement des paliers se fermaient. La fermeture des vannes d'ergols provoquait une chute de la pression dans la zone de combustion de la chambre de poussée, ce qui désactivait la vanne de contrôle de l'allumage.
Lorsque les vannes de carburant n° 1 et n° 2 atteignaient toutes deux la position fermée, la vanne de vérification était automatiquement remise en position de retour au sol et la vanne d'alimentation du système de commande de la source au sol était réouverte pour fournir une pression de fermeture aux vannes d'ergols jusqu'à ce que tous les ergols résiduels soient drainés du moteur.
Le saviez-vous ? Environ 15 heures avant le lancement, les conduites des moteurs F-1 sont préparées avec de l’éthylène glycol. Durant les heures suivantes, les circuits de la chambre de poussée ainsi que les collecteurs des moteurs F-1 du premier étage sont remplis d’une solution d’éthylène glycol. Au moment de l’allumage des moteurs, cette solution contribue à stabiliser et à lisser la séquence de mise en route lors du démarrage.
LOX : oxygène liquide, Il a une couleur bleu-clair et est fortement paramagnétique. L'oxygène liquide a une densité de 1140 kg/m3 et est modérément cryogénique (point de congélation : −219 °C, point d'ébullition : −183°C). Dans le commerce, l'oxygène liquide est classifiée comme un gaz industriel et est employée couramment pour des buts industriels et médicaux. Il est obtenue à partir de l'oxygène trouvé naturellement dans l'air par distillation fractionnaire.
RP-1 : (Rocket Propellant 1) est une forme fortement raffinée de pétrole semblable au kérosène, utilisé aux Etats-Unis comme un carburant de fusée. Le RP-1 est typiquement brûlé avec du LOX (oxygène liquide) comme comburant.
Le RP-1 est une fraction de raffinage du kérosène, qui est soumis à davantage de traitement pour enlever les substances insaturées qui polymérisent quand le carburant est stocké, aussi bien que les hydrocarbures sulfurés qui réduisent l'efficacité de la combustion. En outre, afin de répondre à des exigences spécifiques de densité, chaleur de combustion, et de contenu aromatique, le kérosène doit être obtenu à partir des bruts ayant un taux élevé de naphtalène.
Le brasage : on appelle brasage, l'assemblage à l'aide d'un métal d'apport de nature différente des pièces assemblées. Métal d'apport qui a une température de fusion inférieure aux pièces assemblées.
Jaquette : enveloppe métallique externe (structurelle et de confinement) qui entoure et maintient solidairement l'ensemble des composants ou des sous-ensembles (tels que le faisceau de tubes brasés), tout en assurant la résistance globale de la structure sous contrainte.
Frette : anneau ou bague métallique rigide et épaisse, ajustée serré autour d'une pièce cylindrique pour l'empêcher de se déformer ou d'éclater sous l'effet d'une forte pression interne.
GOX : oxygène gazeux (gaseous oxygen).
Curvic (accouplement Curvic) : c'est un type de liaison mécanique de précision constituée de deux surfaces annulaires présentant des dentures radiales courbes usinées avec une très grande exactitude Ces dentures s’engrènent face à face, ce qui permet de transmettre un couple élevé tout en assurant un alignement angulaire précis entre deux éléments rotatifs (par exemple un arbre et une roue de turbine). Ce type d’accouplement est utilisé dans les turbomachines pour supporter des charges importantes, notamment lors des phases de démarrage, tout en maintenant une rigidité élevée et une excellente répétabilité de positionnement.
Sources : PDF "F-1 Engine Familiarization Training Manual, R-3896-1 (Canoga Park, CA: Rocketdyne – North American Rockwell, 31 mars 1967)" ; "Furnace brazing the F-1 thrust chamber for Apollo" de Francis X. De Carlo ; "Comprehensive Review of Liquid-Propellant Combustion Instabilities in F-1 Engines" de Oefelein, Joseph C. et Vigor Yang, journal of Propulsion and Power (Reston, VA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Vol. 9, No. 5, sep-oct 1993) ; "Technical manual illustrated parts breakdown F-1 rocket engine (23 janvier 1970) ; Rocketdyne, R-3896-6, F-1 Rocket Engine — Technical Manual, Installation and Repair of Thermal Insulation, 23 mars 1971 ; "Rocketdyne F-1: Saturn V First Stage Engine in Remembering the Giants: Apollo Rocket Propulsion Development", ed. Steven C. Fisher et Shamin A. Rahman ; "F-1 Rocket Engine Supplement Technical Manual (R-3896-1A)" ; livre "The Saturn V F-1 Engine Powering Apollo into History" d'Anthony Young
Textes de Paul Cultrera, tous droits réservés.
