В начале своей деятельности Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) сопровождал ряд успешных событий. Агентство имело доступ к почти четырем с половиной процентам государственного бюджета (против менее полупроцента сегодня) и работало на полную мощность, чтобы сконструировать «Аполлон», подготовить все необходимое оборудование для программы и уложиться в установленные президентом Кеннеди сроки для высадки людей на Луну до конца десятилетия.
Однако представители агентства сосредоточились не только на исследовании спутника, но и выделяли средства на развитие новейших технологий и разработку передовых двигателей и космических аппаратов. Таким образом, к середине 1960-х годов NASA профинансировало множество различных проектов, которые прошли почти все этапы испытаний, вплоть до тестирования оборудования и аппаратного обеспечения, но были отменены, и сегодня о них помнят немногие. Одним из забытых стала концепция мощного ракетного двигателя-«монстра» – М-1.
Если бы М-1 был завершен, он стал бы самым мощным из когда-либо построенных ракетных двигателей, найдя свое применение на вторых, а, возможно, и на первых ступенях сверхтяжелых носителей, подобных Saturn V. Американская компания-подрядчик Aerojet начала опытно-конструкторские работы над двигателем в 1963 году, проведя ряд тестирований его основных компонентов и соорудив для этого многочисленные комплексы, такие как большие испытательные стенды. Однако реальность настигла инженеров М-1: программа столкнулась с превышением расходов и не содержала четких требований. В результате в начале 1965 годов проект был отменен, что окончательно разрушило возможность проведения полномасштабных испытаний.
Рождение «Монстра»
Двигатели, которые в конечном итоге привели в действие Saturn V, начинались как проекты Военно-воздушных сил США. F-1 использовал для работы керосин RP-1 как горючее и жидкий кислород в качестве окислителя и был установлен на первой ступени ракеты, тогда как J-2 работал на жидких водороде и кислороде и применялся на второй и третьей ступенях. Первоначально ВВС планировали проект Lunex (Lunar Expedition), с целью высадки людей на Луну ранее программы «Аполлон», а также построение для этого ракеты-носителя Space Launching System. Одна SLS использовала бы группу из двенадцати двигателей J-2 для второй ступени.
Однако представители этого подразделения вооруженных сил были обеспокоены сложностью такой конструкции и поэтому заключили контракт с Aerojet, чтобы начать работу над новым двигателем – M-1 – который должен был бы развивать тягу около 5,3 МН. Целью сделки стала замена 12 J-2 двумя M-1. Когда в 1958 году было основано NASA, этот и подобные проекты ВВС и СВ США были постепенно переданы под руководство агентству, а именно: конструирование ракеты-носителя класса Saturn, различные разработки ракетных двигателей, таких как F-1, и, в конце концов, начатые недавно исследования M-1.
Именно поэтому до 1962 года некоторые сотрудники NASA рассматривали варианты построения мощного двигателя для разгонного блока будущей ракеты Nova. Сначала он должен был развивать тягу в 5,3 МН и использовать жидкие водород и кислород в качестве компонентов топлива. Однако совсем скоро первый критерий был увеличен до 6,7 МН тяги – с дальнейшей возможностью модернизации до 8 МН. Целью программы было представить высокопроизводительную двигательную установку носителей нового класса, которая соответствовала бы существующей в 1970-х годах системе безопасной перевозки людей. Кроме того, инженеры рассматривали попытки применить ее в модификациях Saturn V, с заменой пяти J-2 на второй ступени одним M-1, а также на первой ступени Nova.
Двигатель М-1 состоял из одной камеры сгорания с системой регенеративного охлаждения, отдельных турбонасосных агрегатов, приводившихся в действие раздельными газогенераторами (в отличие от одного газогенератора, который приводил бы в движение основной силовой вал), и соплового насадка, охлаждавшегося с помощью выхлопа из турбины.
Выхлоп из газогенераторов был относительно холодным по сравнению с выбросом ракетой отработанного топлива, поэтому, вместо того, чтобы сбрасывать его в окружающую среду, он был направлен к трубкам охлаждения нижней части сопла, куда поступал при температуре около 371 °С. Пройдя ими, выхлопные газы нагревались до примерно 538 °С и лишь потом высвобождались через патрубки с самого низа сопла.
Управление вектором тяги происходило с помощью карданного подвеса, обеспечивающего движение всего узла двигателя. Удельный импульс, показатель эффективности использования топлива двигателем или количество энергии, которую можно получить от конкретной единицы топлива, составлял 428 секунд, что значительно больше чем 263 секунд у кислородно-керосинового двигателя F-1. Поскольку М-1 был сконструирован для работы в разреженном воздухе на больших высотах, он имел широкое выхлопное сопло – гораздо массивнее F-1.
Конструирование двигателя началось в 1962 году, и в течение следующих двух лет инженеры Aerojet достигли значительных успехов. И этому отчасти способствовала возможность разрабатывать и испытывать основные компоненты отдельно, прежде чем объединить их в целостный двигатель. В общей сложности компания построила восемь камер сгорания, одиннадцать газогенераторов, четыре кислородных и четыре водородных насоса, последние из которых, однако, не были завершены до момента отмены программы.
Гигантский двигатель – гигантские расходы
Завершив к 1963 году проектирование и анализ всей конструкции, инженеры Aerojet приступили к работе с компонентами больших размеров. В мае 1963 года было начато тестирование газогенератора М-1, фактически меньшего ракетного двигателя, использовавшегося для питания турбонасосов, которые закачивали водород и кислород. Полномасштабные испытания всего двигателя сперва планировались на начало 1966 года, однако к апрелю 1963 года NASA пересмотрело график программы, сдвинув их на 1969 год, а то и позже.
Кроме работы над двигателем, Aerojet также приступила к строительству различных объектов для поддержки программы, а именно лабораторий, центров для изготовления и тестирования компонентов, а также трех испытательных стендов в северной Калифорнии.
Первоначальная оценка разработки М-1 составляла 90 миллионов долларов. В ноябре 1962 года управление исполнением договора было передано из Центра космических полетов им. Джорджа Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, Исследовательскому центру им. Джорджа Льюиса в Кливленде, штат Огайо (сегодня Исследовательский центр им. Джона Х. Гленна на Льюис-Филд). К февралю 1963 года контракт с возмещением затрат и фиксированным вознаграждением составлял 190 миллионов долларов на 60-месячную программу, охватывавшую испытание собранного двигателя тягой 6,7 МН. К маю 1964 года стоимость выросла на 32 миллиона долларов, поскольку NASA не смогло осуществить выплаты согласно графику платежей. В конце концов, к январю 1965 года эта сумма увеличилась до 230 миллионов долларов, что около на 250% превышало первоначальную ставку.
Испытательные стенды
Проект конструирования М-1 официально стартовал в апреле 1962 года, а тестирование собранного газогенератора началось в мае 1963 года. После этого, в период с 1964 по 1966 год, следовали испытания основных компонентов двигателя: камеры сгорания без системы охлаждения (июнь 1964; однако испытательный стенд вышел из строя); узла кислородного турбонасоса (январь 1965); узла водородного турбонасоса (май 1965); еще одно испытание камеры сгорания без системы охлаждения (май 1966).
Для поддержки программы Aerojet сконструировала несколько новых испытательных стендов на своем огромном полигоне за пределами города Сакраменто, штат Калифорния. Строительство С-9 для непродолжительных тестов по исследованию устойчивости двигателя было начато весной 1962 года и завершено к 1963 году; Н-8 для отработки камеры сгорания и газогенератора – в мае 1962 и окончено почти до 1964 года. Для проектирования и испытания турбонасосов были разработаны стенды Е-1 и Е-3, а для запуска М-1 и оценки его влияния на окружающую среду – стенд К-1: с целью проверки работы двигателя на уровне моря в мае 1966 и на высоте – в июле 1967 года. Конструирование стенда К-2 для определения высотных характеристик и анализа функционирования в этих условиях было запланировано на ноябрь 1965, однако так и не началось.
Ракеты-«великаны»
Пока продолжались работы над двигателем, Aerojet рассматривала носители, которые он мог бы приводить в действие. Одним из вариантов была ракета с двумя ступенями, каждая из которых оснащена М-1: инженеры компании надеялись в случае привлечения дополнительных финансовых ресурсов разработать версию двигателя для первой ступени. Он имел бы более короткое и узкое сопло камеры сгорания, оптимизированное для работы в условиях высокого давления воздуха на уровне моря.
Другая предложенная модификация получила название M-1 Sea Level (Plug). В этой конфигурации нижняя часть ракеты-носителя имела бы округленную форму, похожую на большую пробку для бутылки, а сами двигатели размещались бы вокруг нее. Такая конструкция содержала бы на первой ступени 18 двигателей М-1 с общей тягой 120 МН, что почти в четыре раза превышало мощность Saturn V.
Компании так и не удалось выбрать метод зажигания ракетного двигателя до того, как был отменен проект. Одним из первоначальных вариантов была система зажигания с использованием самовоспламеняющихся компонентов топлива, а именно газообразного фтора, как для газогенератора, так и для камеры сгорания. Однако, несмотря на то, что некоторые испытания этой системы состоялись, такой способ отвергли, поскольку фтор как окислитель чрезвычайно опасен. Поэтому риски значительно превосходили преимущества.
Гибель «Монстра»
В январе 1965 года стало известно, что новый бюджет NASA не предусматривает финансирование двигателя. В результате Aerojet обязали постепенно прекратить развитие проекта, но продолжать работу по нескольким основным направлениям. Так, вскоре было остановлено строительство нового крупного испытательного комплекса, а позже и дополнительные тестирования компонентов; некоторые из них продолжались до 1966 года. Позже два усовершенствованных топливных турбонасоса М-1 были переданы правительству для проведения наземных испытаний ядерного реактора Phoebus.
Двигатель М-1 воплощал ранний задор программой «Аполлон», когда в NASA ожидали, что за высадкой на Луну будут следовать полеты людей на Марс. И на самом деле агентство сделало многое, чтобы реализовать некоторые из своих «невыполнимых» планов. Однако этот и подобные проекты стоили больших денег, что безусловно вызывало беспокойство у чиновников Белого дома и членов Конгресса, по мнению которых, они не были столь важны для достижения грандиозной миссии по высадке людей на поверхность спутника Земли.
К середине 1960-х годов потребность в финансах для реализации новых миссий NASA стремительно росла, поэтому администрация президента постепенно сокращала их количество. В новых политических условиях многие были убеждены, что «места» для М-1 среди будущих разработок нет. Подобно другим передовым технологическим проектам, таким как ядерный реактор SNAP-8 и ядерный ракетный двигатель NERVA, отсутствие программы в сочетании с увеличением расходов на конструирование приводили к исключению их из бюджета.
В конце концов, опыт работы над M-1 дал Aerojet преимущество, когда в начале 1970-х годов NASA объявило о конкурсе на проектирование главного двигателя Space Shuttle (англ. Space Shuttle main engine, SSME). В итоге, он тоже будет использовать жидкие водород и кислород, развивая тягу примерно втрое меньшую, чем у М-1, и вдвое большую, чем у J-2 Rocketdyne, применявшегося на второй и третьей ступенях Saturn V. К сожалению, этого было недостаточно, чтобы получить контракт, который достался конкуренту Rocketdyne.
Если бы компания Aerojet продолжила полномасштабные испытания М-1, ее инженеры, безусловно, столкнулись бы со значительными трудностями. Проблемы с неустойчивостью горения в двигателе F-1, которые приводили к взрывам на испытательных площадках, показали: большие ракеты создают серьезные препятствия для дальнейшей работы. С сокращением миссий по освоению космоса после программы «Аполлон» М-1 никогда больше не понадобился, и лишь отзвук мощного рева гигантского двигателя еще долго раздавался в памяти тех, кто усердно над ним работал.
