F-1 (moteur-fusée)

Les moteurs de Saturn V exposée au Kennedy Space Center de Floride

Test de mise à feu d'un F-1 à la base Edwards en californie (1960).

Le F-1 était un moteur-fusée de très grande puissance conçu par Rocketdyne pour équiper le premier étage du lanceur américain Saturn V du programme Apollo. Les cinq moteurs F-1 utilisés sur Saturn V, brulaient de l'oxygène liquide (LOX) et du kérosène (RP-1).

Avec une poussée de 6,7 MN (680 tonnes), le F1 est encore aujourd’hui considéré comme le moteur-fusée à ergols liquides et à chambre de combustion unique le plus puissant à avoir été mis en service. Le moteur russe RD-171 (1986) atteint une poussée supérieure (790 tonnes au sol) mais en utilisant 4 chambres de combustion distinctes.

Historique

Les origines du F-1 remontent à 1955, lorsque la compagnie Rocketdyne se vit confier par l'Armée de l'air américaine, la réalisation d'un puissant moteur-fusée d’une poussée de 4,45 MN. Dès le début, le développement du moteur progressa rapidement et en 1957, Rocketdyne produisait déjà une analyse détaillée de la chambre de combustion et débutait les essais sur certaines composantes du moteur. En 1958, le projet fut abandonné par l'Armée de l'air qui considérait cette fusée comme étant trop puissante pour ses besoins. La NASA, qui dès sa création en 1958 suivait de près le développement du F-1, décida de poursuivre le projet et en 1959, renouvela le contrat avec Rocketdyne pour continuer son développement et en augmenter sa poussée à 6,7 millions de newtons.

La conception d’un moteur-fusée d’une telle puissance (la poussée du futur F-1 allait surpasser de loin tout ce qui a été réalisé dans ce domaine) représentait alors un véritable défi pour les ingénieurs de Rocketdyne. Un défi technique que devaient relever les américains dans le but de mettre en orbite des charges plus lourdes et ultimement, envoyer un homme sur la Lune avant les soviétiques.

Pour obtenir un moteur géant d’une grande fiabilité (exigence primordiale pour un moteur destiné aux vols habités) et mener ce projet à terme le plus rapidement possible, les concepteurs décidèrent d’utiliser une approche conservatrice dans l’élaboration du moteur et choisirent, lorsque cela était possible, des mécanismes et des concepts ayant déjà fait leurs preuves. Par exemple, le choix des ergols se porta sur des substances déjà bien maîtrisées à l’époque, soit l’oxygène liquide et le RP-1. Malgré l’adoption de cette approche prudente favorisant la simplicité de conception, le développement du F-1 allait rencontrer un problème majeur.

En effet, dès les premiers véritables tests de mise à feu dans les années 1959-1960, apparurent de sérieux phénomènes d’instabilité de combustion qui pouvaient entraîner la destruction du moteur. Le personnel de Rocketdyne et de Marshall, aidé de plusieurs spécialistes en provenance des milieux universitaires et industriels, mit près de sept ans à résoudre ce problème intermittent et imprévisible. Les ingénieurs développèrent une technique très efficace qui consistait à faire exploser des petites charges (nommées « bomb's ») dans la chambre de combustion durant les tests de mise à feu. Ceci leur permit d’étudier avec précision la réponse de la chambre aux variations de pression et d’expérimenter divers modèles d’injecteurs en conditions d’instabilité. Après plusieurs années de recherches, la combustion devint tellement stable qu’une instabilité induite artificiellement était amortie en moins de 1/10^e de seconde.

Le 6 septembre 1966, le F-1 recevait sa qualification complète pour les vols habités.

Liens externes

• (en) NASA SP-4206 Stages to Saturn - the official NASA history of the Saturn launch vehicle
• (en) Combustion instability analysis and the effects of drop size on acoustic [PDF]
• (en) The Heart of the Matter
• (en) Background, F-1 rocket engine
• (en) Saturn V news reference: F-1 engine fact sheet
• (fr) De la Terre à la Lune, site de référence francophone : Moteur F-1