На початку своєї діяльності Національне управління з аеронавтики та дослідження космічного простору (NASA) супроводжувала низка успішних подій. Агентство мало доступ до майже чотирьох із половиною відсотків державного бюджету (проти менше ніж пів відсотка сьогодні) і працювало на повну потужність, щоб сконструювати «Аполлон», підготувати все необхідне устаткування для програми та вкластися у встановлені президентом Кеннеді терміни для висадки людей на Місяць до кінця десятиліття.

Однак представники агенції зосередилися не лише на дослідженні супутника, а й виділяли кошти на розвиток новітніх технологій та розроблення передових двигунів і космічних апаратів. У такий спосіб до середини 1960-х років NASA профінансувало величезну кількість різноманітних проєктів, що пройшли майже всі етапи випробувань, аж до тестування обладнання та апаратного забезпечення, проте були скасовані, й сьогодні про них мало хто пам’ятає. Одним із забутих стала концепція потужного ракетного двигуна-«монстра» – М-1.

Якби М-1 було завершено, він став би найпотужнішим із будь-коли побудованих ракетних двигунів, знайшовши своє застосування на других, а, можливо, й на перших ступенях надважких носіїв, подібних до Saturn V. Американська компанія-підрядник Aerojet розпочала дослідно-конструкторські роботи над рушієм у 1963 році, провівши низку тестувань його основних компонентів і спорудивши для цього численні комплекси, як-от великі випробувальні стенди. Проте реальність «наздогнала» інженерів М-1: програма зіткнулася з перевищенням витрат і не містила чітких вимог. Як наслідок, на початку 1965 року проєкт було скасовано, що остаточно зруйнувало можливість проведення повномасштабних випробувань.

Народження «Монстра»

Двигуни, які зрештою привели в дію Saturn V, розпочиналися як проєкти Військово-повітряних сил США. F-1 використовував для роботи гас RP-1 як пальне та рідкий кисень як окисник і був встановлений на першому ступені ракети, тоді як  J-2 працював на рідких водні та кисні й застосовувався на другому й третьому ступенях. Спочатку ВПС планували проєкт Lunex (Lunar Expedition), із метою висадки людей на Місяць раніше програми «Аполлон», а також побудову для цього ракети-носія Space Launching System. Одна SLS використовувала б групу з дванадцяти двигунів J-2 для другого ступеня.

Однак представники цього підрозділу збройних сил були стурбовані складністю такої конструкції і тому уклали контракт із Aerojet, щоб розпочати роботу над новим двигуном – M-1 – який мав би розвивати тягу близько в 5,3 МН. Метою угоди стала заміна 12 J-2 двома M-1. Коли в 1958 році було засновано NASA, цей та подібні проєкти ВПС та СВ США поступово були передані під керівництво агентству, а саме: конструювання ракети-носія класу Saturn, різні розробки ракетних двигунів, як-от F-1, та й, зрештою, розпочаті нещодавно дослідження рушія M-1.

Саме тому до 1962 року деякі співробітники NASA розглядали варіанти побудови потужного двигуна для розгінного блоку майбутньої ракети Nova. Спочатку він мав розвивати тягу в 5,3 МН та використовувати рідкі водень і кисень як компоненти палива. Проте дуже скоро перший критерій було збільшено до 6,7 МН тяги – із подальшою можливістю модернізації до 8 МН. Метою програми було представити високопродуктивну рушійну установку носіїв нового класу, яка відповідала б наявній у 1970-х роках системі з безпечного перевезення людей. Окрім того, інженери розглядали спроби застосувати її у модифікаціях Saturn V, із заміною п’яти J-2 на другому ступені одним M-1, а також на першому ступені Nova.

Двигун М-1 складався з однієї камери згоряння з системою регенеративного охолодження, окремих турбонасосних агрегатів, що приводилися в дію роздільними газогенераторами (на відміну від одного газогенератора, який приводив би в рух основний силовий вал), і соплового насадка, що охолоджувався за допомогою вихлопу з турбіни. 

Вихлоп із газогенераторів був відносно холодним, якщо порівнювати з викидом ракетою відпрацьованого палива, тому, замість того, щоб скидати його в навколишнє середовище, він був спрямований до трубок охолодження нижньої частини сопла, куди надходив при температурі близько 371 °С. Пройшовши ними, вихлопні гази нагрівалися до приблизно 538 °С і лише потім вивільнялися через патрубки з самого низу сопла.

Керування вектором тяги відбувалося за допомогою карданного підвісу, що забезпечував рух усього вузла двигуна. Питомий імпульс, показник ефективності використання палива рушієм або кількість енергії, яку можна отримати від конкретної одиниці палива, становив 428 секунд, що значно більше ніж 263 секунд у киснево-гасового двигуна F-1. Оскільки М-1 був сконструйований для роботи в розрідженому повітрі на великих висотах, він мав широке вихлопне сопло – набагато масивніше за F-1.

Конструювання двигуна розпочалося в 1962 році, і протягом наступних двох років інженери Aerojet досягли значних успіхів. І цьому частково сприяла можливість розробляти та випробовувати основні компоненти окремо, перш ніж об’єднати їх у цілісний двигун. Загалом компанія побудувала вісім камер згоряння, одинадцять газогенераторів, чотири кисневі та чотири водневі насоси, останні з яких, однак, не було завершено до моменту скасування програми.

Гігантський двигун – гігантські витрати

Завершивши до 1963 року проектування та аналіз усієї конструкції, інженери Aerojet перейшли до роботи з компонентами великих розмірів. У травні 1963 року було розпочато тестування газогенератора М-1, фактично меншого ракетного двигуна, що використовувався для живлення турбонасосів, які закачували водень і кисень. Повномасштабні випробування всього рушія спершу планувалися на початок 1966 року, проте до квітня 1963 NASA переглянуло графік програми, посунувши їх на 1969, а то й пізніше.

Окрім роботи над двигуном, Aerojet також розпочала будівництво різних об’єктів для підтримки програми, а саме лабораторій, центрів для виготовлення та тестування компонентів, а також трьох випробувальних стендів у північній Каліфорнії.

Початкова оцінка розроблення М-1 складала 90 мільйонів доларів. У листопаді 1962 року управління виконанням договору було передано з Центру космічних польотів ім. Джорджа Маршалла в Гантсвіллі, штат Алабама, Дослідницькому центру ім. Джорджа Льюїса в Клівленді, штат Огайо (сьогодні Дослідницький центр ім. Джона Г. Ґленна на Льюїс-Філд). До лютого 1963 року контракт із відшкодуванням витрат і фіксованою винагородою становив 190 мільйонів доларів на 60-місячну програму, що охоплювала випробування зібраного двигуна тягою 6,7 МН. До травня 1964 року вартість зросла на 32 мільйони доларів, оскільки NASA не змогло здійснити виплати згідно з графіком платежів. Зрештою, до січня 1965 року ця сума збільшилася до 230 мільйонів доларів, що близько на 250% перевищувало початкову ставку.

Випробувальні стенди

Проєкт конструювання М-1 офіційно стартував у квітні 1962 року, а тестування зібраного газогенератора розпочалися в травні 1963 року. Після цього, у період з 1964 до 1966 років, слідували наступні випробування основних компонентів двигуна: камери згоряння без системи охолодження (червень 1964; проте випробувальний стенд вийшов із ладу); вузла кисневого турбонасосу (січень 1965); вузла водневого турбонасосу (травень 1965); ще одне випробування камери згоряння без системи охолодження (травень 1966).

Для підтримки програми компанія Aerojet сконструювала кілька нових випробувальних стендів на своєму величезному полігоні за межами міста Сакраменто, штат Каліфорнія. Будівництво С-9 для нетривалих тестів із дослідження стійкості двигуна було розпочато навесні 1962 та завершено до 1963 року; Н-8 для відпрацювання камери згоряння та газогенератора – у травні 1962 та закінчено майже до 1964 року. Для проектування та випробування турбонасосів були розроблені стенди Е-1 та Е-3, а для запуску М-1 та оцінки його впливу на навколишнє середовище – стенд К-1: із метою перевірки роботи двигуна на рівні моря у травні 1966 року та на висоті – у липні 1967 року. Конструювання стенду К-2 для визначення висотних характеристик та аналізу функціонування за цих умов було заплановано на листопад 1965 року, проте так і не розпочалося.

Ракети-«велетні»

Поки тривали роботи над двигуном, Aerojet розглядала носії, які він міг би «живити». Одним із варіантів була ракета з двома ступенями, кожен із яких оснащений М-1: інженери компанії сподівалися в разі залучення додаткових фінансових ресурсів розробити версію двигуна для першого ступеня. Він мав би коротше та вужче сопло камери згоряння, оптимізоване для роботи в умовах високого тиску повітря на рівні моря.

Інша запропонована модифікація отримала назву M-1 Sea Level (Plug). У цій конфігурації нижня частина ракети-носія мала б заокруглену форму, схожу на велику пробку для пляшки, а самі двигуни розміщувалися б навколо неї. Така конструкція містила б на першому ступені 18 двигунів М-1 із загальною тягою 120 МН, що майже в чотири рази перевищувало потужність Saturn V.

Компанії так і не вдалося вибрати метод запалювання ракетного двигуна до того, як було скасовано проєкт. Одним із початкових варіантів була система запалювання із використанням самозаймистих компонентів палива, а саме газоподібного фтору, як для газогенератора, так і для камери згоряння. Однак, попри те, що деякі випробування цієї системи відбулися, такий спосіб відкинули, оскільки фтор як окисник є надзвичайно небезпечним. Тому ризики значно перевищували переваги.

Загибель «Монстра»

У січні 1965 року стало відомо, що новий бюджет NASA не передбачає фінансування двигуна. Як наслідок, Aerojet зобов’язали поступово припинити розвиток проєкту, але продовжувати роботу за кількома основними напрямами. Так, незабаром було зупинено будівництво нового великого випробувального комплексу, а пізніше й додаткові тестування компонентів; деякі з них тривали до 1966 року. Згодом два удосконалені паливні турбонасоси М-1 були передані уряду для проведення наземних випробувань ядерного реактора Phoebus.

Двигун М-1 уособлював ранній запал програмою «Аполлон», коли в NASA очікували, що за висадкою на Місяць слідуватимуть польоти людей на Марс. Й насправді агентство зробило багато, щоб реалізувати деякі зі своїх «нездійсненних» планів. Проте цей і подібні проєкти коштували великих грошей, що безумовно викликало занепокоєння у чиновників Білого дому та членів Конгресу, на думку яких, вони не були настільки важливими для досягнення грандіозної місії з висадки людей на поверхню супутника Землі.

До середини 1960-х років потреба у фінансах для реалізації нових місій NASA стрімко зростала, тому адміністрація президента поступово скорочувала їхню кількість. За нових політичних умов багато хто був переконаний, що «місця» для М-1 серед майбутніх розробок немає. Подібно до інших передових технологічних проєктів, як-от ядерний реактор SNAP-8 і ядерний ракетний двигун NERVA, відсутність програми в поєднанні зі зростанням витрат на конструювання призводили до виключення їх із бюджету.

Зрештою досвід роботи над M-1 дав Aerojet перевагу, коли на початку 1970-х років NASA оголосило конкурс на проектування головного двигуна Space Shuttle (англ. Space Shuttle main engine, SSME). У підсумку, він теж використовуватиме рідкі водень і кисень, розвиваючи тягу приблизно втричі меншу, ніж в М-1, і вдвічі більшу, ніж у J-2 Rocketdyne, що застосовувався на другому й третьому ступенях Saturn V. На жаль, цього було недостатньо, щоб отримати контракт, який натомість дістався конкуренту Rocketdyne.

Якби компанія Aerojet продовжила повномасштабні випробування М-1, її інженери безумовно зіткнулися б зі значними труднощами. Проблеми з нестійкістю горіння в двигуні F-1, що призводили до вибухів на випробувальних майданчиках, продемонстрували: великі ракети створюють серйозні перешкоди для подальшої роботи. Зі скороченням місій з освоєння космосу після програми «Аполлон» М-1 ніколи більше не знадобився, і лише відгомін потужного реву гігантського двигуна ще довго лунав у пам’яті тих, хто старанно над ним працював.

Джерело