Đặt nền móng cho Hydro
Đầu những năm 1950, các nhà nghiên cứu NACA tại Phòng thí nghiệm Tên lửa bắt đầu tập trung vào việc sử dụng hydro lỏng nhẹ, năng lượng cao làm nhiên liệu đẩy.
Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA
Cơ sở Lịch sử
Phòng thí nghiệm Tên lửa
Tổng quan
Cuối năm 1949, phòng thí nghiệm Cleveland của Ủy ban Cố vấn Quốc gia (NACA) (được đổi tên thành Phòng thí nghiệm Động cơ Bay Lewis) đã tổ chức lại các hoạt động nghiên cứu và mở rộng công việc nghiên cứu tên lửa. Điều này bao gồm cả việc tăng số lượng các nhà nghiên cứu và củng cố năng lực của Phòng thí nghiệm Tên lửa, bao gồm việc mua lại một máy hóa lỏng hydro. Ngay sau đó, Trụ sở NACA đã phê duyệt kinh phí để bổ sung một bộ lọc khí thải cho Cell 22 và xây dựng Cơ sở Thử nghiệm Động cơ Tên lửa (RETF) mới nằm cạnh Phòng thí nghiệm Tên lửa.
Các nhà nghiên cứu ngày càng tập trung nỗ lực vào hydro với oxy hoặc flo làm chất oxy hóa, đồng thời tiếp tục nghiên cứu hiệu suất đánh lửa và độ cao với nhiên liệu hydrocarbon. Mặc dù NACA không chuyển đổi từ động cơ tên lửa sử dụng không khí sang động cơ tên lửa nhanh như quân đội trong giai đoạn này, nhưng công việc của Phòng thí nghiệm Tên lửa vẫn tiến triển và động cơ hydro lỏng đã được thử nghiệm thành công với cả oxy lỏng và flo lỏng vào thời điểm Liên Xô phóng vệ tinh Sputnik vào tháng 10 năm 1957.
Các chất oxy hóa
Các nhà nghiên cứu của NACA không chỉ quan tâm đến nhiên liệu mà còn cả chất oxy hóa. Oxy lỏng là một chất oxy hóa hiệu suất cao và đáng tin cậy cho cả nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu năng lượng cao. Nhóm nghiên cứu tên lửa đã thử nghiệm nhiên liệu diborane, JP-4, dầu hỏa, heptane và amoniac với oxy lỏng tại Phòng thí nghiệm Tên lửa vào cuối những năm 1940 và 1950. Tuy nhiên, các thử nghiệm này chủ yếu nhằm nghiên cứu nhiên liệu hoặc thành phần thử nghiệm (chẳng hạn như kim phun) chứ không phải oxy lỏng đã được chứng minh.
Tuy nhiên, flo có hiệu suất lý thuyết tốt hơn đáng kể so với oxy và có lợi thế là tự bốc cháy. Độc tính và tính ăn mòn vốn có của flo đặt ra những vấn đề đáng kể về xử lý và làm sạch cần được giải quyết. Nguy hiểm đến mức việc vận chuyển một lượng tương đối nhỏ flo đến phòng thí nghiệm vào đầu những năm 1950 cần có sự hộ tống của cảnh sát và các tuyến đường được phê duyệt trước. Các kỹ sư của NACA đã xoa dịu tình hình vận chuyển bằng cách thiết kế một xe kéo đông lạnh độc đáo cho phép hóa lỏng flo dạng khí tại địa điểm của Phòng thí nghiệm Rocket.
Năm 1948, các nhà nghiên cứu của NACA bắt đầu thử nghiệm flo với diborane tại buồng 31 ở phía sau khu phức hợp Phòng thí nghiệm Rocket. Đây là một trong những lần đầu tiên cả nước sử dụng flo lỏng trong động cơ. Họ phát hiện ra rằng nhiệt độ cháy cao của diborane nhanh chóng làm tan chảy vòi phun. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã có thể làm mát kim phun đủ lâu để thu thập dữ liệu, nhưng đã loại trừ diborane là đối tác của flo.
Đầu những năm 1950, các động cơ tên lửa nhỏ đã được chạy trong nhiều buồng thử nghiệm khác nhau của Phòng thí nghiệm Rocket để thử nghiệm flo với nhiên liệu phản lực, amoniac và hydrazine. Các kỹ sư NACA cũng quan tâm đến việc cải thiện hiệu suất của các tên lửa hiện tại, hoạt động bằng JP-4 và oxy lỏng, bằng cách sử dụng hỗn hợp flo và oxy (FLOX). Việc bổ sung flo mang lại khả năng đánh lửa và mức năng lượng tốt hơn oxy nguyên chất. Vào giữa những năm 1950, một số buồng đốt của Rocket Lab đã được sử dụng để thử nghiệm các hỗn hợp FLOX khác nhau với các loại nhiên liệu hydrocarbon khác nhau.
Động cơ gào thét
Dao động đốt cháy là một yếu tố cố hữu và không thể đoán trước của các động cơ tên lửa hiệu suất cao ban đầu. Năng lượng giải phóng trong quá trình đốt cháy thường gây ra các dao động tuần hoàn, hay còn gọi là dao động, có thể phá hủy động cơ. Những dao động này, được gọi là tiếng kêu khi ở tần số thấp và tiếng rít khi ở tần số cao, có thể gây quá tải cho các bộ phận kim loại hoặc làm tăng nhiệt độ đến mức hỏng hóc. Tiếng rít tạo ra tiếng rít the thé, có thể nghe thấy rõ hơn tiếng gầm rú của động cơ.
Vào những năm 1950, một chương trình kéo dài tám năm đã được thực hiện tại Rocket Lab để xác định nguyên nhân gốc rễ của tiếng rít và phát triển các biện pháp phòng ngừa. Nghiên cứu này nhằm xác định các điều kiện cháy tạo ra rung động và các phương pháp kiểm tra độ ổn định cháy. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm các loại kim phun, hình dạng buồng đốt, tổ hợp nhiên liệu đẩy và tỷ lệ hỗn hợp khác nhau. Máy ảnh tốc độ cao và máy hiện sóng đã được sử dụng để ghi lại và đo lường hiện tượng rít.
Nghiên cứu đã xác định rằng việc lắp đặt các cánh tản nhiệt dọc trong buồng đốt đã làm giảm dao động, và tổ hợp hydro và oxy tạo ra mức độ rít thấp hơn so với các tổ hợp nhiên liệu đẩy khác. Các nghiên cứu về độ bất ổn định cháy và tiếng rít đã được mở rộng vào những năm 1960 với việc thử nghiệm các động cơ hydro-oxy lỏng lớn hơn tại Phòng thí nghiệm Hệ thống Động lực và RETF.
NACA Chia sẻ Công trình Nhiên liệu của mình
Phòng thí nghiệm Lewis đã lên lịch hai sự kiện vào mùa thu năm 1957 để trình diễn các khía cạnh nghiên cứu của mình cho đông đảo công chúng hơn. Sự kiện đầu tiên là Cuộc thanh tra ba năm một lần kéo dài ba ngày của NACA vào tháng 10
đã mời khách tham quan phòng thí nghiệm để nghe về những hoạt động mới nhất. Trong quá trình chuẩn bị, các quan chức NACA kiên quyết ngăn cản các diễn giả Lewis đề cập đến du hành vũ trụ trong bài thuyết trình của họ. Tuy nhiên, chỉ vài ngày trước đó, Liên Xô đã phóng vệ tinh Sputnik, và cả nước đã bị ám ảnh bởi không gian. Các quan chức đã nhanh chóng khôi phục các chủ đề về du hành vũ trụ vào các bài thuyết trình. Một điểm nhấn là bài nói chuyện về nhiên liệu tên lửa năng lượng cao tại cơ sở RETF mới hoàn thành.
Sự kiện thứ hai là Hội nghị Động cơ Bay của NACA vào tháng 11 để thông báo cho đại diện quân sự và ngành công nghiệp về công việc đẩy của phòng thí nghiệm. Một nhóm từ Phòng thí nghiệm Tên lửa đã được lên lịch trình bày một bài báo về nhiên liệu có xung lực riêng cao. Họ dự định sử dụng dữ liệu từ thử nghiệm tên lửa hydro và flo có lực đẩy 5.000 pound trong Cell 22 để chứng minh khả năng làm mát tái tạo của hydro.
Trong suốt mùa thu, nhóm nghiên cứu đã tìm cách mô phỏng quá trình đốt động cơ hydro-flo đã diễn ra vào tháng 3 năm 1955, nhưng có bổ sung thêm hệ thống làm mát tái tạo. Trong một lần chạy thử đầu tháng, một sự cố rò rỉ flo đã làm cháy mái buồng thử nghiệm. Sau khi sửa chữa xong, các nhà nghiên cứu đã làm việc liên tục trong nhiều ngày để giải quyết các vấn đề dai dẳng. Tên lửa hydro-flo cuối cùng đã được phóng thành công vào lúc 6 giờ sáng ngày diễn ra hội nghị. Các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng xử lý dữ liệu thử nghiệm và trình bày cho đồng nghiệp khi anh ấy trình bày bài báo. Anh ấy kết thúc bài phát biểu của mình bằng câu: "Một động cơ nhỏ đã được làm mát tái tạo thành công; động cơ lớn hơn sẽ dễ dàng hơn."
