Почему американский двигатель для лунной гонки F-1, который был самым крутым в свою эпоху, забросили после полетов на Луну, а намного более слабый советский «лунный двигатель» до сих пор выводит наши ракеты в космос?

Этот вопрос — один из ключевых в построениях «лунозаговорщиков», но и у многих других людей он вызывает здоровое недоумение. F-1 радикально мощнее других двигателей своей эпохи. Например, главный двигатель советской лунной программы, легендарный НК-33, имеет тягу на уровне моря лишь в 1,51 меганьютона — а F-1 уже 6,77 меганьютона. Разница в четыре с половиной раза!

И тем не менее, НК-33 эпохи лунной гонки до сих пор поднимают русские ракеты в космос — даже в 2020-х годах. Причем это не новые двигатели по старым чертежам, а именно двигатели, созданные для полетов на Луну и случайно «завалявшиеся» на складах с тех пор. Их надежность так велика, что Роскосмос спокойно использует их (несмотря на их более чем полувековой возраст). А где же F-1, который был куда мощнее и так зрелищно выиграл лунную гонку у НК-33?

Чтобы понять, почему так сложилось, надо вникнуть в то, как работает ракетный двигатель. Главное, что для этого нужно — понять смысл слов «удельная тяга». Удельная тяга ракетного двигателя — это количество секунд, которое он сможет поддерживать тягу в 1 килограмм при расходе 1 килограмма топлива.

Это сверхважный показатель потому, что сами двигатели весят не так много, зато топливо — это более 90% массы ракеты. Если кто-то расходует топливо на 10% экономнее, он, при прочих равных, сможет вывести в космос буквально на десятки больше процентов полезной нагрузки, чем тот, кто не добился такой экономичности.

Так вот: удельный импульс F-1 на уровне моря — 263 секунды. Поскольку F-1 — это двигатель первой, самой массивной ступени лунной ракеты «Сатурн-5», постольку нам важен удельный импульс именно на уровне моря.

Но сама по себе эта цифра нам ничего не скажет. Это вообще много или мало? Сравним ее с советским «лунным двигателем» НК-33, установленным на ракетах Н-1 после ее четвертого экземпляра. Там удельный импульс на уровне моря… 297 секунд.

В принципе, на этом всё: дело закрыто, расходимся. Никакой эволюции самого крутого двигателя лунной эпохи, пресловутого F-1, нет по той простой причине, что он топливно неэффективен. И не только на уровне моря, но и в вакууме, где у него удельный импульс 304 секунды, а у НК-33 — 331 секунда. Ясно, что F-1 на создание той же тяги то же время тратит где-то на десяток процентов больше топлива, а это было бы сильным «штрафом» для тех ракет, что захотели бы его использовать.

Но если мы остановимся тут, то нам тут же скажут: а как же тогда он выиграл лунную гонку? И почему США выбрали настолько топливно неэффективный двигатель для своей самой важной ракеты?

Причины неэффективности F-1 в том, что Штаты очень, очень торопились на Луну. Поэтому для первой ступени ракеты выбрали тот двигатель, что был уже сделан в железе, а не более эффективный, который еще надо было проектировать и строить, как советский НК-33. Полезная нагрузка меньше? Ничего, поставим на один двигатель больше, и пересилим неэффективность количественным наращиванием.

Дело в том, что Rocketdyne разработала F-1 исходно для крупной МБР ВВС США. Которая должна была нести очень мощный термоядерный заряд. Первые термоядерные боеприпасы были фантастически неэффективны (очень массивны на единицу мощности), поэтому и двигатель такой ракете нужен был архимощный.

Однако к марту 1959 года, когда начались первые огневые тесты F-1, разработчики термоядерных боеприпасов резко уменьшили их вес, поэтому сверхкрупный двигатель военным больше был не нужен. Тут и подоспело NASA: они «перехватили» проект у военных, и решили использовать его для лунной программы.

Конечно, американские разработчики двигателей совсем не были глупыми. Они прекрасно понимали, что F-1 хотя и очень большой, но достаточно примитивный двигатель. Еще бы нет, когда его проектирование вели в середине 1950-х, когда жидкостные ракетные двигатели были еще в младенчестве.

Инженеры Rocketdyne отлично понимали, что причина малой эффективности — низкое давление в камере сгорания (не выше 70 атмосфер, против 147 у того же НК-33). Ну и в том, что F-1 работал на открытом цикле (скажем, НК-33 — на закрытом, более эффективном) Но знали они и то, что испытания F-1 идут очень проблематично. Только к 1965 году F-1 на стенде начал работать устойчиво — после опробования аж 1338 огневых испытаний камеры сгорания и целых 108 вариантов головок форсунок. Такие трудности были вызваны как раз огромным размером камеры сгорания: в них создавалась неустойчивость, которую надо было как-то гасить.

То есть причины уникальности F-1  — того, что это до сих пор самый мощный однокамерный двигатель в истории людей — как раз в том, что большой однокамерный двигатель есть сложное решение, требующее огромного времени и денег на отладку. На его разработку Штаты потратили четыре миллиарда долларов наших лет. СССР рублей на всю лунную программу примерно столько потратил — благо советские конструкторы двигателей избегали больших камер сгорания, и даже когда строили двигатели мощнее F-1, разбивали их камеры сгорания на четыре штуки. Если бы американцы начали что-то менять с давлением F-1, они не успели бы довести свой двигатель и свою ракету первыми.

После этого неудивительно, что конец лунной программы стал и концом F-1. Его топливная неэффективность, приемлемая в страшной спешке программы «Аполлон», после ее завершения стала просто никому не нужна.