Введение

Ракетный двигатель J 2, обычно известный как Rocketdyne J 2, был криогенным ракетным двигателем на жидком топливе, использовавшимся на ракетах-носителях NASA Saturn IB и Saturn V. Созданный в Соединенных Штатах компанией Rocketdyne, J 2 работал на криогенном жидком водороде (LH2) и жидком кислороде (LOX), обеспечивая тягу в вакууме. Предварительная разработка двигателя восходит к рекомендациям Комитета Сильверштейна 1959 года. Rocketdyne получила одобрение на разработку J 2 в июне 1960 года, а первый полет, AS 201, состоялся 26 февраля 1966 года. В ходе эксплуатации J 2 подвергся нескольким незначительным модернизациям для повышения эффективности, включая две основные программы: J 2S с соплом типа де Лаваля и J 2T с аэродинамическим соплом, которые были отменены после завершения программы «Аполлон». Двигатель обеспечивал удельный импульс (Isp) в вакууме (или на уровне моря) и имел массу приблизительно . Пять двигателей J 2 использовались на второй ступени S II ракеты Saturn V, а один J 2 – на верхней ступени S IVB, применяемой как на Saturn IB, так и на Saturn V. Рассматривались также предложения по использованию различного количества двигателей J 2 на верхних ступенях еще более крупной ракеты, планируемой Nova. J 2 был самым мощным американским ракетным двигателем, работающим на жидком водороде, до появления RS 25. Модернизированная версия двигателя, J 2X, рассматривалась для использования на ступени выхода на околоземную орбиту в системе космического запуска, пришедшей на смену космическому челноку NASA. В отличие от большинства ракетных двигателей на жидком топливе того времени, J 2 был спроектирован для однократного перезапуска после выключения при использовании на третьей ступени S IVB ракеты Saturn V. Первый запуск, длившийся около двух минут, выводил космический корабль «Аполлон» на низкую опорную орбиту Земли. После подтверждения экипажем нормальной работы корабля, J 2 повторно запускался для транслунной инъекции – 6,5-минутного импульса, разгонявшего аппарат до траектории полета к Луне.

Камера тяги и система гимбалов

Устройство тяговой камеры J 2 служило основанием для всех компонентов двигателя и состояло из корпуса тяговой камеры, узла инжектора и купола, узла карданного подвеса и усиленного искрового зажигателя. Rocketdyne начала разработку J 2 с аналитической компьютерной модели, которая имитировала работу двигателя и способствовала определению конструктивных конфигураций. Модель была дополнена полноразмерным макетом, который использовался на протяжении всей разработки для оценки компоновки компонентов двигателя. Первый экспериментальный компонент, инжектор двигателя, был изготовлен в течение двух месяцев после заключения контракта, а испытания компонентов двигателя начались в полевой лаборатории Санта-Сусана в ноябре 1960 года. В ходе разработки использовались и другие испытательные стенды, включая вакуумную камеру и полноразмерный стенд для испытаний двигателя, при этом турбонасосы двигателя начали испытываться в ноябре 1961 года, система зажигания – в начале 1962 года, а первый прототип двигателя прошел полный 250-секундный тестовый прогон в октябре 1962 года. Помимо бортового оборудования, в процессе разработки также использовались пять имитаторов двигателя, которые помогли в проектировании электрических и механических систем двигателя. Летом 1962 года между NASA и Rocketdyne были подписаны контракты, предусматривавшие производство 55 двигателей J 2 для поддержки окончательных проектов ракет Saturn, которым требовалось пять двигателей для каждой второй ступени S II ракеты Saturn V и один двигатель для каждой третьей ступени S IVB ракет Saturn IB и Saturn V. Дополнительные изменения включали систему регулирования тяги для повышения гибкости выполнения задач, что также потребовало системы переменного смесеобразования для правильного смешивания топлива и кислорода при различных рабочих давлениях. Также был реализован новый режим "Холостой ход", который создавал небольшую тягу для маневрирования на орбите или для осадки топлива в баках на орбите перед включением двигателя. В ходе экспериментальной программы Rocketdyne также выпустила небольшую серию из шести предсерийных моделей для испытаний – J 2S. Они неоднократно проходили огневые испытания в период с 1965 по 1972 год, в общей сложности отработав 30 858 секунд. В 1972 году стало ясно, что новых заказов на ракеты-носители Saturn не поступит, и программа была завершена. NASA рассматривало возможность использования J 2S в ряде различных миссий, включая использование в качестве силовой установки для космического челнока в ряде ранних проектов, а также для Comet HLLV.

J-2T

В то время как работа над J 2S продолжалась, НАСА также финансировало конструкторские разработки по использованию турбомашины и трубопроводов J 2S в тороидальной камере сгорания с новым аэроспайковым соплом. Это должно было еще больше повысить эффективность. Было создано две версии: J 2T 200k, обеспечивающая тягу, что позволяло устанавливать его на существующие ступени S II и S IVB, и J 2T 250k. Как и в случае с J 2S, работы над J 2T дошли до длительной серии наземных испытаний, но дальнейшая разработка была прекращена после сокращения финансирования программы "Аполлон".

J-2X

В 2007 году был выбран другой двигатель с аналогичным названием, названный J 2X, для программы пилотируемых лунных посадок проекта Constellation. Один двигатель J 2X, создающий тягу, должен был использоваться для питания этапа выхода на околоземную орбиту (EDS). 23 августа 2007 года НАСА начало строительство нового испытательного стенда для высотных испытаний двигателей J 2X в Космическом центре Стенниса (SSC). В период с декабря 2007 года по май 2008 года в SSC было проведено девять испытаний компонентов унаследованного двигателя J 2 в рамках подготовки к проектированию двигателя J 2X. Новый J 2X разработан, чтобы быть более эффективным и простым в производстве, чем его предшественник Apollo J 2, и стоить меньше, чем главный двигатель космического челнока (SSME). Отличия в конструкции включают в себя исключение использования бериллия, применение современной электроники, центробежного турбонасоса вместо осевого турбонасоса J 2, иные коэффициенты расширения камеры сгорания и сопла, камеру сгорания с канальными стенками вместо трубчато-сварной камеры J 2, полную переработку электроники, сверхзвуковой впрыск и использование технологий соединения, разработанных в XXI веке. 8 сентября 2008 года Pratt & Whitney Rocketdyne объявила об успешном испытании первоначального проекта газогенератора J 2X. О завершении второго этапа успешных испытаний газогенератора было объявлено 21 сентября 2010 года. Проект Constellation был отменен президентом Бараком Обамой 11 октября 2010 года, но разработка J 2X продолжалась в связи с его потенциалом в качестве двигателя второй ступени для новой сверхтяжелой ракеты-носителя Space Launch System. Первое огневое испытание J 2X было запланировано на конец июня 2011 года. 9 ноября 2011 года НАСА провело успешный запуск двигателя J 2X длительностью 499,97 секунды. 27 февраля 2013 года НАСА продолжило испытания двигателя J 2X длительностью 550 секунд в Космическом центре НАСА в Стеннисе.

Технические характеристики

J 2 J 2S J 2X Вакуумная тяга: Удельный импульс (в вакууме) Isp: Время работы: 475 секунд 475 секунд 465 секунд (Ares I, верхняя ступень) Масса двигателя (сухая): Топливо: LH2 и LOX LH2 и LOX LH2 и LOX Отношение компонентов смеси: 5.50 5.50 5.50 Диаметр: Длина: Отношение тяги к массе: 73.18 85.32 55.04 Подрядчик: Rocketdyne Rocketdyne Rocketdyne Применение на ракетах-носителях: Сатурн V / S II, 2-я ступень – 5 двигателей, Сатурн IB и Сатурн V / S IVB, верхняя ступень – 1 двигатель Планировалась замена J 2 на Сатурн V / S II, 2-я ступень / S IVB, верхняя ступень Предлагалось для Ares I, верхняя ступень – 1 двигатель / Ares V, верхняя ступень – 1 двигатель