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.
The J 2, commonly known as Rocketdyne J 2, was a liquid fuel cryogenic rocket engine used on NASA's Saturn IB and Saturn V launch vehicles. Built in the United States by Rocketdyne, the J 2 burned cryogenic liquid hydrogen (LH2) and liquid oxygen (LOX) propellants, with each engine producing of thrust in vacuum. The engine's preliminary design dates back to recommendations of the 1959 Silverstein Committee. Rocketdyne won approval to develop the J 2 in June 1960 and the first flight, AS 201, occurred on 26 February 1966. The J 2 underwent several minor upgrades over its operational history to improve the engine's performance, with two major upgrade programs, the de Laval nozzle type J 2S and aerospike type J 2T, which were cancelled after the conclusion of the Apollo program. The engine produced a specific impulse (Isp) of in a vacuum (or at sea level) and had a mass of approximately Five J 2 engines were used on the Saturn V's S II second stage, and one J 2 was used on the S IVB upper stage used on both the Saturn IB and Saturn V. Proposals also existed to use various numbers of J 2 engines in the upper stages of an even larger rocket, the planned Nova. The J 2 was America's largest production LH2 fuelled rocket engine before the RS 25. A modernized version of the engine, the J 2X, was considered for use on the Earth Departure Stage of NASA's Space Shuttle replacement, the Space Launch System. Unlike most liquid fueled rocket engines in service at the time, the J 2 was designed to be restarted once after shutdown when flown on the Saturn V S IVB third stage. The first burn, lasting about two minutes, placed the Apollo spacecraft into a low Earth parking orbit. After the crew verified that the spacecraft was operating nominally, the J 2 was re ignited for translunar injection, a 6.5 minute burn which accelerated the vehicle to a course for the Moon.
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".
Like the J 2S, work on the J 2T had progressed to a lengthy series of ground based test runs, but further development ended in the post Apollo draw down.
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