J-2 (ракетный двигатель)

J-2 (ракетный двигатель)

J-2 (Джей-2)
Технические данные двигателя J-2.
Тип:	ЖРД
Топливо:	водород
Окислитель:	кислород
Камер сгорания:	1
Страна:	США
Использование:
Время эксплуатации:	1966 г - используется
Применение:	РН: Cтупень: Кол-во: «Сатурн IБ» 2 1 «Сатурн V» 2 (S-II) 5 «Сатурн V» 3 (S-IVB) 1 «Арес I» 2 1 «Арес V» 2 1
Производство:
Конструктор:	Рокетдайн, США
Варианты:	J-2S; J-2T; J-2X
Массогабаритные характеристики
Рабочие характеристики
Тяга:	Вакуум: 104 тс (1019.2 кН) Ур.моря: 90.8 тс (890 кН)
Удельный импульс:	Вакуум: 421 cек Ур.моря: 200 cек
Время работы:	500 cек
Степень расширения:	27.5:1
Отношение окислитель/топливо:	16:1
Тяговооружённость:	73.18

«Джей-2» (англ. J-2) — жидкостной ракетный двигатель (ЖРД) компании Рокетдайн (США), выполнен по схеме открытого генераторного цикла. На время создания являлся наиболее мощным двигателем, который использовал жидкие водород (LH2) и кислород (LOX) в качестве компонентов топлива. Позднее он был оттеснен с этой позиции двигателями RS-24, РД-0120 и RS-68. В стандартной конфигурации двигатель предназначен для использования в вакууме, то есть на верхних ступенях ракет-носителей. Отличительной особенностью J-2 на время создания являлась возможность его повторного включения, что применялось на третьей ступени S-IVB лунной ракеты «Сатурн V». Эта особенность двигателя позволяла выполнить завершение вывода полезной нагрузки на низкую опорную орбиту (НОО) и, через некоторое время, выполнить разгон к Луне.

Свое первое применение ЖРД J-2 нашел на второй ступени РН «Сатурн IБ». Поздне́е являлся важной частью программы «Аполлон» НАСА — пять двигателей использовались на второй ступени РН «Сатурн V» (S-II) и один двигатель использовался на третьей ступени (S-IVB). Имели место также предложения по его использованию в проекте сверхтяжелого марсианского РН «Нова» с предполагаемой грузоподъемностью на низкую опорную орбиту («НОО») до 300 т. На 2009 год модифицированный вариант ЖРД J-2 планируется использовать на вторых ступенях РН «Арес I» и «Арес V» программы «Созвездие» НАСА.

Модификации

В силу того, что ЖРД J-2 был разработан в начале 1960-х годов и при этом отличался высокой надежностью, в большом количестве производились различные модификации первоначальной версии двигателя, которые велись в рамках различных космических программ.

J-2S

Вторая ступень РН «Сатурн V» с пятью двигателями J-2.

Экспериментальная программа увеличения эффективности ЖРД J-2 с названием J-2X, которое не следует путать с более поздним вариантом XXI века с тем же именем, была начата в середине 1960-х годов. Основным отличием модифицированной версии было введение пленочного охлаждения основной камеры сгорания («КС») с добавлением щелевидной полосы и отказ от камеры предварительного сгорания газогенератора. Таким образом схема работы двигателя была изменена с открытого генераторного цикла на модифицированный открытый цикл с фазовым переходом. В дополнение к уменьшению количества деталей, это позволило избавиться от проблемы синхронизации работы двух камер сгорания.

Дополнительные изменения включали в себя изменения в систему дросселирования для большей гибкости при эксплуатации, что потребовало также внесение изменений в систему подачи топлива для соответствующего изменения состава смеси при разных условиях давления в камере сгорания. Также был добавлен "спящий режим" (англ. Idle Mode), который производил небольшую тягу и мог быть использован для маневрирования на орбите, а также для упорядочивания топлива и окислителя в баках перед переходом в режим основной тяги. Конечными характеристиками двигателя стал увеличенный - по сравнению с базовой моделью - удельный импульс равный 436 сек и уменьшенная масса 1 467 кг.

В ходе разработки модификации двигателя Рокетдайном были созданы шесть доводочных двигателей J-2S. Эти изделия много раз проходили огневые испытания в период с 1965 по 1972 гг., с общей наработкой 30 858 сек. В 1972 году, когда стало понятно, что дальнейшие заказы на РН Сатурн V не поступят, была закончена программа испытаний. НАСА планировало использовать эту модификацию двигателя в различных программах и даже в течение некоторого времени предполагалось, что связка из пяти J-2S должна быть установлена на Спейс Шаттле, но эти первоначальные проекты не были реализованы и выбор был остановлен на новом ЖРД RS-24, который использует схему закрытого цикла.

J-2T

ЖРД J-2T-250k Рокетдайна с тороидальной камерой сгорания и центральным клином.

Во время работы над ЖРД J-2S, НАСА также финансировало разработки с использованием турбомашины и прочих систем двигателя для создания нового клиновоздушного сопла. Это должно было увеличить эффективность двигателя, особенно в случае использования этой модификации на второй ступени РН Сатурн V «S-II», которая некоторую часть работы выполняла в атмосфере, а не в вакууме. Основное отличие этого двигателя от базовой модели J-2S, состояло в использовании тороидальной или кольцевой камеры сгорания, которая обеспечивала возможность использование центрального клина. Были созданы две модификации этого двигателя: первая, J-2T-200k с тягой 90.8 тс (890 кН), которая позволяла его использование на «S-II» и «S-IVB»; вторая, J-2T-250k с тягой 113.4 тс (1 112 кН). При этом в названии каждого из двигателей в правой части указывается их тяга в размерности «фунт-сила».

Так же как и в случае с J-2S, работы над J-2T проходили вместе с продолжительной серией огневых испытаний пробных двигателей на стендах, но последующее развитие остановилось после завершения программы «Аполлон» НАСА.

XRS-2200 и RS-2200

Огневые испытания плоского клиновоздушного двигателя XRS-2200 по программе X-33

Тридцатью годами позже, модифицированный ЖРД J-2S был снова использован и на этот раз в проекте космоплана НАСА «X-33». В данном случае немного модифицированный J-2S без сопла использовался в ряду других таких же J-2S для создания плоского клиновоздушного двигателя. Экспериментальные модели имели название XRS-2200. В ходе проекта «X-33» были построены три двигателя XRS-2200, которые прошли программу испытаний в Космическом центре им.Стенниса НАСА. Испытания одного двигателя были успешными, но программа была остановлена до завершения строительства испытательного стенда для второго двигателя. ЖРД XRS-2200 на уровне моря производит тягу 92.7 тс (909.3 кН) и обладает удельным импульсом 339 с, в вакууме тяга составляет 120.8 тс (1.2 мН), удельный импульс - 436.5 с. После дальнейшего развития и программы испытаний, проект был отклонен по причине нерешенности проблем с композитными топливными баками «X-33».

Масштабируемость двигателя с плоским клиновоздушным соплом была использована при создании более крупного варианта ЖРД RS-2200, который был предназначен для одноступенчатого космоплана «Венчур Стар» (англ. Venture Star) (Локхид Мартин). В своем последнем варианте, семь RS-2200, каждый с тягой 245.8 тс (2.4 мН), должны бли доставлять «Венчур Стар» на НОО. Развитие этого проекта было формально прекращено в начале 2001 года, когда программа X-33 не получила финансирования в рамках программы «Инициатива Космического Запуска». В Локхид Мартин было принято решение не продолжать развитие «Венчур Стар» без финансовой поддержки НАСА.

J-2X

Иллюстрация ЖРД J-2X.

Двигатель J-2 в музее.

Новая версия двигателя, называемая J-2X, сейчас находится в разработке в рамках развития программы «Созвездие» НАСА и пилотируемого капсульного КА «Орион», который должен заменить космический челнок после 2010 г. Первоначально предполагалось использовать два J-2X на разгонной ступени лунного модуля (англ. Earth Departure Stage, EDS), каждый с тягой 133.4 тс (1.3 мН).^[1]

Отказ от использования более совершенного двигателя ЖРД RS-24, используемого на челноке, был обоснован дороговизной модернизации этого двигателя из стартующего на Земле на запускаемый в воздухе двигатель. Также принимались в расчет необходимость испытаний RS-24 перед полетами и дороговизна их производства. По этим причинам, 18 февраля 2006 года НАСА остановило свой выбор на J-2X и для второй ступени пилотируемой РН «Арес I» с КА «Орион». Такая схема должна позволить произвести испытания РН «Арес I» в 2010 году, произвести первый запуск КА «Орион» в 2014 году, а использование одного двигателя на двух ракетах должно удешевить поддержку инфраструктуры в рамках программы «Созвездие».

Производить работы по модернизации поручено Рокетдайн в рамках контракта общей стоимостью 1.2 млрд.USD. Первые строительные работы на испытательных стендах для J-2X были начаты НАСА в Космическом центре им.Стенниса 23 августа 2007 года.^[2] В период 2007-2008 гг было произведено девять испытаний двигателей J-2X.^[3]

Основной целью модификации J-2X в рамках «Созвездия» являются упрощение и удешевление производства по сравнению с базовой моделью и по сравнению с ЖРД RS-24. Он сохранит текущую схему открытого генераторного цикла.^[4] По сравнению с базовой моделью, двигатель должен будет обладать увеличенным удельным импульсом 448 - 465 сек, тягой 133.4 тс (1.3 мН) и массой 2 477 кг.

См. также

• ЖРД открытого цикла
• SSME
• РД-0120
• Сопло клиновоздушное
• программа «Аполлон»
• программа «X-33»
• программа «Созвездие»

Примечания

1. ↑ Press release preview. Проверено 28 января 2008.
2. ↑ NASA's Stennis Space Center Marks New Chapter in Space Exploration. NASA.
3. ↑ NASA Successfully Completes First Series of Ares Engine Tests. NASA (08.05.2008).
4. ↑ Рокетдайн: J-2X

Ссылки

• Robert E. Bilstein Stages to Saturn: a technological history of the Apollo/Saturn launch vehicles. — Gainesville: University of Florida Press, 2003. — ISBN 0-8130-2691-1
• Encyclopedia Astronautica link about the J-2
• Encyclopedia Astronautica link about the J-2S