J-2X (silnik rakietowy)

J-2X
Kraj pochodzenia	Stany Zjednoczone
Projektant	Pratt & Whitney Rocketdyne
Wykorzystanie	Space Launch System Earth Departure Stage
Materiały napędowe	ciekły tlen, ciekły wodór
Pierwszy lot	projektowany
	Osiągi
Siła ciągu w próżni	1310 kN
Impuls właściwy w próżni	448 s
Maks. czas działania	465 s
	Parametry
Komory spalania	1
Stosunek ciągu do masy	55,05
	Wymiary
Długość	4,70 m
Średnica	3,05 m
Masa	2472 kg

J-2X – silnik rakietowy opracowany i zbudowany przez Pratt & Whitney Rocketdyne dla NASA z przeznaczeniem dla wyższych stopni ciężkich rakiet nośnych NASA. Silnik J-2X wywodzi się z silnika J-2, który był używany w rakietach Saturn IB i Saturn V w ramach programu Apollo.

Historia

Idea budowy silnika J-2X powstała w 2005 r. w ramach przygotowywania nowego budżetu NASA dla programu Constellation. W 2006 r. projekt został zaakceptowany i miał być ukończony do 2016 roku.

Konstrukcja J-2X opiera się przede wszystkim na projekcie J-2S, będącego uproszczonym i udoskonalonym silnikiem J-2. Wcześniej, w latach 90. XX wieku na potrzeby projektu X-33 (Venture Star) również wykorzystano rozwiązania z silnika J-2S. Projektowany wówczas silnik powietrzno-stożkowy z serii J-2T nie doczekał się jednak praktycznego wykorzystania i po serii naziemnych testów program zawieszono.

Po analizie projektu J-2S NASA oraz podwykonawcy dokonali niezbędnych usprawnień zgodnych z nowymi normami. Skorzystano przede wszystkim z nowocześniejszych technologii i materiałów. W ten sposób ciąg silnika został zwiększony o 20%, a impuls właściwy o 3% względem pierwotnej wersji silnika. Natomiast masa konstrukcji wzrosła o 77%.

J-2X powstał z myślą o napędzaniu drugiego stopnia rakiety Ares I oraz drugiego stopnia Earth Departure Stage (EDS) rakiety Ares V. EDS jest podobny do stopnia S-IVB rakiety Saturn V i miał działać na podobnej zasadzie: po odcięciu pierwszego stopnia Aresa V silnik J-2X skierowałby EDS na niską orbitę okołoziemską, a stamtąd, po kolejnym odpaleniu J-2X w stronę orbity księżycowej.

Ze względu na ryzyko redukcji środków przeznaczonych na silnik J-2X zdecydowano, że najpierw opracowany zostanie silnik J-2X o nieco mniejszym ciągu 1220 kN niż jest projektowany. Jeśli sprawdziłby się jako układ napędowy drugiego członu rakiety Ares I w trakcie operacji na LEO, wówczas przystąpiono by do budowy silnika J-2XD o docelowym ciągu 1310 kN.

Budowa

Silnik J-2X czerpie wiele od swoich poprzedników. Wykorzystywane są w nim turbopompy z serii Mark 29 używane w J-2S i udoskonalone na potrzeby projektu X-33. Gaz z wylotu turbiny kierowany jest do dyszy silnika, przez co zwiększany jest ciąg i chłodzone są ściany wydłużonej dyszy. Główny wtryskiwacz został przeprojektowany, ale elementy współosiowe pozostały takie same jak w J-2. Komora spalania ma miedzianą powłokę z wyfrezowanymi kanałami oraz specjalną warstwą wzmocnioną pod ciśnieniem przy użyciu metod opracowanych dla RS-68. Dwuczęściowa dysza wylotowa została pozyskana z projektu Volvo Aero (takie dysze opracowano na potrzeby silników Vulcain 2 w rakietach Ariane 5). Jej współczynnik rozszerzalności plasuje się na poziomie 40:1, podobnie jak w J-2S. Współczynnik przedłużenia dyszy wynosi 80:1, co wpływa na wysoki impuls właściwy silnika. Układ zapłonowy składa się z zapłonu iskrowego zastosowanego w J-2S, ale udoskonalenia pochodzą z głównego silnika wahadłowców SSME (Space Shuttle Main Engine). J-2X wykorzystuje projekty zaworów jak w J-2, dopracowane przez NASA w 2006 r. Część siłowników pozostała, ale większość została wymieniona ze względu na błędy tolerancji. Do J-2X wprowadzono nowy cyfrowy kontroler pracy silnika, który będzie wykrywał błędy tolerancji elementów, awarie oraz części wymagające naprawy. System używa sterowania w pętli otwartej, by zapewnić jak najprostszą budowę.

Nawet z tymi modyfikacjami silnik J-2X jest w założeniu znacznie tańszy i związany z mniejszym ryzykiem niż koncept modyfikacji głównego silnika promów kosmicznych (SSME) do restartu w trakcie lotu, dlatego zrezygnowano ze zmodyfikowanych SSME na rzecz J-2X. Z ramienia NASA powstało biuro J-2X Upper Stage Engine Element Office, zajmujące się tworzeniem silnika. W 2006 zatwierdzono wstępny kosztorys, rozpoczęły się także pierwsze testy.

Jednak w październiku 2010 r. prezydent Barack Obama zawiesił program Constellation, zatem koncepcja silnika J-2X straciła rację bytu. Projektanci i inżynierowie nie zawiesili programu i testy były kontynuowane z myślą o wykorzystaniu J-2X jako układu napędowego wyższych członów nowych ciężkich rakiet nośnych NASA. Według wcześniejszych planów silnik J-2X znalazł zastosowanie w projektowanej ciężkiej rakiecie nośnej SLS, jednakże inżynierowie doszli do wniosku, że silnik J-2X produkuje zbyt duży ciąg, by można go było wykorzystać w sposób bezpieczny dla astronautów i został zastąpiony przez silniki RL-10C.

Parametry techniczne

Podstawowe parametry silnika J-2X w porównaniu z poprzednimi silnikami z serii J-2 są następujące:

Typ silnika	J-2	J-2S	J-2X
Ciąg w próżni	1033,1 kN	1138,5 kN	1310,0 kN
Impuls właściwy (Isp)	421 s	436 s	448 s
Czas pracy	475 s	475 s	465 s (dla górnego członu rakiety Ares I)
Masa	1438 kg	1400 kg	2472 kg
Utleniacz/paliwo	Ciekły tlen/ciekły wodór	Ciekły tlen/ciekły wodór	Ciekły tlen/ciekły wodór
Stosunek mieszania	5,50	5,50	5,50
Średnica	2,01 m	2,01 m	3,05 m
Długość	3,38 m	3,38 m	4,70 m
Stosunek ciągu do masy	73,18	85,32	55,04
Wykonawca	Pratt & Whitney Rocketdyne	Pratt & Whitney Rocketdyne	Pratt & Whitney Rocketdyne
Stosowany w rakietach	Saturn V – 5 silników w 2. stopniu S-II, Saturn IB i Saturn V – 1 silnik w 2. stopniu S-IVB	Planowane zastąpienie silnika J-2 w rakietach Saturn IB i Saturn V	Planowany dla 2. stopni rakiet Ares I i Ares V – 1 silnik, obecnie przewidziany dla 2. stopnia rakiety SLS

Testy

W 2010 r. w Centrum Lotów Kosmicznych imienia George’a C. Marshalla przeprowadzano serię testów generatora gazu zasilającego układy turbopompowe silnika J-2X. Wiosną 2011 badano żywotność i trwałość dyszy turbopompy paliwowej, przez którą gaz przedostaje się na ostrza turbiny. W lipcu 2011 r. rozpoczęły się pierwsze ogniowe (zapłonowe) testy silnika J-2X. Przeprowadzono je w Stennis Space Center na platformie testowej A-2.

Przez najbliższe lata będą odbywały się kolejne testy, w tym przede wszystkim ogniowe (zapłonowe) na platformie testowej A-2 w Stennis Space Center, a następnie, po wybudowaniu specjalnie dla J-2X platformy A-3, silnik przejdzie badania w warunkach próżniowych.

Silnik J-2X byłby napędem dla jednostek udających się z orbity okołoziemskiej w głęboką przestrzeń kosmiczną, czyli np. na Księżyc lub Marsa, dlatego jego budowa ściśle wiąże się z przyszłością załogowych lotów kosmicznych NASA.

Zobacz też

Bibliografia

Silnik J-2X – podstawowe informacje i postępy prac. kosmonauta.net, 15 sierpnia 2011. [dostęp 2013-01-26].
Adam Piech: NASA testuje silnik rakietowy J-2X. kosmonauta.net, 29 września 2011. [dostęp 2013-01-26].
Broszura NASA z 2007 r. dotycząca silnika J-2X (PDF)