J-2火箭發動機
J-2發動機是一款液態燃料低溫火箭發動機，曾被用於NASA的土星1B號運載火箭和土星5號運載火箭。J-2發動機由Rocketdyne在美國製造，以低溫液氫 (LH2) 和 液氧 (LOX) 為推進劑，每台發動機在真空中能產生1,033.1 kN（232,250 lbf）推力。 發動機最初的設計可以追溯到1959年Silverstein委員會的建議。Rocketdyne在1960年6月獲得了研發J-2發動機的許可，初次飛行（AS-201）在1966年2月26日進行。J-2發動機在它的歷史中進行了數次較小的改進，以提高發動機的性能。此外還有2次大型升級計劃，包括採用拉伐爾噴管的J-2S和採用塞式噴管的J-2T，但兩者在阿波羅計劃結束後都被取消了。
 J-2進行測試點火。 | |
| 原產國 | 美國 |
|---|---|
| 首次試車 | 1966年2月26日 (AS-201) |
| 末次試車 | 1975年7月15日 (阿波羅-聯盟測試計劃) |
| 設計者 | 馬歇爾太空飛行中心/Rocketdyne |
| 製造者 | Rocketdyne |
| 用途 | 上面級發動機 |
| 相關產品 | 土星1B號運載火箭 (S-IVB) 土星5號運載火箭 (S-II和S-IVB) |
| 下一代產品 | HG-3 J-2X |
| 現狀 | 已退役 |
| 液態火箭發動機 | |
| 推進劑 | 液態氧 / 液態氫 |
| 混合比 | 5.5:1 |
| 系統 | 燃氣發生器循環 |
| 構造 | |
| 噴管面積比 | 27.5:1 |
| 性能 | |
| 推力（真空） | 1,033.1 kN（232,250 lbf） |
| 推力（海平面） | 486.2 kN（109,302 lbf） |
| 推重比 | 73.18 |
| 燃燒室壓力 | 5,260 kPa（763 psi） |
| 比衝（真空） | 421秒（4.13公里每秒） |
| 比衝（海平面） | 200秒（2.0公里每秒） |
| 燃燒時間 | 500 秒 |
| 尺寸 | |
| 長度 | 3.4公尺（11.1英尺） |
| 直徑 | 2.1公尺（6.8英尺） |
| 淨重 | 1,788.1公斤（3,942英磅） |
| 參考文獻 | |
| 參考文獻 | [1][2][3] |
| 註釋 | 數據取自SA-208/SA-504版本 |
J-2發動機的真空比沖為(Isp)421秒（4.13公里每秒），海平面比沖為200秒（2.0公里每秒） ，質量約為1,788公斤（3,942英磅）。土星5號運載火箭的第二級S-II使用了5台J-2發動機，土星5號運載火箭以及土星1B號運載火箭的上面級S-IVB則使用了1台J-2發動機。曾有在更大型火箭的上面級上使用多台J-2發動機的提議，例如Nova火箭。J-2發動機是美國在RS-25之前曾生產的最大的液氫燃料火箭發動機。現代版的J-2發動機，J-2X發動機，被計劃用於NASA的航天飛機替代者——太空發射系統的地球出發級。
不像當時大多數的現役液體燃料火箭發動機，當J-2發動機用於土星5號運載火箭的S-IVB第三級時，能夠在關機之後再次點火。第一次點火持續約2分鐘，將阿波羅飛船送入了一個近地停泊軌道。在乘員確認飛船運轉一切正常之後，J-2發動機重新點火進行地月入射，點火持續6.5分鐘，將航天器組合體加速送上奔月軌道。
簡介
主要用於載人和不載人的阿波羅飛船的近地軌道飛行試驗的土星IB火箭的第2級用單台J-2發動機作其動力裝置（第1級採用8台H-1液氧煤油發動機，每台發動機的海平面推力為93t）。
工作原理如下：少量氧和氫進入燃氣發生器並燃燒，產生的燃氣依次推動氫渦輪泵和氧渦輪泵，最後將燃氣注入噴管作為氣膜冷卻。液氫由氫泵加壓後，先全部用於冷卻噴管，然後大部分進入燃燒室作為燃料，小部分進入燃氣發生器。液氧由氧泵加壓後大部分直接進入燃燒室，小部分進入燃氣發生器。J-2隻有主泵，沒有預壓泵。
J-2S
1964年，原設計公司洛克達因為了改進J-2的性能而研發了這個試驗版本，當初名為J-2X（並不是後來的J-2X）。最主要的改動就是將燃氣發生器循環換成抽氣循環，即將通過燃燒室上的管道供應熱氣體，而不是通過獨立的燃燒器。除了要移除發動機上部分結構，這些改動還降低了發動機啟動的難度並妥善地協調了各燃燒室的關係。
其他的改動還包括節流系統，可變的燃料混合系統。還有一個新的「空閒模式」，它提供很少的推力，可用於在軌機動，或在再次燃燒之前穩定燃料箱。
試驗中，洛克達因生產了六台樣機，命名為J-2S。從1965年到1972年，這些樣機總共試車30858秒。1972年，美國當局決定不再生產農神五號，該發動機的研製也告一段落。而NASA考慮將J-2S用於其他用途，在眾多航天飛機方案中，其中就用用五台J-2S來驅動的方案。
J-2T
當J-2S的研製工作還在繼續時，NASA就開始資助另一個研發項目：給J-2S加裝一個新的塞式噴管。這會更加顯著地提高發動機的性能。試驗用的兩台發動機，J-2T-200k達到了200,000 磅力 (890 kN)的推力，J-2T-250k達到了250,000磅力。和J-2S一樣，J-2T也隨着阿波羅計劃的停止而停止。
J-2X
J-2X是J-2的一個新版本，它將用於星座計劃和未來的載人飛船奧賴恩。原先的計劃是使用兩台J-2X來驅動地球出發級（EDS），每台J-2X將提供294,000磅力。[4]
2006年2月18日，NASA決定將J-2X用在戰神一號的第二級，這項決定將把戰神號的研製周期縮短到3年，2013年即可首飛。而奧賴恩飛船有望在2014年首飛。除此之外，J-2X還簡化了奧賴恩的結構。2007年8月23日，NASA還專為J-2X發動機試車在斯坦尼斯航天中心建造了新的試驗基地。(SSC) [5] 2007年12月到2008年5月間，在試驗基地已用J-2發動的各組件進行了九次試驗，為研製J-2X做了準備。[6]
J-2X將比J-2效率更高且更簡單，但比航天飛機發動機成本低。2007年7月16日，NASA正式宣布洛克達因承接了總價達12億美元的J-2X研發合同，並決定將J-2X用於戰神五號的上面級。[7]
技術參數
| J-2[3] | J-2S[8] | J-2X[9] | |
|---|---|---|---|
| 真空推力: | 1,033.100 kN (232,250 lbf) | 1,138.500 kN (255,945 lbf) | 1,310.000 kN (294,490 lbf) |
| 真空比沖: | 421秒（4.13公里每秒） | 436秒（4.28公里每秒） | 448秒（4.39公里每秒） |
| 燃燒時間: | 475 s | 475 s | 465 s (戰神五號運載火箭上面級) |
| 淨重: | 1,438 kg (3,170 lb) | 1,400 kg (3,000 lb) | 2,472 kg (5,450 lb) |
| 推進劑: | LOX/LH2 | LOX/LH2 | LOX/LH2 |
| 混合比: | 5.50 | 5.50 | 5.50 |
| 直徑: | 2.01 m (6.60 ft) | 2.01 m (6.60 ft) | 3.05 m (10.00 ft) |
| 長度: | 3.38 m (11.08 ft) | 3.38 m (11.08 ft) | 4.70 m (15.40 ft) |
| 推重比: | 73.18 | 85.32 | 55.04 |
| 製造商: | 洛克達因公司 | 洛克達因公司 | 洛克達因公司 |
| 應用: | 土星1B號運載火箭 & 農神五號／S-IVB上面級 - 一台 | 土星五號 / S-II / S-IVB |
戰神一號運載火箭上面級 &戰神五號運載火箭上面級 - 一台 |
參考書目
- Bilstein, Robert E. Stages to Saturn: a technological history of the Apollo/Saturn launch vehicles. Gainesville: University of Florida Press. 2003. ISBN 0-8130-2691-1.
- 世界航天运载器大全. 宇航出版社. 1996. ISBN 7-8003-4758-3.
注釋
- ^ Marshall Space Flight Center. J-2 engine. NASA. [22 February 2012]. （原始內容存檔於2014-01-02）.
- ^ J-2 Engine Fact Sheet (PDF). Saturn V News Reference. NASA. December 1968 [22 February 2012]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-08-08）.
- ^ 3.0 3.1 J-2. Astronautix. [2008-07-19]. （原始內容存檔於2011-11-15）.
- ^ Press release preview. [2008-01-28]. （原始內容存檔於2012-04-01）.
- ^ NASA's Stennis Space Center Marks New Chapter in Space Exploration. NASA. [2008-07-19]. （原始內容存檔於2012-04-01）.
- ^ NASA Successfully Completes First Series of Ares Engine Tests. NASA. 2008-05-08 [2008-07-19]. （原始內容存檔於2012-04-01）.
- ^ NASA Awards Upper Stage Engine Contract for Ares Rockets. NASA. 2007-07-16 [2007-07-17]. （原始內容存檔於2020-08-01）.
- ^ J-2S. Astronautix. [2008-07-19]. （原始內容存檔於2009-04-17）.
- ^ Mark Wade. J-2X. Encyclopedia Astronautica. 17 November 2011 [2015年4月15日]. （原始內容存檔於2011年12月12日）.