Silnik J-2X – podstawowe informacje i postępy prac

Silnik J-2X, konstruowany przez Pratt & Whitney Rocketdyne we współpracy z Narodową Amerykańską Agencją Kosmiczną (NASA), przeszedł już testy schładzania oraz 1,9 sekundowy test ogniowy (14 lipca 2011). Mimo pewnych opóźnień J-2X jest na prostej drodze do celu – napędzania górnego stopnia nowej ciężkiej rakiety nośnej.

J-2X wywodzi się z silnika J-2. Podstawowe parametry silników z serii J-2 (oprócz J-2T) są następujące:

Zanim przejdziemy do omawiania technologicznych właściwości silnika J-2X, warto zwrócić uwagę na jego historię, rozpoczynając od silnika J-2.

Historia J-2X

Projekt silnika J-2X wysunięto w roku 2005 w ramach planowania nowego budżetu NASA na rzecz programu Constellation. W roku 2006 projekt został zaakceptowany i do 2016 roku miał zostać ukończony.

Silnik J-2X opiera się na konstrukcji silnika J-2 oraz jego usprawnionej wersji J-2S. J-2 z czasów programu Apollo zasilał górne stopnie rakiety Saturn V. Pięć silników przeznaczono do napędzania drugiego poziomu S-II oraz jeden, odpalany dwa razy, dla poziomu trzeciego S-IVB. Nowością, jak na tamten okres, była możliwość ponownego użycia silnika J-2 w trakcie misji. Pierwszy raz dla umieszczenia na ziemskiej orbicie S-IVB, kiedy drugi stopień S-II został już odcięty, oraz drugi, by skierować rakietę w stronę Księżyca.

Na potrzeby projektu X-33, w latach 90 XX wieku, wykorzystano rozwiązania z silnika J-2S. Projektowany silnik powietrzno-stożkowy z serii J-2T nie doczekał się praktycznego wykorzystania. Po serii naziemnych testów, program zawieszono.

Dzisiaj na scenę wkracza potomek wyżej wymienionych silników – J-2X – choć jego przyszłość wciąż nie jest pewna. Przeszedł on już kilka podstawowych testów, następne odbywać się będą w ciągu najbliższych miesięcy.

J-2X – dlaczego i co nowego?

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

J-2X czerpie przede wszystkim z projektu J-2S, będącego uproszczonym i udoskonalonym silnikiem J-2. Po analizie projektu NASA oraz podwykonawcy dokonali niezbędnych usprawnień zgodnych z nowoczesnymi normami. Skorzystano przede wszystkim z nowocześniejszych technologii i materiałów. W ten sposób ciąg został zwiększony o 20%, a impuls właściwy o 3% względem pierwotnej wersji silnika. Warto przy tym zaznaczyć, że masa konstrukcji wzrosła o dodatkowe 77%.

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

Silnik J-2X czerpie wiele od swoich poprzedników. Wykorzystywane są 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 J-2X.

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 (HIP) przy użyciu metod opracowanych dla RS-68.

Dwuczęściowa dysza wylotowa została pozyskana z projektu Volvo Aero (takie dysze opracowano na potrzeby silników Vulcain w rakietach Ariane V). Jej współczynnik rozszerzalności plasuje się na poziomie 40 do 1 (podobnie jak silniku J-2S). Współczynnik przedłużenia dyszy wynosi 80 do 1 i wpływa to na wysoki impuls właściwy silnika.

Układ zapłonowy składa się z zapłonu iskrowego zastosowanego w J-2S, ale udoskonalenia pochodzą z głównego silnika wahadłowców (Space Shuttle Main Engine). J-2X wykorzystuje projekty zaworów jak w J-2, dopracowane przez NASA w 2006 (lepsze materiały). 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 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 z czasem zrezygnowano ze zmodyfikowanych SSME na rzecz J-2X).

Opracowywanie rozpoczęto w 2005 roku z założeniem, że pochodna silnika wahadłowców SSME będzie zasilać górny (drugi) stopień rakiet Ares I, a pochodna silnika J-2 EDS rakiety Ares V. W styczniu 2006 zaniechano użycia SSME, zamiast niego zdecydowano się na użycie dwóch silników J-2X. Z ramienia NASA powstało biuro J-2X Upper Stage Engine Element Office, zajmujące się tworzeniem silnika. Zwołano zespół inżynierów z ery Apollo pracujących przy silniku J-2, przedyskutowując historyczne problemy z silnikiem J-2 i starając się odnaleźć sposób na ich obejście. Przygotowano wtedy dokładny raport usprawnienia J-2.

W 2006 zatwierdzono wstępny kosztorys, rozpoczęły się także pierwsze testy, jednak w październiku 2010 prezydent Barack Obama zawiesił program Constellation, więc koncepcja silnika J-2X straciła rację bytu. Projektanci i inżynierowie nie zawiesili programu i testy są kontynuowane z myślą o wykorzystaniu J-2X jako układu napędowego wyższych poziomów nowych ciężkich rakiet nośnych NASA.

Testy

14 lipca 2011 rozpoczęły się pierwsze poważne testy silnika J-2X. Przeprowadzono je w Stennis Space Center, na platformie testowej A-2 (platforma A-3, przeznaczona specjalnie dla J-2X, jest w trakcie budowy).

Przeprowadzony test jest pierwszym w serii testów ogniowych (zapłonowych) – w tym przypadku trwał 1,9 sekundy. Dane zebrane w ciagu kilku następnych miesięcy odpaleń pozwolą na udoskonalenie projektu.

Wcześniej w Marshall Space Flight Center w 2010 przeprowadzano serię testów generatora gazu zasilającego układy turbopompowe. Wiosną 2011 badano żywotność i trwałość dyszy turbopompy paliwowej, przez którą gaz przedostaje sięna ostrza turbiny. Dysza turbopompy narażona jest na ekstremalne zmiany temperatury w bardzo krótkim czasie. Schłodzony wodór, do temperatury -250 stopni Celsjusza, w dwie sekundy ogrzewa się do 540 stopni Celsjusza, stąd bardzo ważne są badania zmęczeniowe.

Przyszłość

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

Przyszłość silnika jest wciąż niepewna i już wystąpiły drobne opóźnienia ze względu na niezdecydowanie w doborze materiałów. Podstawą istnienia J-2X jest rakieta, w której mógłby się znaleźć. Niestety, termin ukończenia (i rozpoczęcia) prac nad ciężką rakietą nośną, na dzień dzisiejszy, jest niewiadomą.

J-2X byłby doskonałym napędem dla jednostek udających się z orbity w głęboką przestrzeń kosmiczną (np. na Księżyc lub Marsa), dlatego jego powstawanie jest ściśle związane z przyszłością załogowych lotów kosmicznych NASA.

Źródła:

• Encyclopedia Astronautica – J-2X
• Wikipedia (angielska) – zestawienie silników rodziny J-2

NASA:

• Testy ogniowe – NASA Begins Testing of Next-Generation J-2X Engine
• Testy zmęczeniowe dyszy turbopompy paliwowej – J-2X Test Series Proves Part Integrity
• Testy generatora gazu – J-2X Engine Gas Generator Testing
• PDF z podstawowymi informacjami (2007)