Рассматривался ли вариант J-2 с большим соплом?

Двигатель J-2 , используемый на разгонных ступенях ракет- носителей «Сатурн», имеет удельный импульс в вакууме 421 секунду. Это значительно меньше, чем у меньшего RL10 , 440-460 секунд в зависимости от модели. RL10 имеет больший коэффициент расширения сопла — от 47:1 до 280:1 в зависимости от модели, по сравнению с 27:1 у J-2.

В то время как 5 двигателей J-2 были довольно тесными в основании второй ступени Saturn V , один двигатель на третьей ступени - нет; удлинение сопла, удваивающее его диаметр с 2,1 м до 4,2 м, по-прежнему обеспечит разумный зазор по сравнению с диаметром ступени 6,6 м. Это увеличило бы передаточное отношение сопла примерно до 100: 1, что значительно лучше, чем соотношение 450-секундных версий RL-10, и с более высоким давлением в камере.

Удлинение сопла и необходимое удлинение промежуточной ступени добавят массу — приблизительно 5 тонн, по предположению, — но даже с учетом этого штрафа достижение 450-секундного удельного импульса на третьей ступени может увеличить транслунную полезную нагрузку примерно на 2 тонны.

Неудивительно, что этот подход не использовался для Сатурна/Аполлона; разработка и развертывание альтернативного движка обойдутся дорого, и их лучше потратить на что-то другое.

  • Рассматривалась ли эта возможность хотя бы во время программы «Аполлон» или во время пост-аполлоновских предложений по дальнейшему развитию Сатурна?
  • Связана ли разница в ISP между J-2 и RL10 в первую очередь со степенью расширения сопла, или существенную роль играет соотношение топливной смеси или другой фактор? Сможет ли коэффициент расширения J-2 100:1 достичь удельного импульса 450 с при давлении в камере 5260 кПа?

Ответы (1)

Помните, когда для ракет Ares I и V предлагался двигатель J-2X? Это показало соотношение площади сопла 55: 1. Это соотношение было таким же, как и в исходном предложении J-2X. Однако, в отличие от новой конструкции, которая повышала производительность за счет усовершенствования газогенератора и камеры, старый J-2X представлял собой исследование упрощения.

Современный J-2X с коэффициентом расширения 55:1 может достигать вакуумного Isp 448 или 451 с, хотя это будет работать при давлении в камере выше 1200 фунтов на квадратный дюйм вместо исходных 763 фунтов на квадратный дюйм.

Как вы упомянули, кластерная компоновка S-II из пяти двигателей не позволила бы увеличить размеры сопла. Вы также правы относительно длины промежуточной ступени S-IVB, которая ограничивала размер J-2. Но надо помнить и о том, что есть варианты РЛ-10 с выдвижными соплами.

РЛ-10Б- 2 :

введите описание изображения здесь

J-2X должен был быть по существу стандартным J-2 с комплектом удлинителей, прикрепленным к оригинальному выходному отверстию сопла. В походном положении J-2X будет иметь ту же длину, что и J-2, а коэффициент полезной площади по-прежнему будет составлять 27,5:1. При срабатывании сопла оно выдвигалось (за необходимое время менее двух секунд) и создавало сопло с соотношением площадей 55:1. Этот увеличенный диаметр сопла мог легко проходить через промежуточную ступень S-II / S-IVB. Исследования требовали, чтобы удлинительный комплект весил менее 204 кг (450 фунтов). Используя эту степень расширения, удельный импульс вакуума двигателя J-2 при соотношении LOX:топливо 5,5: 1 будет увеличен на 10–11 секунд. Этого было бы достаточно для увеличения полезной нагрузки Saturn V на 3200–4200 фунтов (думаю, это было для TLI) за вычетом веса системы.

Было предложено три различных способа удлинения сопла в полете. Одна система включала цельный удлинитель сопла, который окружал двигатель в убранном положении и опускался вниз с помощью гидравлических рычагов при развертывании (во многом как RL-10B-2). Это предложение было прекращено из-за его сходства с исследуемым двигателем XLR-129 (двигатель челнока, проигравший SSME). Аналогичное предложение разбило бы удлиненное сопло на несколько «колец», которые телескопически надвигались бы друг на друга. Однако дополнительная сложность системы привела к ее устранению.

Подробнее здесь: http://www.secretprojects.co.uk/forum/index.php?topic=16981.5;wap2

Остался дизайн Airmat. Это будет включать сопло, изготовленное из прочной тканой сетки, которое будет надуваться до желаемой формы сопла, как только двигатель будет запущен. Выхлоп из газогенератора будет направляться через сетчатое сопло, что также будет охлаждать материал. Этот газ мог выходить только внутрь, обеспечивая пленочное охлаждение. эта конструкция была не только проста в эксплуатации, но и легка. Следовательно, это, вероятно, обещает наибольший прирост полезной нагрузки.

На этом рисунке показан основной принцип конструкции Airmat с отводом выхлопных газов через внутреннюю стенку для пленочного охлаждения:http://www.alternatewars.com/BBOW/Space_Engines/J-2X_Airmat_DWG.png

Три концепции, которые прошли окончательный анализ:http://www.alternatewars.com/BBOW/Space_Engines/J-2X_NozzleConcepts.png

Надеюсь, это полезно.

Ал.

Это очень интересный ответ. Некоторые ссылки на источники сделают этот ответ очень интересным и авторитетным! совет — предлагать людям искать изображения, когда вы можете встроить их в ответ, — дурной тон.
Вау, эта концепция Airmat интересна. Я предполагаю, что стратегии с расширяемым соплом, даже если они сложные, будут намного легче, чем более длинные промежуточные ступени, которые потребуются для большого фиксированного сопла. Согласно Alternate Wars, у Airmat будет коэффициент расширения 48:1 (или 70:1 на J-2S), а у Isp — 430 или 440 — не совсем те 100:1 и 450, которые мне нужны. Вы знаете, думали ли они, что сопло на 30% больше будет работать с конфигурацией двигателя S-II, или им пришлось бы перепроектировать ступень?
(Органический мрамор) - Извините за это, я все еще разбираюсь с форумом. Это было очень полезно для меня, поэтому я постараюсь убедиться, что смогу отблагодарить вас, ребята, в будущем.
(Рассел Борогов) - Я был потрясен тем, что они предложили ракетное сопло, состоящее из того, что можно условно назвать проволочной сеткой! И я полагаю, что модернизация S-II для большего сопла будет в основном касаться диаметра двигателей, а не длины промежуточной ступени. Я понимаю, что Saturn V-3B предлагал более короткую межступенчатую рамку из-за меньших тороидальных двигателей, поэтому я полагаю, что изменение этого компонента могло быть в какой-то степени более приемлемым.
Как вы можете видеть здесь, spacerockethistory.com/wp-content/uploads/2016/02/… в основании ступени двигатели расположены довольно близко друг к другу, оставляя довольно много места между внешними краями раструбов двигателей и межступенчатым пространством. Похоже, что расширения столкнулись бы при расширении, если бы двигатели не были установлены дальше.
Возможно, было сочтено нормальным не использовать расширения J-2X на S-II. Большее отношение площади сопла, по-видимому, дает вакуум Isp примерно от 435 до 436 секунд, что примерно соответствует территории J-2S, но с большей массой и размером двигателя из-за дополнительной системы сопел. Возможно, J-2X должен был быть только модернизацией S-IVB, предназначенной в качестве недорогого промежуточного варианта для имитации характеристик J-2S перед окончательной заменой обеих верхних ступеней на J-2S.
Полезное напоминание @AlastairHaslam — поместите символ @ перед именем человека вместо скобок, которые вы использовали выше. Затем человеку отправляется предупреждение — маленький красный флажок в верхней части страницы — чтобы он знал, что вы добавили комментарий, адресованный ему. Кроме того, можете ли вы отредактировать свой ответ и добавить ссылки на этот ответ здесь, а не просто «сделать лучше в будущем»? Ответы здесь считаются «живыми документами» и часто поддерживаются и даже улучшаются с течением времени. Спасибо! Кстати, очень хороший ответ!!
@uhoh все готово. Надеюсь, это проясняется. Я скоро привыкну к правильному этикету. Спасибо вам за помощь!
@AlastairHaslam нет проблем, мы все когда-то были новичками. Добро пожаловать на сайт!
@AlastairHaslam Спасибо за ссылку и изображения! Я отредактировал ваш пост, чтобы показать изображения в строке. Вы просто используете маленький значок изображения в рамке окна редактирования, чтобы сделать это. Отличный ответ!
@OrganicMarble, это отлично, спасибо за ваше редактирование и добро пожаловать!
Мне все еще интересно, может ли J-2 100: 1, 760 фунтов на квадратный дюйм / 5260 кПа достичь 450 с, но это действительно отвечает на мой первый вопрос. Спасибо!
@RussellBorogove Боюсь, расчеты мне не по силам, но я нашел кое-что, что могло бы ответить на этот вопрос. astronautix.com/r/rl-10a-4-2.html дает подробную информацию о RL-10A-4-2, варианте RL-10 с коэффициентом расширения 84: 1 и давлением в камере 566 фунтов на квадратный дюйм, способным к 451 секунде вакуума. Исп. Теперь RL-10 — это не J-2, но он показывает, что можно сделать это с меньшими затратами.
В новой программе J-2X от @RussellBorogove PWR была конструкция двигателя с коэффициентом расширения сопла 92: 1. Длина двигателя увеличилась с 3,38 м до 4,70 м, а диаметр увеличился с 2,03 м до 3,05 м, что слишком велико для S-II и S-IVB. Удельный импульс вакуума должен был составлять 448 секунд, но даже при большом соотношении площадей требовалось давление в камере 1337 фунтов на квадратный дюйм. Поэтому кажется маловероятным, что 763psia J-2 сможет превзойти 450 секунд, даже с соплом 100:1. alterwars.com/BBOW/Space_Engines/…
Рассматривался ли вариант J-2 с большим соплом?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v