J-2X

J-2X — это жидкостный ракетный двигатель, разработанный компанией Rocketdyne (ныне подразделение Aerojet Rocketdyne) для использования в верхних ступенях американских ракет-носителей. Двигатель работал на топливной паре «жидкий водород — жидкий кислород» и предназначался для программы «Созвездие» (Constellation), которая была закрыта в 2010 году. J-2X является модернизированной версией двигателя J-2, применявшегося в программе «Аполлон» в 1960-х — 1970-х годах. Разработка велась с 2005 по 2013 год, после чего проект был приостановлен, а затем окончательно закрыт в 2014 году.

История создания

Предпосылки

В начале 2000-х годов, после катастрофы шаттла «Колумбия» (2003), NASA приступило к разработке новой программы пилотируемых космических полётов, получившей название «Созвездие». В рамках этой программы предполагалось создание ракет-носителей «Арес-I» (для вывода пилотируемого корабля «Орион») и «Арес-V» (для тяжёлых грузов). Для верхних ступеней обеих ракет требовался новый двигатель, который был бы более мощным и эффективным, чем оригинальный J-2, но при этом базировался бы на проверенной технологии.

Разработка

В 2005 году NASA заключило контракт с компанией Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) на разработку двигателя J-2X. Проект предусматривал использование газогенераторного цикла с открытой схемой, что позволяло достичь высокой тяги и надёжности. Двигатель должен был стать первым американским криогенным двигателем, разработанным с нуля за последние 30 лет (после RS-68 для ракеты Delta IV).

В ходе разработки инженеры столкнулись с рядом технических проблем, связанных с высоким давлением в камере сгорания (около 130 атмосфер) и необходимостью обеспечения длительного времени работы (до 500 секунд). Было проведено более 100 огневых испытаний прототипов на стендах в Космическом центре имени Стенниса (Миссисипи) и на полигоне в Эдвардсе (Калифорния).

Закрытие программы

В 2010 году программа «Созвездие» была официально закрыта администрацией президента Барака Обамы. Однако работы по J-2X продолжались ещё несколько лет, так как двигатель рассматривался как возможный элемент для новой сверхтяжёлой ракеты SLS (Space Launch System). В 2013 году NASA приняло решение отказаться от J-2X в пользу более мощного и современного двигателя RL-10 для верхней ступени SLS. В 2014 году проект был окончательно закрыт. Всего на разработку было потрачено около 1,5 миллиарда долларов.

Конструкция и технические характеристики

Общие параметры

J-2X представлял собой жидкостный ракетный двигатель с газогенераторным циклом. Топливная пара: жидкий водород (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Двигатель имел фиксированное сопло с возможностью качания (для управления вектором тяги) в двух плоскостях.

Основные технические характеристики (по проекту):

• Тяга в вакууме: 1 307 кН (133,3 тонны-силы).
• Удельный импульс в вакууме: 448 секунд (4 394 м/с).
• Давление в камере сгорания: 13,0 МПа (130 атмосфер).
• Масса: около 2 500 кг.
• Время работы: до 500 секунд.
• Диаметр сопла: 2,1 м.
• Высота: 4,0 м.

Основные узлы

1. Камера сгорания — выполнена из медного сплава с внутренним охлаждением (регенеративное охлаждение жидким водородом). Имеет форсуночную головку для смешивания компонентов.
2. Газогенератор — сжигает часть топлива для привода турбонасосного агрегата. Работает при температуре около 1 200 °C.
3. Турбонасосный агрегат (ТНА) — состоит из двух турбин (для водорода и кислорода) и насосов высокого давления. Обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания.
4. Сопло — расширяющееся, с регенеративным охлаждением. Изготовлено из нержавеющей стали и никелевых сплавов.
5. Система управления — электронная, с возможностью дросселирования (изменения тяги) в диапазоне от 60% до 100%.

Отличия от J-2

По сравнению с оригинальным двигателем J-2, J-2X имел следующие улучшения:

• Увеличенная тяга (на 25%).
• Более высокое давление в камере сгорания (130 против 50 атмосфер у J-2).
• Улучшенная система охлаждения и более прочные материалы.
• Современная электронная система управления вместо аналоговой.

Испытания

Программа испытаний

С 2007 по 2013 год было проведено несколько серий огневых испытаний. Первый запуск прототипа (с обозначением J-2X-10001) состоялся в июле 2007 года на стенде А-1 в Космическом центре имени Стенниса. Испытания включали:

• Короткие запуски (до 10 секунд) для проверки зажигания и работы систем.
• Длительные запуски (до 500 секунд) для проверки ресурса.
• Испытания с дросселированием.
• Проверки при различных давлениях и температурах.

Результаты

В ходе испытаний были подтверждены основные характеристики двигателя. Однако выявились проблемы с вибрацией турбонасосного агрегата и неравномерностью охлаждения сопла. Эти проблемы были частично решены к моменту закрытия проекта. Всего было проведено около 120 огневых испытаний общей продолжительностью более 10 000 секунд.

Применение

В программе «Созвездие»

J-2X планировался для использования в двух вариантах:

1. Вторая ступень ракеты «Арес-I» — для вывода пилотируемого корабля «Орион» на низкую околоземную орбиту. В этом варианте двигатель должен был работать около 300 секунд.
2. Верхняя ступень ракеты «Арес-V» — для разгона тяжёлых грузов к Луне и Марсу. В этом варианте требовалась работа до 500 секунд.

В программе SLS

После закрытия «Созвездия» рассматривалось использование J-2X в качестве двигателя верхней ступени ракеты SLS (Block 1B и Block 2). Однако в 2013 году NASA выбрало для этой роли двигатель RL-10C-3 (модификация RL-10), который был дешевле и уже имел опыт эксплуатации.

Критика и проблемы

Проект J-2X подвергался критике по нескольким причинам:

• Высокая стоимость — разработка обошлась в 1,5 миллиарда долларов, что было признано неоправданным для двигателя, который так и не был использован.
• Технические задержки — проект отставал от графика на 2-3 года из-за проблем с турбонасосом и системой охлаждения.
• Устаревшая концепция — газогенераторный цикл считался менее эффективным по сравнению с замкнутыми циклами (например, с дожиганием), которые использовались в российских двигателях (РД-180, РД-191) и некоторых американских (RS-25).
• Политический контекст — закрытие программы «Созвездие» сделало J-2X ненужным, что привело к обвинениям в неэффективном расходовании бюджетных средств.

Наследие

Несмотря на то, что J-2X не был принят на вооружение, его разработка дала NASA и Aerojet Rocketdyne ценный опыт в создании крупных криогенных двигателей. Некоторые технологии, разработанные для J-2X, были использованы в других проектах, в частности, в модернизации двигателя RS-25 для SLS и в создании новых моделей RL-10. Кроме того, стенды и оборудование, созданные для испытаний J-2X, продолжают использоваться для других двигателей.

Источники

• «J-2X Engine: Development and Testing» — NASA Technical Reports Server, 2012.
• «The J-2X Engine: A New Upper Stage for NASA's Exploration Program» — Aerojet Rocketdyne, 2010.
• «Space Launch System: Upper Stage Engine Selection» — NASA, 2013.
• «J-2X: The Engine That Never Flew» — SpaceNews, 2014.
• «Rocketdyne J-2X: Technical Specifications and History» — Encyclopedia Astronautica, 2015.