Wurde jemals eine Großdüsenvariante des J-2 in Betracht gezogen?

Das J-2- Triebwerk, das in den oberen Stufen der Saturn-Trägerraketen verwendet wird, hat einen spezifischen Impuls im Vakuum von 421 Sekunden. Das ist deutlich weniger als bei der kleineren RL10 , je nach Modell 440-460 Sekunden. Der RL10 hat ein größeres Düsenexpansionsverhältnis – 47:1 bis 280:1 je nach Modell, verglichen mit 27:1 für J-2.

Während die 5 J-2-Triebwerke in der Basis der zweiten Stufe des Saturn V ziemlich überfüllt waren , ist dies bei dem einzelnen Triebwerk in der dritten Stufe nicht der Fall; Eine Düsenverlängerung, die ihren Durchmesser von 2,1 m auf 4,2 m verdoppelt, würde immer noch einen angemessenen Freiraum gegenüber dem Stufendurchmesser von 6,6 m ermöglichen. Dies würde das Düsenverhältnis auf etwa 100: 1 erhöhen, deutlich besser als das Verhältnis der 450er-Versionen des RL-10, und mit einem höheren Kammerdruck.

Die Düsenverlängerung und die notwendige Verlängerung der Zwischenstufe würden die Masse erhöhen – schätzungsweise 5 Tonnen oder so – aber selbst mit dieser Strafe könnte das Erreichen eines spezifischen Impulses von 450 Sekunden auf der dritten Stufe die translunare Nutzlast um etwa 2 Tonnen erhöhen.

Es ist nicht besonders überraschend, dass dieser Ansatz nicht für Saturn/Apollo verwendet wurde; Die Entwicklung und Bereitstellung einer Varianten-Engine würde mit Kosten verbunden sein, die woanders besser ausgegeben werden könnten.

  • Wurde diese Möglichkeit zumindest während des Apollo-Programms oder während Post-Apollo-Vorschlägen für die weitere Saturn-Entwicklung in Betracht gezogen?
  • Ist der Unterschied im ISP zwischen J-2 und RL10 hauptsächlich auf das Düsenexpansionsverhältnis zurückzuführen, oder trägt das Treibmittelmischungsverhältnis oder ein anderer Faktor wesentlich dazu bei? Wäre ein Expansionsverhältnis von 100:1 J-2 in der Lage, einen spezifischen Impuls von 450 s bei einem Kammerdruck von 5260 kPa zu erreichen?

Antworten (1)

Erinnern Sie sich, als der J-2X-Motor für die Raketen Ares I und V vorgeschlagen wurde? Diese wies ein Düsenflächenverhältnis von 55:1 auf. Dieses Verhältnis war das gleiche wie das des ursprünglichen J-2X-Vorschlags. Im Gegensatz zu dem neuen Design, das die Leistung durch Gasgenerator- und Kammerverbesserungen steigern würde, war der alte J-2X jedoch eine Vereinfachungsstudie.

Der moderne J-2X und sein Expansionsverhältnis von 55:1 könnten einen Vakuum-Isp von 448 s oder 451 s erreichen, obwohl dies bei einem Kammerdruck von über 1.200 psi anstelle der ursprünglichen 763 psi funktionieren würde.

Wie Sie bereits erwähnt haben, würde die gruppierte S-II-Anordnung von fünf Triebwerken keine Vergrößerung der Düsenabmessungen zulassen. Sie haben auch Recht mit der S-IVB-Interstage-Länge, die die J-2-Größe begrenzte. Aber wir müssen auch bedenken, dass es RL-10-Varianten mit verlängerten Düsen gibt.

Die RL-10B-2 :

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der J-2X sollte im Wesentlichen ein Standard-J-2 mit einem Erweiterungssatz sein, der am ursprünglichen Düsenausgang angebracht war. In der verstauten Position hätte der J-2X die gleiche Länge wie der J-2, und das effektive Flächenverhältnis wäre immer noch 27,5:1. Bei Betätigung der Düse würde sie ausfahren (in einer erforderlichen Zeit von weniger als zwei Sekunden) und eine Düse mit einem Flächenverhältnis von 55:1 erzeugen. Dieser vergrößerte Düsendurchmesser könnte leicht durch die S-II/S-IVB-Zwischenstufe hindurchgehen. Die Studien erforderten, dass das Verlängerungskit weniger als 204 kg (450 lb) wiegt. Unter Verwendung dieses Expansionsverhältnisses würde der vakuumspezifische Impuls des J-2-Motors bei einem LOX:Kraftstoff-Verhältnis von 5,5:1 um 10 bis 11 Sekunden erhöht werden. Dies würde für eine Verbesserung der Saturn V-Nutzlast um 3.200 bis 4.200 Pfund ausreichen (ich glaube, dies war für TLI), abzüglich des Gewichts des Systems.

Es wurden drei verschiedene Verfahren zum Ausfahren der Düse im Flug vorgeschlagen. Ein System umfasste eine einteilige Düsenverlängerung, die den Motor beim Verstauen umgab und sich beim Einsatz mit Hydraulikarmen absenkte (ähnlich wie beim RL-10B-2). Dieser Vorschlag wurde aufgrund seiner Ähnlichkeit mit dem untersuchten XLR-129-Motor (dem Shuttle-Motor, der gegen die SSME verlor) eingestellt. Ein ähnlicher Vorschlag hätte die verlängerte Düse in mehrere "Ringe" aufgeteilt, die sich teleskopartig übereinander nach unten bewegen würden. Die zusätzliche Komplexität des Systems führte jedoch dazu, dass es eliminiert wurde.

Mehr Infos hier: http://www.secretprojects.co.uk/forum/index.php?topic=16981.5;wap2

Das blieb das Airmat-Design. Dies würde eine Düse umfassen, die aus einem starken gewebten Netz besteht, das sich in die gewünschte Düsenform aufbläst, sobald der Motor gestartet wird. Die Abgase des Gasgenerators würden durch die Siebdüse geleitet, was auch das Material kühlen würde. Dieses Gas konnte nur nach innen entweichen, was eine Filmkühlung ermöglichte. Dieses Design war nicht nur einfach zu bedienen, sondern auch leicht. Daher würde es wahrscheinlich den größten Nutzlastgewinn versprechen.

Diese Grafik zeigt das Grundprinzip des 'Airmat'-Designs, komplett mit der Abluftführung durch die Innenwand zur Filmkühlung:http://www.alternatewars.com/BBOW/Space_Engines/J-2X_Airmat_DWG.png

Die drei Konzepte, die es in die Endanalyse geschafft haben:http://www.alternatewars.com/BBOW/Space_Engines/J-2X_NozzleConcepts.png

Hoffe, das ist hilfreich.

Al.

Dies ist eine sehr interessante Antwort. Einige Links zu Quellen würden es zu einer sehr interessanten und maßgeblichen Antwort machen! Protip - Leuten zu sagen, dass sie nach Bildern suchen sollen, wenn Sie sie in die Antwort einbetten könnten, ist schlechte Form.
Wow, das Airmat-Konzept ist interessant. Ich denke, die erweiterbaren Düsenstrategien, selbst wenn sie komplex sind, wären weitaus leichter als die längere Zwischenstufe, die für eine große feststehende Düse benötigt würde. Laut Alternate Wars würde Airmat auf ein Expansionsverhältnis von 48:1 (oder 70:1 beim J-2S) gehen, mit Isp in den 430ern oder 440ern – nicht ganz die 100:1 und 450s, die ich suche. Wissen Sie, ob sie dachten, eine 30 % größere Düse würde mit der S-II-Triebwerkskonfiguration funktionieren, oder hätten sie die Stufe neu gestalten müssen?
(Organic Marble) - Tut mir leid, ich bin immer noch dabei, mich mit dem Forum auseinanderzusetzen. Es war sehr hilfreich für mich, also werde ich versuchen sicherzustellen, dass ich mich in Zukunft bei euch revanchieren kann.
(Russell Borogove) – Ich war schockiert, dass sie eine Raketendüse vorschlugen, die aus einem Drahtgeflecht besteht! Und ich nehme an, die Neugestaltung des S-II für eine größere Düse würde hauptsächlich den Durchmesser der Triebwerke betreffen und nicht die Länge der Zwischenstufe. Ich verstehe, dass der Saturn V-3B aufgrund seiner kleineren Ringkernmotoren eine kürzere Zwischenstufe vorgeschlagen hat, daher denke ich, dass das Ändern dieser Komponente bis zu einem gewissen Grad akzeptabler gewesen wäre.
Wie Sie hier sehen können, spacerockethistory.com/wp-content/uploads/2016/02/… gruppiert die Basis der Bühne die Triebwerke ziemlich dicht beieinander und lässt ziemlich viel Platz zwischen den Außenkanten der Triebwerksglocken und der Zwischenstufe. Scheint, als würden die Verlängerungen beim Ausbau kollidieren, es sei denn, die Motoren wären weiter außen montiert.
Vielleicht wurde es als in Ordnung angesehen, die Implementierung der J-2X-Erweiterungen auf dem S-II zu vermeiden. Das größere Düsenflächenverhältnis scheint ein Vakuum Isp von etwa 435 bis 436 Sekunden zu ergeben, genau um das J-2S-Territorium herum, aber mit einer größeren Triebwerksmasse und -größe aufgrund des hinzugefügten Düsensystems. Es könnte sein, dass der J-2X nur ein S-IVB-Upgrade sein sollte, das als kostengünstiges Zwischenprodukt gedacht war, um die Leistung des J-2S zu simulieren, bevor schließlich beide oberen Stufen auf den J-2S umgestellt wurden.
@AlastairHaslam hilfreiche Erinnerung - setzen Sie das @-Symbol vor den Namen der Person anstelle der Klammern, die Sie oben verwendet haben. Dann erhält die Person eine Benachrichtigung – ein kleines rotes Fähnchen oben auf der Seite – damit sie weiß, dass Sie einen an sie adressierten Kommentar hinzugefügt haben. Können Sie auch Ihre Antwort bearbeiten und die Links zu dieser Antwort hier hinzufügen und nicht nur "in Zukunft besser machen"? Die Antworten gelten hier als „lebende Dokumente“ und werden im Laufe der Zeit oft gepflegt und sogar verbessert. Vielen Dank! Sehr schöne Antwort übrigens!!
@uhoh alles fertig. Ich hoffe, das klärt es auf. Ich werde mich bald an die richtige Etikette gewöhnen. Danke für die Hilfe!
@AlastairHaslam kein Problem, wir waren alle einmal neu. Willkommen auf der Seite!
@AlastairHaslam Danke für den Hinweis und die Bilder! Ich habe Ihren Beitrag bearbeitet, um die Bilder inline anzuzeigen. Verwenden Sie dazu einfach das kleine Bildsymbol im Rahmen der Bearbeitungsbox. Gute Antwort!
@OrganicMarble, das ist ausgezeichnet, danke für deine Bearbeitung und die Begrüßung!
Ich frage mich immer noch etwas, ob ein 100: 1, 760 psi / 5260 kPa J-2 450 s erreichen könnte, aber das beantwortet meine erste Frage. Vielen Dank!
@RussellBorogove Ich fürchte, die Berechnungen wären mir ein Rätsel, aber ich habe etwas gefunden, das dies beantworten könnte. astronautix.com/r/rl-10a-4-2.html enthält Einzelheiten zum RL-10A-4-2, einer RL-10-Variante mit einem Expansionsverhältnis von 84:1 und einem Kammerdruck von 566 psi – geeignet für 451 Sekunden Vakuum Isp. Nun, der RL-10 ist nicht der J-2, aber er zeigt, dass es mit weniger möglich ist.
Das neuere J-2X-Programm von @RussellBorogove PWR hatte ein Motordesign mit einem Düsenexpansionsverhältnis von 92: 1. Die Motorlänge stieg von 3,38 m auf 4,70 m, während der Durchmesser von 2,03 m auf 3,05 m zunahm – zu groß für den S-II und S-IVB. Der vakuumspezifische Impuls sollte 448 Sekunden betragen, aber selbst bei dem massiven Flächenverhältnis war ein Kammerdruck von 1.337 psia erforderlich. Daher scheint es unwahrscheinlich, dass der 763psia J-2 selbst mit einer 100:1-Düse 450 Sekunden überschreiten könnte. alternatewars.com/BBOW/Space_Engines/…
Wurde jemals eine Großdüsenvariante des J-2 in Betracht gezogen?
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