Auf der Wikipedia-Seite für den J-2 (ein Motor wurde in der dritten Stufe des Saturn V und 5 Motoren in der zweiten Stufe verwendet) erhält er im Vakuum etwa 232 klb Schub, aber auf Meereshöhe nur 109 klb Schub.
Das ist ein ziemlich wilder Performance-Swing.
Warum so ein Unterschied? Wenn Sie die Leistung des Vakuum-Merlins mit der Leistung des Meeresspiegel-Merlins vergleichen, erhalten Sie eine viel geringere Leistungsschwankung.
Ich vermute, es liegt daran, dass es nie einen auf Meereshöhe optimierten J-2-Motor gab (er war als Motor der oberen Stufe gedacht), sodass die Meeresspiegelnummer möglicherweise falsch ist oder nur von Prüfständen stammt.
Ich nehme an, dass es für den niedrigen Umgebungsdruck in großer Höhe ausgelegt ist. Die primäre Optimierung liegt in der Düse :
Für eine optimale Leistung sollte der Gasdruck am Ende der Düse gerade dem Umgebungsdruck entsprechen: Wenn der Abgasdruck niedriger als der Umgebungsdruck ist, wird das Fahrzeug durch den Druckunterschied zwischen der Oberseite des Motors und verlangsamt der Ausgang; Wenn andererseits der Abgasdruck höher ist, wird der Abgasdruck, der in Schub umgewandelt werden könnte, nicht umgewandelt, und es wird Energie verschwendet.
Um dieses Ideal der Gleichheit zwischen dem Austrittsdruck des Abgases und dem Umgebungsdruck aufrechtzuerhalten, müsste der Durchmesser der Düse mit der Höhe zunehmen, wodurch der Druck eine längere Düse erhält, auf die er wirken kann (und der Austrittsdruck und die Temperatur verringert werden). Diese Erhöhung ist in leichtgewichtiger Weise schwer zu realisieren, obwohl sie routinemäßig bei anderen Formen von Strahltriebwerken durchgeführt wird. In der Raketentechnik wird im Allgemeinen eine leichte Kompromissdüse verwendet, und eine gewisse Verringerung der atmosphärischen Leistung tritt auf, wenn sie in einer anderen als der „Designhöhe“ oder bei Drosselung verwendet wird.
Neben dem Kammerdruck und der Düsenkonstruktion ist eine weitere wichtige Variable zu berücksichtigen - wie der Motor die Treibmittel in die Kammer pumpt. Das J-2-Triebwerk verwendete wie die untere Stufe (und das viel leistungsstärkere, aber niedrigere ISP-Kerosin verbrennende F-1-Triebwerk) einen Gasgenerator (der im Wesentlichen Sauerstoff und Kraftstoff, hier Wasserstoff, verbrennt), um eine Turbine anzutreiben, die Sauerstoff und Wasserstoff hineinpumpte selbst und die Hauptkammer. Der F-1 (mit Kerosin anstelle von Wasserstoff) war mit einem ausreichend hohen Gasgeneratordruck ausgelegt, um die Pumpen beim Start anzutreiben, aber der für Vakuumbetrieb ausgelegte J-2 verwendete einen niedrigeren Gasgeneratordruck, um seine Pumpen anzutreiben. Der ISP auf sehr niedrigem Meeresspiegel spiegelt nicht nur das übliche "Backup" von Raketen durch Luftdruck auf Meereshöhe wider, sondern auch eine Turbopumpe, die durch denselben Gegendruck anämisch wird.
Erst heute habe ich eine Software namens RPA heruntergeladen, die Raketenkammern und Düsenleistung für eine Vielzahl von Treibmitteltypen und Kammerdrücken und andere Bedingungen simuliert. Mein Versuch, den J-2A-Motor (ein Upgrade des J-2) zu simulieren, legt nahe, dass ein vernünftiger Meeresspiegel-ISP für die Motoren der J-Serie mit demselben Kammer- und Düsentyp etwas darunter liegen würde, wenn ich es richtig gemacht habe 300 Sekunden, eine Reduzierung um 31 Prozent. In Bezug auf den Schub in Klbs würde das auf etwas unter 160 hindeuten, also bei knapp unter 110 schlägt die schlechte Pumpleistung auf Meereshöhe anscheinend um weitere 22 Prozent.
Travis Bär