[科普中國(guó)]-J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

J-2發(fā)動(dòng)機(jī)是一款液態(tài)燃料低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，曾被用于NASA的土星1B號(hào)運(yùn)載火箭和土星5號(hào)運(yùn)載火箭。J-2發(fā)動(dòng)機(jī)由Rocketdyne在美國(guó)制造，以低溫液氫 (LH2) 和 液氧 (LOX) 為推進(jìn)劑，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在真空中能產(chǎn)生1,033.1 kN（232,250 lbf）推力。 發(fā)動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)可以追溯到1959年Silverstein委員會(huì)的建議。Rocketdyne在1960年6月獲得了研發(fā)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的許可，初次飛行（AS-201）在1966年2月26日進(jìn)行。J-2發(fā)動(dòng)機(jī)在它的歷史中進(jìn)行了數(shù)次較小的改進(jìn)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。此外還有2次大型升級(jí)計(jì)劃，包括采用拉伐爾噴管的J-2S和采用塞式噴管的J-2T，但兩者在阿波羅計(jì)劃結(jié)束后都被取消了。

簡(jiǎn)介J-2發(fā)動(dòng)機(jī)是一款液態(tài)燃料低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，曾被用于NASA的土星1B號(hào)運(yùn)載火箭和土星5號(hào)運(yùn)載火箭。J-2發(fā)動(dòng)機(jī)由Rocketdyne在美國(guó)制造，以低溫液氫(LH2) 和液氧(LOX) 為推進(jìn)劑，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在真空中能產(chǎn)生1,033.1kN（232,250lbf）推力。 發(fā)動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)可以追溯到1959年Silverstein委員會(huì)的建議。Rocketdyne在1960年6月獲得了研發(fā)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的許可，初次飛行（AS-201）在1966年2月26日進(jìn)行。J-2發(fā)動(dòng)機(jī)在它的歷史中進(jìn)行了數(shù)次較小的改進(jìn)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。此外還有2次大型升級(jí)計(jì)劃，包括采用拉伐爾噴管的J-2S和采用塞式噴管的J-2T，但兩者在阿波羅計(jì)劃結(jié)束后都被取消了。

J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的真空比沖為(Isp)421秒（4.13千米每秒），海平面比沖為200秒（2.0千米每秒） ，質(zhì)量約為1,788千克（3,942英磅）。土星5號(hào)運(yùn)載火箭的第二級(jí)S-II使用了5臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，土星5號(hào)運(yùn)載火箭以及土星1B號(hào)運(yùn)載火箭的上面級(jí)S-IVB則使用了1臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)。曾有在更大型火箭的上面級(jí)上使用多臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的提議，例如Nova火箭。J-2發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)在RS-25之前曾生產(chǎn)的最大的液氫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代版的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)，被計(jì)劃用于NASA的航天飛機(jī)替代者——太空發(fā)射系統(tǒng)的地球出發(fā)級(jí)。

不像當(dāng)時(shí)大多數(shù)的現(xiàn)役液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)用于土星5號(hào)運(yùn)載火箭的S-IVB第三級(jí)時(shí)，能夠在關(guān)機(jī)之后再次點(diǎn)火。第一次點(diǎn)火持續(xù)約2分鐘，將阿波羅飛船送入了一個(gè)近地停泊軌道。在乘員確認(rèn)飛船運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常之后，J-2發(fā)動(dòng)機(jī)重新點(diǎn)火進(jìn)行地月入射，點(diǎn)火持續(xù)6.5分鐘，將航天器組合體加速送上奔月軌道。

主要用于載人和不載人的阿波羅飛船的近地軌道飛行試驗(yàn)的土星IB火箭的第2級(jí)用單臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)作其動(dòng)力裝置（第1級(jí)采用8臺(tái)H-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的海平面推力為93t）。

工作原理如下：少量氧和氫進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器并燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)庖来瓮苿?dòng)氫渦輪泵和氧渦輪泵，最后將燃?xì)庾⑷雵姽茏鳛闅饽だ鋮s。液氫由氫泵加壓后，先全部用于冷卻噴管，然后大部分進(jìn)入燃燒室作為燃料，小部分進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器。液氧由氧泵加壓后大部分直接進(jìn)入燃燒室，小部分進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器。J-2只有主泵，沒(méi)有預(yù)壓泵。

J-2S1964年，原設(shè)計(jì)公司洛克達(dá)因?yàn)榱烁倪M(jìn)J-2的性能而研發(fā)了這個(gè)試驗(yàn)版本，當(dāng)初名為J-2X（并不是后來(lái)的J-2X）。最主要的改動(dòng)就是將燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)換成抽氣循環(huán)，即將通過(guò)燃燒室上的管道供應(yīng)熱氣體，而不是通過(guò)獨(dú)立的燃燒器。除了要移除發(fā)動(dòng)機(jī)上部分結(jié)構(gòu)，這些改動(dòng)還降低了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的難度并妥善地協(xié)調(diào)了各燃燒室的關(guān)系。

其他的改動(dòng)還包括節(jié)流系統(tǒng)，可變的燃料混合系統(tǒng)。還有一個(gè)新的“空閑模式”，它提供很少的推力，可用于在軌機(jī)動(dòng)，或在再次燃燒之前穩(wěn)定燃料箱。

試驗(yàn)中，洛克達(dá)因生產(chǎn)了六臺(tái)樣機(jī)，命名為J-2S。從1965年到1972年，這些樣機(jī)總共試車(chē)30858秒。1972年，美國(guó)當(dāng)局決定不再生產(chǎn)土星5號(hào)運(yùn)載火箭，該發(fā)動(dòng)機(jī)的研制也告一段落。而NASA考慮將J-2S用于其他用途，在眾多航天飛機(jī)方案中，其中就用用五臺(tái)J-2S來(lái)驅(qū)動(dòng)的方案。

J-2T當(dāng)J-2S的研制工作還在繼續(xù)時(shí)，NASA就開(kāi)始資助另一個(gè)研發(fā)項(xiàng)目：給J-2S加裝一個(gè)新的塞式噴管。這會(huì)更加顯著地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。試驗(yàn)用的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，J-2T-200k達(dá)到了200,000 磅力 (890 kN)的推力，J-2T-250k達(dá)到了250,000磅力。和J-2S一樣，J-2T也隨著阿波羅計(jì)劃的停止而停止。

J-2XJ-2X是J-2的一個(gè)新版本，它將用于星座計(jì)劃和未來(lái)的載人飛船獵戶座。原先的計(jì)劃是使用兩臺(tái)J-2X來(lái)驅(qū)動(dòng)地球出發(fā)級(jí)（EDS），每臺(tái)J-2X將提供294,000磅力。

2006年2月18日，NASA決定將J-2X用在戰(zhàn)神一號(hào)的第二級(jí)，這項(xiàng)決定將把戰(zhàn)神號(hào)的研制周期縮短到3年，2013年即可首飛。而獵戶座飛船有望在2014年首飛。除此之外，J-2X還簡(jiǎn)化了獵戶座的結(jié)構(gòu)。2007年8月23日，NASA還專為J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)在斯坦尼斯航天中心建造了新的試驗(yàn)基地。(SSC)2007年12月到2008年5月間，在試驗(yàn)基地已用J-2發(fā)動(dòng)的各組件進(jìn)行了九次試驗(yàn)，為研制J-2X做了準(zhǔn)備。

J-2X將比J-2效率更高且更簡(jiǎn)單，但比航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)成本低。2007年7月16日，NASA正式宣布洛克達(dá)因承接了總價(jià)達(dá)12億美元的J-2X研發(fā)合同，并決定將J-2X用于戰(zhàn)神五號(hào)的上面級(jí)。1

技術(shù)參數(shù)

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

武偉 - 高級(jí)工程師 - 天津直升機(jī)有限責(zé)任公司