¿Se consideró alguna vez una variante de boquilla grande del J-2?

El motor J-2 utilizado en las etapas superiores de los lanzadores Saturn tiene un impulso específico en el vacío de 421 segundos. Esto es sustancialmente más bajo que el del RL10 más pequeño , 440-460 segundos según el modelo. El RL10 tiene una mayor relación de expansión de la boquilla: 47:1 hasta 280:1 según el modelo, en comparación con 27:1 para el J-2.

Mientras que los 5 motores J-2 estaban bastante abarrotados en la base de la segunda etapa del Saturno V , el único motor de la tercera etapa no lo está; una extensión de boquilla que duplique su diámetro de 2,1 m a 4,2 m aún permitiría un espacio libre razonable en comparación con el diámetro de etapa de 6,6 m. Esto aumentaría la relación de la boquilla a alrededor de 100:1, significativamente mejor que la relación de las versiones de 450 s del RL-10 y con una presión de cámara más alta.

La extensión de la boquilla y el alargamiento necesario de la interetapa agregarían masa (aproximadamente 5 toneladas, supongo), pero incluso con esa penalización, lograr un impulso específico de 450 segundos en la tercera etapa podría aumentar la carga útil translunar en alrededor de 2 toneladas.

No es particularmente sorprendente que este enfoque no se haya utilizado para Saturno/Apolo; desarrollar e implementar una variante del motor tendría un costo que podría gastarse mejor en otro lugar.

  • ¿Se consideró al menos esta posibilidad durante el programa Apolo, o durante las propuestas posteriores al Apolo para un mayor desarrollo de Saturno?
  • ¿La diferencia en ISP entre J-2 y RL10 es atribuible principalmente a la relación de expansión de la boquilla, o es la relación de mezcla de propelente u otro factor que contribuye significativamente? ¿Podría un J-2 con una relación de expansión de 100:1 lograr un impulso específico de 450 s a una presión de cámara de 5260 kPa?

Respuestas (1)

¿Recuerdas cuando se propuso el motor J-2X para los cohetes Ares I y V? Eso presentaba una relación de área de boquilla de 55:1. Esta relación era la misma que la de la propuesta original J-2X. Sin embargo, a diferencia del nuevo diseño que agregaría rendimiento a través de mejoras en el generador de gas y la cámara, el antiguo J-2X fue un estudio de simplificación.

El J-2X moderno y su relación de expansión de 55:1 podría lograr un Isp de vacío de 448 s o 451 s, aunque esto operaría a una presión de cámara superior a 1200 psi en lugar de los 763 psi originales.

Como mencionó, la disposición S-II agrupada de cinco motores no permitiría ningún aumento en las dimensiones de la boquilla. También tiene razón sobre la longitud entre etapas S-IVB, que limitaba el tamaño J-2. Pero también debemos recordar que existen variantes RL-10 con boquillas extensibles.

El RL-10B-2 :

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El J-2X iba a ser esencialmente un J-2 estándar con un kit de extensión conectado a la salida de la boquilla original. En la posición replegada, el J-2X tendría la misma longitud que el J-2 y la relación de área efectiva seguiría siendo de 27,5:1. Al accionar la boquilla, se extendería (en un tiempo requerido de menos de dos segundos) y produciría una boquilla con una relación de área de 55:1. Este diámetro de boquilla aumentado podría pasar fácilmente a través de la etapa intermedia S-II/S-IVB. Los estudios requerían que el kit de extensión pesara menos de 204 kg (450 lb). Utilizando esta relación de expansión, el impulso específico de vacío del motor J-2 a una relación LOX:combustible de 5,5:1 aumentaría entre 10 y 11 segundos. Esto sería suficiente para una mejora de 3200 a 4200 libras en la carga útil de Saturno V (creo que esto fue para TLI), menos el peso del sistema.

Se propusieron tres métodos diferentes para extender la boquilla en vuelo. Un sistema involucraba una extensión de boquilla de una pieza que rodeaba el motor cuando se guardaba y bajaba con brazos hidráulicos cuando se desplegaba (al igual que el RL-10B-2). Esta propuesta se suspendió debido a su similitud con el motor XLR-129 en estudio (el motor del transbordador que perdió ante el SSME). Una propuesta similar habría roto la boquilla extendida en varios 'anillos' que se plegarían unos sobre otros. Sin embargo, la complejidad añadida del sistema hizo que se eliminara.

Más información aquí: http://www.secretprojects.co.uk/forum/index.php?topic=16981.5;wap2

Eso dejó el diseño de Airmat. Esto implicaría una boquilla construida con una malla tejida fuerte que se inflaría en la forma de boquilla deseada tan pronto como se encendiera el motor. El escape del generador de gas se enrutaría a través de la boquilla de malla, y esto también enfriaría el material. Este gas solo podía ventilarse hacia el interior, lo que permitía el enfriamiento de la película. Este diseño no solo era simple en operación, sino que también era liviano. Por lo tanto, probablemente prometería la mayor ganancia de carga útil.

Este gráfico muestra el principio básico del diseño 'Airmat', completo con la ventilación de escape a través de la pared interior para el enfriamiento de la película:http://www.alternatewars.com/BBOW/Space_Engines/J-2X_Airmat_DWG.png

Los tres conceptos que calificaron para el análisis final:http://www.alternatewars.com/BBOW/Space_Engines/J-2X_NozzleConcepts.png

Espero que esto sea útil.

Alabama.

Esta es una respuesta muy interesante. ¡Algunos enlaces a fuentes lo convertirían en una respuesta muy interesante y autorizada! protip: decirle a la gente que busque imágenes cuando podría incrustarlas en la respuesta es una mala forma.
Wow, ese concepto de Airmat es interesante. Supongo que las estrategias de boquillas extensibles, incluso si son complejas, serían mucho más livianas que las etapas intermedias más largas que se necesitarían para una boquilla fija grande. De acuerdo con Alternate Wars, Airmat iría a una relación de expansión de 48:1 (o 70:1 en el J-2S), con Isp en los 430 o 440, no exactamente los 100:1 y 450 que estoy buscando. ¿Sabes si pensaron que una boquilla un 30 % más grande funcionaría con la configuración del motor S-II o habrían tenido que rediseñar el escenario?
(Mármol orgánico) - Lo siento por eso, todavía estoy familiarizándome con el foro. Ha sido muy útil para mí, así que trataré de asegurarme de poder devolverles el favor en el futuro.
(Russell Borogove) - ¡Me sorprendió que propusieran una tobera de cohete compuesta de lo que se puede denominar vagamente una malla de alambre! Y supongo que el rediseño del S-II para una boquilla más grande se referiría principalmente al diámetro de los motores en lugar de la longitud de la etapa intermedia. Entiendo que el Saturn V-3B propuso una etapa intermedia más corta debido a sus motores toroidales más pequeños, así que supongo que cambiar ese componente podría haber sido más aceptable hasta cierto punto.
Como puede ver aquí spacerockethistory.com/wp-content/uploads/2016/02/… la base del escenario agrupa los motores bastante juntos, dejando bastante espacio entre los bordes exteriores de las campanas del motor y el intermedio. Parece que las extensiones chocarían cuando se expandieran, a menos que los motores estuvieran montados más lejos.
Quizás se consideró correcto evitar implementar las extensiones J-2X en el S-II. La mayor relación del área de la boquilla parece dar un Isp de vacío de aproximadamente 435 a 436 segundos, justo alrededor del territorio J-2S, pero con una mayor masa y tamaño del motor debido al sistema de boquilla agregado. Podría ser que el J-2X fuera solo una actualización de S-IVB, con la intención de ser un intermedio de bajo costo para simular el rendimiento del J-2S antes de finalmente cambiar ambas etapas superiores al J-2S.
Recordatorio útil de @AlastairHaslam: coloque el símbolo @ antes del nombre de la persona en lugar de los paréntesis que usó anteriormente. Luego, se le envía una alerta a la persona, una pequeña bandera roja en la parte superior de la página, para que sepa que agregaste un comentario dirigido a ella. Además, ¿puede editar su respuesta y agregar los enlaces a esta respuesta, aquí, y no solo "hacerlo mejor en el futuro"? Las respuestas aquí se consideran "documentos vivos" y, a menudo, se mantienen e incluso se mejoran con el tiempo. ¡Gracias! Muy buena respuesta por cierto!!
@uhoh todo completado. Espero que eso lo aclare. Pronto me acostumbraré a la etiqueta adecuada. ¡Gracias por la ayuda!
@AlastairHaslam no hay problema, todos fuimos nuevos alguna vez. Bienvenido al sitio!
@AlastairHaslam ¡Gracias por la referencia y las imágenes! He editado tu publicación para mostrar las imágenes en línea. Simplemente use el ícono de la imagen pequeña en el marco del cuadro de edición para hacer esto. ¡Gran respuesta!
@OrganicMarble eso es excelente, ¡gracias por tu edición y la bienvenida!
Todavía me pregunto si un J-2 de 100:1, 760 psi/5260 kPa podría alcanzar los 450, pero esto responde a mi primera pregunta. ¡Gracias!
@RussellBorogove Me temo que los cálculos me superarían, pero encontré algo que podría responder a esto. astronautix.com/r/rl-10a-4-2.html brinda detalles sobre el RL-10A-4-2, una variante del RL-10 que presenta una relación de expansión de 84:1 y una presión de cámara de 566 psi, capaz de 451 segundos de vacío Isp. Ahora, el RL-10 no es el J-2, pero demuestra que es posible hacerlo con menos.
El nuevo programa J-2X de @RussellBorogove PWR tenía un diseño de motor con una relación de expansión de boquilla de 92:1. La longitud del motor aumentó de 3,38 m a 4,70 m, mientras que el diámetro aumentó de 2,03 m a 3,05 m, demasiado grande para el S-II y el S-IVB. El impulso específico de vacío iba a ser de 448 segundos, pero incluso con la relación de área masiva, requería una presión de cámara de 1337 psia. Por lo tanto, parece poco probable que el 763psia J-2 pueda superar los 450 segundos, incluso con una boquilla de 100:1. www.alternatewars.com/BBOW/Space_Engines/…
¿Se consideró alguna vez una variante de boquilla grande del J-2?
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