Mirando la página de Wikipedia para el J-2 (se usó un motor en la tercera etapa de Saturno V y 5 motores en la segunda etapa) obtiene alrededor de 232Klbs de empuje en el vacío, pero al nivel del mar, solo 109KLbs de empuje.
Ese es un cambio de rendimiento bastante salvaje.
¿Por qué tanta diferencia? Si compara el rendimiento del Merlín al vacío con el del Merlín a nivel del mar, obtendrá un cambio mucho menor en el rendimiento.
Supongo que es porque nunca hubo un motor J-2 optimizado para el nivel del mar (estaba destinado a ser un motor de etapa superior), por lo que el número del nivel del mar puede ser falso o solo de los bancos de prueba.
Diseñado para alta presión ambiental baja, supongo. La optimización principal está en la boquilla :
Para un rendimiento óptimo, la presión del gas al final de la boquilla debe ser igual a la presión ambiental: si la presión del escape es más baja que la presión ambiental, entonces el vehículo disminuirá la velocidad por la diferencia de presión entre la parte superior del motor y la salida; por otro lado, si la presión del escape es más alta, la presión del escape que podría haberse convertido en empuje no se convierte y se desperdicia energía.
Para mantener este ideal de igualdad entre la presión de salida del escape y la presión ambiental, el diámetro de la boquilla debería aumentar con la altitud, dando a la presión una boquilla más larga para actuar (y reduciendo la presión y la temperatura de salida). Este aumento es difícil de organizar de manera ligera, aunque se realiza de forma rutinaria con otras formas de motores a reacción. En cohetería, generalmente se usa una boquilla de compromiso liviana y se produce cierta reducción en el rendimiento atmosférico cuando se usa en una 'altitud de diseño' diferente o cuando se estrangula.
Hay otra variable importante a considerar además de la presión de la cámara y el diseño de la boquilla: cómo el motor bombea los propulsores a la cámara. El motor J-2, como la etapa inferior (y un motor F-1 que quemaba queroseno con un ISP mucho más potente pero de menor ISP) usaba un generador de gas (básicamente quemaba oxígeno y combustible, aquí hidrógeno) para impulsar una turbina que bombeaba el oxígeno y el hidrógeno al mismo y la cámara principal. El F-1 (que usa queroseno en lugar de hidrógeno) fue diseñado con una presión del generador de gas lo suficientemente alta como para impulsar las bombas en el lanzamiento, pero el J-2, diseñado para operaciones de vacío, usó una presión del generador de gas más baja para impulsar sus bombas. El ISP a nivel del mar muy bajo refleja no solo el "retroceso" habitual de los cohetes por la presión del aire a nivel del mar, sino también una bomba turbo anémica por la misma contrapresión.
Justo hoy descargué un software llamado RPA que simula cámaras de cohetes y rendimiento de toberas para una amplia variedad de tipos de propulsores y presiones de cámara y otras condiciones. Mi intento de simular el motor J-2A (una actualización del J-2) sugiere, si lo hice correctamente, que un ISP a nivel del mar razonable para los motores de la serie J con el mismo tipo de cámara y boquilla estaría un poco por debajo 300 segundos, una reducción del 31 por ciento. En términos de empuje en Klbs, eso sugeriría un poco menos de 160, por lo que un poco menos de 110, el rendimiento deficiente de la bomba al nivel del mar aparentemente lo reduce en otro 22 por ciento.
oso travis