روكيتداين جيه-2

كانت مضخة الوقود التوربينية، المثبتة على حجرة الدفع، وحدة ضخ محورية التدفق تعمل بواسطة توربين، وتتألف من مُحفِّز، ودوار سباعي المراحل، ومجموعة ثابتة. كانت مضخة عالية السرعة تعمل بسرعة 27000  دورة في الدقيقة، ومصممة لزيادة ضغط الهيدروجين من 210 إلى 8450 كيلو باسكال (من 30 إلى 1225 رطل لكل بوصة مربعة) (مطلق) عبر قنوات عالية الضغط بمعدل تدفق يُولِّد 5800 كيلو واط (7800 حصان بخاري) . تم توفير الطاقة اللازمة لتشغيل المضخة التوربينية بواسطة توربين عالي السرعة ثنائي المراحل. تم توجيه الغاز الساخن من مولد الغاز إلى مشعب مدخل التوربين الذي يوزع الغاز على فوهات المدخل حيث يتم تمديده وتوجيهه بسرعة عالية إلى عجلة التوربين في المرحلة الأولى. بعد مرور الغاز عبر عجلة التوربين في المرحلة الأولى، يُعاد توجيهه عبر حلقة من شفرات الجزء الثابت ليدخل عجلة التوربين في المرحلة الثانية. ثم يخرج الغاز من التوربين عبر قناة العادم. وتمنع ثلاثة موانع تسرب ديناميكية متصلة على التوالي اختلاط سائل المضخة مع غاز التوربين. وتُنقل الطاقة من التوربين إلى المضخة بواسطة عمود متصل. ^{[ 2 ]}    

تم تركيب مضخة التوربين المؤكسد على غرفة الاحتراق مقابل مضخة التوربين للوقود قطريًا. وهي مضخة طرد مركزي أحادية المرحلة تعمل بمحرك توربيني مباشر . تعمل مضخة التوربين المؤكسد على زيادة ضغط الأكسجين السائل وضخه عبر قنوات الضغط العالي إلى غرفة الاحتراق. تعمل المضخة بسرعة 8600  دورة في الدقيقة عند ضغط تصريف يبلغ 7400 كيلو باسكال (1080 رطل لكل بوصة مربعة) (مطلق)، وتولد قدرة 1600 كيلو واط (2200 حصان بخاري) . تُركب المضخة وعجلتا التوربين على عمود مشترك. يتم توفير الطاقة اللازمة لتشغيل مضخة التوربين المؤكسد بواسطة توربين ثنائي المراحل عالي السرعة، يعمل بغازات العادم من مولد الغاز. تم توصيل توربينات مضخات التوربينات المؤكسدة والوقود على التوالي بواسطة قنوات عادم توجه غاز العادم الخارج من توربين مضخة التوربينات الوقودية إلى مدخل مشعب توربينات مضخة التوربينات المؤكسدة. وقد منع مانع تسرب ثابت واحد ومانعان تسرب ديناميكيان موصولان على التوالي اختلاط سائل المؤكسد في مضخة التوربينات مع غاز التوربينات. ^{[ 2 ]}    

عند بدء تشغيل المضخة التوربينية، يدخل الغاز الساخن إلى الفوهات، ومن ثم إلى عجلة التوربين في المرحلة الأولى. بعد مروره عبر عجلة التوربين في المرحلة الأولى، يُعاد توجيه الغاز بواسطة شفرات الجزء الثابت ليدخل إلى عجلة التوربين في المرحلة الثانية. ثم يخرج الغاز من التوربين عبر قناة العادم، ويمر عبر المبادل الحراري، ويُصرّف إلى غرفة الدفع عبر مشعب يقع مباشرة فوق مشعب مدخل الوقود. تُنقل الطاقة من التوربين إلى المضخة بواسطة عمود متصل. تزداد سرعة الأكسجين السائل (LOX) بواسطة المحفز والمروحة. عند دخول الأكسجين السائل إلى غلاف المخرج، تتحول سرعته إلى ضغط، ويُضخ الأكسجين السائل إلى قناة المخرج بضغط عالٍ. ^{[ 2 ]}

كانت مقاييس تدفق الوقود والمؤكسد من النوع الدوار ذي الريش الحلزوني. وُضعت هذه المقاييس في قنوات الضغط العالي للوقود والمؤكسد، حيث تقيس معدلات تدفق الوقود الدافع في هذه القنوات. يُنتج الدوار ذو الريش الأربع في نظام الهيدروجين أربع نبضات كهربائية لكل دورة، ويدور بسرعة 3700  دورة في الدقيقة تقريبًا عند التدفق الاسمي. أما الدوار ذو الريش الست في نظام الأكسجين السائل، فيُنتج ست نبضات كهربائية لكل دورة، ويدور بسرعة 2600  دورة في الدقيقة تقريبًا عند التدفق الاسمي. ^{[ 2 ]}

تطلب نظام تغذية الوقود عددًا من الصمامات للتحكم في تشغيل المحرك عن طريق تغيير تدفق الوقود عبر مكونات المحرك: ^{[ 2 ]}

• كان صمام الوقود الرئيسي صمامًا من نوع الفراشة، يعمل بنابض ليغلق، ويُفتح بالهواء المضغوط، ويُغلق بمساعدة هوائية. وقد رُكّب بين قناة الوقود عالية الضغط الخارجة من مضخة التوربين ومجمع مدخل الوقود في غرفة الاحتراق. يتحكم صمام الوقود الرئيسي في تدفق الوقود إلى غرفة الاحتراق. يؤدي الضغط الناتج عن صمام التحكم في مرحلة الإشعال في وحدة التحكم الهوائية إلى فتح الصمام أثناء بدء تشغيل المحرك، ومع بدء فتح البوابة، يسمح بتدفق الوقود إلى مجمع مدخل الوقود. ^{[ 2 ]}
• كان صمام المؤكسد الرئيسي (MOV) صمامًا من نوع الفراشة، يعمل بنابض ليغلق، ويُفتح بالهواء المضغوط، ويُغلق بمساعدة هوائية. وقد رُكّب بين قناة المؤكسد عالية الضغط الخارجة من مضخة التوربين المؤكسد ومدخل المؤكسد في مجموعة غرفة الدفع. وتم توجيه الضغط الهوائي من المنفذ المغلق عادةً لصمام الملف اللولبي للتحكم في المرحلة الرئيسية إلى مشغلي الفتح في المرحلتين الأولى والثانية لصمام المؤكسد الرئيسي. وقد وفر تطبيق ضغط الفتح بهذه الطريقة، بالإضافة إلى التهوية المتحكم بها لضغط إغلاق صمام المؤكسد الرئيسي عبر فتحة تعويض حراري، فتحًا تدريجيًا متحكمًا به لصمام المؤكسد الرئيسي عبر جميع نطاقات درجات الحرارة. وقام صمام تسلسلي، موجود داخل مجموعة صمام المؤكسد الرئيسي، بتزويد جزء التحكم في الفتح في صمام التحكم في مولد الغاز بالضغط الهوائي، ومن خلال فتحة إلى جزء الإغلاق في صمام تجاوز توربين المؤكسد. ^{[ 2 ]}
• صمام استخدام الوقود (PU) هو صمام نقل مؤكسد يعمل بالكهرباء، ثنائي الطور، ومزود بمحرك، ويقع عند مخرج مضخة التوربين المؤكسدة . يضمن صمام استخدام الوقود تفريغ محتويات خزانات الوقود في آنٍ واحد. أثناء تشغيل المحرك، تتحكم أجهزة استشعار مستوى الوقود في خزانات وقود المركبة في وضع بوابة الصمام لضبط تدفق المؤكسد، وذلك لضمان تفريغ الوقود والمؤكسد معًا. ^{[ 2 ]}

• كان من بين وظائف صمام PU الإضافية توفير تنويعات في قوة الدفع لزيادة الحمولة إلى أقصى حد. فعلى سبيل المثال، عملت المرحلة الثانية وصمام PU مغلقًا لأكثر من 70% من مدة الاحتراق. وقد وفر هذا الوضع قوة دفع تبلغ 1000 كيلو نيوتن (225000 رطل) بنسبة خلط وقود (مؤكسد إلى وقود بالوزن) تبلغ 5.5:1 (عندما كان صمام PU مفتوحًا بالكامل، كانت نسبة الخلط 4.5:1 ومستوى الدفع 780 كيلو نيوتن (175000 رطل) )، مع نبضة نوعية أعلى نظرًا لوجود كمية أكبر من الهيدروجين غير المحترق في العادم. وخلال الجزء الأخير من الرحلة، تم تغيير وضع صمام PU لتفريغ خزانات الوقود في آن واحد. كما عملت المرحلة الثالثة عند مستوى الدفع العالي لمعظم مدة الاحتراق لتحقيق فوائد الدفع العالي. تختلف الفترة الزمنية الدقيقة التي يعمل فيها المحرك مع إغلاق صمام وحدة الدفع باختلاف متطلبات المهمة الفردية ومستويات خزانات الوقود. ^{[ 2 ]}    

• كانت صمامات تصريف الوقود المستخدمة في كلٍ من نظامي الوقود والمؤكسد من النوع ذي الصمامات الصغيرة، حيث كانت تُفتح بنابض وتُغلق بالضغط. رُكّب كلا صمامَي تصريف الوقود على خطوط التغذية الخلفية المجاورة لشفتي تصريف مضخة التوربين الخاصة بهما. سمحت هذه الصمامات بتدوير الوقود في خطوط نظام التغذية للوصول إلى درجة حرارة التشغيل المناسبة قبل بدء تشغيل المحرك، وكانت تُتحكم بها بواسطة المحرك. عند بدء تشغيل المحرك، تم تنشيط صمام الملف اللولبي للتحكم بالهيليوم في وحدة التحكم الهوائية، مما سمح للضغط الهوائي بإغلاق صمامات التصريف، التي ظلت مغلقة أثناء تشغيل المحرك. ^{[ 2 ]}

تم لحام مولد الغاز نفسه بمجمع توربين مضخة الوقود، مما جعله جزءًا لا يتجزأ من مجموعة مضخة توربين الوقود. وقد أنتج غازات ساخنة لتشغيل توربينات الوقود والمؤكسد، ويتكون من غرفة احتراق تحتوي على شمعتي إشعال، وصمام تحكم يحتوي على منافذ للوقود والمؤكسد، ومجموعة حاقن. عند بدء تشغيل المحرك، يتم تنشيط مُثيرات الشرارة في وحدة التحكم الكهربائية، مما يوفر الطاقة لشمعتي الإشعال في غرفة احتراق مولد الغاز. تتدفق المواد الدافعة عبر صمام التحكم إلى مجموعة الحاقن وإلى مخرج غرفة الاحتراق، قبل توجيهها إلى توربين الوقود ثم إلى توربين المؤكسد. ^{[ 2 ]}

• كان صمام التحكم في مولد الغاز من النوع ذي الصمام الهوائي، ويُغلق بنابض. ويرتبط صماما الوقود والمؤكسد ميكانيكيًا بواسطة مشغل. يتحكم الصمام في تدفق المواد الدافعة عبر حاقن مولد الغاز. عند استقبال إشارة المرحلة الرئيسية، يُطبَّق ضغط هوائي على مجموعة مشغل صمام التحكم في مولد الغاز، مما يُحرِّك المكبس ويفتح صمام الوقود. أثناء فتح صمام الوقود، يلامس المشغل المكبس، فيفتح صمام المؤكسد. ومع انخفاض الضغط الهوائي، تُغلق النوابض الصمامين. ^{[ 2 ]}
• كان صمام تجاوز توربين المؤكسد صمامًا بوابيًا زنبركيًا مفتوحًا في الوضع الطبيعي. وقد تم تركيبه في قناة تجاوز توربين المؤكسد، وزُوّد بفوهة حُدِّد حجمها أثناء معايرة المحرك. في وضع الفتح، كان الصمام يُخفِّض سرعة مضخة الأكسجين أثناء بدء التشغيل، وفي وضع الإغلاق، كان يعمل كجهاز معايرة لتوازن أداء المضخة التوربينية. ^{[ 2 ]}

صُنعت قنوات عادم التوربين وأغطية عادم التوربين من صفائح معدنية ملحومة. واستُخدمت حواف مزودة بمانعات تسرب مزدوجة عند وصلات المكونات. نقلت قنوات العادم غازات عادم التوربين إلى مشعب عادم غرفة الدفع، الذي أحاط بغرفة الاحتراق تقريبًا في منتصف المسافة بين عنق غرفة الاحتراق ومخرج الفوهة. مرت غازات العادم عبر المبادل الحراري، ثم خرجت إلى غرفة الاحتراق الرئيسية عبر 180 فتحة مثلثة بين أنابيب غرفة الاحتراق. ^{[ 2 ]}

كان المبادل الحراري عبارة عن هيكل مُغلف، يتألف من قناة، ومنفاخ، وحواف، وملفات. وقد تم تركيبه في قناة عادم التوربين بين مشعب تصريف توربين المؤكسد وغرفة الاحتراق. وكان يقوم بتسخين وتمديد غاز الهيليوم لاستخدامه في المرحلة الثالثة، أو بتحويل الأكسجين السائل إلى أكسجين غازي للمرحلة الثانية للحفاظ على ضغط خزان المؤكسد في المركبة. أثناء تشغيل المحرك، كان يتم سحب الأكسجين السائل من قناة المؤكسد عالية الضغط، أو يتم توفير الهيليوم من مرحلة المركبة وتوجيهه إلى ملفات المبادل الحراري. ^{[ 2 ]}

يتألف نظام أجهزة الطيران من حزمة أجهزة أساسية وحزمة مساعدة. تقيس حزمة الأجهزة الأساسية المعايير الحيوية لجميع عمليات الإطلاق الثابتة للمحرك وعمليات إطلاق المركبة اللاحقة. وتشمل هذه المعايير حوالي 70 معيارًا، مثل الضغوط ودرجات الحرارة والتدفقات والسرعات ومواضع الصمامات لمكونات المحرك، مع إمكانية إرسال الإشارات إلى نظام تسجيل أرضي أو نظام قياس عن بُعد، أو كليهما. صُمم نظام الأجهزة للاستخدام طوال عمر المحرك، بدءًا من أول عملية إطلاق ثابتة للقبول وحتى رحلة المركبة النهائية. أما الحزمة المساعدة، فقد صُممت للاستخدام خلال رحلات المركبة المبكرة. ويمكن حذفها من نظام أجهزة المحرك الأساسي بعد أن يثبت نظام الدفع موثوقيته خلال رحلات البحث والتطوير. وتتميز هذه الحزمة بمرونة كافية تسمح بحذف أو استبدال أو إضافة المعايير التي تُعتبر ضرورية نتيجةً لاختبارات إضافية. ولن يؤثر حذف الحزمة المساعدة في نهاية المطاف على قدرة القياس للحزمة الأساسية. ^{[ 2 ]}

بدأ برنامج تجريبي لتحسين أداء محرك J-2 في عام 1964 تحت اسم J-2X (لا يُخلط بينه وبين نسخة لاحقة تحمل الاسم نفسه ). تمثل التغيير الرئيسي في تصميم J-2 الأصلي في التحول من دورة مولد الغاز إلى دورة التغذية المباشرة التي تُزود الغاز الساخن من صنبور في غرفة الاحتراق بدلاً من موقد منفصل. بالإضافة إلى إزالة بعض الأجزاء من المحرك، ساهم هذا التغيير أيضًا في تسهيل تشغيل المحرك وضبط توقيت غرف الاحتراق المختلفة بدقة. ^{[ 7 ]}

تضمنت التغييرات الإضافية نظامًا للتحكم في قوة الدفع لزيادة مرونة المهمة، الأمر الذي استلزم أيضًا نظامًا لخلط الوقود والأكسجين بشكل متغير لضمان مزجهما بشكل صحيح لمختلف ضغوط التشغيل. كما تضمنت وضعًا جديدًا يُعرف بـ"وضع الخمول" يُنتج قوة دفع ضئيلة للمناورة في المدار أو لتثبيت خزانات الوقود في المدار قبل بدء عملية الاحتراق.

خلال البرنامج التجريبي، أنتجت شركة روكيتداين أيضًا دفعة صغيرة من ستة نماذج تجريبية لاختبارها، وهي J-2S . أُجريت عليها اختبارات إطلاق عديدة بين عامي 1965 و1972، بإجمالي وقت احتراق بلغ 30,858 ثانية. في عام 1972، اتضح عدم وجود طلبات لاحقة لمعززات ساتورن، فتوقف البرنامج. مع ذلك، درست ناسا استخدام J-2S في عدد من المهمات المختلفة، بما في ذلك تزويد مكوك الفضاء بالطاقة في عدد من التصاميم المبكرة، بالإضافة إلى استخدامه في مركبة الإطلاق الثقيلة كوميت . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

بينما استمر العمل على محرك J-2S، مولت ناسا أيضًا مشروعًا لتصميم غرفة احتراق حلقية مزودة بفوهة هوائية جديدة، وذلك باستخدام التوربينات وأنابيب J-2S . من شأن هذا أن يحسن الأداء بشكل أكبر. تم بناء نسختين: J-2T-200k بقوة دفع 890 كيلو نيوتن (200,000 رطل) ، ^{[ 10 ]} مما يسمح بتركيبها مباشرةً في المرحلتين S-II وS-IVB الموجودتين، و J-2T-250k بقوة دفع 1,100 كيلو نيوتن (250,000 رطل) . ^{[ 11 ]}    

ومثل طائرة J-2S، وصل العمل على طائرة J-2T إلى سلسلة طويلة من التجارب الأرضية، لكن التطوير الإضافي انتهى في مرحلة ما بعد برنامج أبولو.

تم اختيار محرك آخر يحمل اسمًا مشابهًا، وهو J-2X ، ^{[ 12 ] [ 13 ]} في عام 2007 لبرنامج الهبوط المأهول على سطح القمر ضمن مشروع كونستليشن . وكان من المقرر استخدام محرك J-2X واحد، يولّد قوة دفع تبلغ 1310 كيلو نيوتن (294000 رطل) ، لتشغيل مرحلة مغادرة الأرض (EDS). ^{[ 14 ]}  

بدأت وكالة ناسا في 23 أغسطس 2007 بناء منصة اختبار جديدة لاختبار محركات J-2X على ارتفاعات عالية في مركز ستينيس الفضائي (SSC). ^{[ 15 ]} وبين ديسمبر 2007 ومايو 2008، أُجريت تسعة اختبارات على مكونات محرك J-2 القديمة في مركز ستينيس الفضائي استعدادًا لتصميم محرك J-2X. ^{[ 16 ]}

صُمم محرك J-2X الجديد ليكون أكثر كفاءة وأسهل في التصنيع من سابقه، محرك أبولو J-2، وبتكلفة أقل من محرك مكوك الفضاء الرئيسي (SSME). ^{[ 17 ]} تشمل اختلافات التصميم إزالة البريليوم ، واستخدام إلكترونيات حديثة، ومضخة توربينية طاردة مركزية بدلاً من المضخة التوربينية المحورية في محرك J-2، ونسب تمدد مختلفة للحجرة والفوهة، وحجرة احتراق ذات جدران قناة بدلاً من حجرة الاحتراق الملحومة بالأنابيب في محرك J-2، وإعادة تصميم جميع الإلكترونيات، والحقن فوق الصوتي، واستخدام تقنيات الربط الحديثة. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

في 16 يوليو/تموز 2007، أعلنت وكالة ناسا رسميًا منح شركة برات آند ويتني روكيتداين عقدًا بقيمة 1.2 مليار دولار أمريكي "لتصميم وتطوير واختبار وتقييم محرك J-2X" المُخصص لتشغيل المراحل العليا من مركبتي الإطلاق آريس 1 وآريس 5. ^{[ 18 ]} وفي 8 سبتمبر/أيلول 2008، أعلنت برات آند ويتني روكيتداين نجاح اختبار التصميم الأولي لمولد الغاز J-2X. ^{[ 19 ]} وفي 21 سبتمبر/أيلول 2010، أُعلن عن إتمام جولة ثانية من اختبارات مولد الغاز بنجاح. ^{[ 20 ]}

ألغى الرئيس باراك أوباما مشروع كونستليشن في 11 أكتوبر 2010، ^{[ 21 ]} لكن استمر تطوير محرك J-2X لما يتمتع به من إمكانات كمحرك للمرحلة الثانية لنظام إطلاق الفضاء الجديد ذي القدرة العالية على رفع الصواريخ . وكان من المقرر إجراء أول اختبار إطلاق ناري لمحرك J-2X في أواخر يونيو 2011. ^{[ 22 ]}

في 9 نوفمبر 2011، أجرت وكالة ناسا عملية إطلاق ناجحة لمحرك J-2X لمدة 499.97 ثانية. ^{[ 23 ]}

في 27 فبراير 2013، واصلت ناسا اختبار محرك J-2X لمدة 550 ثانية في مركز ستينيس الفضائي التابع لناسا. ^{[ 24 ]}

في وقت لاحق، تم اختيار محرك المرحلة العلوية المخطط له، والذي كان سيصبح المرحلة العلوية الاستكشافية لصاروخ SLS، كنسخة معدلة من محرك RL-10 ، وهو RL-10C-3. ^{[ 25 ]} ونتيجة لذلك، توقف تطوير J-2X، وأصبح البرنامج "متوقفًا" رسميًا منذ انتهاء مرحلة اختبار النموذج الأولي في عام 2014. ^{[ 26 ]}

• 
  صورة تخيلية لمحرك J-2X
• 
  اختبار مولد الغاز "العمود الفقري" لمحرك J-2X
• 
  اختبار فوهات التدفق البارد لبرنامج J2X