MOTEURS J-2

Le J-2 est un moteur cryogénique, c'est à dire employant des propergols hautement énergétique à savoir de l'hydrogène et de l'oxygène liquide (à trés basses températures, hydrogène liquide à -252°C, oxygène liquide à -182°C). Le couple assure un vitesse d'éjection de 3900 m/s contre 2700 pour le couple RP1/oxygène liquide.

Application : étages S-II, S-IVb, étage de Saturn IB et Saturn V.
Premier vol : 1967.
Masse à vide : 1578 kg.
Longueur : 3,4 m.
Diamètre maximum : 2 m
Oxydant (comburant) : oxygène liquide (LOX), délivré à 204 kg/s.
Carburant : hydrogène liquide (LH₂), délivré à 37,1 kg/s.
Rapport de mélange : 5,5.
Poussée : 1001 kN vac maximum; plus tard augmenté à 1023 kN vac max.
Impulsion spécifique : 424 s vac (427 s vac à 5:1 rapport de mélange).
Rapport d'expension : 27,5:1.
Pression de la chambre de combustion : 51,9 atm.
Température de la chambre de combustion : 3180°C.
Temps de combustion : évalué à 500 s.

Bon à savoir :
Le moteur J-2 de l'étage S-IVb (3 ème étage de Saturn V) était directionnel (monté sur verins hydrauliques) et était ré-allumable (pour l'injection trans-lunaire).

Le moteur J-2 équipe le second (S-II, x5) et le troisième étage (S-IVb, x1) du lanceur Saturn 5. Il est chargé de la satellisation autour de la Terre (par l'intermédiaire de l'étage S-II) et d'injecter le train spatial (CSM+LM) sur sa trajectoire trans-lunaire. Successeur du RL10 qui équipe les Saturn I, il développe 90 tonnes de poussée dans le vide contre 40.

Pour rappel le moteur J-2 est un moteur cryogénique donc l'emploi de ces propergols nécessite quelques précautions. L'hydrogène liquide a une faible densité ce qui demande des réservoirs de grandes dimensions. Il faut savoir que, l'hydrogène n'est liquide qu'en dessous -252°C ce qui oblige une isolation spéciale d'une rigueur excessive des réservoirs. La cohabitation avec l'oxygène liquide stocké à -182°C dans le réservoir voisin est aussi un autre soucis pour les ingénieurs. Les propergols cryogénique implique aussi l'utilisation de joints spéciaux à base de métal et de plastique assurant à la fois la dureté et l'élasticité.

Pour le S-II, la solution retenue est l'isolation externe avec une structure interne comme le S-IVb en duralumin.
Principal avantage du moteur J-2, il est ré-allumable en vol, à savoir il possède un réservoir d'hydrogène rechargeable (voir schéma) et d'un système d'allumage par étincelle avec dispositif de rémorçage automatique.

Description générale :
Un simple moteur J-2 est utilisé sur le troisième étage, il est monté sur cardan de sorte qu'il puisse être "déplacé" en vol et est employé pour orienter l'étage. Cinq moteurs J-2 sont montés en faisceau sur le deuxième étage. Les quatre moteurs extérieurs du faisceau sont montés sur cardan pour fournir au véhicule la commande de tangage, de lacet et de roulis. le moteur central est monté sur une position fixe.

Localisation des moteurs J-2 de l'étage S-II

Localisation du J-2, étage S-IVb

Les systèmes principaux du moteur J-2 sont :
- L'ensemble chambre de combustion (de poussée) et cardan de direction.
- le système d'alimentation en propergols.
- la tuyére et le générateur de gaz.
- le système de commande électrique et pneumatique.
- l'ensemble du système du réservoir de démarrage.
- le système d'instrumentation de vol.

La chambre de combustion du moteur J-2 sert de bâti à tous les éléments de moteur. Elle se compose des sous ensembles suivants :
le corps de la chambre de combustion, l'ensemble composé de l'injecteur et du dôme, l'ensemble des cardans de directions, et l'ensemble d'allumeur. La poussée est transmise par le cardan monté sur le dôme de chambre de combustion à la structure d'armature de poussée du véhicule. La chambre de combustion et l'injecteur reçoivent les propergols sous pression des turbopompes, les mélangent, et les brûlent pour donner une vitesse élevée aux gaz de combustion expulsés pour produire la poussée nécessaire à la propulsion du véhicule.
Le J-2 est alimenté par 2 turbopompes montées en série et disposées de part et d'autre de la chambre de combustion.

Descriptif des éléments

La chambre de combustion : Elle est construite avec des tubes d'acier inoxydable d'une épaisseur de paroi de 0,304 mm (0,012 in). Ces parois minces sont exigés pour améliorer le transfert thermique. La chambre à la forme d'une cloche avec un rapport de 27,5 à 1 de secteur d'expansion pour une opération efficace en altitude, et est régénérativement refroidie par le carburant.
Le carburant entre d'un collecteur auquel il a été livré à une pression de plus de 1000 psi. Il fait une moitié le passage de haut en bas par 180 tubes et un plein passage en haut par 360 tubes pour rafraîchir la chambre.

Le dôme : l'ensemble composé de l'injecteur et du dôme est placé au sommet de la chambre de poussée. Le dôme collecte l'oxygène liquide et sert de support pour le cardan et l'allumeur.

L'injecteur : il est concentrique orificed et poreux fait face. Le but de l'injecteur est de pulvériser et de mélanger les propergols de sorte de produire la combustion la plus efficace. Des tiges creuses d'oxydant sont usinés pour faire partie intégrante de l'injecteur. Des gicleurs de carburant (LH₂) sont filetés et installés sur les tiges d'oxydant. La face de l'injecteur est formé d'acier inoxydable poreux et est soudé à sa périphérie au corps d'injecteur. Chaque gicleur de carburant est étampé à la face de l'injecteur. L'injecteur reçoit l'oxygène liquide du dôme collecteur et l'injecte par les tiges d'oxydant dans le secteur de combustion de la chambre. Le carburant est reçu du collecteur d'hydrogène supérieur dans la chambre de combustion et injecté par les orifices de carburant qui sont concentriques avec les orifices d'oxydant. Les propergols sont injectés uniformément pour assurer la combustion satisfaisante.

Le cardan : il est compact, c'est un joint universel se composant d'une douille-type roulement sphérique avec un enduit de composition en Teflon-fibre de verre qui fournit une surface d'appui sêche de bas-frottement. Il inclut également un dispositif de réglage latéral pour aligner la chambre avec le véhicule. Le cardan transmet la poussée de l'injecteur à la structure de poussée du véhicule et fournit un roulement de pivot pour le débattement du vecteur de poussée, fournissant ainsi le contrôle d'attitude de vol du véhicule. Le cardan est monté sur le dessus de l'injecteur.

Opérations

La séquence d'allumage :
elle est initialisé en fournissant l'énergie à deux bougies dans le générateur de gaz et dans deux allumeurs pour la mise à feu des propergols. Ensuite, deux valves solénoïde sont mises en marche: une pour le contrôle de l'hélium et une pour le contrôle de la phase de mise à feu.
L'hélium est acheminé pour maintenir les soupapes de purge du propergol fermées et purger le "dôme" collecteur LOX de la chambre de poussée, le joint intermédiaire de la pompe LOX ainsi que le passage d'oxydant du générateur de gaz. De plus, la valve principale de carburant et la valve ASI d'oxydant sont ouverts, créant une flamme d'allumage dans la chambre ASI qui passe par le centre de l'injecteur de la chambre de poussée.
Après qu' un délai de 1, 3, ou 8 secondes se soit écoulé, pendant lequel, le carburant est distribué par la chambre de poussée pour conditionner le moteur pour le démarrage, la valve de "décharge" du réservoir de démarrage est ouverte pour lancer la rotation de la turbine. Le durée de l'écoulement du carburant dépend de la durée de la phase de poussée du première étage du lanceur Saturn V.
Quand le moteur J-2 est utilisé dans le deuxième étage du lanceur Saturn V, une avance de carburant d'une seconde est nécessaire. Le troisième étage de Saturn V, d'une part, utilise trois seconde d'avance de carburant pour son démarrage initial et huit secondes d'écoulement de carburant pour son re-démarrage (injection trans-lunaire).

Après un intervalle de 0,450 seconde, la valve de "décharge" du réservoir de démarrage est fermée et une commande solenoïde principale de l'étage est actionnée:
- 1) arrêt de la purge d'hélium du générateur de gaz et de la chambre de combustion.
- 2) ouverture de la soupape de commande du générateur de gaz (les gaz chauds de celui ci entrainent maintenant les turbopompes).
- 3) ouverture de la valve principale d'oxydant dans sa première position (ouverture de 14 degrés) permettant au LOX de couler dans le son "dôme" collecteur pour brûler avec le carburant (LH2) qui a circulé par l'injecteur.
- 4) fermeture du clapet de dérivation de la turbine d'oxydant (une partie des gaz pour entrainer la turbopompe d'oxydant ont été déviées pendant la phase d'allumage).
- 5) une chute de pression du côté fermeture du déclencheur de la valve pneumatique d'oxydant contrôle l'ouverture lente de celle ci pour une transition graduée dans l'étage principal.
L'énergie dans les bougies d'allumage est coupée et le moteur fonctionne à la poussée voulue. Pendant la phase de fonctionnement initiale des moteurs, le réservoir de démarrage d'hydrogène gazeux de chacun d'eux sera recharger, si l'un d'entre eux à besoin de redémarrer (suite à disfonctionnement).
Le réservoir d'hydrogène est repressurisé par le prélevement mesuré d'un mélange d'hydrogène liquide depuis la tubulure d'admission de la chambre de combustion et d'hydrogène réchauffé depuis la tubulre d'injection de la chambre de combustion juste avant d'entrer dans l'injecteur.

La séquence de coupure du moteur :
Quand le signal de coupure du moteur (engine cutoff) est reçu par le boitier de commande électrique, il désactive les valves solénoïdes de la phase principale d'allumage et active le temporisateur solenoïde de contrôle d'activation de l'hélium. Celui ci, à son tour, permet de fermer la pression à la valve principale de carburant (LH2) , la valve principale d'oxydant (LOX), la valve de contrôle du génerateur de gaz et la valve alimentant de l'allumeur.
La valve de dérivation (bypass) de la turbine d'oxydant et les valves de purge du propergol s'ouvrent et la purge du générateur de gaz ainsi que du dôme collecteur de LOX est commencée.

Détail des procédure de re-démarrage du moteur J-2 (étage S-IVb) :
Pour fournir les possibilités de re-démarrage du troisième étage (S-IVb) du lanceur Saturn V, le réservoir d'hydrogène gazeux de démarrage du moteur J-2 est re-rempli en 60 secondes pendant la précédente mise à feu, après que le moteur ait atteint un état de fonctionnement stable. Le remplissage du réservoir gazeux d'hélium n'est pas exigé parce que l'approvisionnement au sol est suffisant pour trois démarrage.
Avant le re-démarrage du moteur, les fusées d'ullage de l'étage sont mises à feu pour arranger (comprimer) les carburants dans les réservoirs, assurant un débit homogène (sans bulle d'air) aux admissions de la turbopompe.
En outre, les clapets de purge "carburant" du moteur sont ouverts, la valve de re-circulation de l'étage est ouverte, la pré-valve est fermée, une circulation de LO2 et LH2 est alors effectué par le système de purge du moteur pendant cinq minutes pour conditionner le moteur à la température appropriée pour assurer le fonctionnement correct de celui ci.
Le re-démarrage du moteur est lancé après que le signal "moteur prêt" soit reçu de l'étage. C'est similaire au premier ordre (démarrage initial aprés séparation du S-II). Le temps entre la coupure initiale et le re-démarrage est de 1h30 au minimum à 6 heures maximum, cela dépend du nombre d'orbites terrestres requises pour atteindre la fenêtre de tir lunaire pour la trajectoire trans-lunaire.

Schéma simplifié de la circulation des propergols dans le moteur J-2

LOX: oxygène liquide/LO2.

LH2: hydrogène liquide.

ASI: Augmented Spark Igniter pour "Allumeur par étincelles".

Duralumin: c'est un alliage constitué d’aluminium, de cuivre, de manganèse et de magnésium. Le tableau ci-dessous vous indique les masses (en grammes) de ces divers corps composant 200 g de duralumin.