MOTEURS J-2
Le J-2 est un moteur-fusée cryogénique haute performance à redémarrages multiples, utilisant de l'oxygène liquide (à -183 °C) comme oxydant et de l'hydrogène liquide (à -252 °C) comme carburant. Ce couple d'ergols hautement énergétiques assure une vitesse d'éjection de 4 200 m/s (contre 2 700 m/s pour le couple RP-1/oxygène liquide). Chaque ergol est pompé dans la chambre de poussée par des turbopompes distinctes à entraînement direct et à turbine à gaz. Les deux turbopompes sont alimentées en série par un générateur de gaz unique qui utilise les mêmes ergols que la chambre de poussée.
La chambre de poussée possède une paroi tubulaire et est refroidie de manière régénérative par la circulation du carburant à travers les tubes avant que celui-ci ne soit injecté dans la zone de combustion. Le moteur dispose d'un réservoir de démarrage rechargeable à partir duquel de l'hydrogène gazeux sous pression est acheminé vers les turbines des turbopompes pour amorcer le démarrage du moteur. Cette caractéristique, combinée au système d'allumage par étincelle renforcé, fait du J-2 un moteur à démarrages multiples.
Le moteur-fusée J-2 a été développé pour fournir la puissance nécessaire à l'étage S-IVB du véhicule Saturn 1B ainsi qu'aux étages S-II et S-IVB du véhicule Saturn V.
Application : étages S-II, S-IVB (étage de Saturn IB et Saturn V).
Premier vol : 26 février 1966 lors de la mission AS-201 (le vol inaugural de la fusée Saturn IB.
Masse à vide : 1578 kg.
Longueur : 3,4 m.
Diamètre maximum : 2 m
Oxydant (comburant) : oxygène liquide (LOX), débité à 204 kg/s.
Carburant : hydrogène liquide (LH2), débité à 37,1 kg/s.
Rapport de mélange : 5,5.
Poussée : 1001 kN maximum dans le vide ; plus tard augmenté à 1023 kN max dans le vide.
Impulsion spécifique : 421 s dans le vide (424 s à 427 s selon les versions et le rapport de mélange).
Rapport d'expension : 27,5:1.
Pression de la chambre de combustion : 51,9 atm (environ 5,26 MPa).
Température de la chambre de combustion : 3 300°C.
Temps de combustion : évalué jusqu'à 500 s.
L'étage S-II est propulsé par un groupe de cinq moteurs J-2, quatre moteurs extérieurs et un moteur central. Un seul démarrage du moteur étant requis pour l'utilisation sur l'étage S-II, les moteurs sont modifiés pour supprimer la capacité de redémarrage en obturant les conduites de remplissage du réservoir de démarrage. Les moteurs central et extérieurs sont fondamentalement identiques, à l'exception du fait que le moteur central dispose de conduits d'admission fournis par l'étage, que la prise de pressurisation du réservoir d'hydrogène située sur le collecteur d'injection de carburant de la chambre de poussée n'est pas utilisée, et que la pompe hydraulique fournie par l'étage n'est pas installée sur le support d'entraînement auxiliaire de la turbopompe à oxydant.
Chaque moteur est fixé à la structure de l'étage par le système de cardan. Le moteur central est stabilisé par des entretoises fixes reliées aux points de fixation des vérins de basculement de la chambre de poussée. Les moteurs extérieurs disposent de vérins de cardan fournis par l'étage qui orientent les moteurs pour assurer les mouvements de tangage, de lacet et de roulis du véhicule. La pression hydraulique nécessaire au fonctionnement des vérins de basculement est fournie par une pompe hydraulique (fournie par l'étage) montée sur le support d'entraînement auxiliaire situé sur le collecteur d'échappement de turbine de la turbopompe à oxydant.
L'étage S-IVB est propulsé par un seul moteur J-2. Le moteur utilisé sur l'étage S-IVB du véhicule Saturn IB et celui utilisé sur l'étage S-IVB du véhicule Saturn V sont fondamentalement identiques, à l'exception du fait que le moteur de la version Saturn IB est modifié pour supprimer la capacité de redémarrage en obturant les conduites de remplissage du réservoir de démarrage. L'étage S-IVB fournit et achemine de l'hélium fourni (au lieu de l'oxygène fourni par le moteur) à travers l'échangeur de chaleur du moteur pour assurer la pressurisation du réservoir d'oxydant. le clapet empêchant l'alimentation intempestive de l'échangeur de chaleur et la conduite d'alimentation en oxydant sont retirés du moteur, et une plaque d'obturation est installée sur la canalisation à haute pression.
Le moteur est fixé à la structure de l'étage par une suspension à cardan. Des vérins hydrauliques, fournis par l'étage, sont raccordés aux points de fixation situés sur la chambre de poussée. Ces vérins orientent le moteur afin d'assurer les mouvements de tangage et de lacet du véhicule.
Bon à savoir : pour rappel, le J-2 étant un moteur cryogénique, l'emploi de ses ergols impose des contraintes sévères. La faible densité de l'hydrogène liquide nécessite des réservoirs de très grande capacité. De plus, l'hydrogène ne se liquéfie qu'en dessous de -252 °C, ce qui exige une isolation thermique d'une rigueur absolue. La cohabitation thermique avec l'oxygène liquide (stocké à -183 °C dans le réservoir contigu) constituait un défi majeur pour les ingénieurs. L'utilisation d'ergols cryogéniques implique également le recours à des joints d'étanchéité spécifiques, associant métaux et polymères pour concilier dureté et élasticité.
Pour le S-II, la solution retenue a consisté en une isolation externe couplée à une structure interne en duralumin (tout comme pour le S-IVB).
L'un des atouts majeurs du J-2 réside dans sa capacité de réallumage en vol, grâce à un système de rechargement en hydrogène (voir schéma) et à un dispositif d'allumage par étincelle muni d'un système de réamorçage automatique.
 Localisation des moteurs J-2 de l'étage S-II |
 Localisation du J-2, étage S-IVb |
Le moteur-fusée J-2 s'inscrit dans un encombrement de 205,1 cm (80,75 in) de diamètre et de 337,8 cm (133 in) de longueur, pour une masse à sec d'environ 1 584 kg (3 492 lb). La vectorisation de la poussée est obtenue en inclinant l'ensemble du moteur. La suspension à cardan est installée au centre du dôme d'injection de la chambre de poussée, et les points de fixation des vérins de cardan sont situés sur le corps de la chambre de poussée. Le moteur-fusée comprend le circuit d'alimentation en ergols, le système de génération de gaz, le système de mise en route, le système d'allumage, le système de commande, le système de purge et le système d'instrumentation de vol.
Descriptif des éléments
LA CHAMBRE DE POUSSÉE
La chambre de poussée du moteur J-2 sert de bâti à tous les éléments du moteur et assure la combustion des ergols pour générer la poussée. Elle est fabriquée à partir de tubes longitudinaux en acier inoxydable d'une épaisseur de paroi de 0,304 mm (0,012 in), brasés entre eux et soutenus par des bandes de renfort externes. Ces parois minces sont exigées pour optimiser le transfert thermique. De forme en cloche, la chambre se compose : d'une chambre de combustion cylindrique d'un diamètre de 47,2 cm (18,6 in), longue de 20,3 cm (8,0 in) entre la face de montage de l'injecteur et l'entrée du col, pour une aire de col de 1 100 cm² (170,4 in²) et une longueur caractéristique de 62,5 cm (24,6 in) ; d'une tuyère divergente présentant un rapport de détente de 27:1 à 27,5:1 pour un fonctionnement optimal en altitude ;de l'ensemble composé de l'injecteur et du dôme ;de l'ensemble des cardans de direction, par lesquels la poussée est transmise à la structure porteuse du véhicule ;de l'ensemble de l'allumeur. La longueur totale de la chambre de poussée est de 337,8 cm (133 in), mesurée de l'entrée du conduit de basse pression de la pompe à carburant jusqu'à la sortie de la tuyère. La chambre et l'injecteur reçoivent les ergols sous pression des turbopompes, les mélangent et les brûlent pour conférer une vitesse élevée aux gaz de combustion expulsés. Le refroidissement est assuré de manière régénérative par le carburant (LH2) : celui-ci pénètre par un collecteur à une pression supérieure à 1 000 psi, effectue un demi-parcours descendant à travers 180 tubes, puis un parcours complet ascendant à travers 360 tubes pour rejoindre l'injecteur de la chambre de poussée.
L'INJECTEUR
L'injecteur de la chambre de combustion est un injecteur à éléments concentriques, refroidi par le carburant en face avant, qui mélange et distribue les ergols dans la chambre de combustion de manière à produire la combustion la plus efficace possible. L'injecteur a une épaisseur d'environ 17,8 cm (7 pouces) et un diamètre de 55,9 cm (22 pouces). Il s'agit d'un ensemble injecteur/dôme monobloc soudé contenant 614 tétons d'alimentation en comburant, un nombre égal de manchons de carburant et une face poreuse en métal fritté (Rigi-Mesh®).
Les tétons de comburant sont usinés par électroérosion dans la pièce forgée en alliage de nickel de la plaque d'injecteur, et dirigent le comburant du dôme vers la chambre de combustion. Les manchons de carburant sont vissés sur les tétons de comburant et maintiennent la plaque perforée en position. Les manchons comportent quatre orifices d'entrée de carburant radiaux débouchant dans l'espace interstitiel situé entre les tétons de comburant et les manchons, ce qui permet de guider le carburant depuis le collecteur de carburant jusqu'à la chambre de combustion. La plaque perforée poreuse est refroidie par transpiration grâce au carburant provenant du collecteur de carburant, et comporte une rangée de 253 orifices de carburant près de son diamètre extérieur pour assurer le refroidissement par film des parois de la chambre de combustion.
LE CARDAN
L'ensemble du cardan de pivotement mesure environ 25,4 centimètres de diamètre sur 15,24 centimètres de hauteur ; il est monté sur la chambre de poussée et fixé à la structure de l'étage. Le cardan sert à supporter le moteur, à transmettre la poussée à l'étage et à permettre la rotation du moteur autour de ses axes X et Z afin de permettre au véhicule de modifier la direction angulaire de sa vitesse pour la correction de trajectoire. Le cardan est essentiellement un joint universel constitué d'un palier sphérique, revêtu d'une composition de Téflon et de fibre de verre (Fabroid), et maintenu dans un logement sphérique. Le Fabroid procure une surface de palier sèche à faible frottement. Le cardan se compose d'une plaque de désalignement, d'un corps, d'un arbre et d'un siège. La section sphérique de l'arbre s'accouple avec le corps, et la section sphérique du corps s'accouple avec le siège pour former le joint universel. La plaque de désalignement et le corps sont boulonnés à l'injecteur de la chambre de poussée, et l'arbre s'insère dans un logement évidé du corps et est fixé par deux éléments de retenue. Le siège est boulonné à l'étage et indexé par une rainure de clavette et deux clavettes. Deux boulons de réglage permettent de repositionner latéralement la plaque de désalignement par rapport à l'injecteur, et de repositionner latéralement le corps par rapport à la plaque de désalignement.
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 s, 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
ASI : Augmented Spark Igniter pour "allumeur à étincelle amplifiée".
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.
Duralumin |
Aluminium |
Cuivre |
Manganèse |
Magnésium |
200 |
190 |
8 |
1 |
1 |
Sources : PDF "Technical manual engine data J-2 rocket engine Rocketdyne 18 mai 1967, modification n° 12 - 18 octobre 1972"
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