Il Motore J-2

Il motore J-2 dell’S-IVB

La NASA selezionò la divisione Rocketdyne della North American Aviation nel 1960 per lo sviluppo di un motore ad alta energia che utilizzasse carburanti criogenici per gli stadi superiori del Saturn V, il Moon Rocket. Il risultato fu il motore J-2, uno dei componenti principali del Saturn e che è rimasto il motore a razzo alimentato ad idrogeno liquido più prodotto in America fino all’introduzione dell’SSME (il motore dello Shuttle). Cinque J-2 venivano utilizzati nell’S-II, il secondo stadio del Saturn V: i motori erano disposti a croce, con il motore centrale fisso e i quattro laterali in grado di muoversi (gimballed) per fornire direzionalità al razzo. Un singolo J-2 veniva invece usato per l’S-IVB, il terzo stadio del Saturn V e, in una versione precedente, il secondo stadio del Saturn IB. Questo singolo motore era in grado di muoversi per determinare la direzione di volo.

Questo singolo motore aveva un’altra caratteristica unica (a quel tempo): la possibilità di riavviarlo. Nell’S-IVB, era previsto che il J-2 venisse utilizzato due volte. La prima accensione, della durata di circa 2 minuti, per porre lo stack Apollo in orbita terrestre. Dopo le verifiche da parte dell’equipaggio di tutti i sistemi di bordo, il J-2 veniva riavviato per la TLI (Translunar Injection). Questa volta il motore veniva utilizzato per 6 minuti e mezzo circa accelerando lo stack Apollo oltre la velocità di fuga, in una traiettoria verso la Luna.

Un programma sperimentale per migliorare le performance del J-2 iniziarono nel 1964 e portarono al motore J-2X. Vennero prodotti anche sei modelli di pre-produzione di un altro modello, il J-2S. Nel 1972 divenne chiaro che non ci sarebbero stati ulteriori ordini per razzi Saturn e il programma venne terminato. La NASA prese in considerazione il J-2S per lo Shuttle, tanto che alcuni progetti preliminari mostrano il veicolo con un gruppo di 5 di questi motori per la propulsione.

Spinta nel Vuoto  1,033.100 kN
Impulso Specifico – ISP  421 sec.
Tempo di accensione (TLI)  475 sec.
Peso del motore (a secco)  1,438 kg
Propellenti  LOX & LH2
Rapporto di Miscela LOX/LH2  5.50
Diametro  2.01 m
Lunghezza  3.38 m
Rapporto Spinta/Peso  73.18
Utilizzo Saturn V / S-II (5 motori)
Saturn IB & Saturn V / S-IVB (1 motore)

La reazione tra idrogeno ed ossigeno è une delle più potenti sorgenti per generare spinta in un motore per razzi. Quando possibile gli ingegneri la preferiscono (anche rispetto a soluzioni più ‘esotiche’) considerando anche la sua alta efficienza e la relativa ‘trattabilità’ dei due propellenti e dei gas di scarico.
A prima vista il J-2 può sembrare una versione ridotta dell’
F-1 ma a parte il fatto che entrambi hanno una camera di combustione e un ugello costituito da tubature di riscaldamento del carburante, ci sono ben poche similarità. In particolare, poichè la temperatura dell’idrogeno liquido è appena al di sopra dello zero assoluto prima dell’avvio, e per evitare che appena entrati nel blocco del motore i carburanti passino allo stato gassoso, il J-2 viene raffreddato facendo circolare una piccola quantità del carburante stesso.

Schema tecnico del J-2

Due pompe a turbina distinte, alimentate da una singola sorgente di gas caldi, spingono l’idrogeno liquido (LH2) e l’ossigeno liquido (LOX) in flussi ad alta pressione attraverso delle valvole di controllo agli iniettori fino alla camera di combustione. Gli iniettori sono una struttura a maglia di acciaio inossidabile costituita da circa 600 tubi; il LOX viene immesso nel centro, l’LH2 all’esterno. Parte del propellente viene deviato e usato per raffreddare l’iniettore. Il compito delle valvole di controllo era quello di regolare la miscela di propellenti, fattore che alterava la spinta; il motivo fondamentale qui era di garantire nel corso dell’accensione un consumo in eguale misura dei propellenti.
Un altro componente fondamentale era il serbatoio di avvio sferico – che era in sostanza un serbatoio con dentro un altro serbatoio. Il serbatoio interno conteneva elio pressurizzato, utilizzato per attivare le valvole. Il serbatoio esterno conteneva LH2 utilizzato per attivare le pompe prima che i gas di scarico del motore fossero sufficienti a farle girare. Nella versione riavviabile (usata nell’S-IVB), il serbatoio esterno poteva essere ‘ricaricato’ per la TLI.

L’Impulso Specifico (solitamente abbreviato in ISP) è una maniera di descrivere l’efficienza di un motore per razzo o per jet. Rappresenta l’impulso (inteso come variazione del momento, in senso fisico) per unità di carburante speso. Maggiore l’ISP, minore è il carburante necessario per ottenere un determinato valore di momento. Si tratta di un sistema comodo per confrontare i motori, più o meno come i Km/litro usati per le auto. Un sistema di propulsione con un maggiore ISP è più efficiente nell’uso del carburante.

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