ORION MPCV & SLS

LE MOTEUR J2X

Le moteur J2X est un dérivé du J2, moteur construit par Rocketdyne dans les années 1960 pour le lanceur Saturn. C'est le premier moteur cryogénique de cette puissance avec 103 tonnes de poussée ayant recours à la combinaison particulièrement énergétique Hydrogène liquide LH2/ Oxygène liquide LOX (impulsion spécifique de 421 secondes). Développé pour placer en orbite des vaisseaux avec équipage, le J-2 est conçu pour être un engin particulièrement fiable. Sur le plan technique il s'agit d'un moteur-fusée à ergols liquides à flux dérivé alimenté par un générateur de gaz. De plus, c'est un moteur rallumable en vol.

Le J2 a une poussée de 103 tonnes pour une masse de 1788 kg. Il mesure 3,4 m de hauteur pour 2,1 m à la base de la tuyère. La poussée peut être module en changeant le rapport de mélange entre le carburant et le comburant. La poussée passe ainsi de 82 à 103 tonnes. L'impulsion spécifique décroît toutefois lorsque la poussée augmente passant de 4260 m/s à 4148 m/s. Cette capacité de moduler la poussée est utilisée uniquement sur le deuxième étage de la fusée Saturn 5 : lorsque cet étage est mis à feu, le plus important est d'obtenir une poussée maximale. Lorsque que l'étage est largement allégé de ses ergols (297 secondes après la mise à feu), c'est le rendement maximal qui est recherché et la poussée est abaissée (le moteur central est par ailleurs éteint). Trois versions du moteur ont été successivement utilisées : la deuxième version résulte d'améliorations intervenues en cours de développement tandis que la troisième version est liée à la commande d'un deuxième lot de moteurs plus puissants, passée par la NASA en juillet 1966. En 1970, la NASA a édutié le J2S qui utilisait un générateur à poudre. 155 moteurs ont été construits toutes versions confondues.

Pour les vols SA 201, 202 et 203, le moteur qui équipait la Saturn 1B fonctionnait à 80% de sa poussée, pour les vols SA 204 à 207, SA 501, 502 et 503, le moteur fonctionnait à 90%. Pour les vols SA 208 à 210 et les autres vols Apollo SA 504 à 513, le moteur fonctionnait à pleine poussé.

La mise en pression de l'hydrogène et de l'oxygène est réalisée par le générateur de gaz (un petit réservoir à haute pression sphérique intégré directement sur le moteur) et les turbopompes. La pompe LOX a un débit variable pour jouer sur le rapport de mélange avec le LH2, le débit de la pompe LH2 restant fixe. Les turbopompes sont mises en rotation par le gaz produit par le générateur de gaz solidaire de la turbopompe LH2. Les gaz produits sont d'abord injectés dans la turbine de la turbopompe LH2 avant d'être récupérés et injectés dans la turbine de la turbopompe LOX. En sortie de cette turbine ils sont réinjectés dans la chambre de combustion permettant ainsi un petit gain de poussée. Une fois le moteur allumé, pendant le vol, il remplissait le réservoir du générateur avec de l'hydrogène gazeux sous haute pression. Ce remplissage était necessaire pour rallumer le moteur dans l'espace.

La chambre de combustion sert de support à tous les équipements auxiliaires du moteur. Sa paroi ainsi que celle de la tuyère est constituée par un assemblage de 180 tubes en acier inoxydable verticaux dont les parois font 0,3 mm d'épaisseur et dans lequel circule l'hydrogène liquide. Celui-ci est injecté à mi-hauteur de la tuyère dans les tubes qui descendent jusqu'à sa base avant de remonter jusqu'au sommet de la chambre de combustion. Durant ce processus l'hydrogène se réchauffe passant de -253°C à 162°C ce qui le fait passer en phase gazeuse. Sa vitesse qui était initialement de 18 m/s atteint 300 m/s lorsqu'il achève le circuit. Il débouche alors dans la chambre de combustion par 360 injecteurs. Le circuit régénératif formé par la tuyauterie permet de maintenir les parois de la chambre de combustion et de la tuyère en dessous de leur température de fusion. Le système d'injection comporte 600 injecteurs disposés en cercles concentriques alternant des jets d'hydrogène et d'oxygène

Le développement du J2 pour le Saturn se déroule sans incident majeur. 18 mois après la signature du contrat en 1960, les premiers tests sont réalisés. Au niveau technique, Rocketdyne adopte pour les injecteurs du moteur les solutions du RL10 de l'étage Centaur. En décembre 1963, le moteur est mis à feu durant 410 secondes. Le moteur subit 30 rallumage et fonctionne au total 2774 secondes alors que pour sa mission il ne fonctionne que 500 secondes.

Le moteur-fusée J-2 est utilisé pour la première fois en 1965 et est retiré du service après le dernier vol du programme Apollo en 1975. Différentes évolutions sont étudiées (J-2S, J-2T) sans entrer sur une production. Une version complètement refondue, le J-2X, est développée en 2005 pour propulser l'étage supérieur des lanceurs Ares du programme Constellation. Lorsque celui-ci est abandonné en 2010, le moteur est proposé pour équiper le nouveau lanceur lourd de la NASA Space Launch System. Il n'utilise pas comme le J2 de base et le J2S, un générateur de gaz intégré ou à poudre mais de l'hélium haute pression fournit par un réservoir dans l'étage supérieur du SLS. En juillet 2007, la NASA donne 1 milliard $ à Pratt & Witney pour développer le J2X, le tester sur un nouveau banc au centre Stennis. 9 moteurs J2 laissées en héritage sont préparé pour des tests. Les essais du générateur de gaz redessiné commence en septembre 2008 et se terminent en 2010. Les tests hot-fire débutent en juin 2011 et se terminent en novembre . En 2012, la durée atteint 1150 et 1350 secondes

	D'une masse de 2430 kg, le J2X mesure 4,7 m de haut pour 3 m à la base de la tuyère. Sa poussée est de 133,6 tonnes avec une Ips de 431 secondes.

La turbopompe LOX du J2X sur la ligne de production prête à être envoyé au centre Stennis pour des tests. Au fond la turbopompe LH2 et à coté sur la photo de droite.

Le moteur 10001 installé sur le banc A2 du centre Stennis

Ligne de production du J2X chez Partt & Witney Rocketdyne en octobre 2012. Devant le moteur 10001, au centre le Powerpack et au fond le 10002 en construction.

Le moteur 10002 au centre Stennis le 11 février 2013. Les tests se terminent en septembre. Le moteur 10003 commence ses essais en novembre.

Test du Powerpack, moteur juste équipé des pompes et vannes associés sans chambre ni tuyère le 5 décembre 2013.

En octobre 2013, la NASA annonce que le développement du J2X sera arrêté en 2014 à cause des limitations budgétaires et du retard dans le programme SLS. L'agence US sélectionne le RL10 pour propulser l'étage EUP du SLS.