RS-25

RS-25, tunnetaan myös nimellä Avaruussukkulan päämoottori ( eli SSME), on kryogeeninen, nestemäistä ajoainetta käyttävä rakettimoottori, jota käytettiin NASA:n avaruussukkulassa ja käytetään NASA:n Space Launch System (SLS) -kantoraketissa.
Yhdysvaltalaisen Rocketdynen (myöhemmin Pratt &amp; Whitney Rocketdyne ja Aerojet Rocketdyne) suunnittelema ja valmistama RS-25 käyttää kryogeenistä (erittäin alhaisessa lämpötilassa olevia) nestevetyä ja nestehappea polttoaineenaan, ja moottori tuottaa 1 859 kN:n työntövoiman lähdössä.
Moottori on kehitetty 1970-luvulla ja sitä käytettiin ensimmäisen kerran 12. huhtikuuta 1981 ensimmäisen avaruussukkulan lennolla STS-1. Avauussukkulan ollessa maailman ensimmäinen uudelleenkäytettävä avaruusalus, tuli samalla RS-25 moottorista maailman ensimmäinen uudelleenkäytettävä rakettimoottori. Avaruussukkulan palattua takaisin maahan, sen moottorit irroitettiin, tarkastettiin ja kunnostettiin uudelleen käytettäväksi.
Moottorin ominaisimpulssi ("I"sp) on 452 sekuntia (4,43 kN-sek/kg) tyhjiössä tai 366 sekuntia (3,59 kN-sek/kg) merenpinnan korkeudella. Moottorin massa on noin 3,5 tonnia ja sen tehoa voidaan kuristaa yhden prosentin porrastuksella 67 prosentista 109 prosenttiin nimellistehosta.
Avaruussukkulassa oli kolme aluksen perään asennettua moottoria, joiden ajoaineet otettiin ulkoisesta ajoainesäiliöstä. Moottoreita käytettiin työntövoimana koko avaruussukkulan nousun ajan ja kokonaistyöntövoimaa lisäsivät kaksi kiinteän ajoaineen boosteria ja aluksen ohjausjärjestelmän kaksi pienempää AJ10-rakettimoottoria.
Jokaiseen Space Launch System -rakettiin on asennettu neljä RS-25-moottoria, jotka on sijoitettu kertakäyttöisen runkovaiheen pohjaan, jonka vuoksi moottoritkin ovat kertakäyttöisiä. SLS-raketin neljä ensimmäistä moottoria ovat kunnostettuja, alunperin avaruussukkulalle valmistettuja moottoreita vuodelta 2011.
Komponentit.
RS-25-moottori koostuu pumpuista, venttiileistä ja muista komponenteista, joiden toiminta yhdessä tuottaa työntövoimaa. Avaruussukkulassa polttoaine (nestevety) ja hapetin (nestehappi) johdettiin ulkoisesta polttoainesäiliöstä umbilikaalisten liittimien kautta kiertorata-alukseen, jossa ne kulkivat aluksen pääpropulsiojärjestelmän ("main propulsion system", MPS) syöttölinjoihin; kun taas Space Launch System (SLS) -raketissa polttoaineen ja hapettimen sisältävään runkovaiheeseen asennettujen moottoreiden MPS-linjoihin ne pääsevät suoraan. Kun polttoaine ja hapetin ovat MPS-linjoissa, polttoaine ja hapetin haarautuvat kumpikin erillisille reiteille kuhunkin moottoriin (Avaruussukkulassa kolmeen ja SLS:ssä neljään). Kussakin haarassa esiventtiilit päästävät ajoaineen moottoriin.
Ajoaineiden ollessa moottorissa, ne kulkevat polttoaineen ja hapettimen matalapaineturbopumppujen läpi (LPFTP ja LPOTP), joista ne kulkevat korkeapaineturbopumppuihin (HPFTP ja HPOTP). Näistä korkeapainepumpuista ajoaineet kulkevat erillisiä reittejä moottorissa. Hapetin jaetaan neljälle eri reitille: hapettimen lämmönsiirtimeen, joka sitten jakautuu hapetinsäiliön paineistukseen ja pogo-vaimennusjärjestelmään; hapettimen matalapaineturbopumppuun; hapettimen korkeapaine-esipolttimeen, josta se jaetaan HPFTP-turbiiniin ja HPOTP-turbiiniin ennen kuin se yhdistetään kuumakaasun jakoputkessa ja lähetetään edelleen pääpolttokammion injektoreihin.
Samalla polttoaine virtaa pääventtiilin kautta suuttimen ja pääpolttokammion regeneratiiviseen jäähdytysjärjestelmään tai kammion jäähdytysventtiilin kautta. Pääpolttokammion jäähdytysjärjestelmän läpi kulkeva polttoaine kulkee sitten takaisin LPFTP-turbiinin läpi, ennen kuin se ohjataan joko polttoainesäiliön paineistusjärjestelmään tai kuumakaasuputkiston jäähdytysjärjestelmään (josta se kulkee pääpolttokammioon). Suuttimen jäähdytys- ja kammion jäähdytysventtiilijärjestelmissä oleva polttoaine johdetaan sitten esipolttimien kautta HPFTP-turbiiniin ja HPOTP-turbiiniin, enne kuin se yhdistyy jälleen kuumakaasun jakoputkessa, josta se kulkee pääpolttokammion injektoreihin. Kun ajoaineet ovat injektoreissa ne sekoitetaan ja suihkutetaan pääpolttokammioon, jossa ne sytytetään. Työntövoima syntyy, kun ajoaineiden palamisreaktiossa syntyvät palokaasut ohjataan moottorin kurkun kautta suuttimeen suurella nopeudella.
Turbopumput.
Hapetinjärjestelmä.
Hapettimen matalapaineturbopumppu (LPOTP) on aksiaalivirtauspumppu, jonka pyörimisnopeus on noin 5 150 k/min ja jota pyörittää kuusiportainen turbiini, joka saa käyttövoimansa korkeapaineisesta nestemäisestä hapesta hapettimen korkeapaineturbopumpusta. Se nostaa nestehapen paineen 7 baarista 29 baariin, jolloin matalapainepumpusta tuleva virtaus johdetaan hapettinmen korkeapaineturbopumppuun (HPOTP). Moottorin käytön aikana paineenkorotuksen ansiosta hapettimen korkeapainepumppu voi toimia suurilla nopeuksilla ilman kavitaatiota. Mitoiltaan noin 450 x 450 mm oleva LPOTP on kytketty ajoneuvon hapetinkanaviin ja on tuettu kiinteään asentoon kiinnittämällä se suoraan ajoneuvon rakenteisiin.
Matalapaineiseen hapettimen kanavaan on asennettu pogo-vaimennusjärjestelmän akkumulaattori. Kun akkumulaattori paineistetaan kaasumaisella hapella (GOX) lämmönvaihtimen käämistä, vaimentaa se hapettimen syöttöjärjestelmän paineen heilahteluja.
Hapettimen korkeapaineturbopumppu koostuu kahdesta yksivaiheisesta keskipakopumpusta (pääpumppu ja esipolttimen pumppu), jotka ovat asennettu yhteiselle akselille ja joita pyörittää kaksivaiheinen kuumakaasuturbiini. Pääpumppu toimii noin 28 120 k/min nopeudella ja nostaa nestehapen paineen 29 baarista 300 baariin. HPOTP:n purkausvirtaus jakautuu useille reiteille, joista yksi johdetaan matalapainepumpun käyttövoimaksi. Toinen reitti kulkee hapettimen pääventtiilin kautta pääpolttokammioon. Toinen pieni virtausreitti johtaa hapettimen lämmönvaihtimeen. Nestemäinen happi virtaa tulvasuojaventtiilin läpi, joka estää sitä pääsemästä lämmönvaihtimeen, kunnes se on riittävän lämmin, jotta se voi hyödyntää HPOTP-turbiinista purkautuvien kaasujen sisältämän lämmön ja muuttaa nestemäisen hapen kaasuksi. Kaasu johdetaan jakoputkistoon ja johdetaan sitten nestemäisen happisäliön paineistamiseen. Yksi reiteistä johtaa HPOTP:n toisen vaiheen esipolttimen pumppuun, joka nostaa paineen 300 baarista 510 baariin. Pumpusta se kulkee hapettimen esipolttimen hapetinventtiilin kautta hapettimen esipolttimeen ja polttoaineen esipolttimen hapetinventtiilin kautta polttoaineen esipolttimeen. Hapettimen korkeapaineturbopumppu on mitoiltaan noin 600 x 900 mm ja se on kiinnitetty laipoilla kuumakaasuputkistoon.
Hapettimen korkeapaineturbopumpun turbiini ja -pumput ovat asennetty yhdelle akselille. Polttoainepitoisten kuumien kaasujen sekoittuminen turbiiniosassa ja nestemäisen hapen sekoittuminen pääpumpussa voi aiheuttaa vaaran. Vaaran estämiseksi nämä kaksi osaa on erotettu toisistaan ontelolla, jota moottorin heliuminsyöttö jatkuvasti puhdistaa. Kaksi tiivistettä minimoi vuodot onteloon; toinen tiiviste sijaitsee turbiiniosan ja ontelon välissä ja toinen pumppuosan ja ontelon välissä. Heliumpaineen menetys ontelossa johtaa moottorin automaattiseen sammumiseen.
Polttoainejärjestelmä.
Polttoaineen matalapaineturbopumppu (LPFTP) on aksiaalivirtauspumppu, jota pyörittää kaasumaisella vedyllä toimiva kaksivaiheinen turbiini. Se nostaa nestemäisen vedyn paineen 2 baarista 19 baariin ja syöttää sen polttoaineen korkeapaineturbopumppuun (HPFTP). Moottorin käydessä LPFTP:n tuottama paineenkorotus mahdollistaa HPFTP:n toiminnan suurilla nopeuksilla ilman kavitaatiota. LPFTP:n pyörimisnopeus on noin 16 185 k/min ja se on mitoiltaan noin 450 x 600 mm. Se on asennettu ajoneuvon polttoainekanavaan ja se on tuettu kiinteään asentoon kiinnittämällä se kantoraketin rakenteisiin.
Polttoaineen korkeapaineturbopumppu on kolmivaiheinen keskipakopumppu, jota pyörittää kaksivaiheinen kuumakaasuturbiini. Se nostaa nestemäisen vedyn paineen 19 baarista 450 baariin ja sen pyörimisnopeus on noin 35 360 k/min. Turbopumpun purkausvirtaus ohjataan pääventiiliin ja sen läpi, minkä jälkeen se jaetaan kolmeen virtausreittiin. Yksi reiteistä kulkee pääpolttokammion vaipan läpi, jossa vetyä käytetään kammion seinämien jäähdyttämiseen. Tämän jälkeen se johdetaan pääpolttokammion vaipasta polttoaineen matalapaineturbopumpun trubiiniin matalapainepumpun käyttövoimaksi. Pieni osa LPFTP:n virtauksesta ohjataan sitten kaikkien moottoreiden yhteisen jakoputkiston kautta yhtä reittiä pitkin polttoainesäiliön paineistukseen. Jäljelle jäävä vety johdetaan kuumakaasuputkiston sisä- ja ulkoseinien väliin, jossa se jäähdyttää sitä, mistä vety sitten purkautuu pääpolttokammioon. Toinen vedyn virtausreitti polttoaineen pääventtiilistä kulkee moottorin suuttimen läpi sen jäähdyttämiseksi. Sen jälkeen se liittyy kolmanteen virtausreittiin kammion jäähdytysventtiilistä. Tämä yhdistetty virtaus ohjataan sitten polttoaineen esipolttimeen. Polttoaineen korkoeapaineturbopumppu on mitoiltaan noin 550 x 1 100 mm ja on kiinnitetty laipoilla kuumakaasuputkistoon.
Voimakoneisto.
Esipolttimet.
Hapettimen ja polttoaineen esipolttimet ovat hitsattu kuumakaasun jakoputkistoon. Polttoaine ja hapetin syötetään esipolttimiin ja sekoitetaan, jotta tehokas palaminen voi tapahtua. Lisäkipinäsytytin on pieni yhdietelmäkammio, joka sijaitsee kunkin esipolttimen injektorin keskellä. Moottorin ohjain aktivoi kaksi kaksoiskipinäsytytintä, joita käytetään moottorin käynnistyssekvenssin aikana käynnistämään palaminen kussakin esipolttimessa. Ne kytkeytyvät pois päältä noin kolmen sekunnin kuluttua, koska palamisprosessi on tällöin itseään ylläpitävä. Esipolttimet tuottavat runsaasti polttoainerikasta kuumaa kaasua, joka kulkee turbiinien läpi tuottaen korkeapaineturbopumppujen käyttämiseen tarvittavan tehon.
HPOTP- ja HPFTP-turbiinien nopeus riippuu vastaavien hapettimen ja polttoaineen esipolttimen hapettimen venttiilien asennosta. Moottorinohjain säätää näitä venttiileitä, ja niiden avulla se kuristaa nestemäisen hapen virtausta esipolttimiin ja säätelee siten moottorin työntövoimaa. Hapettimen ja polttoaineen esipolttimen hapettimen venttiilit lisäävät tai vähentävät nestemäsien hapen virtausta, mikä lisää tai vähentää esipolttimen kammion painetta, HPOTP- ja HPFTP-turbiinien nopeutta sekä nestemäisen hapen ja kaasumaisen vedyn virtausta pääpolttokammioon, mikä lisää tai vähentää moottorin työntövoimaa. Hapettimen ja polttoaineen esipolttimien venttiilit toimivat yhdessä kuristaakseen moottoria ja pitääkseen polttoaineen seossuhteen vakaana 6,03:1.
Hapettimen ja polttoaineen pääventtiilit ohjaavat nestemäisen hapen ja nestemäisen vedy virtausta moottoriin, ja niitä ohjaa kunkin moottorin oma ohjain. Venttiilit ovat täysin auki moottorin käydessä.
Pääpolttokammio.
Moottorin pääpolttokammio vastaanottaa polttoainerikasta kuumaa kaasua kuumakaasun jakoputkiston jäähdytysjärjestelmästä. Kaasumainen vety ja nestemäinen happi tulevat kammioon pääinjektoriin, joka sekoittaa ajoaineet. Ne sytytetään "laajennetulla kipinäsytyttimellä" (), joka on H2/O2 -liekki injektorin keskellä. Pääinjektori ja kupukokoonpano ovat hitsattu kuumakaasun jakoputkeen ja pääpolttokammio on pultattu kiinni kuumakaasujen jakoputkistoon. Pääpolttokammio koostuu Inconel 718:sta valmistetusta rakenteellisesta kuoresta, joka on vuorattu kupari-hopea-zirkonium-seoksella nimeltä NARloy-Z, joka kehitettiin eritysesti tähän moottoriin 1970-luvulla. Vuoraukseen on työstetty noin 390 kanavaa nestemäisen vedyn johtamiseksi vuorauksen läpi polttokammion jäähdyttämiseksi. Pääpolttokammion lämpötila nousee lennon aikana noin 3 300 °C lämpöön, joka on korkeampi kuin raudan kiehumispiste.
Suutin.
Moottorin suuttimen pituus on 3,1 metriä ja sen halkaisija on 0,26 metriä kurkussa ja 2,3 metriä ulostulon kohdalla. Suutin on pääpolttokammioon pultattu kellonmuotoinen jatke, jota kutsutaan de Laval -suuttimeksi. RS-25 moottorin suuttimessa on epätavallisen suuri laajenemissuhde (noin 69:1) kammion paineeseen nähden. Merenpinnan korkeudella tämän suhdeluvun suuttimessa virtaussuihku irtoaisi suuttimen sisäpinnasta, joka aiheuttaisi ohjausvaikeuksia ja voisi vaurioittaa ajoneuvoa mekaanisesti. Moottorin toiminnan paratamiseksi Rocketdynen insinöörit kuitenkin muuttivat suuttimen seinämien kulmaa teoreettisesti optimaalisimmasta kulmasta ja kavensivat sitä lähellä ulostuloa. Tämä nostaa paineen reunan ympärillä absoluuttiseen paineeseen, joka on 32 kPa ja 39 kPa välillä ja estää virtauksen irtoamisen. Virtauksen sisäosassa on paljon alhaisempi paine, noin 14 kPa tai vähemmän. Suuttimen sisäpintaa jäähdytetään nestemäisellä vedyllä, joka virtaa suuttimen ulkopuolelle juotettujen ruostumattomasta teräksestä valmistettujen putkien läpi. Avaruussukkulassa suuttimen etupäähän on hitsattu tukirengas, joka on moottorin kiinnityspiste kiertorata-aluksen lämmönsuojaukseen. Lämpösuojaus on tarpeen, sillä suuttimien osat altistuvat kuumuudelle laukaisun, nousun, kiertoradalla olon ja laskeutumisen aikana. Suojaus koostuu neljästä kerroksesta metallivanua, joka on päällystetty metallikalvolla ja -verkolla.
Moottorinohjain.
Moottorit ovat varustettu moottorinohjaimella, joka on integroitu tietokone, joka ohjaa kaikkia moottorin toimintoja venttiilien avulla ja valvoo sen suorituskykyä. Honeywell Aerospacen valmistama järjestelmä koostui alunperin kahdesta redundantista Honeywell HDC-601-tietokoneesta, jotka myöhemmin päivitettiin järjestelmäksi, joka koostui kahdesta kaksinkertaisesti redundantista Motorola 68000-suorittimesta. Ohjaimen asentaminen itse moottoriin yksinkertaistaa huomattavasti moottorin ja kantoraketin välistä johdotusta, koska kaikki anturit ja toimintalaitteet on kytketty suoraan vain ohjaimeen, jokainen ohjain kytketään sen jälkeen aluksen avaruussukkulan yleistietokoneisiin tai SLS-raketin ilmailutekniikkaan sen oman moottorin liitäntäyksikön kautta. Erillisen ohjainyksikön käyttäminen myös yksinkertaistaa ohjelmistoa, jonka myötä myös luotettavuus paranee.
Kaksi itsenäistä tupla-suoritin tietokonetta A ja B muodostavat ohjaimen, mikä antaa järjestelmälle redundanssin. Ohjainjärjestelmä A:n vikaantuminen johtaa automaattisesti siirtymisen ohjainjärjestelmään B ilman, että toimintavalmiudet heikkenevät; ohjainjärjestelmä B:n vikaantuminen johaisi moottorin rauhalliseen sammumiseen. Kummassakin järjestelmässä (A ja B) kaksi M68000-suoritinta toimivat samassa tahdissa rinnakkain, jolloin kumpikin järjestelmä pystyy havaitsemaan viat vertailemalla kyseisen järjestelmän kahden suorittimen väylien signaalitasoja. Jos eroja havaitaan väylien välillä, syntyy keskeytys ja ohjaus siirtyy toiselle järjestelmälle. Lohko I ohjainten muisti oli päällystetty lanka -tyyppistä muistia, joka toimi samalla tavalla kuin magneettimuisti ja säilyttä datan myös virran katkaisemisen jälkeen. Lohko II moottoreissa oli perinteinen CMOS staattinen muisti.
Ohjaimet suunniteltiin riittävän ketäviksi kestämään laukaisuvoimat ja ne osottautuivatkin erittäin kestäviksi vaurioita vastaan. Challengerin onnettomuuden tutkinnan aikana merenpohjasta talteenotetut kaksi (moottoreista 2020 &amp; 2021) peräisin olevaa ohjainyksikköä toimitettiin Honeywell Aerospacelle tutkittavaksi ja analysoitavaksi. Yksi ohjain oli murtunut auki yhdeltä puolelta ja molemmat olivat pahasti syöpyneitä ja merieläinten vaurioittamia. Molemmat yksiköt purettiin ja muistiyksiköt huuhdeltiin deionisoidulla vedellä. Kun ne oli kuivattu ja tyhjiöpaahdettu, niistä haettiin tiedot rikosteknistä tutkimusta varten.
Pääventtiilit.
Moottorin tehon säätämiseksi moottorinojain operoi viittä hyrdaulisesti toimivaa ajoaineventtiiliä: hapettimen esipolttimen hapetin, polttoaineen esipolttimen hapetin, päähapetin, pääpolttoaine ja kammion jäähdytys. Hätätilanteessa venttiilit voidaan sulkea kokonaan käyttämällä moottorin heliumin syöttöjärjestelmää varajärjestelmänä.
Avaruussukkulassa päähapettimen ja polttoaineen ylivuotoventtiilejä käytettiin sammutuksen jälkeen jäljellä olevan ajoaineen poistamiseksi ajoainejärjestelmästä. Kun tyhjennys oli suoritettu, venttiilit sulkeutuivat ja pysyivät suljettuna koko loppulennon ajan.
Jäähdytysnesteen säätöventtiili on asennettu kunkin moottorin palotilan jäähdytysnesteen ohituskanavaan. Moottorinohjain säätelee kaasumaisen vedyn määrää, joka pääsee ohittamaan suuttimen jäähdytysnestekierukan, ja säätelee siten sen lämpötilaa. Kammion jäähdytysventtiili on täysin auki ennen moottorin käynnistystä. Moottorin käydessä se on täysin auki, kun kaasuläpän asetus on 100-109 %. Kun kaasuläpän asetus on välillä 65-100 %, sen asento vaihtelee välillä 66,4-100 %.
Gimbaali.
Moottori on asennettu kardaanilaakerin kera, joka on universaali pallonivel, joka on pultattu kantorakettiin sen ylälaipasta ja moottoriin sen alalaipasta. Se on moottorin ja kantoraketin välinen työntövoiman rajapinta, joka kantaa moottorin painoa (3,5 t) ja kestää yli 2,2 milj. newtonin työntövoiman. Sen lisäksi, että kardaanilaakeri mahdollistaa moottorin kiinnittämisen kantorakettiin, se mahdollistaa moottorin kääntämisen kahden akselin ympäri noin ±10,5°. Tämän liikkeen avulla moottorin työntövoimavektoria voidaan muuttaa, jolloin kantoraketti ohjautuu oikeaan suuntaan.