Raptor — семейство ракетных двигателей , разработанных и производимых компанией SpaceX . Двигатель представляет собой полнопоточный двигатель со ступенчатым циклом сгорания (FFSC), работающий на криогенном жидком метане и жидком кислороде («металоксе»).
Система Starship компании SpaceX использует двигатели Raptor в сверхтяжелом ускорителе Super Heavy и в космическом корабле Starship , который действует как вторая ступень при запуске с Земли и как независимый корабль в космосе. [16] Миссии звездолетов включали подъем полезной нагрузки на околоземную орбиту, а также миссии на Луну и Марс . [17] Двигатели предназначены для повторного использования и требуют минимального обслуживания. [18]
Raptor — лишь третий двигатель FFSC в истории и первый двигатель такого типа, приводящий в движение летательный аппарат. [19]
Raptor работает на переохлажденном жидком метане и переохлажденном жидком кислороде в полнопоточном ступенчатом цикле сгорания.
FFSC представляет собой отход от более простой газогенераторной системы «открытого цикла» и топлива LOX / керосин, используемого Мерлином . [20] Двигатели RS-25 (впервые использованные на космическом корабле «Шаттл» ) использовали более простую форму ступенчатого цикла сгорания. [21] Несколько российских ракетных двигателей, в том числе РД-180 [20] и РД-191, также поступили. [22]
Жидкий метан и кислородное топливо были приняты на вооружение многими компаниями, такими как Blue Origin с двигателем BE-4 , а также китайским стартапом Space Epoch Longyun-70. [23] Ракета Zhuque-2 компании LandSpace , которая в июле 2023 года стала первой ракетой-носителем на метане, вышедшей на орбиту.
Турбина, обогащенная кислородом, приводит в действие турбонасос для кислорода, а турбина, обогащенная топливом, приводит в действие турбонасос, работающий на метане. Потоки окислителя и топлива полностью смешиваются в газовой фазе перед тем, как попасть в камеру сгорания . [19] «Раптор-2» использует нераскрытый метод зажигания, который предположительно менее сложен, легче, дешевле и надежнее, чем метод «Мерлина». Факельные воспламенители используются в кислородных и силовых головках. Зажигание двигателя в Raptor Vacuum осуществляется с помощью факельных воспламенителей со свечами зажигания с двойным резервированием, [24] что устраняет необходимость в специальной расходной воспламенительной жидкости Merlin. [22] Raptor 2 использует коаксиальные вихревые форсунки для подачи топлива в камеру сгорания, а не игольчатые форсунки Merlin . [25] [26]
До 2014 года только два проекта FFSC были достаточно развиты, чтобы достичь испытательных стендов: советский проект РД-270 в 1960-х годах и демонстратор интегрированной силовой головки Aerojet Rocketdyne в середине 2000-х годов. [27] [22] [28]
Raptor спроектирован с учетом исключительной надежности и призван поддерживать уровень безопасности авиакомпаний, необходимый для рынка наземных перевозок из пункта в пункт. [29] Гвинн Шотвелл заявила, что Raptor сможет обеспечить «долгий срок службы... и более благоприятную среду для турбин». [30] [22]
Raptor предназначен для глубокого криогенного топлива — жидкостей, охлажденных почти до точки замерзания , а не до точки кипения , как это типично для криогенных ракетных двигателей. [31] Переохлажденное топливо занимает меньше места, что позволяет увеличить массу топлива в баке. [32] Переохлажденное топливо также повышает производительность двигателя. Увеличивается удельный импульс и снижается риск возникновения кавитации на входах в турбонасосы за счет более высокого массового расхода рабочего топлива на единицу вырабатываемой мощности. [22] Кавитация (пузырьки) снижает расход/давление топлива и может вызвать голодание двигателя, одновременно разрушая лопатки турбины. [33] Соотношение окислителя и топлива в двигателе составляет примерно 3,8 к 1. [34 ]
Целевыми характеристиками Raptor были удельный импульс в вакууме 382 с (3750 м / с), тяга 3 МН (670 000 фунтов силы ) , давление в камере 300 бар (30 МПа; 4400 фунтов на квадратный дюйм) и степень расширения 150. для вакуумно-оптимизированного варианта. Это было достигнуто с помощью Raptor 2.
Многие компоненты ранних прототипов Raptor, включая турбонасосы и форсунки, были изготовлены с использованием 3D-печати , что увеличило скорость разработки и испытаний. [31] [35] В 2016 году 40% (по массе) деталей двигателя разработки было изготовлено методом 3D-печати. [22] В 2019 году коллекторы двигателей были отлиты из суперсплава Inconel SX300, разработанного SpaceX , который позже был заменен на SX500. [36]
В ракетных двигателях SpaceX Merlin и Kestrel используется комбинация RP-1 и жидкого кислорода («керолокс»). Raptor имеет примерно в три раза большую тягу, чем двигатель SpaceX Merlin 1D , который используется в ракетах-носителях Falcon 9 и Falcon Heavy .
В 2009 году был задуман Raptor для сжигания топлива из водорода и кислорода . [37] В 2011 году у SpaceX было несколько сотрудников, работавших над двигателем верхней ступени Raptor с низким приоритетом. [38] [39]
В октябре 2012 года SpaceX объявила о концептуальной работе над двигателем, который будет «в несколько раз мощнее двигателей серии Merlin 1 и не будет использовать топливо Merlin RP-1 ». [40]
В ноябре 2012 года Маск объявил, что SpaceX работает над ракетными двигателями, работающими на метане , что Raptor будет работать на метане [41] и что метан будет служить топливом для колонизации Марса. [28] Из-за присутствия подземных вод и углекислого газа в атмосфере Марса , метан, простой углеводород , мог быть синтезирован на Марсе с помощью реакции Сабатье . [42] НАСА обнаружило, что добыча ресурсов на Марсе жизнеспособна для производства кислорода, воды и метана. [43]
В начале 2014 года SpaceX подтвердила, что Raptor будет использоваться как для первой, так и для второй ступени своей следующей ракеты. Это сохранялось по мере того, как конструкция развивалась от марсианского колониального транспортера [28] к межпланетной транспортной системе , [44] к ракете «Большой сокол» и, в конечном итоге, к звездолету. [45]
Эта концепция произошла от семейства ракетных двигателей Raptor (2012 г.) [46] и сосредоточилась на полноразмерном двигателе Raptor (2014 г.). [47]
В январе 2016 года ВВС США заключили с SpaceX контракт на разработку прототипа Raptor на сумму 33,6 миллиона долларов США для использования на верхней ступени Falcon 9 и Falcon Heavy . [48] [49]
Первая версия была предназначена для работы при давлении в камере 250 бар (25 МПа; 3600 фунтов на квадратный дюйм). [50] По состоянию на июль 2024 года давление в камере достигло 300 бар. [33]
Для каждого двигателя требуется теплозащитный кожух для защиты труб и проводки от тепла двигателя. [33]
.jpg/1280px-SpaceX's_Raptor_oxygen_preburner_testing_at_Stennis_(2015).jpg)
Первоначальные испытания [51] компонентов Raptor проводились в Космическом центре НАСА Стеннис [ 17] [52] начиная с апреля 2014 года. Тестирование было сосредоточено на процедурах запуска и выключения, а также на характеристиках и проверке оборудования . [22]
SpaceX начала испытания форсунок в 2014 году, а в 2015 году — кислородную предварительную камеру сгорания. С апреля по август было проведено 76 огневых испытаний камеры предварительной горелки общей продолжительностью около 400 секунд. [51]
К началу 2016 года SpaceX построила стенд для испытаний двигателей на своем полигоне МакГрегор в центральном Техасе для испытаний Raptor. [22] [17] Первый Raptor был изготовлен на заводе SpaceX в Хоторне в Калифорнии. К августу 2016 года он был отправлен МакГрегору для тестирования. [53] Двигатель имел тягу 1 МН (220 000 фунтов силы ). [54] Это был первый в мире металоксный двигатель FFSC, дошедший до испытательного стенда. [22]
Для проверки проекта использовался механизм разработки субшкалы. Это была треть размера двигателей, предусмотренных для летательных аппаратов. [22] Он имел давление в камере 200 бар (20 МПа; 2900 фунтов на квадратный дюйм) и тягу 1 меганьютон (220 000 фунтов силы ) и использовал разработанный SpaceX сплав SX500, созданный для содержания горячего газообразного кислорода в двигателе при температуре до 12 000 фунтов на квадратный дюйм (830 бар; 83 МПа). [55] Он был испытан на наземном испытательном стенде в МакГрегоре , совершив кратковременную стрельбу. [22] Чтобы исключить проблемы разделения потока при испытаниях в атмосфере Земли, степень расширения испытательного сопла была ограничена до 150. [22]
К сентябрю 2017 года двигатель подшкалы отработал 1200 секунд в 42 испытаниях. [56]
SpaceX провела множество статических огневых испытаний транспортного средства с использованием Raptor 2, в том числе 31 испытание двигателя (планировалось 33) 9 февраля 2023 года [57] и 33 испытания двигателя 25 августа 2023 года . [58] В ходе испытаний было проведено более Расплавилось 50 камер и взорвалось более 20 двигателей. [33]
SpaceX завершила свои первые комплексные летные испытания 20 апреля 2023 года. На ракете было 33 двигателя Raptor 2, но 3 из них вышли из строя к моменту начала движения ракеты. Испытание завершилось после набора высоты ~39 км над Мексиканским заливом. Несколько двигателей вышли из строя до того, как система прекращения полета (FTS) уничтожила ракету-носитель и корабль. [59]
Во втором полете все 33 ускорительных двигателя оставались включенными до запуска обратного горения, а все шесть двигателей звездолета оставались горящими до тех пор, пока не была активирована FTS. [60] [61]
-2018_version.png/1280px-BFR_in_flight_(cropped)-2018_version.png)
В ноябре 2016 года предполагалось, что Raptor будет использоваться в предлагаемой Межпланетной транспортной системе (ITS) в начале 2020-х годов. [22] Маск обсудил два двигателя: вариант для установки на уровне моря (коэффициент расширения 40:1) с тягой 3050 кН (690 000 фунтов силы) на уровне моря для первой ступени/ускорителя и вакуумный вариант (коэффициент расширения 200:1). с тягой 3285 кН (738000 фунтов силы) в космосе. В высокоуровневом проекте первой ступени предусматривалось 42 двигателя, расположенных на уровне моря. [22]
Для посадки второй ступени будут использоваться три подвесных двигателя Raptor, находящихся на уровне моря. Шесть дополнительных вакуумно-оптимизированных Raptor без подвеса (Raptor Vacuum) будут обеспечивать основную тягу второй ступени, всего девять двигателей. [62] [22] Предполагалось, что пылесосы Raptor Vacuum будут создавать удельный импульс 382 с (3750 м/с) при использовании сопла гораздо большего размера . [63]
В сентябре 2017 года Маск заявил, что двигатель Raptor меньшего размера — с тягой чуть более чем вдвое меньшей, чем у предыдущих конструкций — будет использоваться на ракете следующего поколения, ракете-носителе диаметром 9 м (30 футов) под названием Big Falcon Rocket (BFR). ), а позже переименован в Starship . [64] Модернизация была нацелена на околоземно-орбитальные и окололунные миссии, чтобы новая система могла окупить себя , в частности, за счет экономической деятельности в околоземном космическом пространстве. [65] Поскольку ракета-носитель гораздо меньшего размера, потребуется меньше двигателей Raptor. Тогда планировалось, что BFR будет иметь 31 Raptor на первом этапе и 6 на втором этапе. [66] [22]
К середине 2018 года SpaceX публично заявила, что Raptor на уровне моря, как ожидается, будет иметь тягу 1700 кН (380 000 фунтов силы) на уровне моря с удельным импульсом 330 с (3200 м / с) и диаметром среза сопла 1,3. м (4,3 фута). Raptor Vacuum будет иметь удельный импульс 356 с (3490 м/с) в вакууме [56] и, как ожидается, будет оказывать силу 1900 кН (430 000 фунтов силы) с удельным импульсом 375 с (3680 м/с) при использовании выхода из сопла. диаметр 2,4 м (7,9 футов). [56]
В обновлении BFR , опубликованном в сентябре 2018 года, Маск показал видео 71-секундного огневого испытания двигателя Raptor и заявил, что «это Raptor, который будет приводить в действие BFR, как корабль, так и ускоритель; это один и тот же двигатель». ...] двигатель мощностью примерно 200 (метрических) тонн, рассчитанный на давление в камере примерно 300 бар. [...] Если у вас есть он с высокой степенью расширения, он потенциально может иметь удельный импульс 380 ". [9] SpaceX нацелена на 1000 полетов. [67]
В январе 2016 года ВВС США (USAF) заключили с SpaceX контракт на разработку прототипа Raptor на сумму 33,6 миллиона долларов США для использования на верхней ступени Falcon 9 и Falcon Heavy . Контракт требовал двойного финансирования со стороны SpaceX в размере не менее 67,3 миллиона долларов США . [48] [68] Испытания двигателя были запланированы для Космического центра НАСА Стеннис в Миссисипи под наблюдением ВВС США. [48] [49] Контракт с ВВС США предусматривал создание одного прототипа двигателя и проведение наземных испытаний. [48]
В октябре 2017 года ВВС США заключили контракт на модификацию прототипа Raptor на сумму 40,8 миллиона долларов США для программы Evolved Expendable Launch Vehicle . [69] Он должен был использовать жидкий метан и жидкий кислород , топливо, полнопоточный ступенчатый цикл сгорания и быть многоразовым. [49]
В июле 2021 года SpaceX объявила о открытии второго завода по производству Raptor на юге Техаса, рядом с существующим полигоном для испытаний ракетных двигателей . Завод будет сосредоточен на серийном производстве Raptor 2, а завод в Калифорнии будет производить Raptor Vacuum и новые/экспериментальные конструкции Raptor. Ожидалось, что новый завод в конечном итоге будет производить от 800 до 1000 ракетных двигателей ежегодно. [70] [71] В 2019 году (предельная) стоимость двигателя приближалась к 1 миллиону долларов. SpaceX планировала массово производить до 500 двигателей Raptor в год, каждый стоимостью менее 250 000 долларов. [72]
Raptor Vacuum [73] (RVac) — это вариант Raptor с удлиненным соплом с регенеративным охлаждением для более высокого удельного импульса в космосе. Оптимизированный для вакуума Raptor имел удельный импульс ~ 380 с (3700 м / с). [74] Полномасштабное испытание версии 1 Raptor Vacuum было завершено в сентябре 2020 года в МакГрегоре. [73] Первое воспламенение Raptor Vacuum в полете произошло на S25 во время второго комплексного летного испытания . [61]
Raptor 2 — это полная модернизация двигателя Raptor 1. [75] Турбомашина, камера, сопло и электроника были переработаны. Многие фланцы были преобразованы в сварные швы , а другие детали были удалены. [76] Упрощения продолжились и после начала производства. 10 февраля 2022 года Маск продемонстрировал возможности Raptor 2 и улучшения конструкции. [76] [77]
К 18 декабря 2021 года производство Raptor 2 началось. [78] К ноябрю 2022 года объем производства SpaceX превысил один раз в день и был создан запас для будущих запусков. [79] Raptor 2 производятся на предприятии SpaceX по разработке двигателей McGregor .
К февралю 2022 года Raptor 2 стабильно достигал тяги 230 тс (510 000 фунтов силы). Маск указал, что производственные затраты были примерно вдвое меньше, чем у Raptor 1. [ 76]
В мае 2023 года Маск сообщил об успешном статическом срабатывании Raptor 3 при давлении 350 бар (5100 фунтов на квадратный дюйм) в течение 45 секунд, создав тягу 269 тонн. [80]
В октябре 2021 года SpaceX инициировала попытку разработать концептуальный проект нового ракетного двигателя с целью сохранить стоимость ниже 1000 долларов США за тонну тяги. Проект получил название «Двигатель 1337», что следует произносить как «LEET» (по названию мема-кодировщика ). [79]
Хотя работа была остановлена в конце 2021 года, проект, возможно, помог определить идеальный двигатель и, вероятно, породил идеи, которые были включены в Raptor 3. Маск заявил тогда, что «мы не можем сделать жизнь многопланетной с помощью Raptor, поскольку это слишком дорого, но Раптор нужен, чтобы продержаться до тех пор, пока 1337 не будет готов».
Номинальным рабочим состоянием двигателя Raptor является давление торможения на поверхности форсунки (Pc) 3669,5 фунтов на квадратный дюйм и несколько обогащенное соотношение топливовоздушной смеси (MR) двигателя 3,60. Текущий анализ проводился для 100% номинального рабочего давления двигателя (Pc=3669,5 фунтов на квадратный дюйм) и MR двигателя 3,60.
Ожидается, что Super Heavy будет оснащен до 37 двигателями Raptor, а Starship будет использовать до шести двигателей Raptor.
Двигатель Raptor работает на жидком кислороде (LOX) и жидком метане (LCH4) в массовом соотношении 3,6:1 соответственно.
Рассматриваемый двигатель использует замкнутый цикл мощности с соплом камеры сгорания с регенеративным охлаждением 34,34:1.
И это двигатель Raptor, который будет приводить в действие BFR и корабль, и ракету-носитель, это один и тот же двигатель.
И это двигатель с тягой примерно 200 тонн, рассчитанный на давление в камере примерно 300 бар или 300 атмосфер.
И если он у вас с высоким коэффициентом расширения, он потенциально может иметь удельный импульс 380.
Система Starship SpaceX представляет собой полностью многоразовую транспортную систему, предназначенную для обслуживания околоземной орбиты, а также миссий на Луну и Марс.
Это двухступенчатое транспортное средство, состоящее из сверхтяжелой ракеты (ракета-носитель) и звездолета (космический корабль).
Маск сказал, что Lox и метан будут предпочтительным топливом SpaceX в миссии на Марс, которая уже давно является его заявленной целью.
Первоначальная работа SpaceX будет заключаться в создании ракеты на Lox/метане для будущей верхней ступени под кодовым названием Raptor.
Конструкция этого двигателя будет отличаться от газогенераторной системы «открытого цикла», которую использует текущая серия двигателей Merlin 1.
Вместо этого в новом ракетном двигателе будет использоваться гораздо более эффективный цикл «ступенчатого сгорания», который используется во многих российских ракетных двигателях.
Raptor использует эти свечи зажигания для воспламенения своих источников зажигания [образуя] полноценные паяльные лампы... — вероятно, миниатюрные ракетные двигатели, использующие то же топливо из метана и кислорода, что и Raptor — затем зажигают метановые и кислородные предварительные горелки двигателя, прежде чем окончательно зажечь те смешанные, газы под высоким давлением в камере сгорания.
[первоначальные летные испытания будут проводиться с] полномасштабным кораблем, выполняющим короткие прыжки на высоту в несколько сотен километров и поперечное расстояние ... довольно легко для корабля, поскольку не требуется теплозащитный экран, мы можем иметь большое количество резервного топлива и им не нужны двигатели Raptor с большой площадью и дальним космосом.
... «Тяга двигателя упала примерно пропорционально уменьшению массы транспортного средства после первого выступления IAC», — написал Маск, когда его спросили об этом уменьшении тяги.
Снижение тяги также позволяет использовать несколько двигателей, что дает машине возможность приземлиться без двигателя.
... Маск с оптимизмом смотрел на масштабирование двигателя Raptor от его нынешней экспериментальной модели до полномасштабной.
«Масштабирование тяги — это самая простая часть.
Очень просто масштабировать Dev Raptor до 170 тонн», — написал он.
«Конструкция летного двигателя намного легче и плотнее, и в ней особое внимание уделяется надежности».
Он добавил, что цель состоит в том, чтобы достичь «уровня безопасности пассажирских авиакомпаний» с помощью двигателя, необходимого, если транспортное средство должно обслуживать рынки прямых перевозок.
SpaceX уже начала самофинансируемую разработку и тестирование двигателя Raptor следующего поколения.
...Разработка Raptor... не потребует внешних средств на разработку, связанных с этим двигателем.
Маск: «
Важнейшими элементами решения являются возможность повторного использования ракеты и низкая стоимость топлива (CH
4
и O
2
при соотношении O/F ~3,8). И, конечно же, производство возвращаемого топлива на Марсе, которое имеет удобный CO.
2
атмосферы и много H
2
O, замороженного в почве
» .
«Мы собираемся заняться метаном». Маск объявил, описывая свои будущие планы по многоразовым ракетам-носителям, в том числе предназначенным для доставки астронавтов на Марс в течение 15 лет: «Энергетическая стоимость метана самая низкая, и он имеет небольшое преимущество I sp (удельный импульс) над керосином», — сказал Маск. Маск добавил: «И у него нет такой боли в заднице, как у водорода».
Маск заявил, что вполне возможно, что первый космический корабль будет готов к испытаниям через четыре года... «Мы намеренно неточны в отношении сроков», — сказал он.
«Мы постараемся добиться как можно большего прогресса при очень ограниченном бюджете».
Новый двигатель верхней ступени Raptor, вероятно, будет лишь первым двигателем в серии лох-метановых двигателей.
наше внимание сосредоточено на полном размере Raptor
этот проект является исключительно частной разработкой для коммерческого использования.
обновленная версия архитектуры Марса: Потому что со времени последнего разговора она сильно изменилась.
... Главное, что я понял, это как за это платить?
Если мы уменьшим размеры марсианского корабля, сделаем его способным выполнять деятельность на околоземной орбите так же, как и на Марсе, возможно, мы сможем заплатить за него, используя его для деятельности на околоземной орбите.
Это один из ключевых элементов новой архитектуры.
Он похож на тот, что был показан на МАК, но немного меньше.
Все еще большой, но у этого есть шанс стать реальным на экономическом фронте.
Корпорация Space Exploration Technologies, Хоторн, Калифорния, получила модификацию стоимостью 40 766 512 долларов США (P00007) на разработку прототипа ракетной двигательной установки Raptor для программы Evolved Expendable Launch Vehicle.
Работы будут выполняться в Космическом центре НАСА Стеннис, штат Миссисипи;
Хоторн, Калифорния;
МакГрегор, Техас;
и база ВВС Лос-Анджелес, Калифорния;
и, как ожидается, будет завершено к 30 апреля 2018 года. На момент присуждения контракта будут выделены средства на исследования, разработки, испытания и оценку на 2017 финансовый год в размере 40 766 512 долларов США.
Подрядчиком является Дирекция предприятий систем запуска, Центр космических и ракетных систем, авиабаза Лос-Анджелес, Калифорния (FA8811-16-9-0001).
Starship — полностью многоразовый космический корабль и вторая ступень системы Starship.
