Raptor (ракетный двигатель)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Raptor («Раптор»)
Raptor-test-9-25-2016.jpg
ЖРД «Раптор» на испытаниях.
Тип ЖРД
Топливо сжиженный природный газ[1]
Окислитель жидкий кислород[1]
Страна Флаг США США
Использование
Применение BFR (планируется)
Производство
Конструктор Флаг США SpaceX, США
Варианты Sea-Level / Vacuum
Массогабаритные
характеристики
Диаметр 1,3 м[2] / 2,4 м[2]
Рабочие характеристики
Тяга 1 700 кН[2] / 1 900 кН[2]
Удельный импульс 330 с[2] / 375 с[2]
Давление в камере сгорания 25 МПа[2]
Степень расширения 40[3] / 200[3]
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

Raptor («Раптор») — жидкостный ракетный двигатель, разрабатываемый компанией SpaceX. Двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов топлива, работающий на жидких метане[4] и кислороде[5], планируется применять на ракете-носителе BFR.

История[править | править код]

Изначальный замысел[править | править код]

18 июня 2009 года на симпозиуме «Innovations in Orbit: An Exploration of Commercial Crew and Cargo Transportation» Американского института аэронавтики и астронавтики[en] Макс Возофф[en] впервые публично упомянул проект ракетного двигателя Raptor. Проект подразумевал использование топливной пары кислород-водород.[6][7]

28 июля 2010 года на 46-й конференции «Joint Propulsion Conference» Американского института аэронавтики и астронавтики директор испытательного комплекса SpaceX в МакГрегоре[en] Том Маркьюзик[en] представил информацию о начальных этапах проектирования двух семейств двухступенчатых ракет-носителей и двух новых ракетных двигателей для них. Планировалось, что двигатель Merlin 2 с топливной парой керосин / жидкий кислород для первых ступеней Falcon X, Falcon XX будет способен развить тягу 1 700 000 фунт-сил[en] [7 562 кН] на уровне моря и 1 920 000 фунт-сил [8 540 кН] в пустоте, что сделало бы его самым мощным двигателем в своем классе.[8]. Двигатель Raptor, использующий жидкий водород и жидкий кислород, имеющий в пустоте тягу 150 000 фунт-сил [667 кН], удельный импульс 470 с, предназначался для верхних ступеней сверхтяжелых ракет-носителей.[9][10][7]

В октябре 2012 года SpaceX объявила о работе над ракетным двигателем, который будет в несколько раз мощнее, чем двигатели Merlin 1, и не будет использовать топливо RP-1. Двигатель предназначался для ракеты-носителя следующего поколения под кодовым именем MCT[en], способной выводить полезную нагрузку 150—200 т на низкую околоземную орбиту, что превышает возможности SLS НАСА.[11][7]

Анонс и разработка узлов[править | править код]

16 ноября 2012 года, во время выступления в Королевском обществе аэронавтики[en] в Лондоне, Илон Маск впервые объявил о разработке двигателя Raptor, использующего в качестве топлива метан.[12][5][13][14][9][10]

В октябре 2013 года SpaceX анонсировала начало испытаний узлов метанового двигателя в Космическом центре имени Джона Стенниса.[15][16] Впервые объявлена номинальная тяга двигателя — 661 000 фунт-сил [2 942 кН].[17][7]

19 февраля 2014 года вице-президент SpaceX по разработке двигателей Томас Мюллер, выступая на мероприятии «Exploring the Next Frontier: The Commercialization of Space is Lifting Off» в Санта-Барбаре, сообщил, что разрабатываемый двигатель Raptor будет способен развивать тягу в 1 000 000 фунт-сил [4 448 кН]. Удельный импульс составит 321 с на уровне моря и 363 с в пустоте.[18][9][10][7]

9 июня 2014 года на конференции «Space Propulsion 2014» в Кёльне Томас Мюллер объявил, что SpaceX разрабатывает многоразовый двигатель Raptor для тяжелой ракеты, предназначенной для полёта на Марс. Планировалось, что тяга двигателя для первой ступени составит 705 тс [6 914 кН], что сделало бы его чуть более мощным, чем двигатель программы «Аполлон»F-1. Высотная версия двигателя — тяга 840 тс [8 238 кН], удельный импульс 380 с. Пресс-секретарь центра Стенниса — Ребекка Стрекер сообщила, что компания испытывает узлы двигателя малого масштаба на стенде E-2 в Миссисипи.[19][20][21][7]

В конце 2014 года SpaceX завершила испытания главной форсунки. Летом 2015 года команда испытательного стенда E-2 завершила полномасштабное испытание кислородного газогенератора нового двигателя. С апреля по август было выполнено 76 огневых испытаний газогенератора с общей наработкой около 400 секунд.[22]

6 января 2015 года Илон Маск заявил, что целью является тяга двигателя чуть больше 230 тс [2 256 кН], что намного ниже заявленной ранее.[23][7]

Испытания двигателя[править | править код]

26 сентября 2016 года Илон Маск опубликовал в Twitter две фотографии первого испытательного запуска двигателя Raptor в сборе на испытательном комплексе SpaceX в МакГрегоре.[24][25][26] Маск сообщил, что целевая производительность — удельный импульс в пустоте — 382 с, при коэффициенте расширения сопла 150, тяга в 3 000 кН, давление в камере сгорания 300 бар [30 МПа].[27][28][29] 27 сентября он пояснил, что коэффициент расширения 150 — для испытательного образца, пустотная версия будет иметь коэффициент расширения 200.[30] Подробности были обобщены в статье о двигателе Raptor, опубликованной на следующей неделе.[31]

27 сентября 2016 года на 67-м ежегодном Международном конгрессе астронавтики в Гвадалахаре Илон Маск представил подробности концепции ITS.[32] Были даны характеристики двигателя Raptor: давление в камере сгорания 300 бар [30 МПа]; возможность дросселирования тяги в диапазоне 20—100%; номинальная тяга 3 050 кН, удельный импульс 334 с, степень расширения 40; для пустотной версии — тяга 3 500 кН, удельный импульс 382 с, степень расширения 200.[3][7]

К сентябрю 2017 года испытательный двигатель, в котором был применён сплав, повышающий устойчивость элементов турбонасоса кислорода к окислению, работающий с давлением в камере сгорания в 200 бар и развивающий тягу в 1 000 кН, прошёл 42 стендовых огневых испытания с общей наработкой 1200 секунд. Самое длительное испытание продолжалось 100 секунд.[2][33][7]

29 сентября 2017 года в рамках 68-го ежегодного Международного конгресса астронавтики в Аделаиде Илон Маск представил новую концепцию под кодовым названием BFR[34]. Характеристики двигателя Raptor изменились: давление в камере сгорания 250 бар [25 МПа]; тяга 1 700 кН, удельный импульс 330 с; для пустотной версии — тяга 1 900 кН, удельный импульс 375 с[2][33][7].

Илон Маск объявил, что двигатель Raptor впервые отправится в полёт как часть BFR[34]. В октябре 2017 года он пояснил, что лётные испытания начнутся на полноразмерном корабле (верхней ступени BFR), выполняющем «короткие прыжки» высотой в несколько сотен километров[35].

17 сентября 2018 года на презентации, в рамках которой был представлен первый космический турист BFR Юсаку Маэдзава, информация о ракете была обновлена[36]; озвучены характеристики двигателя Raptor: целевое значение давления в камере сгорания примерно 300 бар [30 МПа]; тяга около 200 тс [1 960 кН]; потенциально-возможный удельный импульс около 380 с.

4 февраля 2019 года было проведено первое огневое испытание лётного[уточнить] образца двигателя[37][38]. Испытание продолжалось 2 секунды при давлении 170 бар, достигнута тяга 116 тс [1 137 кН], что составляет 60 % от номинального значения[39].

7 февраля 2019 года проведено очередное огневое испытание с использованием «теплых» компонентов топлива, после которого Илон Маск сообщил, что двигатель подтвердил проектную мощность[40], достигнув уровня тяги в 172 тс [1 686 кН] при давлении в камере сгорания 257 бар [25,7 МПа]. Предполагается прирост тяги 10—20 % при использовании переохлаждённых компонентов топлива.[41]

В августе испытан при полете аппарата Starhopper[42]

Финансирование[править | править код]

С 2009 по 2015 год разработка двигателя финансировалась за счёт инвестиций SpaceX, без привлечения финансирования со стороны правительства США[43][22].

13 января 2016 года ВВС США заключили со SpaceX соглашение о разработке прототипа двигателя Raptor, предназначенного для верхних ступеней ракет-носителей Falcon 9 и Falcon Heavy, с финансированием в размере 33,7 млн долларов со стороны ВВС и не менее 67,3 млн долларов со стороны SpaceX. Ожидалось, что работа по контракту будет завершена не позднее 31 декабря 2018 года[44][45][46].

9 июня 2017 года ВВС США изменили соглашение, увеличив сумму финансирования со своей стороны на 16,9 млн долларов, не уточнив цели[44][47].

19 октября 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 40,8 млн долларов[44][48].

22 декабря 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 6,5 млн долларов[44].

Конструкция[править | править код]

Примерная схема работы ЖРД Raptor

Двигатель Raptor будет работать с использованием наиболее эффективной замкнутой схемы с полной газификацией компонентов, в отличие от другого двигателя SpaceX — Merlin, имеющего более простую систему газогенератора с открытым циклом[13][31]. Закрытый цикл использовался на главных двигателях «Шаттла»RS-25[49] и в нескольких российских ракетных двигателях, например, в РД-170, РД-180, РД-191[31]. При использовании цикла с полной газификацией компонентов, где поток окислителя с небольшой частью топлива будет приводить в действие турбонасос кислорода, а поток топлива с небольшой частью окислителя будет приводить в действие турбонасос метана, оба потока — окислитель и топливо — будут полностью газифицированы в отдельных газогенераторах, прежде чем попадут в камеру сгорания. До 2016 года только два ракетных двигателя с полной газификацией достигли достаточного прогресса для проведения испытаний на стендах: советский проект РД-270 в 1960-х годах и демонстратор Integrated Powerhead Demonstrator[en] компании Aerojet Rocketdyne в середине 2000-х годов[10][31].

При использовании других циклов возникают серьезные проблемы с уплотнителями вала турбонасосного агрегата. Контакт кислорода с топливом или топливным газом при протечке вдоль вала может вызвать взрыв двигателя. Для избежания этого требуется строгий контроль уплонителей и подача между ними гелия под высоким давлением. В схеме двигателя Raptor возможна только протечка топлива в топливный газ и кислорода в кислородный газ, что не несет никаких проблем. Кроме того, двигатель обладает системой наддува баков газифицированными компонентами. Таким образом полностью исключается потребность в гелии, добыча которого на Марсе невозможна.[источник не указан 110 дней]

Двигатель использует переохлажденные компоненты топлива, что позволяет увеличить массу топлива в баках за счёт увеличения плотности, увеличивает удельный импульс, тягу, а также снижает риск кавитации в турбонасосах[31].

Воспламенение топлива при запуске всех двигателей Raptor, как на площадке, так и в полёте, будет осуществляться системой искрового зажигания, что устраняет необходимость в пирофорной смеси триэтилалюминия-триэтилборана, используемой для зажигания двигателей на Falcon 9 и Falcon Heavy[31].

В будущем возможно создание нескольких модификаций двигателя Raptor. В ускорителе Super Heavy только центральные двигатели, использующиеся при посадке, будут иметь карданный подвес и систему дросселирования. Двигатели внешнего кольца будут максимально упрощены для снижения стоимости и сухой массы ускорителя, а так же повышения тяги и надежности.[50]

Заявленные характеристики двигателя Raptor в процессе проектирования в течение 2012 — 2017 годов менялись в широком диапазоне, от высокого значения целевой пустотной тяги в 8 200 кН[21] до более поздней, гораздо более низкой тяги в 1 900 кН. С 2018 года ожидается, что рабочий двигатель будет иметь удельный импульс 380 с в пустоте и 330 с у земли[36][2].

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 The Annual Compendium of Commercial Space Transportation: 2018 (англ.). Federal Aviation Administration. Дата обращения 7 августа 2018.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Making Life Multiplanetary. SpaceX (29 сентября 2017).
  3. 1 2 3 Mars Presentation (недоступная ссылка). SpaceX (27 сентября 2016). Архивировано 28 сентября 2016 года.
  4. SpaceX Prepared Testimony by Jeffrey Thornburg. spaceref.com (26 июня 2015). Дата обращения 23 декабря 2018.
  5. 1 2 Todd, David. Musk goes for methane-burning reusable rockets as step to colonise Mars, seradata.com (20 ноября 2012). Архивировано 11 июня 2016 года. Дата обращения 4 ноября 2015. «"We are going to do methane." Musk announced as he described his future plans for reusable launch vehicles including those designed to take astronauts to Mars within 15 years, "The energy cost of methane is the lowest and it has a slight Isp (Specific Impulse) advantage over Kerosene," said Musk adding, "And it does not have the pain in the ass factor that hydrogen has".».
  6. AI AA. Part 7 - AIAA Innovations in Orbit: An Exploration of Commercial Crew and Cargo Transportation (1 июля 2009). Дата обращения 19 октября 2018.
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 The Evolution of the Big Falcon Rocket (англ.). NASASpaceFlight.com (9 August 2018). Дата обращения 20 октября 2018.
  8. Tom Markusic. SpaceX Propulsion. Space Exploration Technologies (28 июня 2010).
  9. 1 2 3 SpaceX – Launch Vehicle Concepts & Designs (англ.). Spaceflight101.com. Дата обращения 20 октября 2018.
  10. 1 2 3 4 Alejandro G. Belluscio. SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power (англ.). NASASpaceFlight.com (7 March 2014). Дата обращения 19 октября 2018.
  11. SpaceX aims big with massive new rocket (англ.), Flightglobal.com (15 October 2012). Дата обращения 19 октября 2018.
  12. Royal Aeronautical Society. Elon Musk lecture at the Royal Aeronautical Society (23 ноября 2012). Дата обращения 20 октября 2018.
  13. 1 2 Todd, David. SpaceX’s Mars rocket to be methane-fuelled, Flightglobal.com (22 ноября 2012). Дата обращения 5 декабря 2012. «Musk said Lox and methane would be SpaceX’s propellants of choice on a mission to Mars, which has long been his stated goal. SpaceX’s initial work will be to build a Lox/methane rocket for a future upper stage, codenamed Raptor. The design of this engine would be a departure from the “open cycle” gas generator system that the current Merlin 1 engine series uses. Instead, the new rocket engine would use a much more efficient “staged combustion” cycle that many Russian rocket engines use.».
  14. Mars Colony: SpaceX CEO Elon Musk Eyes Huge Settlement On Red Planet (англ.), Huffington Post (26 November 2012). Дата обращения 20 октября 2018.
  15. SpaceX to Test Rocket Engines in Hancock Co. (англ.), Mississippi Development Authority (23 October 2013). Дата обращения 19 октября 2018.
  16. SpaceX to Conduct Raptor Engine Testing in Mississippi (англ.). www.parabolicarc.com (23 October 2013). Дата обращения 19 октября 2018.
  17. SpaceX Could Begin Testing Methane-fueled Engine at Stennis Next Year (англ.), SpaceNews.com (25 October 2013). Дата обращения 19 октября 2018.
  18. SpaceX’s propulsion chief elevates crowd in Santa Barbara (англ.), Pacific Coast Business Times (20 February 2014). Дата обращения 20 октября 2018.
  19. Aerojet Rocketdyne, SpaceX Square Off For New Engine Work (англ.). aviationweek.com (12 June 2014). Дата обращения 19 октября 2018.
  20. Daily Clipsheet. ula.lonebuffalo.com (9 июня 2014). Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 8 июля 2014 года.
  21. 1 2 Battle of the Heavyweight Rockets – SLS could face Exploration Class rival (англ.). NASASpaceFlight.com (29 August 2014). Дата обращения 19 октября 2018.
  22. 1 2 NASA-SpaceX testing partnership going strong. Lagniappe, John C. Stennis Space Center. NASA (сентябрь 2015). — «this project is strictly private industry development for commercial use». Дата обращения 10 января 2016.
  23. I am Elon Musk, CEO/CTO of a rocket company, AMA! (англ.). www.reddit.com (6 January 2015). Дата обращения 19 октября 2018.
  24. Elon Musk on Twitter (25 сентября 2016). — «SpaceX propulsion just achieved first firing of the Raptor interplanetary transport engine». Дата обращения 19 октября 2018.
  25. Elon Musk on Twitter (25 сентября 2016). — «Mach diamonds». Дата обращения 19 октября 2018.
  26. SpaceX испытала ракетный двигатель Raptor для доставки людей на Марс. РИА Новости (26 сентября 2016). Дата обращения 19 октября 2018.
  27. Elon Musk on Twitter (25 сентября 2016). — «Production Raptor goal is specific impulse of 382 seconds and thrust of 3 MN (~310 metric tons) at 300 bar». Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
  28. Elon Musk on Twitter (25 сентября 2016). — «Chamber pressure is almost 3X Merlin, so engine is about the same size for a given area ratio». Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
  29. Elon Musk on Twitter (25 сентября 2016). — «382s is with a 150 area ratio vacuum (or Mars ambient pressure) nozzle. Will go over specs for both versions on Tues.». Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
  30. Elon Musk on Twitter (26 сентября 2016). — «Meant to say 200 AR for production vac engine. Dev will be up to 150. Beyond that, too much flow separation in Earth atmos.». Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 27 сентября 2016 года.
  31. 1 2 3 4 5 6 Belluscio, Alejandro G. "ITS Propulsion – The evolution of the SpaceX Raptor engine" (англ.). NASASpaceFlight.com (3 October 2016).
  32. Making Humans a Multiplanetary Species. SpaceX (27 сентября 2016). Дата обращения 19 октября 2018.
  33. 1 2 Making Life Multiplanetary (Transcript). SpaceX (29 сентября 2017).
  34. 1 2 Making Life Multiplanetary. SpaceX (29 сентября 2017). Дата обращения 2 января 2019.
  35. Musk offers more technical details on BFR system - SpaceNews.com (англ.). SpaceNews.com (15 October 2017). Дата обращения 19 октября 2018.
  36. 1 2 First Private Passenger on Lunar BFR Mission (англ.). SpaceX (17 September 2018). Дата обращения 19 октября 2018.
  37. Elon Musk on Twitter (3 февраля 2019). — «First firing of Starship Raptor flight engine!». Дата обращения 6 февраля 2019.
  38. Ольга Никитина. Илон Маск показал первые испытания двигателя для межпланетного корабля Starship. Взгляд (4 февраля 2019). Дата обращения 4 февраля 2019.
  39. SpaceX on Instagram (англ.) (5 February 2019). — «Completed a two-second test fire of the Starship Raptor engine that hit 170 bar and ~116 metric tons of force – the highest thrust ever from a SpaceX engine and Raptor was at ~60% power.». Дата обращения 6 февраля 2019.
  40. Elon Musk on Twitter (7 февраля 2019). — «Raptor just achieved power level needed for Starship & Super Heavy». Дата обращения 7 февраля 2019.
  41. Elon Musk on Twitter (7 февраля 2019). — «Design requires at least 170 metric tons of force. Engine reached 172 mT & 257 bar chamber pressure with warm propellant, which means 10% to 20% more with deep cryo.». Дата обращения 7 февраля 2019.
  42. Space X провела успешные испытания аппарата Starhopper // ТАСС, 28 августа
  43. Gwynne Shotwell. Statement of Gwynne Shotwell, President & Chief Operating Officer, Space Exploration Technologies Corp. (SpaceX). Congressional testimony 14–15. US House of Representatives, Committee on Armed Service Subcommittee on Strategic Forces (17 марта 2015). — «SpaceX has already begun self-funded development and testing on our next-generation Raptor engine. ... Raptor development ... will not require external development funds related to this engine.». Дата обращения 11 января 2016.
  44. 1 2 3 4 Agreement FA88111690001. Federal Procurement Data System[en]. Дата обращения 11 февраля 2019. Архивировано 11 февраля 2019 года.
  45. Contracts for Jan. 13, 2016. Release No: CR-008-16. US Department of Defense (13 января 2016). — «Space Exploration Technologies, Corp. (SpaceX), Hawthorne, California, has been awarded a $33,660,254 other transaction agreement for the development of the Raptor rocket propulsion system prototype for the Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV) program.». Дата обращения 15 января 2016.
  46. Orbital ATK, SpaceX Win Air Force Propulsion Contracts, SpaceNews[en] (13 января 2016). Дата обращения 15 января 2016.
  47. Jeff Foust. Air Force adds more than $40 million to SpaceX engine contract. SpaceNews[en] (21 октября 2017). — «According to government procurement documents, the Air Force modified that agreement June 9, adding nearly $16.9 million to the award, not specifying what the funding would be used for beyond it was a “supplement agreement for work within scope.”». Дата обращения 9 февраля 2019.
  48. Contracts for October 19, 2017. Release No: CR-203-17. US Department of Defense (19 октября 2017). — «Space Exploration Technologies Corp., Hawthorne, California, has been awarded a $40,766,512 modification (P00007) for the development of the Raptor rocket propulsion system prototype for the Evolved Expendable Launch Vehicle program.». Дата обращения 9 февраля 2019.
  49. Space Shuttle Main Engines. NASA. Дата обращения 6 марта 2013.
  50. e^ 👁 🥧. Planning on a simplifying mod to Raptor for max thrust, but no throttling, to get to 250 mT level (англ.). @elonmusk (2019T23:26). Дата обращения 28 июля 2019.