Raptor («Раптор») | |
---|---|
| |
Тип | ЖРД |
Топливо | жидкий метан[1] |
Окислитель | жидкий кислород[1] |
Страна | США |
Использование | |
Применение | Starship/Super Heavy |
Производство | |
Конструктор | SpaceX, США |
Варианты | Sea-Level / Vacuum |
Массогабаритные характеристики |
|
Высота | 3,1 м[2] |
Диаметр | 1,3 м[2] |
Рабочие характеристики | |
Тяга | 269 тс[3] |
Удельный импульс | 330 с[2] / 375 с[2] |
Давление в камере сгорания | 35 МПа (350 кгс/см²)[4] |
Степень расширения | 40[5] / 200[5] |
Медиафайлы на Викискладе |
Raptor («Раптор») — жидкостный ракетный двигатель, созданный компанией SpaceX. Двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов топлива, работающий на жидких метане[6] и кислороде[7], применяется на космическом корабле Starship и ускорителе Super Heavy.
Двигатель Raptor использует наиболее эффективную замкнутую схему с полной газификацией компонентов топлива, в отличие от другого двигателя SpaceX — Merlin, имеющего более простую систему газогенератора с открытым циклом[8][9] (закрытый цикл использовался на главных двигателях «Шаттлов» — RS-25 и в нескольких российских ракетных двигателях, например, в РД-171, РД-180, РД-191[9]).
При использовании цикла с полной газификацией компонентов, где почти полный расход кислорода с небольшой долей метана будет приводить в действие турбонасос окислителя и почти полный расход метана с небольшой долей кислорода будет приводить в действие турбонасос горючего, оба потока — окислитель и горючее — будут полностью газифицированы в отдельных газогенераторах, прежде чем попадут в камеру сгорания.
ЖРД выполнен по двухвальной схеме подачи компонентов топлива (возможна протечка метана только в тракт метана и кислорода только в тракт кислорода, в отличие, например, от RS-25, где для исключения протечки вдоль вала турбины, на котором расположены насосы обоих компонентов, в уплотнение подаётся гелий)[прояснить], а также имеет систему наддува баков компонентов топлива соответствующими газами, что устраняет потребность в гелии.
Двигатель использует переохлаждённые компоненты топлива, что позволяет увеличить массу топлива в баках за счёт увеличения её плотности, повышает удельный импульс, тягу, а также снижает риск кавитации в турбонасосах[9].
Воспламенение топлива при запуске на земле и в полёте осуществляется системой искрового зажигания, что исключает необходимость в пирофорной смеси триэтилалюминия-триэтилборана[англ.] для зажигания двигателей на РН семейства Falcon[9].
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 также повышения тяги и надёжности.[10].
Заявленные характеристики двигателя Raptor в процессе проектирования в течение 2012—2017 годов менялись в широком диапазоне, от высокого значения целевой пустотной тяги 8200 кН[11] до поздней, гораздо более низкой тяги 1900 кН.
С 2018 года ожидается, что двигатель будет иметь удельный импульс 380 с в пустоте и 330 с у земли[12][2].
Характеристика[13] | Значение |
---|---|
Тяга на уровне моря Земли, кН | 3050 |
Удельный импульс на уровне моря Земли, с | 334,1 |
Тяга в вакууме, кН | 3290 |
Удельный импульс в вакууме, с | 360,3 |
Расход окислителя (кислород, LOX), кг/с | 724 |
Расход горючего (метан, CH4), кг/с | 206,5 |
Расход топлива (кислород + метан), кг/с | 930,5 |
Соотношение компонентов топлива | 3,506 |
Давление в камере сгорания, МПа | 30 |
Давление в выходном сечении сопла, МПа | 0,0735 |
Скорость в выходном сечении сопла, м/с | 3450 |
18 июня 2009 года на симпозиуме «Innovations in Orbit: An Exploration of Commercial Crew and Cargo Transportation» Американского института аэронавтики и астронавтики[англ.] Макс Возофф[англ.] впервые публично упомянул проект ракетного двигателя Raptor. Проект подразумевал использование топливной пары кислород-водород.[14][15]
28 июля 2010 года на 46-й конференции «Joint Propulsion Conference» Американского института аэронавтики и астронавтики директор испытательного комплекса SpaceX в МакГрегоре[англ.] Том Маркьюзик[англ.] 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[англ.] [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.[16]. 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.[17][18][15]
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[англ.], способной выводить полезную нагрузку 150—200 т на низкую околоземную орбиту, что превышает возможности SLS НАСА.[19][15]
16 ноября 2012 года, во время выступления в Королевском обществе аэронавтики[англ.] в Лондоне, Илон Маск впервые объявил о разработке двигателя Raptor, использующего в качестве топлива метан.[20][7][8][21][17][18]
В октябре 2013 года SpaceX анонсировала начало испытаний узлов метанового двигателя в Космическом центре имени Джона Стенниса.[22][23] Впервые объявлена номинальная тяга двигателя — 661 000 фунт-сил [2 942 кН].[24][15]
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.[25][17][18][15]
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.[26][27][11][15]
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.[28]
6 января 2015 года Илон Маск заявил, что целью является тяга двигателя чуть больше 230 тс [2 256 кН], что намного ниже заявленной ранее.[29][15]
26 сентября 2016 года Илон Маск опубликовал в Twitter две фотографии первого испытательного запуска двигателя Raptor в сборе на испытательном комплексе SpaceX в МакГрегоре.[30][31][32] 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].[33][34][35] 27 сентября он пояснил, что коэффициент расширения 150 — для испытательного образца, вакуумная версия будет иметь коэффициент расширения 200.[36] Подробности были обобщены в статье о двигателе Raptor, опубликованной на следующей неделе.[9]
27 сентября 2016 года на 67-м ежегодном Международном конгрессе астронавтики в Гвадалахаре Илон Маск представил подробности концепции ITS.[37] 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 вакуумной версии — тяга 3 500 кН, удельный импульс 382 с, степень расширения 200.[5][15]
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][38][15]
29 сентября 2017 года в рамках 68-го ежегодного Международного конгресса астронавтики в Аделаиде Илон Маск представил новую концепцию под кодовым названием BFR[39]. 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][38][15].
Илон Маск объявил, что двигатель Raptor впервые отправится в полёт как часть BFR[39]. В октябре 2017 года он пояснил, что лётные испытания начнутся на полноразмерном корабле (верхней ступени BFR), выполняющем «короткие прыжки» высотой в несколько сотен километров[40].
17 сентября 2018 года на презентации, в рамках которой был представлен первый космический турист BFR Юсаку Маэдзава, информация о ракете была обновлена[12]; 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[41][42]. Испытание продолжалось 2 секунды при давлении 170 бар, достигнута тяга 116 тс [1 137 кН], что составляет 60 % от номинального значения[43].
7 февраля 2019 года проведено очередное огневое испытание с использованием «теплых» компонентов топлива, после которого Илон Маск сообщил, что двигатель подтвердил проектную мощность[44], 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[45].
В августе 2019 испытан при полёте аппарата Starhopper.[46]
5 августа 2020 года состоялся тестовый "прыжок" прототипа Starship (SN5) с двигателем Raptor SN27 на 150 м[47]; с тех пор проведено ещё несколько подобных испытаний.
Raptor 1[48] | Raptor 2 | Raptor 3[49] | |
---|---|---|---|
Собственная масса, кг | 2080 | 1630 | 1525 |
Масса с оборудованием, кг | 3630 | 2875 | 1720 |
Тяга (на уровне моря), тс | 185 | 230 | 280 |
Давление в камере сгорания, бар | 250 | 300 | 350 |
Удельный импульс, сек | 350 | 347 | 350 |
Raptor Vacuum (RVac) — это вариант двигателя с удлиненным регенеративно охлаждаемым соплом для более высокого удельного импульса в космосе. Оптимизированный для вакуума двигатель нацелен на удельный импульс ~380 с (3700 м/с). Полноценное испытание первой версии Raptor Vacuum было завершено в сентябре 2020 года в Макгрегоре[50]. Первое летное испытание Raptor Vacuum произошло во время второго теста S25[51] .
Raptor 2 — это новая версия двигателя Raptor, представляющая собой полную переработку двигателя первой версии. Инженеры избавились от факельных воспламенителей в главной камере сгорания, была переделана турбина, электроника, увеличено критическое сечение сопла. Двигатель избавился от большого количества датчиков (которые были необходимы в первой версии для осуществления отладки) и сопутствующего трубопровода. Многие фланцевые соединения были заменены сваркой. Все эти улучшения значительно снижают сложность двигателя, удешевляют производство и уменьшают количество точек отказа.[52]
Всего будет три версии двигателя Raptor 2: с карданным подвесом для отклонения вектора тяги, без карданного подвеса и версия для работы в вакууме.
Облегчённая версия двигателя Raptor 2 не нуждающаяся в тепловом щите и системе пожаротушения[53][54]. Стенки камеры двигателя Raptor этой версии могут испытывать самые высокие тепловые нагрузки из когда-либо созданных. Из-за возросшей тяги и уменьшения веса возможна установка 35 двигателей вместо 33 на ускоритель и 6 вместо 3 на корабль.
В мае 2024 года на огневых испытаниях Raptor V3 достиг давления в камере — 350 бар (269 тонн тяги)[55].
С 2009 по 2015 год разработка двигателя финансировалась за счёт инвестиций SpaceX, без привлечения финансирования со стороны правительства США[56][28].
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[57][58][59].
9 июня 2017 года ВВС США изменили соглашение, увеличив сумму финансирования со своей стороны на 16,9 млн долларов, не уточнив цели[57][60].
19 октября 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 40,8 млн долларов[57][61].
22 декабря 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 6,5 млн долларов[57].
{{cite news}}
: Указан более чем один параметр |work=
and |newspaper=
(справка); Неизвестный параметр |description=
игнорируется (справка)
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.
{{cite news}}
: Указан более чем один параметр |work=
and |newspaper=
(справка)