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Los canales grabados en la boquilla Merlin 1D permiten el enfriamiento regenerativo evitando que el calor de escape lo derrita.

Desde la fundación de SpaceX en 2002, la compañía ha desarrollado cuatro familias de motores de cohetes - Merlin , Kestrel , Draco y SuperDraco - y actualmente (desde 2016) está desarrollando otro motor de cohete: Raptor , y después de 2020, una nueva línea de propulsores methox. .

Historia

En los primeros diez años de SpaceX, dirigida por el ingeniero Tom Mueller , la compañía desarrolló una variedad de motores de cohetes de propulsión líquida , con al menos uno más de ese tipo en desarrollo. En octubre de 2012 , cada uno de los motores desarrollados hasta la fecha ( Kestrel , Merlin 1 , Draco y Super Draco) se habían desarrollado para su uso inicial en los vehículos de lanzamiento SpaceX ( Falcon 1 , Falcon 9 y Falcon Heavy) o para la cápsula Dragon. . [1] Cada motor principal desarrollado en 2012 se ha basado en queroseno, utilizando RP-1 como combustible conoxígeno líquido (LOX) como oxidante, mientras que los motores propulsores de control RCS han utilizado propulsores hipergólicos almacenables .

En noviembre de 2012, en una reunión de la Royal Aeronautical Society en Londres, Reino Unido, SpaceX anunció que planeaba desarrollar motores a base de metano para sus futuros cohetes. Estos motores utilizarían combustión de ciclo por etapas , para una mayor eficiencia similar al sistema utilizado en el motor NK-33 de la antigua Unión Soviética . [2] [ necesita actualización ]

A mediados de 2015, SpaceX había desarrollado un total de 9 arquitecturas de motores de cohetes en los primeros 13 años de existencia de la empresa.[3]

Motores a base de queroseno

SpaceX ha desarrollado dos motores basados ​​en queroseno hasta 2013, Merlin 1 y Kestrel, y ha discutido públicamente un diseño de alto nivel de motor conceptual mucho más grande llamado Merlin 2 . Merlin 1 impulsó la primera etapa del vehículo de lanzamiento Falcon 1 y se utiliza tanto en la primera como en la segunda etapa de los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy . La segunda etapa del Falcon 1 estaba propulsada por un motor Kestrel.

Merlín 1

Merlin 1 es una familia de motores de cohetes LOX / RP-1 desarrollados en 2003-2012. Merlin 1A y Merlin 1B utilizaron una boquilla compuesta de fibra de carbono enfriada ablativamente . Merlin 1A produjo 340 kilonewtons (76,000 lb f ) de empuje y se usó para impulsar la primera etapa de los dos primeros vuelos del Falcon 1 en 2006 y 2007. Merlin 1B tenía una turbobomba algo más potente y generaba más empuje, pero era nunca voló en un vehículo de vuelo antes de que SpaceX se mudara al Merlin 1C.

Motores cohete Merlin 1D en un vehículo de lanzamiento Falcon 9 v1.1 en el hangar SLC-40 , abril de 2014

El Merlin 1C fue el primero de la familia en utilizar una boquilla y una cámara de combustión refrigeradas de forma regenerativa . Fue disparado por primera vez con una misión completa en 2007, [4] voló por primera vez en la tercera misión Falcon 1 en agosto de 2008, [5] impulsó el "primer cohete de combustible líquido desarrollado de forma privada para alcanzar con éxito la órbita" ( Falcon 1 Vuelo 4 ) en septiembre de 2008, [5] y posteriormente impulsaron los primeros cinco vuelos del Falcon 9, cada uno con un vehículo de lanzamiento Falcon 9 versión 1.0 , desde 2010 hasta 2013. [6]

El Merlin 1D , desarrollado en 2011-2012, también tiene una boquilla y una cámara de combustión enfriadas de forma regenerativa. Tiene un empuje de vacío de 690 kN (155.000 lbf), un impulso específico de vacío (I sp ) de 310 s, una relación de expansión aumentada de 16 (a diferencia del 14,5 anterior del Merlin 1C) y una presión de cámara de 9,7 MPa ( 1.410 psi). Una nueva característica del motor es la capacidad de acelerar del 100% al 70%. [7] La relación empuje-peso de 150: 1 del motor es la más alta jamás alcanzada para un motor de cohete. [8] [9] El primer vuelo del motor Merlin 1D también fue el vuelo inaugural del Falcon 9 v1.1 . [10] El 29 de septiembre de 2013, el Falcon 9 Flight 6La misión lanzó con éxito la Agencia Espacial Canadiense 's CASSIOPE satélite en órbita polar, y demostró que el Merlin 1D podría ser reiniciado para el control de nuevo re-entrada de la primera etapa a la atmósfera, parte del programa de pruebas de vuelo del sistema de lanzamiento reutilizable SpaceX -a necesaria paso para hacer que el cohete sea reutilizable. [11]

Cernícalo

Kestrel era un motor cohete alimentado a presión LOX / RP-1 y fue desarrollado por SpaceX [ ¿cuándo? ] como el motor principal de la segunda etapa del cohete Falcon 1. Fue construido en torno a la misma clavija arquitectura como motor Merlin de SpaceX, pero no tiene un turbo-bomba , y está alimentado solamente por la presión del tanque . Su boquilla se enfrió ablativamente en la cámara y se enfrió radiativamente en la garganta, y está fabricada con niobio de alta resistencia.aleación. El control del vector de empuje es proporcionado por actuadores electromecánicos en la cúpula del motor para cabeceo y guiñada. El control de alabeo - y el control de actitud durante la fase de costa - lo proporcionan los propulsores de gas frío de helio . [12] [13]

Motores a base de metano

En noviembre de 2012, los motores de metalox entraron en escena cuando el CEO de SpaceX, Elon Musk, anunció una nueva dirección para el lado de propulsión de la empresa: desarrollar motores de cohetes de metano / LOX . [2] El trabajo de SpaceX en motores de metano / LOX (metalox) es estrictamente para apoyar el programa de desarrollo de tecnología de Marte de la compañía. No tenían planes de construir un motor de etapa superior para el Falcon 9 o el Falcon Heavy usando propelente metalox. [14] Sin embargo, el 7 de noviembre de 2018, Elon Musk tuiteó: "La segunda etapa del Falcon 9 se actualizará para que sea como una nave mini-BFR", lo que puede implicar el uso de un motor Raptor en esta nueva segunda etapa. El enfoque del nuevo programa de desarrollo de motores está exclusivamente en el motor Raptor de tamaño completo para la misión centrada en Marte. [14]

Raptor

Raptor es una familia de motores de cohetes de metano / oxígeno líquido en desarrollo por SpaceX desde finales de la década de 2000, [2] aunque la mezcla de propulsores LH2 / LOX se estaba estudiando originalmente cuando comenzó el trabajo de desarrollo del concepto Raptor en 2009. [15] Cuando fue mencionado por primera vez por SpaceX en 2009, el término "Raptor" se aplicó exclusivamente a un concepto de motor de etapa superior. [2] SpaceX discutió en octubre de 2013 que tenían la intención de construir una familia de motores de cohetes Raptor basados ​​en metano, [16] inicialmente anunciando que el motor alcanzaría 2,94 meganewtons (661,000 lbf) de empuje de vacío. [dieciséis]En febrero de 2014, anunciaron que el motor Raptor se utilizaría en el Mars Colonial Transporter . El refuerzo utilizaría múltiples motores Raptor, similar al uso de nueve Merlin 1 en cada núcleo de refuerzo Falcon 9 . [17] El mes siguiente, SpaceX confirmó que, en marzo de 2014 , todo el trabajo de desarrollo de Raptor se realiza exclusivamente en este único motor de cohete muy grande, y que no hay motores Raptor más pequeños en la mezcla de desarrollo actual. [14]

El motor Raptor metano / LOX utiliza un ciclo de combustión por etapas de flujo completo altamente eficiente y teóricamente más confiable , [17] una desviación del sistema de ciclo generador de gas abierto y los propulsores LOX / queroseno usados ​​en la actual serie de motores Merlin 1. [2] En febrero de 2014 , los diseños preliminares de Raptor buscaban producir 4,4 meganewtons (1.000.000 lbf) de empuje con un impulso específico de vacío (I sp ) de 363 segundos (3,56 km / s) y un I sp a nivel del mar de 321 segundos (3,15 km / s), [17] [18] aunque los tamaños de los conceptos posteriores que se analizaron estaban más cerca de 2,2 MN (500.000 lbf).

Las pruebas iniciales a nivel de componentes de la tecnología Raptor comenzaron en mayo de 2014, con una prueba del elemento del inyector. [16] [19] El primer motor de desarrollo completo de Raptor, aproximadamente un tercio del tamaño de los motores a gran escala planeados para su uso en varias partes de la nave estelar, con aproximadamente 1,000 kN (220,000 lb f ) de empuje, comenzó a probarse en un banco de pruebas en tierra en septiembre de 2016. La boquilla de prueba tiene una relación de expansión de solo 150, con el fin de eliminar los problemas de separación de flujo mientras se prueba en la atmósfera terrestre. [20]

El ciclo de combustión por etapas de flujo completo de Raptor pasará el 100 por ciento del oxidante (con una relación de combustible baja) para alimentar la bomba de la turbina de oxígeno y el 100 por ciento del combustible (con una relación de oxígeno bajo) para alimentar la bomba de la turbina de metano. Ambas corrientes, oxidante y combustible, estarán completamente en fase gaseosa antes de ingresar a la cámara de combustión . Antes de 2016, solo dos motores de cohetes de combustión por etapas de flujo completo habían progresado lo suficiente como para ser probados en bancos de pruebas: el proyecto RD-270 soviético en la década de 1960 y el proyecto de demostración de cabezal de potencia integrado Aerojet Rocketdyne a mediados de la década de 2000, que no lo hizo. probar un motor completo, sino solo el cabezal de potencia. [17] [20]

Se proyecta que otras características del diseño de flujo total aumenten aún más el rendimiento o la confiabilidad, con la posibilidad de hacer concesiones de diseño entre una y otra: [17]

  • eliminando la turbina de combustible oxidante Interseal que tradicionalmente es un punto de fallo en los motores de cohete químico modernas
  • Se requieren presiones más bajas a través del sistema de bombeo, lo que aumenta la vida útil y reduce aún más el riesgo de fallas catastróficas.
  • capacidad para aumentar la presión de la cámara de combustión, aumentando así el rendimiento general o "mediante el uso de gases más fríos, proporcionando el mismo rendimiento que un motor de combustión por etapas estándar pero con mucho menos estrés en los materiales, lo que reduce significativamente la fatiga del material o el peso [del motor]. " [17]

Propulsor Methox

SpaceX está desarrollando propulsores methox gaseosos que utilizarán metano gaseoso y oxígeno gaseoso en lugar del metano líquido y los propulsores de oxígeno líquido (metalox) utilizados por el motor Raptor.

En su anuncio del Sistema de Transporte Interplanetario (ITS) en el 67o Congreso Astronáutico Internacional el 27 de septiembre de 2016, Elon Musk indicó que todos los propulsores del sistema de control de reacción para el ITS (posteriormente rebautizado como Starship ) operarían con metano gaseoso y oxígeno. suministro en cada uno de esos vehículos, y que se desarrollarían nuevos propulsores para tal fin. [21] [22] [23]

Para 2020, se planeó ubicar un conjunto de propulsores RCS methox de alto empuje en el medio del cuerpo de la variante Starship HLS de aterrizaje lunar y se utilizará durante las "decenas de metros" finales de cualquier descenso y aterrizaje lunar terminal, [ 24] , así como para salir de la superficie lunar. [24] : 50:30 El diseño de la parte media del cuerpo es específicamente para abordar el problema de la erosión de la superficie lunar y la creación de polvo en toda la Luna por el uso de motores Raptor que se encuentran en la base de Starship.

Motores hipergólicos

Draco

Draco son motores de cohetes de propulsión líquida hipergólicos que utilizan una mezcla de combustible de monometilhidrazina y oxidante de tetróxido de nitrógeno . Cada propulsor Draco genera 400 newtons (90 lbf) de empuje. [25] Se utilizan como propulsores del Sistema de Control de Reacción (RCS) tanto en la nave espacial Dragon como en la segunda etapa del vehículo de lanzamiento Falcon 9 . [26]

SuperDraco

Los motores hipergólicos de propulsión almacenable SuperDraco generan 67.000 newtons (15.000 lbf) de empuje, lo que convierte al SuperDraco en el tercer motor más potente desarrollado por SpaceX, más de 200 veces [27] más potente que los motores propulsores Draco RCS normales. En comparación, es más de dos veces más potente que el motor Kestrel utilizado en la segunda etapa del vehículo de lanzamiento Falcon 1 de SpaceX, y aproximadamente 1/9 del empuje de un motor Merlin 1D . Se utilizan como motores Launch Abort System en el SpaceX Dragon 2 para el transporte de la tripulación a la órbita terrestre baja . [28]

Ver también

  • Vehículos de lanzamiento SpaceX

Referencias

  1. ↑ Morrison, Sara (26 de mayo de 2020). "Hay mucho en juego en el lanzamiento de SpaceX del miércoles" . Vox . Consultado el 27 de mayo de 2020 .
  2. ↑ a b c d e Todd, David (22 de noviembre de 2012). "El cohete de SpaceX a Marte será alimentado con metano" . FlightGlobal . REINO UNIDO. Archivado desde el original el 11 de enero de 2014 . Consultado el 1 de octubre de 2014 .
  3. ^ "Testimonio preparado de SpaceX por Jeffrey Thornburg" . SpaceRef.com . 26 de junio de 2015.[SpaceX desarrolla] todos nuestros motores internamente y en los Estados Unidos. La compañía se encuentra actualmente en su cuarta generación de motores de refuerzo, que han incluido el Merlin 1A, el Merlin 1B, el Merlin 1C y el Merlin 1D. Además, hemos desarrollado el motor de vacío Kestrel, el motor de vacío Merlin 1C y el motor de vacío Merlin 1D para nuestras segundas etapas en Falcon 1, Falcon 9 y Falcon Heavy. SpaceX también ha desarrollado motores Draco y SuperDraco que proporcionan capacidad de propulsión en el espacio y aborto para Dragon ... También estamos avanzando con una importante I + D en un motor de cohete Raptor de próxima generación. ... SpaceX ha desarrollado con éxito los 9 motores de cohetes mencionados anteriormente en los últimos 13 años.
  4. ↑ Whitesides, Loretta Hidalgo (12 de noviembre de 2007). "SpaceX completa el desarrollo de Rocket Engine para Falcon 1 y 9" . Cableado . Archivado desde el original el 12 de enero de 2014.
  5. ↑ a b Clark, Stephen (28 de septiembre de 2008). "Dulce éxito por fin para Falcon 1 Rocket" . Vuelo espacial ahora. Archivado desde el original el 11 de enero de 2014 . Consultado el 6 de abril de 2011 .
  6. ↑ Klotz, Irene (6 de septiembre de 2013). "Musk dice que SpaceX es" extremadamente paranoico "mientras se prepara para el debut de Falcon 9 en California" . Noticias espaciales . Archivado desde el original el 22 de septiembre de 2013 . Consultado el 13 de septiembre de 2013 .
  7. ^ "SpaceX revela planes para ser el fabricante de cohetes superior del mundo" . Semana de la aviación y tecnología espacial . 2011-08-11. Archivado desde el original el 12 de enero de 2014 . Consultado el 11 de octubre de 2012 .(requiere suscripción)
  8. ^ Chaikin, Andrew (enero de 2012). "¿SpaceX está cambiando la ecuación del cohete? 1 visionario + 3 lanzadores + 1.500 empleados =?" . Revista Air & Space . Washington, DC: Institución Smithsonian . Archivado desde el original el 12 de enero de 2014 . Consultado el 13 de noviembre de 2012 .
  9. ^ "El motor Merlin 1D de Spacex logra disparar la duración de la misión completa" . SpaceX. 25 de junio de 2012.
  10. ↑ Rosenberg, Zach (16 de marzo de 2012). "SpaceX prepara motores actualizados" . Flightglobal . Archivado desde el original el 11 de enero de 2014 . Consultado el 17 de marzo de 2012 .
  11. ↑ Wall, Mike (17 de octubre de 2013). "SpaceX alcanzó un enorme hito de cohete reutilizable con vuelo de prueba Falcon 9" . Space.com . Nueva York. Archivado desde el original el 11 de enero de 2014 . Consultado el 10 de enero de 2014 .
  12. ↑ Zsidisin, Greg (23 de marzo de 2007). "SpaceX confirma el golpe de escenario en Demoflight 2" . Espacio diario . Archivado desde el original el 12 de enero de 2014 . Consultado el 30 de septiembre de 2008 .
  13. ^ Wade, Mark (2014). "Kerstrel" . Enciclopedia Astronautica . Archivado desde el original el 12 de enero de 2014 . Consultado el 12 de enero de 2014 .
  14. ↑ a b c Gwynne Shotwell (21 de marzo de 2014). Transmisión 2212: Edición especial, entrevista con Gwynne Shotwell (archivo de audio). El espectáculo espacial. El evento ocurre a las 21: 25-22: 10 y 26: 25-27: 10. 2212. Archivado desde el original (mp3) el 22 de marzo de 2014 . Consultado el 22 de marzo de 2014 . nuestro enfoque es el tamaño completo de Raptor
  15. ^ "Planes de vehículos SpaceX a largo plazo" . HobbySpace.com. Archivado desde el original el 14 de febrero de 2010 . Consultado el 13 de julio de 2009 .
  16. ↑ a b c Leone, Dan (25 de octubre de 2013). "SpaceX podría comenzar a probar el motor alimentado con metano en Stennis el próximo año" . Noticias espaciales . Archivado desde el original el 11 de enero de 2014 . Consultado el 26 de octubre de 2013 .
  17. ↑ a b c d e f Belluscio, Alejandro G. (7 de marzo de 2014). "SpaceX avanza la unidad para el cohete de Marte a través de la energía de Raptor" . NASAspaceflight.com . Consultado el 8 de marzo de 2014 .
  18. ^ "El jefe de propulsión de SpaceX eleva a la multitud en Santa Bárbara" . Pacific Business Times. 19 de febrero de 2014 . Consultado el 22 de febrero de 2014 .
  19. ^ SpaceX para probar el motor de cohete de metano en Miss., The Sacramento Bee , 22 de abril de 2014 Archivado el 29 de abril de 2014 en Wayback Machine.
  20. ↑ a b Belluscio, Alejandro G. (3 de octubre de 2016). "ITS Propulsion - La evolución del motor SpaceX Raptor" . NASASpaceFlight.com . Consultado el 3 de octubre de 2016 .
  21. ↑ Bergin, Chris (27 de septiembre de 2016). "SpaceX revela su cambio de juego de Marte a través del plan de colonización" . NASASpaceFlight.com . Consultado el 13 de octubre de 2016 .
  22. ↑ Richardson, Derek (27 de septiembre de 2016). "Elon Musk muestra el sistema de transporte interplanetario" . Insider de vuelos espaciales . Consultado el 13 de octubre de 2016 .
  23. ↑ Berger, Eric (28 de septiembre de 2016). "Momento de Musk en Marte: audacia, locura, brillantez, o tal vez los tres" . Ars Technica . Consultado el 13 de octubre de 2016 .
  24. ↑ a b Cummings, Nick (11 de junio de 2020). Sistema de aterrizaje humano: volver a poner las botas en la luna . Sociedad Astronáutica Americana. El evento ocurre a las 35: 00–36: 02 . Consultado el 17 de abril de 2021 , a través de YouTube. Para el descenso terminal de Starship, unas pocas decenas de metros antes de que aterricemos en la superficie lunar, en realidad usamos un sistema RCS de alto empuje, de modo que no chocamos contra la superficie de la Luna con el Raptor de alto empuje. motores. ... utiliza los mismos propulsores de metano y oxígeno que Raptor .
  25. ^ "Actualizaciones de SpaceX - 10 de diciembre de 2007" . SpaceX . 2007-12-10 . Consultado el 26 de diciembre de 2012 .
  26. ^ "Guía del usuario de carga útil del vehículo de lanzamiento Falcon 9, 2009" (PDF) . SpaceX. 2009. Archivado desde el original (PDF) el 2012-05-03 . Consultado el 8 de marzo de 2013 .
  27. ^ "Prototipo de motor de incendios de prueba de SpaceX para el sistema de escape de astronautas" . NASA . 2012-02-01 . Consultado el 1 de febrero de 2012 .
  28. ^ "SpaceX listo para la prueba de aborto en vuelo de Crew Dragon" . SpaceNews.com . 2020-01-13 . Consultado el 27 de mayo de 2020 .

Enlaces externos

  • SpaceX Tour - Engines , 11 de noviembre de 2010.
  • Presentación de SpaceX Systems Engineering , 28 de septiembre de 2012. Incluye una fotografía de los motores de vacío Merlin 1C y Merlin 1C uno al lado del otro.