Raptor es una familia de motores de cohetes de ciclo de combustión por etapas de flujo completo desarrollados y fabricados por SpaceX , para su uso en el vehículo de lanzamiento totalmente reutilizable Starship en desarrollo . El motor funciona con metano líquido criogénico y oxígeno líquido (LOX), en lugar del queroseno RP-1 y LOX utilizados en los motores de cohetes Merlin y Kestrel anteriores de SpaceX . El motor Raptor tiene más del doble de empuje que el motor Merlin de SpaceX que alimenta sus actuales vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy .
País de origen | Estados Unidos |
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Fabricante | SpaceX |
Solicitud | Propulsión de primera y segunda etapa del vehículo Starship |
Estado | En desarrollo |
Motor de combustible líquido | |
Propulsor | Oxígeno líquido / metano líquido |
Proporción de mezcla | 3,55 (78% de O 2 , 22% de CH 4 ) [1] [2] |
Ciclo | Combustión por etapas de flujo completo |
Zapatillas | 2 turbobombas |
Configuración | |
Cámara | 1 |
Relación de boquilla | 40 (nivel del mar),> 150 (vacío) |
Actuación | |
Empuje | 880-2,210 kN; 200.000-500.000 lbf (90-225 t f ) [3] [4] |
Gama del acelerador | 40-100% [3] |
Relación empuje-peso | |
Presión de la cámara | |
Yo sp (vac.) | 380 s (3.700 m / s), objetivo [7] |
Yo sp (SL) | 330 s (3200 m / s) [7] |
Flujo de masa | |
Dimensiones | |
Largo | 3,1 m (10 pies) [11] |
Diámetro | 1,3 m (4 pies 3 pulgadas) [12] |
Peso en seco | 1.500 kg (3.300 libras), objetivo [6] |
Utilizado en | |
Nave estelar |
Raptor será usado en ambas etapas del -de dos etapas a la órbita , lavado de super-pesado sistema Starship [13] vehículo de lanzamiento , [14] que sustituirá Falcon 9 y Falcon pesado . [15] Starship se utilizará en varias aplicaciones, incluida la entrega de satélites en órbita terrestre , el despliegue de una gran parte de la megaconstelación Starlink de SpaceX y la exploración y colonización de Marte . [dieciséis]
El motor Raptor voló por primera vez en el vehículo de prueba Starhopper en julio de 2019 y se convirtió en el primer motor de cohete de combustión por etapas de flujo completo jamás volado. [17] A partir de agosto de 2020, Raptor tiene el récord de presión en la cámara de combustión más alta jamás alcanzada por un motor de cohete operativo, a 330 bar (33 MPa; 4.800 psi), superando el récord del motor de cohete RD-701 en 300 bar (30 MPa; 4400 psi). [18] [19]
Descripción
El motor Raptor funciona con metano líquido subenfriado y oxígeno líquido subenfriado en un ciclo de combustión por etapas de flujo completo, una desviación del sistema generador de gas de "ciclo abierto" más simple y los propulsores LOX / queroseno que utilizan los motores Merlin actuales . [20] El RS-25 del Space Shuttle también usó un ciclo de combustión por etapas, [21] al igual que varios motores de cohetes rusos, incluyendo el RD-180 [20] y el RD-191 . [22]
El tamaño de diseño declarado para el motor Raptor varió ampliamente durante 2012-2017 a medida que continuó el diseño detallado, desde un objetivo alto de 8.200 kN (1.800.000 lbf) de empuje de vacío [23] a un objetivo más reciente y mucho más bajo de 1.900 kN (430.000 lbf) ). [ cita requerida ] En su iteración de 2017, se espera que el motor operativo tenga un vacío I sp de 382 s (3,750 m / s) y un I sp al nivel del mar de 334 s (3,280 m / s). [24]
El motor Raptor está diseñado para el uso de propulsores criogénicos profundos , fluidos enfriados hasta cerca de sus puntos de congelación , que es típico de los motores de cohetes criogénicos. [25] El uso de propulsores subenfriados aumenta la densidad del propulsor, aumentando el rendimiento del motor y permitiendo que se almacene más propulsor dentro de los tanques del vehículo. Se aumenta el impulso específico y se reduce el riesgo de cavitación en las entradas a las turbobombas debido al mayor caudal másico por unidad de potencia generada. [22]
El encendido del motor para todos los motores Raptor, tanto en la almohadilla como en el aire, se maneja mediante encendedores de antorcha iluminados por bujías dobles redundantes, [26] eliminando la necesidad de un líquido encendedor consumible dedicado, como se usa en Merlin. [22]
Se ha afirmado que Raptor puede ofrecer "una vida útil prolongada ... y entornos de turbina más benignos". [27] [22] Específicamente, Raptor utiliza un ciclo de combustión por etapas de flujo completo, donde todo el oxígeno, con una proporción baja de combustible, alimentará una turbobomba de oxígeno, y todo el combustible, con una proporción baja de oxígeno, alimentará una turbobomba de metano. Ambas corrientes, oxidante y combustible, se mezclarán completamente en la fase gaseosa antes de ingresar a la cámara de combustión . Antes de 2014, 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 soviético RD-270 en la década de 1960 y el demostrador de cabezal de potencia integrado Aerojet Rocketdyne a mediados de la década de 2000. [28] [22] [29]
Entre las características adicionales del diseño de flujo total, que se prevé que aumenten aún más el rendimiento o la fiabilidad, se incluyen: [29]
- la eliminación de la turbina de combustible-oxidante Interseal , que es un punto potencial de fallo en el motor más tradicional diseña [ aclaración necesaria ] ;
- 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]" .
SpaceX apunta a una vida útil de 1000 vuelos para Raptor. [30]
Muchos componentes de los primeros prototipos de Raptor se fabricaron mediante impresión 3D , incluidas turbobombas e inyectores, con el efecto de aumentar la velocidad de desarrollo y las pruebas iterativas. [25] El motor de desarrollo de subescala de 2016 tenía el 40% (en masa) de sus piezas fabricadas mediante impresión 3D. [22]
En 2019, los colectores de motor se fabricaron a partir de la superaleación de inconel SX300 desarrollada internamente por SpaceX , que pronto se cambiará a SX500. [31]
El motor Raptor utiliza una gran cantidad de inyectores de remolino coaxiales [32] para admitir propulsores a la cámara de combustión, en lugar de inyectores de pivote utilizados en los motores cohete Merlin anteriores que SpaceX produjo en masa para su familia de vehículos de lanzamiento Falcon. [33]
En 2019, se declaró que el costo (marginal) del motor se acercaba a $ 1 millón. [34] SpaceX planea producir en masa hasta 500 motores Raptor por año, cada uno con un costo inferior a 250.000 dólares. [35] [34] [36]
Historia
El desarrollo del motor Raptor de 2009 a 2015 se financió exclusivamente a través de la inversión privada de SpaceX, sin financiación gubernamental. [27] [37] En enero de 2016, SpaceX acordó con la Fuerza Aérea de EE. UU. Obtener 33,6 millones de dólares en fondos del departamento de defensa para desarrollar un modelo Raptor en particular: un prototipo de una nueva variante de etapa superior del motor Raptor diseñado para su uso potencial como etapa superior en Falcon 9 y Falcon Heavy , y SpaceX acordó financiar al menos US $ 67,3 millones en el mismo proyecto de desarrollo de etapa superior, con una financiación mínima de 2: 1 de privado a gobierno. [38] [39]
Concepto inicial
Un proyecto de diseño de motor de cohete avanzado llamado Raptor , que quema propulsores de hidrógeno y oxígeno , fue discutido públicamente por primera vez por Max Vozoff de SpaceX en el simposio de tripulación / carga comercial del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica en 2009. [40] A partir de abril de 2011[actualizar], SpaceX tenía una pequeña cantidad de personal trabajando en el motor de etapa superior Raptor, luego todavía un LH2/ Concepto LOX , con un nivel de prioridad bajo. [41] En 2011 se hizo más mención del programa de desarrollo. [42] En marzo de 2012, las noticias afirmaron que el programa de desarrollo del motor de la etapa superior del Raptor estaba en marcha, pero que los detalles no se daban a conocer públicamente. [43]
En octubre de 2012, SpaceX anunció públicamente un trabajo conceptual en un motor de cohete que sería "varias veces más potente que la serie de motores Merlin 1, y no usaría el combustible RP-1 de Merlin ", pero se negó a especificar qué combustible se usaría. . [44] Indicaron que los detalles sobre un nuevo cohete SpaceX se darían a conocer en "uno a tres años" y que el motor grande estaba destinado al vehículo de lanzamiento de próxima generación que utiliza varios de estos motores grandes, que se esperaría que lanzaran carga útil. masas del orden de 150 a 200 toneladas (150.000 a 200.000 kg; 330.000 a 440.000 libras) a la órbita terrestre baja , excediendo la capacidad de masa de carga útil del Sistema de Lanzamiento Espacial de la NASA . [44]
Desarrollo a nivel de componentes y metano
En noviembre de 2012, Musk anunció una nueva dirección para la división de propulsión de SpaceX: desarrollar motores de cohetes alimentados con metano . [45] Indicó además que el concepto Raptor ahora se convertiría en un diseño basado en metano, [45] y que el metano sería el combustible de elección para los planes de SpaceX para la colonización de Marte. [29]
Debido a la presencia de agua subterránea y dióxido de carbono en la atmósfera de Marte , el metano, un hidrocarburo simple , se puede sintetizar fácilmente en Marte mediante la reacción de Sabatier . [46] La producción de recursos in situ en Marte ha sido examinada por la NASA y se ha encontrado que es viable para la producción de oxígeno, agua y metano. [47] Según un estudio publicado por investigadores de la Escuela de Minas de Colorado , la utilización de recursos in situ, como el metano de Marte, hace que las misiones espaciales sean más viables técnica y económicamente y permite la reutilización. [48]
Cuando SpaceX lo mencionó por primera vez en 2009, el término "Raptor" se aplicó exclusivamente a un concepto de motor de etapa superior [40], y los pronunciamientos de 2012 indicaron que todavía era un concepto para un motor de etapa superior [20], pero al principio 2014 SpaceX confirmó que Raptor se utilizaría tanto en una nueva segunda etapa como para el núcleo grande (entonces, nominalmente de 10 metros de diámetro) del Mars Colonial Transporter [29] (posteriormente, en 2016, en ambas etapas del Sistema de Transporte Interplanetario [49] y luego, en 2017 en el Big Falcon Rocket ). [50]
Los primeros indicios públicos de que se estaba considerando un motor de metano de combustión por etapas en SpaceX se dieron en mayo de 2011 cuando SpaceX preguntó si la Fuerza Aérea estaba interesada en un motor de metano como una opción para competir con el motor de queroseno de línea principal que había solicitado en la solicitud de motor principal de alto empuje del sistema de refuerzo reutilizable de la USAF . [29]
La información pública publicada en noviembre de 2012 indicó que SpaceX podría tener en mente una familia de motores de cohetes designados por Raptor; [51] esto fue confirmado por SpaceX en octubre de 2013. [16] Sin embargo, en marzo de 2014, la directora de operaciones de SpaceX, Gwynne Shotwell, aclaró que el enfoque del nuevo programa de desarrollo de motores está exclusivamente en el motor Raptor de tamaño completo; Los motores de metalox de subescala más pequeños no se planearon en el camino de desarrollo del motor Raptor de gran tamaño. [52]
En octubre de 2013, SpaceX anunció que realizarían pruebas de motores de metano de los componentes del motor Raptor en el Centro Espacial John C. Stennis en el condado de Hancock, Mississippi , [53] [54] y que SpaceX agregaría equipos a la infraestructura del banco de pruebas existente. para soportar las pruebas de los componentes del motor de metano líquido y metano gaseoso caliente [22] . [55] En abril de 2014, SpaceX completó las actualizaciones y el mantenimiento necesarios en el banco de pruebas de Stennis para prepararse para las pruebas de los componentes de Raptor, [56] y el programa de pruebas de los componentes del motor comenzó en serio, centrándose en el desarrollo de procedimientos sólidos de arranque y apagado. , algo que suele ser bastante difícil de hacer para los motores de ciclo de combustión por etapas de flujo completo. Las pruebas de componentes en Stennis también permitieron la caracterización de hardware y la verificación de modelos de software analítico patentados que SpaceX desarrolló para impulsar la tecnología en este ciclo de motor que tenía poco trabajo de desarrollo previo en Occidente. [22]
Octubre de 2013 fue la primera vez que SpaceX reveló un empuje de diseño nominal del motor Raptor —2900 kN (661,000 lbf) [16], aunque a principios de 2014 anunciaron un motor Raptor con mayor empuje, y en 2015, uno con un empuje menor que podría optimizar mejor el empuje al peso.
En febrero de 2014, Tom Mueller , jefe de desarrollo de motores de cohetes en SpaceX, reveló en un discurso que Raptor estaba siendo diseñado para su uso en un vehículo donde nueve motores "llevarían más de 100 toneladas de carga a Marte" y que el cohete ser más potente que lo que se lanzó al público anteriormente, produciendo más de 4.400 kN (1.000.000 lbf). [29] [57] Una charla de junio de 2014 de Mueller proporcionó especificaciones objetivo de rendimiento del motor más específicas que indicaban 6,900 kN (1,600,000 lbf) de empuje al nivel del mar, 8,200 kN (1,800,000 lbf) de empuje de vacío y un impulso específico ( I sp ) de 380 s (3.700 m / s) para una versión de vacío. [58] La información anterior había estimado el diseño I sp en condiciones de vacío en solo 363 s (3560 m / s). [29] Jeff Thornburg, quien dirigió el desarrollo del motor Raptor en SpaceX 2011-2015, señaló que los motores de cohete de metano tienen un rendimiento más alto que el queroseno / RP-1 y más bajo que el hidrógeno, con muchos menos problemas de arranque múltiple a largo plazo. diseños de motores que el queroseno —el metano es de combustión más limpia— y tiene un costo significativamente menor que el del hidrógeno, junto con la capacidad de "vivir de la tierra" y producir metano directamente de fuentes extraterrestres. [59] [60]
SpaceX comenzó con éxito las pruebas de desarrollo de inyectores en 2014 y completó una prueba a plena potencia de un prequemador de oxígeno a gran escala en 2015. Se ejecutaron 76 pruebas de fuego caliente del prequemador, por un total de unos 400 segundos de tiempo de prueba, entre abril y agosto de 2015. [37] SpaceX completó sus pruebas planificadas utilizando las instalaciones de Stennis de la NASA en 2014 y 2015. [61]
En enero de 2015, Elon Musk declaró que el empuje que estaban apuntando actualmente era de alrededor de 230 toneladas de fuerza (2,300 kN; 510,000 lb f ), mucho más bajo de lo que habían mencionado declaraciones anteriores. [62] En agosto de 2015, apareció una declaración de Elon Musk que indicaba que la relación de oxidante a combustible del motor sería de aproximadamente 3,8 a 1. [63]
En enero de 2016, la Fuerza Aérea de EE. UU. Otorgó un contrato de desarrollo de US $ 33,6 millones a SpaceX para desarrollar una versión prototipo de su motor Raptor reutilizable alimentado con metano para su uso en la etapa superior de los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy , que requirieron doble financiación complementaria de SpaceX de al menos 67,3 millones de dólares estadounidenses . Se esperaba que el trabajo en virtud del contrato se completara en 2018, y que las pruebas de rendimiento del motor se realizarían en el Centro Espacial John C. Stennis de la NASA en Mississippi y la Base de la Fuerza Aérea de Los Ángeles , California . [38] [39] [ necesita actualización ]
Pruebas y producción
La prueba de desarrollo inicial [37] de los componentes del motor de metano Raptor se realizó en el Centro Espacial Stennis en el condado de Hancock, Mississippi , donde SpaceX agregó equipos a la infraestructura existente para respaldar las pruebas del motor de metano líquido . [16] [55] Las pruebas iniciales se limitaron a los componentes del motor Raptor, ya que los puestos de prueba de 440 kN (100.000 lbf) en el complejo E-2 en Stennis no eran lo suficientemente grandes para probar el motor Raptor completo. El desarrollo del motor Raptor discutido en el marco de tiempo de octubre de 2013 en relación con las pruebas de Stennis fue diseñado para generar más de 2.900 kN (661.000 lbf) de empuje de vacío. [16] La compañía discutió una especificación revisada de mayor empuje en febrero de 2014, pero no estaba claro si ese mayor empuje era algo que se lograría con los motores de desarrollo inicial. [29]
Las pruebas de los componentes del motor Raptor comenzaron en mayo de 2014 [56] en el complejo de pruebas E-2 que SpaceX modificó para admitir las pruebas del motor de metano . [16] Los primeros elementos probados fueron elementos inyectores Raptor individuales, [64] varios diseños de inyectores de gas de gran volumen. [65] Las modificaciones a los bancos de prueba realizadas por SpaceX ahora son parte de la infraestructura de prueba de Stennis y están disponibles para otros usuarios de la instalación de prueba después de que se completó el arrendamiento de la instalación de SpaceX. [16] SpaceX completó con éxito una "ronda de pruebas del inyector principal a fines de 2014" y una "prueba a plena potencia del componente del prequemador de oxígeno " para Raptor en junio de 2015. Las pruebas continuaron al menos hasta septiembre de 2015. [37]
A principios de 2016, SpaceX había construido un nuevo banco de pruebas de motores en su sitio de pruebas de McGregor en el centro de Texas para las pruebas de Raptor. [22] [16]
En agosto de 2016, el primer motor cohete Raptor integrado, fabricado en las instalaciones de SpaceX Hawthorne en California, se envió a las instalaciones de prueba del motor cohete McGregor en Texas para realizar pruebas de desarrollo. [66] El motor tenía 1 MN (220,000 lb f ) de empuje, lo que lo convierte en aproximadamente un tercio del tamaño del motor Raptor a gran escala planeado para las pruebas de vuelo en el período de tiempo 2019/2020. Es el primer motor de metalox de combustión por etapas de flujo completo que llega a un banco de pruebas. [22] Este motor de desarrollo de 2016 tenía "una relación de expansión de solo 150, el máximo posible dentro de la atmósfera de la Tierra" para evitar problemas de separación de flujo . [22] Realizó una prueba de disparo inicial de 9 segundos el 26 de septiembre de 2016, el día antes de la charla de Musk en el Congreso Aeronáutico Internacional.
El 26 de septiembre de 2016, Elon Musk tuiteó dos imágenes del primer disparo de prueba de un Raptor integrado en el complejo de pruebas McGregor de SpaceX. [67] [68] El mismo día, Musk reveló que su rendimiento objetivo para Raptor era un impulso específico de vacío de 382 s (3,750 m / s), con un empuje de 3 MN (670,000 lb f ), una presión de cámara de 300 bar (30 MPa; 4400 psi) y una relación de expansión de 150 para la variante optimizada para vacío. [69] [70] [71] Cuando se le preguntó si el diámetro de la boquilla para dicha versión era de 14 pies (4,3 m), afirmó que estaba bastante cerca de esa dimensión. También reveló que utiliza turbobombas multietapa. [72] [73] El día 27 aclaró que la relación de expansión de 150 era para la versión de desarrollo, que la versión de vacío de producción tendría una relación de expansión de 200. [74] Detalles técnicos adicionales sustanciales de la propulsión ITS se resumieron en un artículo sobre el motor Raptor publicado la próxima semana. [22]
Para septiembre de 2017, el motor Raptor de desarrollo, con 200 bares (20 MPa; 2900 psi) de presión en la cámara, se había sometido a 1200 segundos de prueba de fuego de prueba en puestos de prueba en tierra en 42 pruebas de motores principales, siendo la prueba más larga de 100 segundos (que está limitada por la capacidad de los tanques de propulsante de prueba en tierra). A septiembre de 2017[actualizar], la primera versión del motor de vuelo está diseñada para operar a una presión de la cámara de 250 bares (25 MPa; 3.600 psi), con la intención de elevarla a 300 bares (30 MPa; 4.400 psi) en un momento posterior. [75]
Para septiembre de 2017, el motor de prueba de subescala de 200 bares (20 MPa; 2900 psi), con un empuje de 1 meganewton (220 000 lb f ) y "una nueva aleación para ayudar a su turbobomba rica en oxígeno a resistir la oxidación, ... había completó 1200 segundos de disparos en 42 pruebas ". [76] Esta aleación se conoce como SX500 y se utiliza para contener gas oxígeno caliente en el motor hasta 12000 psi. SX500 fue creado por el equipo de metalurgia de SpaceX. [77]
Si bien los planes para las pruebas de vuelo de Raptor han estado consistentemente en los vehículos de vuelo de construcción de material compuesto de fibra de nueva generación desde 2016, el vehículo específico no se aclaró hasta octubre de 2017, cuando se indicó que los vuelos de prueba suborbitales iniciales se realizarían con un Big Falcon. Barco. [78] En noviembre de 2016, se proyectó que las primeras pruebas de vuelo del motor Raptor se realizarían en el Sistema de Transporte Interplanetario , no antes de principios de la década de 2020. [22] En julio de 2017, el plan se había modificado para realizar pruebas de vuelo en un vehículo de lanzamiento y una nave espacial mucho más pequeños, y la nueva arquitectura del sistema había "evolucionado bastante" desde el concepto ITS de 2016. Un impulsor clave del 2017 La arquitectura iba a hacer que el nuevo sistema fuera útil para importantes lanzamientos cislunares y en órbita terrestre, de modo que el nuevo sistema pudiera pagarse por sí mismo , en parte, a través de actividades económicas de vuelos espaciales en la zona espacial cercana a la Tierra. [79] [14]
Elon Musk anunció en septiembre de 2017 que la plataforma de vuelo inicial para cualquier motor Raptor sería parte del Big Falcon Rocket . BFR era un vehículo de lanzamiento de 9 m (30 pies) de diámetro. [75] En octubre de 2017, Musk aclaró que "[las pruebas de vuelo iniciales serán con] una nave de 9 metros de diámetro a gran escala que realiza saltos cortos de unos pocos cientos de kilómetros de altitud y distancia lateral ... [se prevé que sea] bastante fácil para el vehículo, ya que no se necesita protección térmica, podemos tener una gran cantidad de propelente de reserva y no necesitamos los motores Raptor de espacio profundo de alta relación de área ". [78]
En particular, Musk también anunció que el nuevo vehículo de lanzamiento BFR impulsado por Raptor estaba planeado para reemplazar por completo tanto al Falcon 9 como al Falcon Heavy a principios de la década de 2020, inicialmente apuntando al mercado de la órbita terrestre , pero SpaceX está diseñando explícitamente una capacidad sustancial para la nave espacial. vehículos para soportar vuelos espaciales de larga duración en el entorno de la misión cislunar y Marte también. SpaceX pretende que este enfoque genere ahorros de costos significativos que ayudarán a la compañía a justificar el gasto de desarrollo del diseño y la construcción del nuevo diseño del vehículo de lanzamiento. [75] Además de las misiones de vuelos espaciales orbitales, el BFR está siendo considerado para el mercado de transporte terrestre de punto a punto , [78] con vuelos de ~ 30-60 minutos disponibles entre dos puntos cualesquiera del globo. [75] [80]
Pruebas de vuelo
La primera versión de vuelo del motor Raptor llegó a McGregor, Texas a fines de enero de 2019. [81]
El 3 de febrero de 2019, SpaceX realizó la primera prueba de un motor de versión de vuelo. La prueba duró dos segundos con el motor funcionando al 60 por ciento del empuje nominal a una presión de la cámara de 170 bares (17.000 kPa). [82] Solo cuatro días después, el motor de prueba alcanzó los niveles de potencia necesarios para su uso en SpaceX Starship . [83] El motor alcanzó 172 toneladas de fuerza (1.690 kN; 380.000 lb f ) de empuje con una presión en la cámara de 257 bares (25,7 MPa). La prueba se realizó utilizando propelente caliente, con expectativas de un aumento del rendimiento del 10% al 20% cuando se cambia a temperaturas criogénicas profundas para el propelente. [84] El 10 de febrero de 2019, Musk anunció en Twitter que el motor de la versión de vuelo había alcanzado una presión de cámara de 268,9 bares (26,89 MPa) en un banco de pruebas. [85] El 19 de junio de 2020, Musk anunció que las pruebas del motor Raptor alcanzaron la presión de combustión de la cámara esperada de 300 bares (30 MPa) en un banco de pruebas. [7] [8]
En marzo, el número de serie 2 (SN2) de la versión de vuelo del motor Raptor se había entregado al sitio de lanzamiento de SpaceX South Texas al este de Brownsville, Texas, para las pruebas de integración del sistema en Starhopper , el primer artículo de prueba de Starship , [86] aproximadamente un año antes de lo previsto. [87] El 3 de abril de 2019, SpaceX realizó una prueba de fuego estática exitosa, encendiendo el motor durante unos segundos mientras el vehículo permanecía atado al suelo. [88] [89] Se realizó una segunda prueba atada solo dos días después, el 5 de abril de 2019. [90]
La primera prueba de vuelo de un motor Raptor, SN6, se produjo el 25 de julio de 2019, llevando a Starhopper a una altitud de 20 metros (66 pies). [17] Starhopper , con SN6, fue refluido el 27 de agosto de 2019, alcanzando una altitud de 150 metros (490 pies). Una traslación horizontal y un descenso a una pista de aterrizaje cercana concluyeron el vuelo de aproximadamente 1 minuto. [91] El 4 de agosto de 2020, un solo motor Raptor (SN27) impulsó el prototipo de nave espacial SN5 a una altitud de 150 metros (490 pies) en una réplica del vuelo anterior de Starhopper ; este fue el primer vuelo de un vehículo prototipo de nave espacial de tamaño completo. El motor Raptor se montó descentrado y controló la nave estelar durante el despegue, la travesía horizontal y el aterrizaje. El tiempo total de vuelo fue de aproximadamente 50 segundos. [92]
En agosto de 2020, una prueba en tierra de un Raptor logró una presión de cámara de 330 bar (33,000 kPa), produciendo ~ 225 t f (2,210 kN; 500,000 lb f ) de empuje. [4] Este logro superó el récord de 300 bar (30.000 kPa) establecido por el motor RD-701 y estableció un nuevo récord para la presión más alta jamás alcanzada en la cámara de combustión de un motor cohete. [93] [19] Las pruebas también han demostrado que el motor, diseñado para ser regulable desde el principio [13] : 3, tenía una capacidad nominal de hasta el 40 por ciento del empuje máximo. Elon Musk declaró que Raptor era capaz de acelerar mucho más. [3]
El 3 de septiembre de 2020, Raptor SN29 impulsó el Starship SN6 a una altitud de 150 metros (490 pies) en las instalaciones de prueba de Boca Chica; Al igual que con Starship SN5, el motor se montó descentrado y controló el prototipo durante todo el vuelo, que duró aproximadamente 45 segundos. A diferencia del motor Raptor (SN27) montado en el prototipo de nave espacial SN5, que sufrió un pequeño incendio durante el vuelo, [94] Raptor SN29 no pareció tener ningún problema. [95]
El 9 de diciembre de 2020, tres motores Raptor impulsaron el Starship SN8 a una altitud de aproximadamente 12,5 km (41 000 pies) en las instalaciones de prueba de Boca Chica. Después de apagar todos los motores en el apogeo, el vehículo pasó a un perfil de vuelo horizontal y descendió de nuevo al sitio de lanzamiento. Una presión de alimentación de metano anormalmente baja hizo que el SN8 fallara en su maniobra de aterrizaje y fuera destruido. [96]
El 2 de febrero de 2021, el prototipo de Starship SN9, un vehículo básicamente similar al SN8, se lanzó a una altitud de unos 10 km (33.000 pies). El vehículo SN9 fue destruido en el aterrizaje.
El 3 de marzo de 2021, el prototipo de Starship SN10, nuevamente un vehículo básicamente igual que SN8 y SN9, fue lanzado a una altitud de aproximadamente 10 km (nuevamente). El vehículo SN10 aterrizó con cierto éxito, pero fue destruido minutos después de aterrizar en un incendio que comenzó en el proceso de aterrizaje.
El 5 de mayo de 2021, el prototipo de Starship SN15 con 3 motores Raptor se lanzó a una altitud de 10 km. SN15 realizó con éxito la maniobra de bellyflop, encendió 2 motores y aterrizó con éxito en la plataforma. [97]
Versiones
El motor Raptor ha pasado por una serie de conceptos de diseño para el empuje del motor, el impulso específico y los tamaños de boquilla / boquilla de vacío al nivel del mar, según el concepto de diseño del vehículo en el que SpaceX estaba trabajando en ese momento. También se construyeron versiones de subescala de los motores Raptor para las primeras pruebas en bancos de pruebas en tierra. Después de 2013, todos los conceptos de diseño de motores fueron metalox utilizando el ciclo de combustión por etapas de flujo completo (FFSC). Además, en 2016-2018, se diseñó y probó un prototipo personalizado de motor metalox FFSC Raptor de etapa superior para los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy, estrictamente para que la Fuerza Aérea de EE. UU. Cumpla con los objetivos de preparación espacial militar de EE. UU. SpaceX nunca implementó planes para cambiar la etapa superior Falcon 9 / Falcon Heavy a propulsores metalox.
Vehículo de lanzamiento de próxima generación SpaceX
En septiembre de 2016, en el 67o Congreso Astronáutico Internacional , Musk mencionó varios diseños de motores Raptor que estaban planeados para el Sistema de Transporte Interplanetario . Además, ya se había construido un motor de desarrollo de subescala mucho más pequeño con fines de validación del diseño. En ese momento, este primer motor de desarrollo de Raptor de subescala se había probado recientemente en un banco de pruebas en tierra , pero solo para un breve disparo. [22]
El motor de desarrollo de subescala Raptor produjo aproximadamente 1.000 kN (220.000 lbf) de empuje. [22] Con el fin de eliminar los problemas de separación de flujo durante la prueba en la atmósfera terrestre, la relación de expansión de la boquilla de prueba se había limitado a 150. El motor comenzó a probarse en septiembre de 2016 en el banco de pruebas Raptor en McGregor . Las fuentes difirieron sobre el rendimiento del motor de prueba. Al informar durante las dos semanas posteriores a la revelación del vehículo de lanzamiento Musk ITS el 27 de septiembre, NASASpaceFlight informó que el motor de desarrollo era solo un tercio del tamaño de cualquiera de los varios diseños de motor más grandes que se discutieron para los vehículos de vuelo posteriores. [22]
Para los vehículos de vuelo, Elon Musk analizó dos motores: una variante a nivel del mar (relación de expansión 40) para la primera etapa, o un refuerzo ITS y una variante de vacío (relación de expansión 200: 1) para obtener un mayor rendimiento con la segunda etapa. 42 de estos motores a nivel del mar fueron previstos en el diseño de alto nivel de la primera etapa, con un empuje por motor de 3.050 kN (690.000 lbf) al nivel del mar y 3.285 kN (738.000 lbf) en vacío . [22] Además, se utilizarían tres motores Raptor cargados a nivel del mar para realizar los aterrizajes de la segunda etapa ITS en la Tierra y en Marte. También se utilizarían seis motores Raptor optimizados para vacío, que proporcionan 3.500 kN (790.000 lbf) de empuje cada uno, en la segunda etapa de ITS, para un total de nueve motores. Los motores Raptor Vacuum de mayor eficiencia para condiciones en el espacio se concibieron entonces para apuntar a un impulso específico de 382s, utilizando una boquilla mucho más grande que da una relación de expansión de 200. [24] Se planearon seis de estos motores no carda propulsión para los diseños de 2016 de la segunda etapa ITS. [22]
Un año después, en la 68.a IAC en septiembre de 2017, y luego de un año de pruebas y desarrollo iterativo por parte del equipo de propulsión, Musk dijo que un motor Raptor más pequeño, con un poco más de la mitad de empuje que los diseños de concepto anteriores para el ITS, se utilizaría en el cohete de próxima generación, ahora un vehículo de lanzamiento de 9 m (30 pies) de diámetro y conocido públicamente como Big Falcon Rocket (BFR). Con el vehículo de lanzamiento mucho más pequeño, se usarían menos motores Raptor en cada etapa. Luego, se programó que BFR tendría 31 Raptors en la primera etapa y 6 en la segunda etapa. [98] [22] A mediados de 2018, SpaceX declaraba públicamente que se esperaba que el diseño del motor Raptor de la versión de vuelo a nivel del mar, con un diámetro de salida de la boquilla de 1,3 m (4,3 pies), tuviera un empuje de 1.700 kN (380.000 lbf) al nivel del mar con una I sp de 330 s (3200 m / s) que aumenta a una I sp de 356 s (3490 m / s) en el vacío. [76] Se esperaba que la versión de vuelo en vacío, con un diámetro de salida de la boquilla de 2,4 m (7,9 pies), ejerciera una fuerza de 1.900 kN (430.000 lbf) con una I sp de 375 s (3.680 m / s). [76] Las primeras versiones del motor de vuelo están diseñadas para funcionar a 250 bares (25.000 kPa; 3.600 psi) de presión en la cámara ; pero SpaceX esperaba aumentar esto a 300 bar (30.000 kPa; 4.400 psi) en iteraciones posteriores. [76] El motor de vuelo está diseñado para una confiabilidad extrema, con el objetivo de respaldar el nivel de seguridad de las aerolíneas requerido por el mercado del transporte terrestre punto a punto. [78]
En la actualización de BFR dada en septiembre de 2018, Musk mostró un video de una prueba de fuego caliente de 71 segundos de un motor Raptor, y declaró que "este es el motor Raptor que impulsará BFR, tanto el barco como el propulsor; es el mismo motor ... aproximadamente un motor de 200 toneladas que apunta a una presión de cámara de aproximadamente 300 bar. ... Si lo tuviera en una relación de expansión alta, tiene el potencial de tener un impulso específico de 380 ". [7]
Aspiradora Raptor
Raptor Vacuum [99] (también RVac) es una variante de Raptor con una boquilla extendida enfriada de forma regenerativa para un mayor impulso específico en condiciones de vacío. Mientras que el motor de vacío Raptor optimizado apunta a un I sp de ~ 380 s (3,700 m / s), [100] el diseño de vacío Raptor v1.0 para apoyar el desarrollo temprano de Starship se ha hecho más conservador y está proyectando un I sp de solo 365–370 s (3580–3,630 m / s), disminuyendo intencionalmente el rendimiento del motor para obtener motores de prueba antes. [101] Además, Raptor Vacuum v1 tendrá una boquilla de motor más pequeña para evitar la separación del flujo cuando el motor se enciende a la presión atmosférica al nivel del mar . [102] Una prueba de duración completa de la versión 1 del motor Raptor Vacuum se completó en septiembre de 2020 en las instalaciones de desarrollo de SpaceX en McGregor, Texas. [99]
Falcon 9 etapa superior
En enero de 2016, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) otorgó un contrato de desarrollo de US $ 33,6 millones a SpaceX para desarrollar una versión prototipo de su motor Raptor reutilizable alimentado con metano para su uso en la etapa superior de los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy . El contrato requería una financiación de doble contrapartida por parte de SpaceX de al menos 67,3 millones de dólares . [38] [103] Se esperaba que el trabajo bajo el contrato se completara a más tardar en diciembre de 2018, y se planeó completar las pruebas de rendimiento del motor en el Centro Espacial Stennis de la NASA en Mississippi bajo la supervisión de la Fuerza Aérea de los EE. UU. [38] [39] El contrato de la USAF solo requería el desarrollo y construcción de un único motor prototipo con una serie de pruebas en tierra, sin un diseño de vehículo de lanzamiento de etapa superior financiado por el contrato. [38] La Fuerza Aérea estaba trabajando con el Congreso de los Estados Unidos en febrero de 2016 para buscar nuevos sistemas de lanzamiento ... " [104]
En octubre de 2017, la Fuerza Aérea de los EE. UU. (USAF) otorgó una modificación de 40,8 millones de dólares para el desarrollo del prototipo del motor Raptor para el programa Evolved Expendable Launch Vehicle , y se espera que el trabajo en virtud de ese contrato se complete en abril de 2018. [105]
Se hicieron públicos pocos detalles técnicos sobre el motor de la segunda etapa de la USAF, como es típico en los contratos de defensa. Sin embargo, el prototipo debía diseñarse: [38]
- para cumplir el propósito teórico de dar servicio a una etapa superior que podría usarse en los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy existentes .
- con metano líquido y oxígeno líquido , propulsores, [39]
- con un ciclo de combustión por etapas de flujo completo , [39]
- explícitamente para ser un motor reutilizable [39]
El contrato de la USAF solo requería el desarrollo y construcción de un prototipo, que se demostraría en un conjunto de pruebas supervisadas por la USAF. El contrato no financió ningún diseño / rediseño de vehículos de etapa superior. [38] Ni la Fuerza Aérea ni SpaceX publicaron posteriormente ningún resultado de este contrato de motor de cohete no orientado a Starship.
Comparación con otros motores
Motor | Cohetes | Empuje | Impulso específico , vacío | Relación empuje- peso | Propulsor | Ciclo |
---|---|---|---|---|---|---|
Raptor al nivel del mar | Nave estelar | 2.200 kN (500.000 lbf ) [106] | ~ 350 s (3,4 km / s) [100] | 200 (gol) [5] | LCH 4 / LOX | Combustión por etapas de flujo completo |
Vacío de raptor | ~ 380 s (3700 m / s) [100] | <120 [6] | ||||
Merlin 1D nivel del mar | Etapa de refuerzo Falcon | 914 kN (205.000 libras · pie) | 311 s (3050 m / s) [107] | 176 [108] | RP-1 / LOX ( subenfriado ) | Generador de gas |
Aspiradora Merlin 1D | Etapa superior Falcon | 934 kN (210.000 lbf) [109] | 348 s (3410 m / s) [109] | 180 [108] | ||
Origen azul BE-4 | New Glenn , Vulcano | 2.400 kN (550.000 lbf) [110] | GNL / LOX | Combustión por etapas rica en oxidantes | ||
Energomash RD-170 / 171M | Energia , Zenit , Soyuz-5 | 7,904 kN (1,777,000 lbf) [111] | 337,2 s (3.307 m / s) [111] | 79,57 [111] | RP-1 / LOX | |
Energomash RD-180 | Atlas III , Atlas V | 4.152 kN (933.000 lbf) [112] | 338 s (3310 m / s) [112] | 78,44 [112] | ||
Energomash RD-191 /181 | Angara , Antares | 2.090 kN (470.000 lbf) [113] | 337,5 s (3310 m / s) [113] | 89 [113] | ||
Kuznetsov NK-33 | N1 , Soyuz-2-1v | 1.638 kN (368.000 lbf) [114] | 331 s (3250 m / s) [114] | 136,66 [114] | ||
Energomash RD-275M | Protón-M | 1.832 kN (412.000 lbf) | 315,8 segundos (3097 m / s) | 174,5 | norte 2O 4/ UDMH | |
Rocketdyne RS-25 | Transbordador espacial , SLS | 2.280 kN (510.000 lbf) | 453 s (4.440 m / s) [115] | 73 [116] | LH 2 / LOX | Combustión por etapas rica en combustible |
Rocketdyne F-1 | Saturno V | 7.740 kN (1.740.000 lbf) | 304 s (2980 m / s) [117] | 83 | RP-1 / LOX | Generador de gas |
Ver también
- BE-4 : motor de combustible de metano comparable de Blue Origin
- RD-191 : moderno motor ruso de combustible de queroseno de tamaño comparable
- SpaceX Merlin : motor de cohete actual a queroseno fabricado por SpaceX
- Motores de cohetes SpaceX : descripción general de todos los motores de cohetes fabricados por SpaceX
- Comparación de motores de cohetes orbitales : descripción general de motores de cohetes conocidos
Referencias
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En un movimiento que hubiera parecido una locura hace unos años, Musk declaró que el objetivo de BFR es hacer que los cohetes Falcon 9 y Falcon Heavy y su tripulación / naves espaciales Dragon sin tripulación sean redundantes, lo que permite que la compañía transfiera todos los recursos. y asignaciones de fondos de esos vehículos a BFR. Hacer que Falcon 9, Falcon Heavy y Dragon sean redundantes también permitiría a BFR realizar las mismas misiones de despliegue de satélites de órbita terrestre baja (LEO) y más allá de LEO que Falcon 9 y Falcon Heavy, solo que en una escala más económica, ya que varios satélites podrían para lanzarse al mismo tiempo y en el mismo cohete gracias al inmenso tamaño de BFR.
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[La prueba de vuelo inicial será con] un barco a gran escala que realice saltos cortos de unos pocos cientos de kilómetros de altitud y distancia lateral ... bastante fácil para el vehículo, ya que no se necesita escudo térmico, podemos tener una gran cantidad de propelente de reserva y no necesita los motores Raptor de espacio profundo de alta relación de área. ... "El empuje del motor se redujo aproximadamente en proporción a la reducción de masa del vehículo desde la primera charla del IAC", escribió Musk cuando se le preguntó sobre esa reducción en el empuje. La reducción del empuje también permite el uso de varios motores, lo que le da al vehículo la capacidad de apagar el motor para los aterrizajes. ... Musk se mostró optimista sobre la ampliación del motor Raptor de su modelo de desarrollo actual al modelo a gran escala. 'La escala de empuje es la parte fácil. Es muy sencillo escalar el dev Raptor a 170 toneladas '', escribió. "El diseño del motor de vuelo es mucho más ligero y ajustado, y está extremadamente centrado en la fiabilidad". Añadió que el objetivo es lograr "niveles de seguridad de las aerolíneas de pasajeros" con el motor, necesarios para que el vehículo sirva a los mercados de transporte de punto a punto.
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la versión actualizada de la arquitectura de Mars: Porque ha evolucionado bastante desde esa última charla. ... La clave que descubrí es ¿cómo se paga? Si reducimos el tamaño del vehículo de Marte, lo hacemos capaz de realizar la actividad de la órbita de la Tierra así como la actividad de Marte, tal vez podamos pagarlo usándolo para la actividad de la órbita de la Tierra. Ese es uno de los elementos clave de la nueva arquitectura. Es similar a lo que se mostró en IAC, pero un poco más pequeño. Sigue siendo grande, pero tiene la oportunidad de ser real en el frente económico.
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enlaces externos
- Prueba del motor SpaceX Raptor el 25 de septiembre de 2016 , SciNews , video, septiembre de 2016.
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- Infografía de registro de motor raptor no oficial