Русская Википедия:Raptor (ракетный двигатель)
Шаблон:Ракетный двигатель Raptor («Раптор») — жидкостный ракетный двигатель, разрабатываемый компанией SpaceX. Двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов топлива, работающий на жидких метане[1] и кислороде[2], применяется на космическом корабле Starship и ускорителе Super Heavy.
Конструкция
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[3][4] (закрытый цикл использовался на главных двигателях «Шаттлов» — RS-25 и в нескольких российских ракетных двигателях, например, в РД-171, РД-180, РД-191[4]).
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)Шаблон: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[4].
Воспламенение топлива при запуске на земле и в полёте осуществляется системой искрового зажигания, что исключает необходимость в пирофорной смеси триэтилалюминия-Шаблон:Iw для зажигания двигателей на РН семейства Falcon[4].
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.[5].
Заявленные характеристики двигателя Raptor в процессе проектирования в течение 2012—2017 годов менялись в широком диапазоне, от высокого значения целевой пустотной тяги Шаблон:Num[6] до поздней, гораздо более низкой тяги Шаблон:Num.
С 2018 года ожидается, что двигатель будет иметь удельный импульс Шаблон:Num в пустоте и Шаблон:Num у земли[7][8].
Характеристики
Характеристика[9] | 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 |
Разработка
18 июня 2009 года на симпозиуме «Innovations in Orbit: An Exploration of Commercial Crew and Cargo Transportation» Шаблон:Iw Шаблон:Iw впервые публично упомянул проект ракетного двигателя Raptor. Проект подразумевал использование топливной пары кислород-водород.[10][11]
28 июля 2010 года на 46-й конференции «Joint Propulsion Conference» Американского института аэронавтики и астронавтики директор испытательного комплекса SpaceX в Шаблон:Iw Шаблон:Iw 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 Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]] на уровне моря и Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]] в пустоте, что сделало бы его самым мощным двигателем в своем классе.[12]. Двигатель Raptor, использующий жидкий водород и жидкий кислород, имеющий в пустоте тягу Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]], удельный импульс Шаблон:Num, предназначался для верхних ступеней сверхтяжелых ракет-носителей.[13][14][11]
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 Шаблон:Iw, способной выводить полезную нагрузку Шаблон:Num на низкую околоземную орбиту, что превышает возможности SLS НАСА.[15][11]
Анонс и разработка узлов
16 ноября 2012 года, во время выступления в Шаблон:Iw в Лондоне, Илон Маск впервые объявил о разработке двигателя Raptor, использующего в качестве топлива метан.[16][2][3][17][13][14]
В октябре 2013 года SpaceX анонсировала начало испытаний узлов метанового двигателя в Космическом центре имени Джона Стенниса.[18][19] Впервые объявлена номинальная тяга двигателя — Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]].[20][11]
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 Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]]. Удельный импульс составит Шаблон:Num на уровне моря и Шаблон:Num в пустоте.[21][13][14][11]
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 Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]], что сделало бы его чуть более мощным, чем двигатель программы «Аполлон» — F-1. Высотная версия двигателя — тяга Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]], удельный импульс Шаблон:Num. Пресс-секретарь центра Стенниса — Ребекка Стрекер сообщила, что компания испытывает узлы двигателя малого масштаба на стенде E-2 в Миссисипи.[22][23][6][11]
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.[24]
6 января 2015 года Илон Маск заявил, что целью является тяга двигателя чуть больше Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]], что намного ниже заявленной ранее.[25][11]
Испытания двигателя
26 сентября 2016 года Илон Маск опубликовал в Twitter две фотографии первого испытательного запуска двигателя Raptor в сборе на испытательном комплексе SpaceX в МакГрегоре.[26][27][28] Маск сообщил, что целевая производительность — удельный импульс в пустоте — Шаблон:Num, при коэффициенте расширения сопла 150, тяга в Шаблон:Num, давление в камере сгорания Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]].[29][30][31] 27 сентября он пояснил, что коэффициент расширения 150 — для испытательного образца, вакуумная версия будет иметь коэффициент расширения 200.[32] Подробности были обобщены в статье о двигателе Raptor, опубликованной на следующей неделе.[4]
27 сентября 2016 года на 67-м ежегодном Международном конгрессе астронавтики в Гвадалахаре Илон Маск представил подробности концепции ITS.[33] Были даны характеристики двигателя Raptor: давление в камере сгорания Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]]; возможность дросселирования тяги в диапазоне 20—100%; номинальная тяга Шаблон:Num, удельный импульс Шаблон:Num, степень расширения 40; для вакуумной версии — тяга Шаблон:Num, удельный импульс Шаблон:Num, степень расширения 200.[34][11]
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 Шаблон:Num, прошёл 42 стендовых огневых испытания с общей наработкой 1200 секунд. Самое длительное испытание продолжалось 100 секунд.[8][35][11]
29 сентября 2017 года в рамках 68-го ежегодного Международного конгресса астронавтики в Аделаиде Илон Маск представил новую концепцию под кодовым названием BFR[36]. Характеристики двигателя Raptor изменились: давление в камере сгорания Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]]; тяга Шаблон:Num, удельный импульс Шаблон:Num; для пустотной версии — тяга Шаблон:Num, удельный импульс Шаблон:Num[8][35][11].
Илон Маск объявил, что двигатель Raptor впервые отправится в полёт как часть BFR[36]. В октябре 2017 года он пояснил, что лётные испытания начнутся на полноразмерном корабле (верхней ступени BFR), выполняющем «короткие прыжки» высотой в несколько сотен километров[37].
17 сентября 2018 года на презентации, в рамках которой был представлен первый космический турист BFR Юсаку Маэдзава, информация о ракете была обновлена[7]; озвучены характеристики двигателя Raptor: целевое значение давления в камере сгорания примерно Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]]; тяга около Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]]; потенциально-возможный удельный импульс около Шаблон:Num.
4 февраля 2019 года было проведено первое огневое испытание лётногоШаблон:Уточнить образца двигателя[38][39]. Испытание продолжалось 2 секунды при давлении Шаблон:Num, достигнута тяга Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]], что составляет 60 % от номинального значения[40].
7 февраля 2019 года проведено очередное огневое испытание с использованием «теплых» компонентов топлива, после которого Илон Маск сообщил, что двигатель подтвердил проектную мощность[41], достигнув уровня тяги в Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]] при давлении в камере сгорания Шаблон:Num [[[:Шаблон:Num]]]. Предполагается прирост тяги 10—20 % при использовании переохлаждённых компонентов топлива[42].
В августе 2019 испытан при полёте аппарата Starhopper.[43]
5 августа 2020 года состоялся тестовый "прыжок" прототипа Starship (SN5) с двигателем Raptor SN27 на 150 м[44]; с тех пор проведено ещё несколько подобных испытаний.
Раптор-2
Шаблон:Нет ссылок в разделе Шаблон:Главная Раптор-2 это новая версия двигателя Раптор, 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.[45]
Всего будет три версии двигателя Раптор-2: с карданным подвесом для отклонения вектора тяги, без карданного подвеса и версия для работы в вакууме.
Производство двигателей Раптор-2 достигло 5 штук в неделю к февралю 2022 года и ожидается увеличение этого числа до 7 в мартеШаблон:Нет АИ.
На данный моментШаблон:Когда Раптор-2 по сравнению с Раптор-1 имеет следующие характеристики:
Раптор-1 | Раптор-2 | |
---|---|---|
Масса (примерно), кг | 2000 | 1600 |
Тяга (на уровне моря), тс | 185 | 230 |
Давление в камере сгорания, бар | 250 | 300 |
Удельный импульс, сек | 330 | 327 |
Финансирование
С 2009 по 2015 год разработка двигателя финансировалась за счёт инвестиций SpaceX, без привлечения финансирования со стороны правительства США[46][24].
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[47][48][49].
9 июня 2017 года ВВС США изменили соглашение, увеличив сумму финансирования со своей стороны на 16,9 млн долларов, не уточнив цели[47][50].
19 октября 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 40,8 млн долларов[47][51].
22 декабря 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 6,5 млн долларов[47].
См. также
- Interplanetary Transport System (ранее Mars Colonial Transporter)
- Сравнение орбитальных ракетных двигателей
Ссылки
- Is SpaceX's Raptor engine the king of rocket engines? // everydayastronaut.com
Примечания
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 2,0 2,1 Шаблон:Cite news
- ↑ 3,0 3,1 Шаблон:Cite news
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 6,0 6,1 Шаблон:Cite web
- ↑ 7,0 7,1 Шаблон:Cite web
- ↑ 8,0 8,1 8,2 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 11,5 11,6 11,7 11,8 11,9 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 13,0 13,1 13,2 Шаблон:Cite web
- ↑ 14,0 14,1 14,2 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite news
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite news
- ↑ Шаблон:Cite news
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite news
- ↑ Шаблон:Cite news
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 24,0 24,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 35,0 35,1 Шаблон:Cite web
- ↑ 36,0 36,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Space X провела успешные испытания аппарата Starhopper Шаблон:Wayback // ТАСС, 28 августа
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Зачем Илону Маску самая большая ракета в истории Шаблон:Wayback // hi-tech.mail.ru
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 47,0 47,1 47,2 47,3 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite news
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web