-
Тревор Сесник, 14 июля 2022 г., 6 минут чтения
Первоисточник
Видео от Тима Тодда (Everyday Astronaut)
Обзор двигателя Raptor:
В последние месяцы мы наблюдали переход SpaceX с версий двигателя Raptor, которые использовались на Starhopper, SN5, SN6, SN8, SN9, SN10 и SN11: Raptor v1.0, и Raptor, используемым на SN15, S20. и B4: Raptor v1.5. Новая версия Raptor, получившая название Raptor 2, имеет большое количество улучшений производительности и надежности; что SpaceX изменила в Raptor 2 и почему эти изменения выгодны для Starship?
Двигатель Raptor
Двигатель Raptor представляет собой двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов топлива (FFSCC), который работает на сверхохлажденном жидком кислороде и сверхохлажденном жидком метане CH4, который будет приводиться в действие космические носители следующего поколения SpaceX: Starship. В двигателе Raptor используется очень выгодный цикл FFSCC, максимально увеличивающий импульс, генерируемый заданным количеством топлива. Это третий двигатель FFSCC, когда-либо разработанный, и первый, покинувший испытательный стенд.
Первая ступень Starship, называемая Super Heavy, будет оборудована 33 двигателями Raptor: 20 двигателей Raptor без карданного подвеса в самом внешнем кольце; 10 двигателей на карданном подвесе в среднем кольце; и три центральных двигателя в самом внутреннем кольце. Ожидается, что в будущем это число уменьшится, поскольку SpaceX продолжит модернизацию двигателя Raptor. На второй ступени, Starship, в настоящее время установлено шесть двигателей: три двигателя без карданного подвеса, оптимизированные для работы в вакууме и три двигателя с карданным подвесом для работы на уровне моря. Генеральный директор и технический директор SpaceX Илон Маск отметил, что в будущем Ship, вероятно, получит еще три двигателя оптимизированных для работы в вакууме.
Raptor изготовлен из запатентованного SpaceX сплава SX500, медных, алюминиевых и стальных сплавов — нет информации, позволяющей предположить, что сплавы значительно изменились между Raptor 1 и Raptor 2. Двигатель использует некоторое количество элементов 3D-печати; однако SpaceX пытается максимально отказаться от 3D-печати из-за невозможности масштабирования, высокой стоимости и низкой скорости производства.
Одной из самых впечатляющих характеристик Raptor является его диапазон карданного подвеса: двигатель может поворачиваться на 15 градусов по осям X и Z. Это необходимо для выполнения маневра «перевернуть и затормозить», которое делает Starship. Диапазон карданного подвеса в 15 градусов — это много; для сравнения, RS-25 имеет 12,5 градусов, а двигатель SpaceX Merlin 5 градусов на первой ступени.
Изменения
В начале 2022 года был замечен первый Raptor 2, что ознаменовало конец истории Raptor 1 — после начала производства Raptor 2 SpaceX прекратила производство всех двигателей Raptor 1.5.
По сравнению с оригинальным Raptor, Raptor 2 выглядит почти незавершенным — большое количество трубопроводов и датчиков было удалено, что изменило внешний вид двигателя с «елочки» на значительно более компактный вид. В оригинальной версии Raptor, пока SpaceX училась запускать двигатель, требовалось очень большое количество датчиков для разработки, чтобы они могли отслеживать давление и температуру по всему двигателю. Кроме того, многие клапаны были объединены в клапанные пластины, что еще больше упростило трубопроводы.
Удалив большое количество этих компонентов, SpaceX сделала двигатель более огнестойким и термостойким: явный шаг к цели SpaceX по удалению всех кожухов двигателя с ракеты-носителя, что уменьшило бы массу ракеты-носителя. Это яркий пример мантры Маска «лучшая часть — это отсутствие части».
Еще одно различие между Raptor 1 и Raptor 2 заключается в удалении факельных воспламенителей в основной камере сгорания. Вместо использования резервных факельных воспламенителей хорошо перемешанный горячий газообразный кислород и горячий газообразный CH4 самовоспламеняются под воздействием высокой температуры и давления. Это изменение еще больше снижает массу двигателя.
Raptor 2 также имеет меньше фланцев, чем на исходных версиях Raptor. Фланцы отлично подходят для прототипирования, когда необходимо заменить детали, но они увеличивают массу и увеличивают потери давления в двигателе. Теперь, когда конструкция стала более стабильной, SpaceX смогла удалить многие фланцевые соединения на двигателе, вплоть до того, что надеется удалить все фланцы на Raptor 2.5, что еще больше увеличит тягу до 250 тонн и дебютирует на 12-м ускорителе.
Изменение сопла
Самым фундаментальным изменением было расширение критического сечения сопла. Большее критическое сечение сопла позволяет большему количеству топлива проходить через двигатель, увеличивая тягу. Однако это изменение уменьшает коэффициент расширения — отношение между площадью выходного отверстия сопла и площадью критического сечения сопла. Чем выше степень расширения, тем больше работы выполняет сопло для преобразования высокого давления в высокую скорость, увеличивая удельный импульс двигателя.
Сравнение Raptor 1 и Raptor 2
Raptor 1 и Raptor 2 имеют одинаковый диаметр выходного отверстия сопла, а остальная часть двигателя имеет практически одинаковые размеры. Тем не менее, Raptor 2 значительно легче, чем Raptor 1 — Raptor 1 весил примерно 2000 кг (конечно, масса зависит от того, есть ли у двигателя кардан), а Raptor 2 — около 1600 кг.
Давление в камере MCC Raptor 2 составляет поразительные 300 бар — самое высокое давление MCC среди всех ракетных двигателей. Это значительно выше, чем у Raptor 1 с давлением в камере 250 бар. Предыдущим рекордсменом по самому высокому давлению в камере был российский РД-180, работающий при давлении 267 бар.
Из-за большего критического сечения сопла и повышенного давления в камере Raptor получил увеличенную тягу: Raptor 1 создавал 185 тонн тяги, а Raptor 2 - 230 тонн тяги. Однако недостатком расширения критического сечения сопла является снижение ISP: Raptor 1 имеет примерно 330 секунд ISP, а Raptor 2 достигает 327 секунд.
Влияние на ускоритель
Несмотря на снижение скорости выхлопа, увеличение тяги резко увеличивает эффективность ускорителя из-за уменьшения гравитационного сопротивления. Первые 9,8 м/с^2 ускорения тратятся исключительно на борьбу с гравитационным колодцем Земли. При соотношении тяги к массе 1,25:1 80 % тяги тратится на борьбу с гравитацией, и только 20 % тяги используется для разгона корабля при 0,25 g. Несмотря на всего лишь 25-процентное увеличение тяги по сравнению TWR 1 : 1, это бесконечно увеличивает ЧИСТУЮ работу, выполняемую на ускорителе.
Поднимая до TWR 1,5 : 1, 66% тяги теряется на гравитацию, а остальные 33% совершает работу по разгону аппарата. Несмотря на увеличение тяги всего на 16 %, это увеличивает работу, выполняемую ускорителем, на 100 %.
Raptor 1 будет иметь приблизительный TWR 1,25 при старте, а Raptor 2 будет иметь TWR 1,5 при старте. Это 100-процентное увеличение работы, выполняемой в начале полета, значительно важнее, чем 1-процентное снижение ISP. Это имеет много преимуществ, например, ракета-носитель находится ниже в конце работы ускорителя, уменьшая количество топлива, необходимое для возвращения ракеты-носителя.
Будущее Raptor
Основная цель Маска состоит в том, чтобы стоимость тонны тяги Raptor была ниже 1000 долларов, а это означает, что для производства Raptor необходимо около 250 000 долларов. С этой целью ясно, что SpaceX продолжит делать Raptor более простым и дешевым в производстве, включая удаление всех фланцев на Raptor 2.5 и удаление как можно большего количества 'элементов 3D-печати из производственной последовательности. Raptor 2.5 предназначен для дальнейшего увеличения тяги Raptor до 250 тонн тяги при давлении MCC 330 бар.
Кроме того, SpaceX пытается полностью отказаться от завесного охлаждения двигателя; есть несколько способов, которыми SpaceX может добиться этого, в том числе дополнительное завесное охлаждение или работа MCC с более высоким содержанием топлива. В настоящее время SpaceX изучает, будет ли выгоден отказ от завесного охлаждения горловины.
В целом ясно, что Raptor в настоящее время находится в зачаточном состоянии. Подобно тому, что SpaceX сделала с двигателем Merlin, двигатель будет продолжать развиваться по мере того, как SpaceX будет больше летать, больше строить и больше тестировать.
Автор: Вячеслав Ермолин
