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 metalox. .
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 [update], cada uno de los motores desarrollados hasta la fecha ( Kestrel , Merlin 1 , Draco y Super Draco) había sido desarrollado para su uso inicial en los vehículos de lanzamiento de 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 con oxígeno líquido (LOX) como oxidante, mientras que los motores de propulsor 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 basados en 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 ex 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]
SpaceX ha desarrollado dos motores a base de queroseno hasta 2013, el Merlin 1 y Kestrel, y ha discutido públicamente un concepto de diseño de motor de alto nivel 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.
Merlin 1 es una familia de motores de cohetes LOX / RP-1 desarrollados entre 2003 y 2012. Merlin 1A y Merlin 1B utilizaron una boquilla compuesta de fibra de carbono enfriada por ablación . Merlin 1A produjo 340 kilonewtons (76.000 lbf ) de empuje y se utilizó 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 del traslado de SpaceX al Merlin 1C.
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El Merlin 1C fue el primero de la familia en utilizar una boquilla y una cámara de combustión con refrigeración regenerativa . Fue lanzado 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 que alcanzó con éxito la órbita" ( Falcon 1 Vuelo 4 ) en septiembre de 2008, [5] y posteriormente impulsó los primeros cinco vuelos del Falcon 9, cada uno de ellos realizado 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 con refrigeración 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 de los 14,5 anteriores 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 fue también el vuelo inaugural del Falcon 9 v1.1 . [10] El 29 de septiembre de 2013, la misión Falcon 9 Flight 6 lanzó con éxito el satélite CASSIOPE de la Agencia Espacial Canadiense a la órbita polar y demostró que el Merlin 1D podía reiniciarse para controlar el reingreso de la primera etapa a la atmósfera. parte del programa de prueba de vuelo del sistema de lanzamiento reutilizable de SpaceX, un paso necesario para que el cohete sea reutilizable. [11]
Kestrel era un motor de cohete alimentado a presión LOX / RP-1 y fue desarrollado por SpaceX como motor principal de segunda etapa del cohete Falcon 1; se utilizó en 2006-2009. Fue construido con la misma arquitectura de pivote que el motor Merlin de SpaceX, pero no tiene turbobomba y se alimenta únicamente con la presión del tanque . Su boquilla se enfrió por ablación en la cámara y por radiación en la garganta, y está fabricada con una aleación de niobio de alta resistencia . El control del vector de empuje lo proporcionan actuadores electromecánicos en la cúpula del motor para cabeceo y guiñada. El control de balanceo (y el control de actitud durante la fase de costa) lo proporcionan propulsores de gas frío con helio . [12] [13]
En noviembre de 2012, los motores metalox entraron en escena cuando el director ejecutivo de SpaceX, Elon Musk, anunció una nueva dirección para la 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 utilizando propulsor 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 un barco mini-BFR", lo que puede implicar el uso de un motor Raptor en esta nueva segunda etapa. El objetivo del nuevo programa de desarrollo de motores es exclusivamente el motor Raptor de tamaño completo para la misión centrada en Marte. [14]
Raptor es una familia de motores de cohetes de metano / oxígeno líquido desarrollado por SpaceX desde finales de la década de 2000, [2] aunque la mezcla de propulsores LH2 / LOX estaba originalmente en estudio cuando comenzó el trabajo de desarrollo del concepto Raptor en 2009. [15] Cuando fue mencionado por primera vez por En 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] anunciando inicialmente que el motor alcanzaría un empuje en vacío de 2,94 meganewtons (661.000 lbf). [16] En febrero de 2014, anunciaron que el motor Raptor se utilizaría en el Mars Colonial Transporter . El propulsor utilizaría múltiples motores Raptor, similar al uso de nueve Merlin 1 en cada núcleo de propulsor Falcon 9 . [17] El mes siguiente, SpaceX confirmó que, a partir de marzo de 2014 , todo el trabajo de desarrollo del Raptor se realiza exclusivamente en este único motor de cohete muy grande, y que no había motores Raptor más pequeños en la combinación de desarrollo actual. [14][update]
El motor Raptor de 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 de generador de gas abierto y los propulsores LOX/queroseno utilizados en la actual serie de motores Merlin 1. [2] En febrero de 2014 , los diseños preliminares del 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 al nivel del mar de 321 segundos (3,15 km/s), [17] [18] aunque los tamaños conceptuales posteriores analizados estaban más cerca de 2,2 MN (500.000 lbf).[update]
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 Raptor completo, aproximadamente un tercio del tamaño de los motores a gran escala planificados para su uso en varias partes del Starship, con aproximadamente 1.000 kN (220.000 lb f ) de empuje, comenzó a probarse en un banco de pruebas terrestre en septiembre de 2016. La boquilla de prueba tiene una relación de expansión de solo 150, para eliminar los problemas de separación del flujo durante las pruebas en la atmósfera terrestre. [20]
El ciclo de combustión por etapas de flujo total del Raptor pasará el 100 por ciento del oxidante (con una proporción baja de combustible) para alimentar la bomba de la turbina de oxígeno y el 100 por ciento del combustible (con una proporción baja de oxígeno) 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 soviético RD-270 en la década de 1960 y el proyecto de demostración del cabezal de potencia integrado Aerojet Rocketdyne a mediados de la década de 2000, que no Pruebe un motor completo, sino solo el cabezal de potencia. [17] [20]
Se prevé que otras características del diseño de flujo total aumenten aún más el rendimiento o la confiabilidad, con la posibilidad de hacer compensaciones de diseño entre una y otra: [17]
SpaceX está desarrollando propulsores gaseosos Methox que utilizarán gas que debe ser ventilado desde los tanques de propulsor para controlar la actitud.
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 del ITS (posteriormente rebautizado como Starship ) funcionarían a partir de metano y oxígeno gaseosos . 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 metox de alto empuje en la mitad del cuerpo de la variante Starship de aterrizaje lunar Starship HLS y se utilizará durante las "decenas de metros" finales de cualquier descenso y aterrizaje lunar terminal . 24] y también se utiliza para salir de la superficie lunar. [24] : 50:30 El diseño de la mitad del cuerpo está diseñado específicamente para abordar el problema de la erosión de la superficie lunar y la creación de polvo en toda la Luna debido al uso de los motores Raptor que se encuentran en la base de Starship.
En 2021, se observaron propulsores de gas caliente en el cuerpo de los prototipos de Starship, [25] sin embargo, no está claro si se utilizarán en futuros Starships.
Draco son motores de cohetes hipergólicos de propulsor líquido que utilizan una mezcla de combustible monometilhidrazina y oxidante de tetróxido de nitrógeno . Cada propulsor Draco genera 400 newtons (90 lbf) de empuje. [26] 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 . [27]
Los motores hipergólicos de propulsor 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 [28] más potente que los motores propulsores Draco RCS normales. En comparación, es más del doble de 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 del sistema de aborto de lanzamiento en el Dragon 2 de SpaceX para el transporte de tripulaciones a la órbita terrestre baja . [29]
[SpaceX desarrolla] todos nuestros motores internamente y en los Estados Unidos. La compañía se encuentra actualmente en su cuarta generación de motores propulsores, que incluyen 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 de aborto para Dragon... También estamos avanzando con una importante investigación y desarrollo 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.
Nuestro enfoque es el tamaño completo del Raptor.
Para el descenso final de Starship, unas decenas de metros antes de tocar la superficie lunar, utilizamos un sistema RCS de alto empuje, para no chocar con la superficie de la Luna con el Raptor de alto empuje. motores. ... utiliza los mismos propulsores de metano y oxígeno que Raptor
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