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Raptor de SpaceX

Raptor es una familia de motores de cohetes desarrollados y fabricados por SpaceX . Es el tercer motor de cohete en la historia diseñado con un ciclo de combustible de combustión por etapas de flujo completo (FFSC), y el primer motor de este tipo en propulsar un vehículo en vuelo. [15] El motor está propulsado por metano líquido criogénico y oxígeno líquido , una mezcla conocida como metalox .

La nave superpesada Starship de SpaceX utiliza motores Raptor en su cohete Super Heavy y en la segunda etapa de la Starship . [16] Las misiones de la Starship incluyen elevar cargas útiles a la órbita terrestre y también están previstas misiones a la Luna y Marte . [17] Los motores están siendo diseñados para ser reutilizados con poco mantenimiento. [18]

Diseño

El Raptor está diseñado para una fiabilidad extrema, con el objetivo de ofrecer el nivel de seguridad que exigen las aerolíneas en el mercado del transporte terrestre punto a punto. [19] Gwynne Shotwell afirmó que el Raptor podría ofrecer "una vida útil prolongada... y entornos de turbinas más benignos". [20] [21]

Combustión por etapas de flujo completo

Diagrama simplificado de un cohete de combustión por etapas de flujo completo

El Raptor funciona con metano líquido subenfriado y oxígeno líquido subenfriado en un ciclo de combustión por etapas de flujo completo (FFSC). FFSC es un ciclo de combustión por etapas de doble eje que utiliza prequemadores ricos en oxidante y combustible. El ciclo permite el flujo completo de ambos propulsores a través de las turbinas sin arrojar ningún propulsor no quemado por la borda.

El FFSC es un cambio con respecto al sistema de generador de gas de "ciclo abierto" más común y a los propulsores LOX/queroseno utilizados por su predecesor, el Merlin . [22] Antes de 2014, nunca se había utilizado un FFSC en un vuelo real y solo dos diseños de FFSC habían progresado lo suficiente como para llegar a los 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. [15] [23] [21] [24] Los motores RS-25 (utilizados por primera vez en el transbordador espacial ) utilizaban una forma más simple de ciclo de combustión por etapas. [25] Varios motores de cohetes rusos, incluidos el RD-180 [22] y el RD-191, también lo hicieron. [21]

El FFSC tiene la ventaja de que la energía producida por los prequemadores y utilizada para alimentar las bombas de propulsante se distribuye entre todo el flujo de combustible, lo que significa que el escape del prequemador que impulsa las turbobombas de propulsante es lo más frío posible, incluso más frío que otros ciclos de motor cerrados que solo prequeman un propulsante. Esto contribuye a una larga vida útil del motor. Por el contrario, un motor de ciclo abierto en el que el escape del prequemador pasa por alto la cámara de combustión principal intenta minimizar la cantidad de propulsante que pasa por el prequemador, lo que se logra haciendo funcionar la turbina a su temperatura máxima de supervivencia.

Una turbina rica en oxígeno alimenta una turbobomba de oxígeno, y una turbina rica en combustible alimenta una turbobomba de metano. Tanto el oxidante como las corrientes de combustible se convierten completamente en la fase gaseosa antes de que entren en la cámara de combustión . [15] Esto acelera la mezcla y la combustión, reduciendo el tamaño y la masa de la cámara de combustión requerida. Se utilizan encendedores de antorcha en los prequemadores. La cámara de combustión principal de Raptor 2 utiliza un método de ignición no revelado que supuestamente es menos complejo, más ligero, más barato y más confiable que el de Merlin. El encendido del motor en Raptor Vacuum es manejado por encendedores de antorcha encendidos por bujía redundantes duales, [26] que eliminan la necesidad del fluido de encendedor consumible dedicado de Merlin. [21] Raptor 2 utiliza inyectores de remolino coaxiales para admitir propulsores en la cámara de combustión, en lugar de los inyectores de pivote de Merlin . [27] [28]

Propulsores

Raptor está diseñado para propulsores criogénicos profundos : fluidos enfriados hasta cerca de sus puntos de congelación , en lugar de sus puntos de ebullición , como es típico para los motores de cohetes criogénicos. [29] Los propulsores subenfriados son más densos, lo que aumenta la masa del propulsor [30], así como el rendimiento del motor. El impulso específico aumenta y el riesgo de cavitación en las entradas de las turbobombas se reduce debido al mayor caudal de combustible propulsor por unidad de potencia generada. [21] La cavitación (burbujas) reduce el flujo/presión de combustible y puede dejar sin combustible al motor, al tiempo que erosiona las palas de la turbina. [31] La relación oxidante a combustible del motor es de aproximadamente 3,8 a 1. [32] Methalox se quema de forma relativamente limpia, lo que reduce la acumulación de carbono en el motor.

Muchas empresas han adoptado propulsores de metano líquido y oxígeno , como Blue Origin con su motor BE-4 , así como el Longyun-70 de la startup china Space Epoch . [33]

Fabricación y materiales

Muchos componentes de los primeros prototipos de Raptor se fabricaron mediante impresión 3D , incluidas las turbobombas y los inyectores, lo que aumentó la velocidad de desarrollo y prueba. [29] [34] El motor de desarrollo a subescala de 2016 tenía el 40% (en masa) de sus piezas fabricadas mediante impresión 3D. [21] En 2019, los colectores del motor se fundieron a partir de la superaleación SX300 Inconel desarrollada internamente por SpaceX , que luego se cambió a SX500. [35]

Historia

El motor Merlin de SpaceX (izquierda) comparado con un motor Raptor 1 a nivel del mar (derecha)

Concepción

Los motores de cohetes Merlin y Kestrel de SpaceX utilizan una combinación de RP-1 y oxígeno líquido ("kerolox"). Raptor tiene aproximadamente el triple de empuje que el motor Merlin 1D de SpaceX , que propulsa los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy .

Raptor fue concebido para quemar propulsores de hidrógeno y oxígeno a partir de 2009. [36] SpaceX tenía algunos empleados trabajando en el motor de la etapa superior de Raptor con baja prioridad en 2011. [37] [38]

En octubre de 2012, SpaceX anunció el trabajo conceptual sobre un motor que sería "varias veces más potente que la serie de motores Merlin 1, y no utilizaría el combustible RP-1 de Merlin ". [39]

Desarrollo

En noviembre de 2012, Musk anunció que SpaceX estaba trabajando en motores de cohetes alimentados con metano , que Raptor estaría basado en metano, [40] y que el metano impulsaría la colonización de Marte. [24] Debido a la presencia de agua subterránea y dióxido de carbono en la atmósfera de Marte , el metano, un hidrocarburo simple , podría sintetizarse en Marte utilizando la reacción de Sabatier . [41] La NASA encontró que la producción de recursos in situ en Marte era viable para la producción de oxígeno, agua y metano. [42]

A principios de 2014, SpaceX confirmó que Raptor se utilizaría tanto para la primera como para la segunda etapa de su próximo cohete. Esto se mantuvo a medida que el diseño evolucionó desde el Mars Colonial Transporter [24] hasta el Interplanetary Transport System [43] , el Big Falcon Rocket y, finalmente, Starship. [44]

El concepto evolucionó a partir de una familia de motores de cohetes denominados Raptor (2012) [45] para centrarse en el motor Raptor de tamaño completo (2014). [46]

En enero de 2016, la Fuerza Aérea de los EE. UU. otorgó un contrato de desarrollo de 33,6 millones de dólares a SpaceX para desarrollar un prototipo de Raptor para su uso en la etapa superior del Falcon 9 y el Falcon Heavy . [47] [48]

La primera versión estaba destinada a funcionar a una presión de cámara de 250 bares (25 MPa; 3.600 psi). [49] En julio de 2022, la presión de la cámara había alcanzado los 300 bares en una prueba. [31] En abril de 2024, Musk compartió el rendimiento logrado por SpaceX con el motor Raptor 1 (nivel del mar 185 tf, Rvac 200 tf) y el motor Raptor 2 (nivel del mar 230 tf, Rvac 258 tf) junto con las especificaciones objetivo para el próximo Raptor 3 (nivel del mar 280 tf, Rvac 306 tf) [50] [51] y dijo que SpaceX apuntaría a lograr en última instancia más de 330 toneladas de empuje en los motores de refuerzo a nivel del mar. [52]

Los motores Raptor 1 y 2 requieren una cubierta térmica para proteger las tuberías y el cableado del calor del motor, [31] mientras que está previsto que el Raptor 3 ya no necesite un escudo térmico. [52] : 18:30 

Pruebas

Prueba del prequemador de oxígeno del Raptor en el Centro Espacial Stennis en 2015
Primera prueba de encendido de un motor de desarrollo Raptor el 25 de septiembre de 2016 en McGregor, Texas

Las pruebas de desarrollo iniciales [53] de los componentes del Raptor se realizaron en el Centro Espacial Stennis de la NASA , [17] [54] a partir de abril de 2014. Las pruebas se centraron en los procedimientos de arranque y apagado, así como en la caracterización y verificación del hardware . [21]

SpaceX comenzó a probar inyectores en 2014 y probó un prequemador de oxígeno en 2015. Se ejecutaron 76 pruebas de encendido en caliente del prequemador, con un total de unos 400 segundos de tiempo de prueba, entre abril y agosto. [53]

A principios de 2016, SpaceX había construido un banco de pruebas de motores en su sitio de pruebas McGregor en el centro de Texas para probar el Raptor. [21] [17] El primer Raptor se fabricó en las instalaciones de SpaceX en Hawthorne , California. En agosto de 2016, se envió a McGregor para realizar pruebas de desarrollo. [55] El motor tenía un empuje de 1 MN (220 000 lbf ) . [56] Fue el primer motor de metalox FFSC en llegar a un banco de pruebas. [21]

Para la validación del diseño se utilizó un motor de desarrollo a subescala. Tenía un tercio del tamaño de los diseños de motores que se habían previsto para los vehículos de vuelo. [21] Presentaba una presión de cámara de 200 bares (20 MPa; 2900 psi), con un empuje de 1 meganewton (220 000 lbf ) y utilizaba la aleación SX500 diseñada por SpaceX, creada para contener gas oxígeno caliente en el motor a hasta 12 000 libras por pulgada cuadrada (830 bares; 83 MPa). [35] Se probó en un banco de pruebas terrestre en McGregor , encendiéndose brevemente. [21] Para eliminar los problemas de separación del flujo durante las pruebas en la atmósfera terrestre, la relación de expansión de la boquilla de prueba se limitó a 150. [21]

En septiembre de 2017, el motor de subescala había completado 1200 segundos de encendidos en 42 pruebas. [57]

SpaceX completó muchas pruebas de fuego estático en un vehículo usando Raptor 2, incluida una prueba de 31 motores (prevista para ser 33) el 9 de febrero de 2023, [58] y una prueba de 33 motores el 25 de agosto de 2023. [59] Durante las pruebas, más de 50 cámaras se derritieron y más de 20 motores explotaron. [31]

SpaceX completó su primera prueba de vuelo integrada de Starship el 20 de abril de 2023. El cohete tenía 33 motores Raptor 2, pero tres de ellos se apagaron antes de que el cohete despegara del soporte de lanzamiento. La prueba de vuelo finalizó después de ascender a una altitud de ~39 km sobre el Golfo de México. Varios motores se apagaron antes de que el sistema de terminación de vuelo (FTS) destruyera el propulsor y la nave. [60]

En la segunda prueba de vuelo integrada, los 33 motores de refuerzo permanecieron encendidos hasta el inicio de la combustión del refuerzo, y los seis motores de Starship permanecieron encendidos hasta que se activó el FTS. [61] [62]

En la tercera prueba de vuelo integrada , los 33 motores de refuerzo permanecieron encendidos una vez más hasta el corte del motor principal (MECO), y luego, tras la puesta en marcha en caliente, 13 se volvieron a encender con éxito para realizar un impulso de retorno durante toda la duración. [63] En la quema de aterrizaje del propulsor, solo 3 motores de los 13 planeados se encendieron, 2 se apagaron rápidamente, el otro permaneció encendido hasta que se produjo un desmontaje rápido no programado (RUD) a unos 462 metros sobre el nivel del mar. [63] La nave mantuvo con éxito los 6 motores encendidos hasta el corte del motor secundario/segunda etapa (SECO) sin problemas, sin embargo, un reencendido planeado del Raptor en el espacio se canceló debido al balanceo durante la costa. [63]

Nave espacial

Configuración original

El gran cohete Falcon con su cohete Super Heavy en marcha (concepto artístico)

En noviembre de 2016, se proyectó que Raptor impulsaría el propuesto Sistema de Transporte Interplanetario (ITS), a principios de la década de 2020. [21] Musk discutió dos motores: una variante a nivel del mar (relación de expansión 40:1) con un empuje de 3050 kN (690 000 lbf) a nivel del mar para la primera etapa/propulsor, y una variante de vacío (relación de expansión 200:1) con un empuje de 3285 kN (738 000 lbf) en el espacio. Se previeron 42 motores a nivel del mar en el diseño de alto nivel de la primera etapa. [21]

Se utilizarían tres motores Raptor a nivel del mar con cardán para el aterrizaje de la segunda etapa. Seis Raptors adicionales, sin cardán y optimizados para el vacío (Raptor Vacuum) proporcionarían el empuje primario para la segunda etapa, para un total de nueve motores. [64] [21] Se concibió que los Raptor Vacuums aportaran un impulso específico de 382 s (3750 m/s), utilizando una tobera mucho más grande . [65]

En septiembre de 2017, Musk dijo que se utilizaría un motor Raptor más pequeño, con un poco más de la mitad del empuje que los diseños anteriores, en el cohete de próxima generación, un vehículo de lanzamiento de 9 m (30 pies) de diámetro denominado Big Falcon Rocket (BFR) y luego rebautizado como Starship . [66] El rediseño estaba destinado a misiones en órbita terrestre y cislunares para que el nuevo sistema pudiera pagarse a sí mismo , en parte, a través de actividades económicas de vuelos espaciales en la zona espacial cercana a la Tierra. [67] Con el vehículo de lanzamiento mucho más pequeño, se necesitarían menos motores Raptor. Entonces se programó que BFR tuviera 31 Raptors en la primera etapa y 6 en la segunda etapa. [68] [21]

A mediados de 2018, SpaceX declaró públicamente que se esperaba que el Raptor a nivel del mar tuviera un empuje de 1.700 kN (380.000 lbf) con un impulso específico de 330 s (3.200 m/s), con un diámetro de salida de boquilla de 1,3 m (4,3 pies). Raptor Vacuum tendría un impulso específico de 356 s (3.490 m/s) en el vacío [57] y se esperaba que ejerciera una fuerza de 1.900 kN (430.000 lbf) con un impulso específico de 375 s (3.680 m/s), utilizando un diámetro de salida de boquilla de 2,4 m (7,9 pies). [57]

En la actualización de BFR dada en septiembre de 2018, Musk mostró un video de una prueba de fuego de 71 segundos de un motor Raptor, y afirmó que "este es el Raptor que impulsará a BFR, tanto la nave como el propulsor; es el mismo motor. [...] aproximadamente un motor de 200 (métricas) toneladas que apunta a una presión de cámara de aproximadamente 300 bares. [...] Si lo tuvieras en una alta relación de expansión, tiene el potencial de tener un impulso específico de 380". [9] SpaceX apuntaba a una vida útil de 1000 vuelos. [69]

La nave espacial SN20 tiene sus piezas inspeccionadas

Propuesta de etapa superior del Falcon 9

En enero de 2016, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) otorgó un contrato de desarrollo de 33,6 millones de dólares a SpaceX para desarrollar un prototipo de Raptor para su uso en la etapa superior del Falcon 9 y el Falcon Heavy . El contrato requería una financiación doble por parte de SpaceX de al menos 67,3 millones de dólares . [47] [70] Las pruebas del motor estaban previstas para el Centro Espacial Stennis de la NASA en Mississippi bajo la supervisión de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. [47] [48] El contrato de la USAF exigía un solo prototipo de motor y pruebas en tierra. [47]

En octubre de 2017, la USAF otorgó un contrato de modificación de 40,8 millones de dólares para un prototipo de Raptor para el programa Evolved Expendable Launch Vehicle . [71] Debía utilizar metano líquido y oxígeno líquido , propulsores, un ciclo de combustión por etapas de flujo completo y ser reutilizable. [48]

Producción

En julio de 2021, SpaceX anunció una segunda instalación de producción de Raptor, en el centro de Texas, cerca de la instalación de prueba de motores de cohetes existente . La instalación se concentraría en la producción en serie de Raptor 2, mientras que la instalación de California produciría Raptor Vacuum y diseños nuevos/experimentales de Raptor. Se esperaba que la nueva instalación eventualmente produjera entre 800 y 1000 motores de cohete cada año. [72] [73] En 2019, se afirmó que el costo (marginal) del motor se acercaba al millón de dólares estadounidenses . SpaceX planeaba producir en masa hasta 500 motores Raptor por año, cada uno con un costo de menos de 250.000 dólares estadounidenses . [74]

Versiones

Raptor ha evolucionado significativamente desde que fue revelado.

Aspiradora Raptor

Raptor Vacuum [77] (RVac) es una variante de Raptor con una boquilla extendida y refrigerada regenerativamente para un mayor impulso específico en el espacio. El Raptor optimizado para el vacío tiene como objetivo un impulso específico de ~380 s (3700 m/s). [8] En septiembre de 2020 se completó una prueba de duración completa de la versión 1 de Raptor Vacuum en McGregor. [77] El primer encendido en vuelo de un Raptor Vacuum fue en S25 durante la segunda prueba de vuelo integrada . [62]

Raptor 2

Un empleado de la NASA de pie entre dos motores de vacío Raptor 2 (al fondo) y un Raptor 2 a nivel del mar (en primer plano). El diseño aerodinámico se debe a la reducción de las piezas visibles por encima de las toberas del motor.

El Raptor 2 es un rediseño completo del motor Raptor 1. [78] La turbomaquinaria, la cámara, la tobera y la electrónica fueron rediseñadas. Muchas bridas se convirtieron en soldaduras , mientras que otras partes fueron eliminadas. [79] Las simplificaciones continuaron después de que comenzó la producción. El 10 de febrero de 2022, Musk mostró las capacidades del Raptor 2 y las mejoras de diseño. [79] [80]

Para el 18 de diciembre de 2021, Raptor 2 había comenzado la producción. [81] Para noviembre de 2022, SpaceX produjo más de un Raptor al día y había creado una reserva para futuros lanzamientos. [82] Los Raptor 2 se producen en las instalaciones de desarrollo de motores McGregor de SpaceX .

En febrero de 2022, los Raptor 2 alcanzaban de manera constante un empuje de 230  tf ( 510 000  lbf ). Musk indicó que los costos de producción eran aproximadamente la mitad de los del Raptor 1. [79]

Raptor 3

El Raptor 3 está destinado a alcanzar un empuje de 330  tf (3,2  MN ) en la configuración de refuerzo/nivel del mar. [51] En agosto de 2024, había alcanzado 280 tf. Pesa 1525 kg. La presión de la cámara alcanzó los 350 bar . [83]

Otro objetivo es eliminar las cubiertas protectoras del motor. [52] Raptor 3 mueve gran parte de la plomería y los sensores a la pared de la carcasa. [50] El 2 de agosto de 2024, se reveló Raptor 3 SN1. [84]

Los motores Raptor 3 no requieren un escudo térmico. Los circuitos de refrigeración y flujo secundario integrados recorren las paredes de varias secciones del motor. Muchas juntas atornilladas en el Raptor 2 se han eliminado o reemplazado por piezas individuales. El mantenimiento es más difícil porque algunas piezas se encuentran debajo de juntas soldadas. [85] : 42:19–45:50 

LEET

En octubre de 2021, SpaceX inició un esfuerzo para desarrollar un diseño conceptual para un nuevo motor de cohete con el objetivo de mantener el costo por debajo de los 1000 dólares por tonelada de empuje. El proyecto se denominó motor 1337, que se pronunciaría "LEET" (en honor a un meme de codificación ). [82]

Aunque el esfuerzo de diseño inicial se detuvo a fines de 2021, el proyecto ayudó a definir un motor ideal y probablemente generó ideas que se incorporaron a Raptor 3. Musk declaró entonces que "no podemos hacer que la vida sea multiplanetaria con Raptor, ya que es demasiado caro, pero Raptor es necesario para ayudarnos hasta que 1337 esté listo". [82]

A partir de 2024 , el concepto LEET se aclaró como una desintegración total del diseño del Raptor 3, aunque Musk afirmó que SpaceX "probablemente hará eso en algún momento... [Raptor 3] parece un motor LEET, pero es mucho más caro porque todavía tiene partes impresas , por ejemplo". [85]

Comparación con otros motores

Véase también

Referencias

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