Raptor es una familia de motores de cohetes desarrollados y fabricados por SpaceX . El motor es un motor de ciclo de combustión por etapas de flujo total (FFSC) propulsado por metano líquido criogénico y oxígeno líquido ("methalox").
El sistema Starship de SpaceX utiliza motores Raptor en su propulsor Super Heavy de carga súper pesada y en la nave espacial Starship , que actúa como segunda etapa cuando se lanza desde la Tierra y como una nave independiente en el espacio. [16] Las misiones de naves espaciales incluyen elevar cargas útiles a la órbita terrestre y misiones a la Luna y Marte . [17] Los motores están diseñados para su reutilización con poco mantenimiento. [18]
Raptor es sólo el tercer motor FFSC de la historia y el primero de ese tipo en propulsar un vehículo en vuelo. [19]
Raptor funciona con metano líquido subenfriado y oxígeno líquido subenfriado en un ciclo de combustión por etapas de flujo completo .
FFSC es una desviación del sistema generador de gas de "ciclo abierto" más simple y los propulsores LOX/queroseno utilizados por Merlin . [20] Los motores RS-25 (utilizados por primera vez en el transbordador espacial ) utilizaban una forma más simple de ciclo de combustión por etapas. [21] Varios motores de cohetes rusos, incluidos el RD-180 [20] y el RD-191, también lo hicieron. [22]
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. [23] El cohete Zhuque-2 de LandSpace , que en julio de 2023 fue el primer vehículo de lanzamiento alimentado con metano en alcanzar la órbita.
Una turbina rica en oxígeno impulsa una turbobomba de oxígeno y una turbina rica en combustible impulsa una turbobomba de metano. Tanto las corrientes de oxidante como de combustible se mezclan completamente en la fase gaseosa antes de ingresar a la cámara de combustión . [19] Raptor 2 utiliza un método de ignición no revelado que supuestamente es menos complejo, más ligero, más barato y más confiable que el de Merlín. Los encendedores de antorcha se utilizan en cabezales de oxígeno y de potencia. El encendido del motor en Raptor Vacuum se realiza mediante encendedores de antorcha encendidos con bujías redundantes duales, [24] lo que eliminó la necesidad del líquido de encendido consumible exclusivo de Merlin. [22] Raptor 2 utiliza inyectores de remolino coaxiales para admitir propulsores a la cámara de combustión, en lugar de los inyectores de pivote de Merlín . [25] [26]
Antes de 2014, 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 Aerojet Rocketdyne Integrated Powerhead a mediados de la década de 2000. [27] [22] [28]
Raptor está diseñado para brindar una confiabilidad extrema, con el objetivo de respaldar el nivel de seguridad de las aerolíneas requerido por el mercado de transporte terrestre punto a punto. [29] Gwynne Shotwell afirmó que Raptor podría ofrecer "una larga vida útil... y entornos de turbina más benignos". [30] [22]
Raptor está diseñado para propulsores criogénicos profundos : fluidos enfriados cerca de sus puntos de congelación , en lugar de sus puntos de ebullición , como es típico de los motores de cohetes criogénicos. [31] Los propulsores subenfriados son más densos, lo que aumenta la masa del propulsor [32] 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 másico de combustible propulsor por unidad de potencia generada. [22] La cavitación (burbujas) reduce el flujo/presión del combustible y puede hacer que el motor muera de hambre, al tiempo que erosiona las palas de la turbina. [33] La proporción de oxidante a combustible del motor es de aproximadamente 3,8 a 1. [34]
El rendimiento objetivo del Raptor era un impulso específico de vacío de 382 s (3750 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. Esto se logró con Raptor 2.
Muchos componentes de los primeros prototipos de Raptor se fabricaron mediante impresión 3D , incluidas turbobombas e inyectores, lo que aumentó la velocidad de desarrollo y pruebas. [31] [35] El motor de desarrollo a 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 SX300 Inconel desarrollada internamente por SpaceX , que luego se cambió a SX500. [36]
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 impulsa los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy .
Raptor fue concebido para quemar propulsores de hidrógeno y oxígeno a partir de 2009. [37] SpaceX tenía algo de personal trabajando en el motor de etapa superior Raptor con baja prioridad en 2011. [38] [39]
En octubre de 2012, SpaceX anunció un trabajo conceptual sobre un motor que sería "varias veces más potente que la serie de motores Merlin 1 y no utilizará el combustible RP-1 de Merlin ". [40]
En noviembre de 2012, Musk anunció que SpaceX estaba trabajando en motores de cohetes alimentados con metano , que el Raptor estaría basado en metano [41] y que el metano impulsaría la colonización de Marte. [28] 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 mediante la reacción de Sabatier . [42] La NASA descubrió que la producción de recursos in situ en Marte era viable para la producción de oxígeno, agua y metano. [43]
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 [28] hasta el Sistema de Transporte Interplanetario , [44] el Big Falcon Rocket y, en última instancia, Starship. [45]
El concepto evolucionó a partir de una familia de motores de cohetes designados Raptor (2012) [46] para centrarse en el motor Raptor de tamaño completo (2014). [47]
En enero de 2016, la Fuerza Aérea de 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 de Falcon 9 y Falcon Heavy . [48] [49]
La primera versión estaba destinada a funcionar a una presión de cámara de 250 bares (25 MPa; 3600 psi). [50] En julio de 2022, la presión de la cámara había alcanzado los 300 bares. [33]
Cada motor requiere una cubierta térmica para proteger las tuberías y el cableado del calor del motor. [33]
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Las pruebas de desarrollo iniciales [51] de los componentes del Raptor se realizaron en el Centro Espacial Stennis de la NASA , [17] [52] a partir de abril de 2014. Las pruebas se centraron en los procedimientos de inicio y apagado, así como en la caracterización y verificación del hardware . [22]
SpaceX comenzó a probar inyectores en 2014 y probó un prequemador de oxígeno en 2015. Entre abril y agosto se ejecutaron 76 pruebas de fuego caliente del prequemador, con un total de unos 400 segundos de tiempo de prueba. [51]
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 las pruebas del Raptor. [22] [17] El primer Raptor se fabricó en las instalaciones de SpaceX Hawthorne en California. En agosto de 2016 se envió a McGregor para pruebas de desarrollo. [53] El motor tenía 1 MN (220.000 lb f ) de empuje. [54] Fue el primer motor metalox FFSC en llegar a un banco de pruebas. [22]
Se utilizó un motor de desarrollo de subescala para la validación del diseño. Era un tercio del tamaño de los diseños de motores previstos para los vehículos aéreos. [22] Presentaba 200 bares (20 MPa; 2900 psi) de presión en la cámara, con un empuje de 1 meganewton (220 000 lb f ) 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 bar; 83 MPa). [55] Fue probado en un banco de pruebas terrestre en McGregor , disparando brevemente. [22] 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. [22]
En septiembre de 2017, el motor de subescala había completado 1200 segundos de encendido en 42 pruebas. [56]
SpaceX completó muchas pruebas de fuego estático en un vehículo que utiliza Raptor 2, incluida una prueba de 31 motores (prevista para ser 33) el 9 de febrero de 2023, [57] y una prueba de 33 motores el 25 de agosto de 2023. [58] Durante las pruebas, más de 50 cámaras se derritieron y más de 20 motores explotaron. [33]
SpaceX completó su primera prueba de vuelo integrada el 20 de abril de 2023. El cohete tenía 33 motores Raptor 2, pero 3 de ellos habían fallado cuando el cohete comenzó a moverse. La prueba terminó después de alcanzar un apogeo 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. [59]
En el segundo vuelo, los 33 motores propulsores permanecieron encendidos hasta que se inició el encendido del impulso, y los seis motores Starship permanecieron encendidos hasta que se activó el FTS. [60] [61]
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En noviembre de 2016, se proyectó que Raptor impulsaría el Sistema de Transporte Interplanetario (ITS) propuesto, a principios de la década de 2020. [22] Musk analizó dos motores: una variante a nivel del mar (relación de expansión 40:1) con un empuje de 3.050 kN (690.000 lbf) al nivel del mar para la primera etapa/impulsor, y una variante de vacío (relación de expansión 200:1). con un empuje de 3.285 kN (738.000 lbf) en el espacio. En el diseño de alto nivel de la primera etapa se previeron 42 motores a nivel del mar. [22]
Se utilizarían tres motores Raptor a nivel del mar para aterrizar la segunda etapa. Seis Raptors adicionales, sin cardán y optimizados para vacío (Raptor Vacuum), proporcionarían el empuje principal para la segunda etapa, para un total de nueve motores. [62] [22] Se concibió que las aspiradoras Raptor contribuyeran con un impulso específico de 382 s (3750 m/s), utilizando una boquilla mucho más grande . [63]
En septiembre de 2017, Musk dijo que se utilizaría un motor Raptor más pequeño, con poco más de la mitad de 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 posteriormente rebautizado como Starship . [64] El rediseño estaba dirigido a misiones en órbita terrestre y cislunares para que el nuevo sistema pudiera amortizarse , en parte, a través de actividades económicas de vuelos espaciales en la zona espacial cercana a la Tierra. [65] Con el vehículo de lanzamiento mucho más pequeño, se necesitarían menos motores Raptor. Luego, se programó que BFR tuviera 31 Raptors en la primera etapa y 6 en la segunda etapa. [66] [22]
A mediados de 2018, SpaceX declaraba públicamente que se esperaba que el Raptor al nivel del mar tuviera un empuje de 1.700 kN (380.000 lbf) al nivel del mar con un impulso específico de 330 s (3200 m/s), con un diámetro de salida de la boquilla de 1,3 m (4,3 pies). Raptor Vacuum tendría un impulso específico de 356 s (3490 m/s) en el vacío [56] y se esperaba que ejerciera una fuerza de 1900 kN (430 000 lbf) con un impulso específico de 375 s (3680 m/s), utilizando una salida de boquilla. diámetro de 2,4 m (7,9 pies). [56]
En la actualización del BFR proporcionada en septiembre de 2018, Musk mostró un vídeo de una prueba de fuego de 71 segundos de un motor Raptor y afirmó que "este es el Raptor que impulsará el BFR, tanto la nave como el propulsor; es el mismo motor". ...] aproximadamente un motor de 200 toneladas (métricas) que apunta a una presión de cámara de aproximadamente 300 bar. [...] Si lo tuviera con una relación de expansión alta, tiene el potencial de tener un impulso específico de 380." [9] SpaceX apuntaba a una vida útil de 1.000 vuelos. [67]
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 Falcon Heavy . El contrato requería una financiación doble por parte de SpaceX de al menos 67,3 millones de dólares . [48] [68] Se planearon pruebas de motores para el Centro Espacial Stennis de la NASA en Mississippi bajo la supervisión de la Fuerza Aérea de EE. UU. [48] [49] El contrato de la USAF requería un único prototipo de motor y pruebas en tierra. [48]
En octubre de 2017, la USAF adjudicó un contrato de modificación de 40,8 millones de dólares para un prototipo de Raptor para el programa de vehículo de lanzamiento prescindible evolucionado . [69] Debía utilizar metano líquido y oxígeno líquido , propulsores, un ciclo de combustión por etapas de flujo completo y ser reutilizable. [49]
En julio de 2021, SpaceX anunció una segunda instalación de producción de Raptor, en el sur de Texas, cerca de las instalaciones de prueba de motores de cohetes existentes . La instalación se concentraría en la producción en serie de Raptor 2, mientras que la instalación de California produciría Raptor Vacuum y diseños Raptor nuevos/experimentales. Se esperaba que la nueva instalación produjera entre 800 y 1000 motores de cohetes cada año. [70] [71] En 2019, se afirmó que el costo (marginal) del motor se acercaba al millón de dólares. SpaceX planeaba producir en masa hasta 500 motores Raptor por año, cada uno de los cuales costaría menos de 250.000 dólares. [72]
Raptor Vacuum [73] (RVac) es una variante de Raptor con una boquilla extendida enfriada regenerativamente para un mayor impulso específico en el espacio. El Raptor optimizado para vacío apuntó a un impulso específico de ~380 s (3700 m/s). [74] En septiembre de 2020 se completó una prueba de duración completa de la versión 1 de Raptor Vacuum en McGregor. [73] El primer encendido en vuelo de un Raptor Vacuum fue en S25 durante la segunda prueba de vuelo integrada . [61]
Raptor 2 es un rediseño completo del motor Raptor 1. [75] Se rediseñaron la turbomaquinaria, la cámara, la boquilla y la electrónica. Muchas bridas se convirtieron en soldaduras , mientras que otras partes se eliminaron. [76] Las simplificaciones continuaron después de que comenzó la producción. El 10 de febrero de 2022, Musk mostró las capacidades y mejoras de diseño del Raptor 2. [76] [77]
El 18 de diciembre de 2021, Raptor 2 había comenzado la producción. [78] En noviembre de 2022, la producción de SpaceX era superior a una por día y había creado una reserva para futuros lanzamientos. [79] Los Raptor 2 se producen en las instalaciones de desarrollo de motores McGregor de SpaceX .
Los Raptor 2 lograban 230 tf (510 000 lbf ) de empuje de manera constante en febrero de 2022. Musk indicó que los costos de producción eran aproximadamente la mitad que los del Raptor 1. [ 76]
En mayo de 2023, Musk informó de un disparo estático exitoso de un Raptor 3 a 350 bar (5100 psi) durante 45 segundos, produciendo 269 toneladas de empuje. [80]
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 llamó motor 1337, que se pronunciará "LEET" (después de un meme codificado ). [79]
Aunque el esfuerzo se detuvo a finales de 2021, el proyecto pudo haber ayudado 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 se necesita Raptor para ayudarnos hasta que 1337 esté listo".
La condición de funcionamiento nominal para el motor Raptor es una presión de estancamiento de la cara del inyector (Pc) de 3669,5 psia y una relación de mezcla O/F (MR) del motor algo rica en combustible de 3,60. El análisis actual se realizó para una presión de funcionamiento del motor nominal del 100% (Pc=3669,5 psia) y un MR del motor de 3,60.
Se espera que Super Heavy esté equipado con hasta 37 motores Raptor, y Starship empleará hasta seis motores Raptor.
El motor Raptor funciona con oxígeno líquido (LOX) y metano líquido (LCH4) en una proporción de masa de 3,6:1, respectivamente.
El motor en cuestión utiliza un ciclo de energía cerrado con una boquilla de cámara de empuje con refrigeración regenerativa de 34,34:1.
Y este es el motor Raptor que impulsará al BFR tanto a la nave como al propulsor, es el mismo motor.
Y este es un motor de aproximadamente 200 toneladas de empuje que apunta a una presión de cámara de aproximadamente 300 bares o 300 atmósferas.
Y si lo tienes en un ratio de expansión alto, tiene el potencial de tener un impulso específico de 380.
El sistema Starship de SpaceX representa un sistema de transporte totalmente reutilizable diseñado para satisfacer las necesidades de la órbita terrestre, así como las misiones a la Luna y Marte.
Este vehículo de dos etapas, compuesto por el cohete Super Heavy (propulsor) y la Starship (nave espacial).
Musk dijo que Lox y el metano serían los propulsores elegidos por SpaceX en una misión a Marte, que ha sido durante mucho tiempo su objetivo declarado.
El trabajo inicial de SpaceX será construir un cohete Lox/metano para una futura etapa superior, cuyo nombre en código es Raptor.
El diseño de este motor sería una desviación del sistema generador de gas de "ciclo abierto" que utiliza la actual serie de motores Merlin 1.
En cambio, el nuevo motor de cohete utilizaría un ciclo de "combustión por etapas" mucho más eficiente que el que utilizan muchos motores de cohetes rusos.
Raptor usa esas bujías para encender sus fuentes de ignición [formando] sopletes llenos... —probablemente motores de cohetes en miniatura que usan el mismo combustible de metano y oxígeno que Raptor—luego enciende los prequemadores de metano y oxígeno del motor antes de finalmente encender los mixtos. Gases a alta presión en la cámara de combustión.
[Las pruebas de vuelo iniciales se realizarán con] una nave a gran escala realizando 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 propulsor de reserva y no necesitan los motores Raptor de espacio profundo con una alta proporción de área.
... "El empuje del motor cayó aproximadamente en proporción a la reducción de masa del vehículo desde la primera charla de IAC", escribió Musk cuando se le preguntó sobre esa reducción en el empuje.
La reducción del empuje también permite el uso de múltiples motores, lo que le da al vehículo la capacidad de realizar aterrizajes sin motor.
... Musk se mostró optimista acerca de ampliar el motor Raptor desde su modelo de desarrollo actual al modelo a escala real.
'La ampliación del 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 compacto, 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 si el vehículo va a servir a los mercados de transporte de punto a punto.
SpaceX ya ha comenzado el desarrollo y las pruebas autofinanciadas de nuestro motor Raptor de próxima generación.
... El desarrollo del Raptor ... no requerirá fondos de desarrollo externos relacionados con este motor.
Musk: "
Los elementos críticos de la solución son la reutilización del cohete y el propulsor de bajo costo (CH
4
y O
2
con una relación O/F de ~3,8). Y, por supuesto, fabricar el propulsor de retorno en Marte, que tiene una práctica cantidad de CO.
2
atmósfera y mucha H
2
O congelada en el suelo
" .
"Vamos a hacer metano". Musk anunció al describir sus planes futuros para vehículos de lanzamiento reutilizables, incluidos aquellos diseñados para llevar astronautas a Marte dentro de 15 años: "El costo energético del metano es el más bajo y tiene una ligera ventaja I sp (Impulso específico) sobre el queroseno", dijo. Musk agregó: "Y no tiene el factor doloroso que tiene el hidrógeno".
Musk afirmó que es posible que la primera nave espacial esté lista para las pruebas en cuatro años... "Estamos siendo intencionalmente confusos en cuanto a la línea de tiempo", dijo.
"Vamos a intentar lograr el mayor progreso posible con un presupuesto muy limitado".
Es probable que el nuevo motor Raptor de etapa superior sea sólo el primer motor de una serie de motores Lox/metano.
Nuestro enfoque es el tamaño completo del Raptor.
Este proyecto es un desarrollo de industria estrictamente privada para uso comercial.
la versión actualizada de la arquitectura de Marte: Porque ha evolucionado bastante desde esa última charla.
... La clave que descubrí es ¿cómo se paga?
Si reducimos el tamaño del vehículo marciano y lo hacemos capaz de realizar actividades en la órbita terrestre además de en Marte, tal vez podamos pagarlo usándolo para actividades en la órbita terrestre.
Ese es uno de los elementos clave de la nueva arquitectura.
Es similar a lo que se mostró en el IAC, pero un poco más pequeño.
Sigue siendo grande, pero éste tiene posibilidades de ser real en el frente económico.
Space Exploration Technologies Corp., Hawthorne, California, recibió una modificación de $40,766,512 (P00007) para el desarrollo del prototipo del sistema de propulsión del cohete Raptor para el programa de vehículos de lanzamiento prescindibles evolucionados.
El trabajo se realizará en el Centro Espacial Stennis de la NASA, Mississippi;
Hawthorne, California;
McGregor, Texas;
y la Base de la Fuerza Aérea de Los Ángeles, California;
y se espera que esté terminado para el 30 de abril de 2018. Los fondos de investigación, desarrollo, prueba y evaluación del año fiscal 2017 por un monto de $40,766,512 están comprometidos en el momento de la adjudicación.
La actividad de contratación es la Dirección Empresarial de Sistemas de Lanzamiento, Centro de Sistemas Espaciales y de Misiles, Base Aérea de Los Ángeles, California (FA8811-16-9-0001).
Starship es la nave espacial totalmente reutilizable y la segunda etapa del sistema Starship.
