Ракетные двигатели SpaceX
С момента основания SpaceX в 2002 году компания разработала четыре семейства ракетных двигателей — Merlin , Kestrel , Draco и SuperDraco а с 2016 года разработала метановый ракетный двигатель Raptor — , а после 2020 года — линейку металоксовых двигателей.
История
[ редактировать ]За первые десять лет существования SpaceX под руководством инженера Тома Мюллера компания разработала множество жидкостных ракетных двигателей , и как минимум еще один такой тип находится в стадии разработки.По состоянию на октябрь 2012 г. [update]Каждый из двигателей, разработанных на сегодняшний день — Kestrel , Merlin 1 , Draco и Super Draco — был разработан для первоначального использования в ракетах-носителях SpaceX — Falcon 1 , Falcon 9 и Falcon Heavy — или для Dragon капсулы . [1] Каждый главный двигатель, разработанный к 2012 году, был основан на керосине, использовался RP-1 в котором в качестве топлива с жидким кислородом (LOX) в качестве окислителя, а в двигателях управляющего двигателя RCS использовалось хранимое гиперголическое топливо .
В ноябре 2012 года на заседании Королевского авиационного общества в Лондоне (Великобритания) компания SpaceX объявила, что планирует разработать двигатели на основе метана для своих будущих ракет. В этих двигателях для повышения эффективности будет использоваться ступенчатый цикл сгорания , аналогичный системе, используемой в двигателе НК-33 бывшего Советского Союза . [2] [ нужно обновить ]
К середине 2015 года SpaceX разработала в общей сложности 9 архитектур ракетных двигателей за первые 13 лет существования компании. [3]
Двигатели на керосине
[ редактировать ]До 2013 года SpaceX разработала два двигателя на основе керосина , Merlin 1 и Kestrel, и публично обсудила гораздо более масштабную концептуальную конструкцию двигателя высокого уровня под названием Merlin 2 . Merlin 1 приводится в действие первой ступенью ракеты-носителя Falcon 1 и используется как на первой, так и на второй ступени ракет-носителей Falcon 9 и Falcon Heavy . Вторая ступень Falcon 1 была оснащена двигателем Kestrel.
Мерлин 1
[ редактировать ]
Merlin 1 — семейство ракетных двигателей LOX / RP-1, разработанное в 2003–2012 годах. В Merlin 1A и Merlin 1B использовалось с абляционным охлаждением сопло из углеродного волокна композитное . Merlin 1A производил тягу в 340 килоньютонов (76 000 фунтов силы ) и использовался для привода первой ступени первых двух полетов Falcon 1 в 2006 и 2007 годах. Merlin 1B имел несколько более мощный турбонасос и создавал большую тягу, но был никогда не летал на летательных аппаратах до перехода SpaceX на Merlin 1C.
Merlin 1C был первым в семействе, в котором использовалось сопло и камера сгорания с регенеративным охлаждением . Впервые он был запущен в полную боевую готовность в 2007 году. [4] впервые совершил третий полет Falcon 1 в августе 2008 года. [5] привел в действие «первую ракету на жидком топливе частной разработки , которая успешно достигла орбиты» ( Falcon 1 Flight 4 ) в сентябре 2008 года, [5] и впоследствии привел в действие первые пять полетов Falcon 9, каждый из которых был выполнен с ракетой-носителем Falcon 9 версии 1.0 , с 2010 по 2013 год. [6]
Merlin 1D , разработанный в 2011–2012 годах, также имеет сопло и камеру сгорания с регенеративным охлаждением. Он имеет вакуумную тягу 690 кН (155 000 фунтов силы), удельный вакуумный импульс (I sp ) 310 с, увеличенную степень расширения 16 (в отличие от предыдущего 14,5 у Merlin 1C) и давление в камере 9,7 МПа ( 1410 фунтов на квадратный дюйм). Новой особенностью двигателя является возможность дросселирования от 100% до 70%. [7] Тяговооруженность двигателя 150:1 является самой высокой, когда-либо достигнутой для ракетного двигателя. [8] [9] Первым полетом двигателя Merlin 1D стал также первый полет Falcon 9 v1.1 . [10] 29 сентября 2013 года миссия Falcon 9 Flight 6 успешно вывела космического агентства на полярную орбиту спутник Канадского CASSIOPE и доказала, что Merlin 1D можно перезапустить, чтобы контролировать возвращение первой ступени обратно в атмосферу — часть Программа летных испытаний многоразовой стартовой системы SpaceX — необходимый шаг на пути к тому, чтобы сделать ракету многоразовой. [11]
Пустельга
[ редактировать ]Kestrel представлял собой LOX / RP-1 ракетный двигатель с нагнетательным питанием , разработанный SpaceX в качестве основного двигателя второй ступени ракеты Falcon 1; он использовался в 2006–2009 годах. Он построен на основе той же игловой конструкции, что и двигатель Merlin от SpaceX, но не имеет турбонасоса и питается только за счет давления в баке . Его сопло имело абляционное охлаждение в камере и радиационное охлаждение в горловине и изготовлено из высокопрочного ниобиевого сплава. Управление вектором тяги осуществляется электромеханическими приводами на куполе двигателя по тангажу и рысканию. Управление креном – и управление ориентацией на этапе выбега – обеспечивается гелиевыми двигателями на холодном газе . [12] [13]
Двигатели на метане
[ редактировать ]В ноябре 2012 года металоксные двигатели появились на сцене, когда генеральный директор SpaceX Илон Маск объявил о новом направлении двигательной деятельности компании: разработке на метане / LOX . ракетных двигателей [2] Работа SpaceX над двигателями на метане/LOX (металоксе) направлена исключительно на поддержку программы развития марсианских технологий компании. У них не было планов по созданию двигателя верхней ступени для Falcon 9 или Falcon Heavy с использованием металоксного топлива. [14] Однако 7 ноября 2018 года Илон Маск написал в Твиттере: «Вторая ступень Falcon 9 будет модернизирована, чтобы стать похожим на мини-корабль BFR», что может подразумевать использование двигателя Raptor на этой новой второй ступени.Основное внимание в программе разработки новых двигателей уделяется исключительно полноразмерному двигателю Raptor для миссии, ориентированной на Марс. [14]
Раптор
[ редактировать ]
Raptor — семейство ракетных двигателей на метане / жидком кислороде, разрабатываемое SpaceX с конца 2000-х годов. [2] хотя LH2 / LOX смесь топлива изначально изучалась, когда в 2009 году начались работы по разработке концепции Raptor. [15] Впервые упомянутый SpaceX в 2009 году, термин «Raptor» применялся исключительно к концепции двигателя верхней ступени. [2] В октябре 2013 года SpaceX обсуждала, что они намерены создать семейство ракетных двигателей Raptor на основе метана. [16] первоначально объявив, что двигатель будет развивать вакуумную тягу 2,94 меганьютона (661 000 фунтов силы). [16] В феврале 2014 года они объявили, что двигатель Raptor будет использоваться на Mars Colonial Transporter . В ракете-носителе будет использоваться несколько двигателей Raptor, аналогично использованию девяти двигателей Merlin 1 на каждом ядре ракеты-носителя Falcon 9 . [17] В следующем месяце SpaceX подтвердила, что по состоянию на март 2014 г. [update], вся работа по разработке Raptor ведется исключительно над этим одним очень большим ракетным двигателем, и что в текущем наборе разработок не было двигателей Raptor меньшего размера. [14]
В двигателе Raptor на метане/LOX используется высокоэффективный и теоретически более надежный полнопоточный ступенчатый цикл сгорания. [17] отход от системы открытого газогенераторного цикла и топлива LOX/керосин, используемого в нынешней серии двигателей Merlin 1. [2] По состоянию на февраль 2014 г. [update]Предварительные проекты Raptor предполагали создание тяги в 4,4 меганьютона (1 000 000 фунтов силы) с удельным импульсом в вакууме (I sp на уровне моря ) 363 секунды (3,56 км/с) и I sp 321 секунда (3,15 км/с). ), [17] [18] хотя более поздние рассматриваемые размеры концепций были ближе к 2,2 МН (500 000 фунтов силы).
Первоначальное тестирование технологии Raptor на уровне компонентов началось в мае 2014 года с испытания элемента форсунки. [16] [19] Первый законченный двигатель разработки Raptor, составляющий примерно треть размера полномасштабных двигателей, запланированных для использования в различных частях звездолета, с тягой примерно 1000 кН (220 000 фунтов силы ), начал испытания на наземном испытательном стенде в сентябре. 2016. Испытательное сопло имеет степень расширения всего 150, чтобы исключить проблемы разделения потока во время испытаний в атмосфере Земли. [20]
Полнопоточный ступенчатый цикл сгорания Raptor будет передавать 100 процентов окислителя (с низким соотношением топлива) для питания кислородного турбинного насоса и 100 процентов топлива (с низким соотношением кислорода) для питания метанового турбинного насоса. Оба потока — окислитель и топливо — будут полностью находиться в газовой фазе до того, как попадут в камеру сгорания . До 2016 года только два полнопоточных ракетных двигателя внутреннего сгорания были достаточно развиты для проведения испытаний на испытательных стендах: советский проект РД-270 в 1960-х годах и демонстрационный проект силовой головки Aerojet Rocketdyne Integrated в середине 2000-х годов, который не прошел испытаний. протестируйте весь двигатель, а лучше только силовую головку. [17] [20]
Другие характеристики полнопоточной конструкции, по прогнозам, будут способствовать дальнейшему повышению производительности или надежности с возможностью компромиссного решения одного по сравнению с другим: [17]
- турбины топливо-окислитель устранение промежуточного уплотнения , которое традиционно является местом отказа в современных химических ракетных двигателях.
- в насосной системе требуется более низкое давление, что увеличивает срок службы и еще больше снижает риск катастрофического отказа.
- способность увеличивать давление в камере сгорания, тем самым либо увеличивая общую производительность, либо «за счет использования более холодных газов, обеспечивая ту же производительность, что и стандартный ступенчатый двигатель внутреннего сгорания, но с гораздо меньшей нагрузкой на материалы, что значительно снижает усталость материала или вес [двигателя]. " [17]
Метокс подруливающее устройство
[ редактировать ]SpaceX разрабатывает газообразные двигатели Methox, которые будут использовать газ, который необходимо выпускать из топливных баков для управления ориентацией.
В своем заявлении о Межпланетной транспортной системе (ITS) на 67-м Международном астронавтическом конгрессе 27 сентября 2016 года Илон Маск указал, что все двигатели системы управления реакцией для ITS (впоследствии переименованной в Starship ) будут работать на газообразном метане и кислороде. поставки в каждую из этих машин, и что для этой цели будут разработаны новые двигатели. [21] [22] [23]
К 2020 году один комплект метоксных двигателей RCS с большой тягой планировалось разместить в средней части корпуса корабля Starship HLS для посадки на Луну варианта Starship и будет использоваться во время последних «десятков метров» любого конечного спуска на Луну и приземления. [24] а также используется для отхода от лунной поверхности. [24] : 50:30 Конструкция средней части корпуса специально предназначена для решения проблемы эрозии лунной поверхности и образования пыли по всей Луне в результате использования двигателей Raptor, расположенных в базе Starship.
В 2021 году двигатели на раскаленном газе были замечены на корпусах прототипов звездолетов. [25] однако неясно, будут ли они использоваться на будущих звездолётах.
Гиперголические двигатели
[ редактировать ]
Драко
[ редактировать ]Драко — гиперголические жидкостные ракетные двигатели, в которых используется смесь монометилгидразинового топлива и тетроксида азота окислителя . Каждый двигатель Draco создает тягу в 400 ньютонов (90 фунтов силы). [26] Они используются в качестве двигателей системы управления реакцией (RCS) на космических кораблях Dragon . и на второй ступени ракеты-носителя Falcon 9 . [27]
СуперДрако
[ редактировать ]SuperDraco двигатели с хранимым топливом Гиперголические создают тягу в 67 000 ньютонов (15 000 фунтов силы), что делает SuperDraco третьим по мощности двигателем, разработанным SpaceX, более чем в 200 раз. [28] более мощный, чем обычные двигатели Draco RCS. Для сравнения, он более чем в два раза мощнее двигателя Kestrel , используемого во второй ступени ракеты-носителя SpaceX Falcon 1, и примерно в 1/9 тяги двигателя Merlin 1D . Они используются в качестве двигателей системы прерывания запуска на SpaceX Dragon 2 для транспортировки экипажа на низкую околоземную орбиту . [29]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Моррисон, Сара (26 мая 2020 г.). «От запуска SpaceX в среду многое зависит» . Вокс . Проверено 27 мая 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Тодд, Дэвид (22 ноября 2012 г.). «Ракета SpaceX на Марс будет работать на метане» . FlightGlobal . Великобритания. Архивировано из оригинала 30 октября 2013 г. Проверено 1 октября 2014 г.
- ^ «SpaceX подготовила показания Джеффри Торнбурга» . SpaceRef.com . 26 июня 2015 г. Архивировано из оригинала 19 марта 2023 г. . Проверено 26 декабря 2015 г.
[SpaceX разрабатывает] все наши двигатели самостоятельно и в США. В настоящее время компания работает над четвертым поколением бустерных двигателей, в число которых входят Merlin 1A, Merlin 1B, Merlin 1C и Merlin 1D. Кроме того, мы разработали вакуумный двигатель Kestrel, вакуумный двигатель Merlin 1C и вакуумный двигатель Merlin 1D для наших вторых ступеней на Falcon 1, Falcon 9 и Falcon Heavy. SpaceX также разработала двигатели Draco и SuperDraco, которые обеспечивают возможность движения в космосе и прерывания полета Dragon... Мы также продвигаемся вперед в значительных исследованиях и разработках ракетного двигателя Raptor следующего поколения. ... SpaceX успешно разработала 9 упомянутых выше ракетных двигателей за последние 13 лет.
- ^ Уайтсайдс, Лоретта Идальго (12 ноября 2007 г.). «SpaceX завершает разработку ракетного двигателя для Falcon 1 и Falcon 9» . Проводной . Архивировано из оригинала 19 сентября 2012 г.
- ^ Jump up to: а б Кларк, Стивен (28 сентября 2008 г.). «Наконец-то сладкий успех ракеты Falcon 1» . Космический полет сейчас. Архивировано из оригинала 11 января 2014 г. Проверено 6 апреля 2011 г.
- ^ Клотц, Ирен (6 сентября 2013 г.). «Маск говорит, что SpaceX проявляет «чрезвычайную параноидальность» во время подготовки к дебюту Falcon 9 в Калифорнии» . Космические новости . Архивировано из оригинала 13 сентября 2013 года . Проверено 13 сентября 2013 г.
- ^ «SpaceX раскрывает планы стать ведущим производителем ракет в мире» . Неделя авиации и космических технологий . 11 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 28 марта 2014 г. Проверено 11 октября 2012 г. (требуется подписка)
- ^ Чайкин, Андрей (январь 2012 г.). «Меняет ли SpaceX ракетное уравнение? 1 провидец + 3 пусковые установки + 1500 сотрудников =?» . Журнал «Авиация и космос» . Вашингтон, округ Колумбия: Смитсоновский институт . Архивировано из оригинала 16 декабря 2013 г. Проверено 13 ноября 2012 г.
- ^ «Двигатель Merlin 1D компании Spacex обеспечивает стрельбу на полную продолжительность миссии» . SpaceX. 25 июня 2012 г.
- ^ Розенберг, Зак (16 марта 2012 г.). «SpaceX готовит модернизированные двигатели» . Флайтглобал . Архивировано из оригинала 05 марта 2014 г. Проверено 17 марта 2012 г.
- ^ Уолл, Майк (17 октября 2013 г.). «SpaceX достигла важной вехи в создании многоразовых ракет, выполнив испытательный полет Falcon 9» . Space.com . Нью-Йорк. Архивировано из оригинала 8 марта 2014 г. Проверено 10 января 2014 г.
- ^ Жидисин, Грег (23 марта 2007 г.). «SpaceX подтверждает переход на этап Demoflight 2» . Космическая газета . Архивировано из оригинала 10 августа 2014 г. Проверено 30 сентября 2008 г.
- ^ Уэйд, Марк (2014). «Керстрель» . Энциклопедия астронавтики . Архивировано из оригинала 16 декабря 2013 г. Проверено 12 января 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с Гвинн Шотвелл (21 марта 2014 г.). Трансляция 2212: Специальный выпуск, интервью с Гвинн Шотвелл (аудиофайл). Космическое шоу. Событие происходит в 21:25–22:10 и 26:25–27:10. 2212. Архивировано из оригинала (mp3) 22 марта 2014 г. Проверено 22 марта 2014 г.
наше внимание сосредоточено на полном размере Raptor
- ^ «Долгосрочные планы SpaceX по созданию транспортных средств» . HobbySpace.com. Архивировано из оригинала 14 февраля 2010 г. Проверено 13 июля 2009 г.
- ^ Jump up to: а б с Леоне, Дэн (25 октября 2013 г.). «SpaceX может начать испытания двигателя на метане в Стеннисе в следующем году» . Космические новости . Архивировано из оригинала 25 октября 2013 г. Проверено 26 октября 2013 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Беллускио, Алехандро Г. (07 марта 2014 г.). «SpaceX продвигает ракету на Марс с помощью энергии Raptor» . NASAspaceflight.com . Проверено 8 марта 2014 г.
- ^ «Руководитель двигательной установки SpaceX поднимает толпу в Санта-Барбаре» . Пасифик Бизнес Таймс. 19 февраля 2014 года . Проверено 22 февраля 2014 г.
- ↑ SpaceX проведет испытания метанового ракетного двигателя в штате Миссури, The Sacramento Bee , 22 апреля 2014 г. Архивировано 29 апреля 2014 г. в Wayback Machine.
- ^ Jump up to: а б Беллускио, Алехандро Г. (3 октября 2016 г.). «ITS Propulsion – эволюция двигателя SpaceX Raptor» . NASASpaceFlight.com . Проверено 3 октября 2016 г.
- ^ Бергин, Крис (27 сентября 2016 г.). «SpaceX раскрывает, что ITS изменит правила игры на Марсе благодаря плану колонизации» . NASASpaceFlight.com . Проверено 13 октября 2016 г.
- ^ Ричардсон, Дерек (27 сентября 2016 г.). «Илон Маск демонстрирует межпланетную транспортную систему» . Космический полет Инсайдер . Проверено 13 октября 2016 г.
- ^ Бергер, Эрик (28 сентября 2016 г.). «Марсианский момент Маска: дерзость, безумие, блеск — или, может быть, все три» . Арс Техника . Проверено 13 октября 2016 г.
- ^ Jump up to: а б Каммингс, Ник (11 июня 2020 г.). Система высадки человека: возвращение сапог на Луну . Американское астронавтическое общество. Мероприятие происходит в 35:00–36:02 . Проверено 17 апреля 2021 г. - через YouTube.
для конечного спуска звездолета, за несколько десятков метров до того, как мы приземлимся на лунную поверхность, мы фактически используем систему RCS с большой тягой, чтобы не столкнуться с поверхностью Луны с помощью Raptor с большой тягой. двигатели. ... использует тот же метан и кислород, что и Raptor .
- ^ Обнаружены двигатели на горячем газе Super Heavy | SpaceX Boca Chica , получено 9 октября 2022 г.
- ^ «Обновления SpaceX — 10 декабря 2007 г.» . СпейсИкс . 10 декабря 2007 г. Проверено 26 декабря 2012 г.
- ^ «Руководство пользователя полезной нагрузкой ракеты-носителя Falcon 9, 2009 г.» (PDF) . SpaceX. 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 3 мая 2012 г. Проверено 8 марта 2013 г.
- ^ «SpaceX тестирует прототип двигателя для системы спасения астронавтов» . НАСА . 01 февраля 2012 г. Проверено 1 февраля 2012 г.
- ^ «SpaceX готова к испытанию прерывания полета Crew Dragon» . SpaceNews.com . 13 января 2020 г. Проверено 27 мая 2020 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Тур SpaceX — Двигатели , 11 ноября 2010 г.
- Презентация SpaceX Systems Engineering , 28 сентября 2012 г. Включает фотографию расположенных рядом вакуумных двигателей Merlin 1C и Merlin 1C.
