Co všechno víme o Raptoru druhé generace? Elon Musk prozradil řadu novinek o motoru pro Starship

Raketový systém Starship-Super Heavy pohánějí motory Raptor spalující metan a kyslík. Motor je ve vývoji už zhruba 10 let a za tu dobu prošel mnoha změnami. Aktuálně se vyrábí druhá generace tohoto motoru zvaná Raptor 2, která byla poprvé použita na prototypech Super Heavy B7 a Starship S24. Co všechno o tomto typu motoru víme a čím se liší od svých předchůdců? Aktuální tweety Elona Muska a nedávný rozhovor s ním prozradily či upřesnily řadu parametrů a vlastností a také odhalily plány do budoucna.

Historie Raptoru

Raptor je motor s uzavřeným cyklem typu „full flow staged combustion“, který spaluje metan a kapalný kyslík. Metan má jako palivo několik výhod – hoří čistěji než petrolej používaný u raket Falcon, takže dochází k menšímu zanášení motorů usazeninami (to napomáhá snadné znovupoužitelnosti), je levný, a dá se vyrábět na Marsu. Kyslík a metan jsou spalovány v poměru 3,6:1. Raptor je dosud nejsilnější motor SpaceX – má tah 230 tun na hladině moře, což je zhruba 2,6krát více než Merlin 1D u raket Falcon.

Merlin 1D (vlevo) vedle Raptoru první generace (Foto: @brandondeyoung_)

Vývoj Raptoru SpaceX oznámilo už v roce 2012 a od té doby motor prošel mnoha změnami. Původní koncept rakety ITS (předchůdce Starship) z roku 2016 měl využívat větší Raptory o tahu kolem 300 tun, přičemž na prvním stupni mělo být 42 motorů a dalších 9 motorů na kosmické lodi. Oproti tomu nejnovější verze Super Heavy Starship má menší průměr (9 metrů místo 12) a používá 33 Raptorů druhé generace na prvním stupni (nechvalně proslulá sovětská raketa N1 měla rekordních 30 motorů) a kosmická loď je vybavena 6 Raptory (i když do budoucna má dojít k navýšení na 9 motorů).

Test vývojové verze motoru Raptor v září 2016 v McGregoru (Foto: SpaceX)

Vývojová verze Raptoru o tahu 100 tun byla testována od září 2016 a první letový exemplář Raptoru v plné velikosti byl poprvé zkušebně zažehnut v únoru 2019. Byl to první zástupce Raptoru první generace (V1.0) a tento typ motoru absolvoval letové testy na Starhopperu a také prototypech Starship SN5 až SN11. Následně byla zavedena vylepšená varianta V1.5, která byla k vidění na Starship SN15, S20 a Super Heavy B3 a B4. Tím se dostáváme do současnosti, kdy Starship S24 a Super Heavy B7 jsou prvními prototypy vybavenými nejnovější variantou V2.0 (Raptor 2).

Tři motory Raptor nainstalované na prototypu Starship Mk1 (Zdroj: Elon Musk)

Raptor 2

Testování Raptoru 2 začalo na konci roku 2021 a tato verze je výrazně jednodušší, lehčí, levnější a zároveň výkonnější než předchozí generace Raptoru. Nejviditelnější změnou u Raptoru 2 je štíhlejší a kompaktnější konstrukce, jelikož byla optimalizována, zkombinována nebo odstraněna spousta součástek (potrubí, kabeláž, senzory apod.). Zároveň byla řada přírubových spojů nahrazena svary. Tato vylepšení dohromady vedla k tomu, že Raptor 2 má hmotnost kolem 1600 kg, což je o 20 % méně než předchozí generace.

Srovnání Raptoru první generace (vlevo) s novým Raptorem 2 (Zdroj: SpaceX)

Další změnou je odlišný způsob zažehávání hlavní spalovací komory Raptoru. V minulosti k tomu byly využívány výkonné zapalovací svíčky a hořáky. Nyní je princip jiný, ale Elon Musk nechtěl prozradit podrobnosti. Víme jen, že hořáky byly odstraněny, což umožnilo značné zjednodušení celého systému.

Příklad změny na Raptoru 2 – přírubový spoj byl nahrazen svarem (Zdroj: Everyday Astronaut)

Raptor 2 se vyrábí ve dvou variantách. Atmosférická verze má výšku 3,1 m a trysku s průměrem 1,3 m. Celkem 33 motorů tohoto typu je k nalezení na nosiči Super Heavy a 3 kusy na lodi Starship. Atmosférický Raptor 2 je provozován s tlakem 300 barů v hlavní spalovací komoře, což umožňuje dosažení tahu 230 tun. Oproti tomu Raptor V1.5 měl tlak kolem 250 barů a tah 185 tun. Raptor druhé generace ale má širší hrdlo než dřívější verze, což vedlo k mírnému snížení specifickému impulzu z 330 sekund na 327 sekund. Až Raptor 2 odstartuje, definitivně tím překoná ruský motor RD-180, který momentálně drží rekord s provozním tlakem 267 barů.

Srovnání raketových motorů podle tlaku ve spalovací komoře (Zdroj: Everyday Astronaut)

Druhá varianta Raptoru je optimalizována pro provoz ve vakuu, což znamená, že má výrazně větší trysku s průměrem kolem 2,8 metru, která je navíc regenerativně chlazena. Tah této varianty by měl být 220 tun, tlak 270 barů a specifický impuls by měl časem dosáhnout hodnoty 380 sekund či více.

První vyrobený vakuový Raptor (vpravo) a srovnání velikosti s atmosférickou variantou Raptoru první generace (Foto: SpaceX)

SpaceX v minulosti plánovalo vyvinout ještě třetí variantu, které by chyběla možnost regulace tahu (přiškrcení) a také by nebyla schopná naklápění kvůli vektorování tahu. Díky tomu měl být motor jednodušší na výrobu a také by to umožnilo dosáhnout vyššího tahu až 300 tun. Z tohoto plánu ale později sešlo a nakonec se 20 vnějších motorů na Super Heavy liší od těch středových v podstatě jen tím, že nemají nainstalovanou hydrauliku pro naklápění motoru.

33 motorů Raptor druhé generace na Super Heavy B7 (Foto: SpaceX)

Zmíněný hydraulický systém umožňuje naklápění motorů až o 15°. Pro srovnání, motory Merlin na Falconech jsou schopny náklonu pouze o 5° a v případě amerického raketoplánu byl rozsah 12,5°. Takto výrazné naklánění je u Raptoru potřeba především kvůli přistávacímu manévru Starship, kdy je loď rychle překlopena z vodorovné polohy do svislé. Loď k tomu využívá 3 atmosférické Raptory (zbylé tři motory jsou vakuové a jsou fixní).

Šest Raptorů na Starship S24 (Foto: SpaceX)

Výroba a testování

Motory Raptory se zpočátku vyráběly výhradně v centrále SpaceX v kalifornském Hawthorne, ale loni firma vybudovala novou továrnu v texaském McGregoru. Momentálně není jasné, v jakém stadiu se nachází provoz této nové továrny, ale plán je takový, že zde bude probíhat velkovýroba atmosférických Raptorů 2. Vakuová varianta a vývojové kusy se budou nadále vyrábět v Hawthorne. Letos na jaře byl Raptor 2 vyráběn rychlostí jednoho motoru denně, ale přesná současná výrobní kapacita není známa.

Továrna na výrobu Raptorů v McGregoru během stavby v listopadu 2021 (Zdroj: Gary Blair / NASA Spaceflight)

V McGregoru zároveň probíhá testování každého vyrobeného Raptoru. SpaceX zde má několik horizontálních i vertikálních stanovišť, která umožňují testování mnoha motorů každý den. Zajímavostí je, že horizontální testování Raptorů v McGregoru bylo před několika měsíci vybaveno vodním systémem. Hlavním důvodem by mohlo být snížení hluku, který byl vzhledem k frekvenci testování v poslední době značným problémem pro okolní obyvatele.

Vodní systém v akci během testování Raptoru v McGregoru (Foto: NASA Spaceflight)

Portál NASA Spaceflight navíc relativně nově nabízí nonstop živé záběry z McGregoru, které umožňují sledovat rozličné testování, které zde probíhá. Kromě Raptorů zde SpaceX testuje také motory Merlin a celé stupně raket Falcon. Kamery v posledních měsících zachytily několik zkušebních zážehů, při kterých došlo k výbuchu testovaného Raptoru. Elon Musk k tomu řekl, že SpaceX během testování zničilo několik tuctů Raptorů a utavilo přes 50 spalovacích komor. Jelikož je ale rychlost výroby Raptoru dost velká, nepředstavuje to velký problém a naopak to umožňuje rychlé provádění změn.

Kanál NASA Spaceflight vydal následující video, které vysvětluje, jak funguje testování motorů v McGregoru a zároveň se snaží odpovědět na otázku, zda dva vybuchlé Raptory během krátké doby značí problém.

SpaceX zároveň v loni létě odkoupilo pozemek, který se nachází kousek od Starbase a byla na něm provozována střelnice. Na pozemku se v posledních měsících rozjely stavbní práce a má se za to, že SpaceX tu plánuje časem opravovat, repasovat a testovat Raptory. Důvodem je asi to, že i když firma postupně rozšiřuje kapacity v současném testovacím areálu v McGregoru, Raptorů bude brzy vyráběno a testováno tolik, že je potřeba další testovací zařízení. Zároveň je zbytečně komplikované posílat motory ze Starbase do McGregoru nebo Hawthorne kvůli opravám či repasování a pak zase zpět.

Areál bývalé střelnice u Starbase na konci května 2022. SpaceX zde nejspíš plánuje opravovat a testovat Raptory. (Foto: RGV Aerial Photography)

Budoucnost Raptoru

Raptor 2 je velmi pokročilý a výkonný motor, ale přesto SpaceX pracuje na dosažení ještě lepších parametrů. Například tah atmosférické varianty má časem dosáhnout 250 tun a tlak 330 barů. K těmto hodnotám se SpaceX už přiblížilo během testovacích zážehů v McGregoru, ale zatím není možné takto vysoký tlak udržovat po dostatečně dlouhou dobu, aniž by došlo k poškození motoru. Co se týče vakuové varianty Raptoru, SpaceX už loni pracovalo na vylepšeních, která by umožnila navýšení tlaku na hodnotu přes 300 barů.

Motory Raptor na Starship S20 (Foto: Elon Musk)

Zvyšování výkonu Raptoru je ale spíše druhořadé a SpaceX se soustředí primárně na zrychlení a zlevnění výroby a zvyšování spolehlivosti. Přesné výrobní náklady nejsou známé, ale v létě 2019 byly náklady na výrobu jednoho Raptoru vyšší než 2 miliony dolarů, přičemž u Raptoru V1.0 měly klesnout „hluboko pod milion dolarů“. Dlouhodobým cílem pak je dosáhnout hodnoty 250 tisíc dolarů u Raptoru 2, ale není jasné, jak moc se SpaceX k této metě doposud přiblížilo.

Raptory druhé generace ve Starbase (Zdroj: Elon Musk)

Elon Musk aktuálně prozradil, že v současnosti vyráběné Raptory už mají elektrický vektorovací systém pro naklánění motorů místo původního hydraulického. Tím se prý sníží celková hmotnost Super Heavy o více než tunu. Elektrický systém využívá baterie (ty jsou potřeba, i když motory neběží) a zároveň superkondenzátory na každém motoru, které pomáhají vyrovnávat energetické výkyvy. V McGregoru byl nedávno zaznamenán zkušební zážeh Raptoru, při kterém bylo testováno také rychlé vektorování. Možná už šlo o onu novou verzi bez hydrauliky:

Mimochodem, pokud jste někdy přemýšleli nad tím, proč SpaceX u Raptoru někdy přejde na elektrická turbočerpadla, která používá například Electron společnosti Rocket Lab, tak podle Elona Muska to není možné. Výkon čerpadel na Raptoru přesahuje 100 MW, takže pro 33 motorů na Super Heavy je potřeba výkon přes 3 GW, což není realisticky dosažitelné s elektromotory a bateriemi.

Do budoucna chce SpaceX odstranit také ochranné kryty na Raptorech, což by ušetřilo dalších 10 tun. Tyto kryty chrání motory před tepelným a mechanickým poškozením, ale zároveň prý zvyšují riziko zadržování unikajícího paliva. To může vést k metanovému výbuchu, a tak SpaceX musí během letu Super Heavy „proplachovat“ kryty všech 33 motorů, aby se tomu zabránilo. Budoucí verze motoru bez krytů tímto problémem trpět nebude, avšak nejdříve musí být schopná sama o sobě odolat nehostinným podmínkám, které vládnou v motorové sekci při startu a během návratu atmosférou. Elon Musk upřesnil, že je například potřeba umístit některé trubičky a kabely do větší trubky kvůli tepelné ochraně. Motory a nádrže rakety jsou prý jinak velmi odolné samy o sobě. Nerezová ocel je neprůstřelná vůči malorážkám už při tloušťce 2,5 mm, avšak nádrže na raketě mají tloušťku 4 mm.

Super Heavy B4 s okrytovanými Raptory během přesunu na orbitální stůl (Foto: Cosmic Perspective)

Raptor ale nebude posledním motorem, který SpaceX vyvine. Elon Musk loni v listopadu napsal, že Raptor 2 sice představuje výrazné zlepšení oproti dřívějším variantám, ale aby z lidstva mohl být multiplanetární druh, bude prý potřeba jiný, zcela přepracovaný motor, který se už nebude jmenovat Raptor. Zdá se tedy, že SpaceX se chystá vyvinout, nebo možná už vyvíjí zcela nový typ motoru pro nějakou budoucí verzi Starship nebo třeba úplně novou raketu.

Poznámka: Část informací v tomto článku pochází z dvou nových videí od Everyday Astronauta. V jednom Elon Musk podrobně mluví o Raptoru (jedná se o čtvrtou část rozhovoru a plánujeme opět vydat české titulky). Druhé video pak vysvětluje rozdíly mezi první a druhou generací motoru Raptor a budoucí plány SpaceX s tímto motorem. Obě videa stojí za zhlédnutí.


Přispějte prosím na provoz webu ElonX, aby mohl nadále zůstat bez reklam. Podpořte nás pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už finančně přispěli. Děkujeme!




Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest

6 Komentáře
nejnovější
nejstarší nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře