Jak pokračuje vývoj a testování tří různých variant raketového motoru Raptor?

Vývoj Starship pokračuje na několika frontách najednou. Kromě výroby a testování prototypů kosmické lodi (exemplář SN9 by mohl letět už začátkem ledna) se připravuje také první nosná raketa Super Heavy a zároveň probíhá vývoj několika variant motorů Raptor. A právě na tuto část celé mašinérie se dnes zaměříme. Elon Musk se v posledních týdnech podělil o pár novinek a zajímavostí ohledně toho, jak pokračuje testování Raptorů a jaké má SpaceX plány ohledně jednotlivých variant tohoto metanového motoru.

Opravená Starship SN9 na rampě před zahájením testování (Foto: Austin Barnard)

První Raptor v plné velikosti (SN1) SpaceX otestovalo v únoru 2019 ve svém areálu v McGregoru v Texasu. Motory od té doby prošly radikálními změnami a mnoha optimalizacemi pro usnadnění výroby a zvýšení výkonu. Díky tomu mají novější vyrobené exempláře nižší hmotnost, vyšší tah a vyšší specifický impuls. Zároveň se neustále zrychluje rychlost výroby Raptorů. Do dubna 2020 bylo dokončeno celkem 26 motorů, v červnu 2020 SpaceX vyrobilo 30. Raptor, v srpnu 2020 se chystalo testování 40. exempláře a v říjnu 2020 byl vyroben 50. kus. Web NASA Spaceflight pak před Vánoci odhadoval, že SpaceX už nejspíš testuje motor SN60 či ještě novější. To by nebylo překvapivé, neboť prototyp Starship SN9 je už osazen Raptorem SN49 (čísla zbylých dvou motorů zatím neznáme). SpaceX ve výrobě Raptorů využívá také 3D tisk a podle Elona Muska je jeho firma v tomto ohledu zhruba o 2–3 roky napřed ve srovnání s ostatními společnostmi.

Jak vlastně funguje motor Raptor, ukazuje animace níže. Objevila se také neoficiální animace kyslíkového turbočerpadla, na kterou Elon Musk reagoval tím, že animace prý zhruba odpovídá realitě. Dodal, že turbočerpadla v raketových motorech, jsou neskutečně obtížná (obzvlášť ta operující s nadbytkem kyslíku). Podle něj jde z hlediska mechaniky/tekutin/spalování o vůbec nejobtížnější problém, který existuje.

A jak pokračuje testování Raptorů v McGregoru? Na stránkách SpaceX bylo na začátku prosince dočasně uvedeno, že firma jen letos provedla 330 testovacích zážehů motorů Raptor v celkové délce 16 tisíc sekund. Do tohoto čísla byly započítány i statické zážehy a zkušební lety Starhopperu a protototypů Starship SN5 a SN6. Cílem vývoje Raptoru je dosáhnout co nejvyššího výkonu, levné výroby, snadné znovupoužitelnosti a vysoké spolehlivosti. Jednou z vytyčených met například je, aby Raptor dokázal spolehlivě fungovat s tlakem 300 barů v hlavní spalovací komoře (ruský motor RD-180 je světový rekordman s tlakem 267 barů).

Už dříve jsme informovali o tom, že Raptor letos v srpnu krátkodobě dosáhl rekordního tlaku 330 barů, ale klíčové je, aby motor dokázal fungovat pod vysokým tlakem mnoho minut, aniž by se poškodil. Elon Musk na konci října prozradil, že už proběhl test, během kterého fungoval Raptor s tlakem 300 barů po dobu 90 sekund, načež se motor začal tavit. Na základě těchto výsledků Musk věří, že by mělo být možné dosáhnout operačního tahu 210 metrických tun (2,05 MN) bez velkých změn konstrukce motoru.

Vertikální test motoru Raptor SN18 v McGregoru (Foto: SpaceX)

Raptory, které letěly na prototypu Starship SN8, by podle Muska nejspíš také zvládly provoz s tlakem 300 barů, ale bylo by to prý riskantní a u těchto testovacích letů nemělo smysl tolik tlačit na pilu. Musk navíc uvedl, že i tak byly Raptory pro let SN8 příliš silné a musely být přiškrceny na maximum a postupně vypínány, aby loď nevyletěla moc vysoko a zároveň se omezilo aerodynamické namáhání. Každopádně Musk si je jistý, že Raptory použité pro orbitální lety už budou provozovány s tlakem 300 barů.

Prototyp Starship SN8 s třemi motory Raptor (Zdroj: Elon Musk)

Zatím jsme se bavili o standardním Raptoru, který známe ze současných prototypů Starship. Jedná se o variantu určenou pro fungování v atmosféře, která je schopná regulace a vektorizace tahu kvůli přistávacímu manévru kosmické lodi nebo nosné rakety. Zároveň ale SpaceX připravuje zjednodušenou variantu atmosférického Raptoru, která najde uplatnění na nosné raketě Super Heavy. Z dřívějška víme, že tato verze nebude schopná regulace ani vektorizace tahu, ale zato bude mít vyšší tah. Elon Musk nedávno upřesnil, že tato varianta je označována „R-Boost“ a cílem je, aby motor měl tah 300 tun s tlakem 300 barů v komoře. Motor bude mít stejně velkou trysku jako standardní Raptor, ale bude prý potřebovat větší čerpadla. Každá raketa Super Heavy by pak měla mít přibližně 20 motorů R-Boost.

Neoficiální znázornění potenciální podoby Super Heavy s 28 Raptory. Motory R-Boost jsou k vidění po obvodu. (Autor: Neopork)

Poslední vyvíjenou variantou je Raptor optimalizovaný pro fungování ve vakuu. Ten bude mít tah 220 tun a specifický impuls ve výši minimálně 372 sekund. Vakuové Raptory mají oproti atmosférické variantě výrazně větší trysku s průměrem kolem 2,8 metru a nebudou schopny vektorizace tahu, protože budou napevno připojeny k trupu lodi. První exemplář vakuové varianty byl vyroben na začátku září a SpaceX pak 25. září zveřejnilo video z testovacího zážehu v plném trvání.

Zajímavostí je, že tento motor je schopen zážehu v atmosféře, aniž by to vedlo ke zničení expanzní trysky (na rozdíl od vakuového Merlinu, který je na zemi testován bez připojené trysky). Elon Musk nově prozradil, že vakuový Raptor má expanzní poměr 107 a testovací zážeh v atmosféře nevedl k žádným problémům kromě menšího odtržení proudu spalin na konci trysky („flow separation“). Poměr plochy hrdla a ústí trysky (area ratio) by pak podle Muska asi mohl být ještě zvýšen vzhledem k tomu, že byl demonstrován provoz motoru s tlakem 330 barů. Trysku však nelze zvětšovat donekonečna, protože by se pak motory nevešly na raketu. Elon Musk zároveň stále doufá, že se u vakuového Raptoru podaří dosáhnout specifického impulsu 380 sekund.

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

Vývoj a testování Raptoru tedy zřejmě pokračuje dobře, i když se to neobešlo bez výbuchů (obzvlášť v začátcích). Elon Musk v souvislosti s tím slíbil, že až Starship párkrát doletí na orbitu, SpaceX zveřejní sestřih z různých selhání během testování Raptorů. Podobně v minulosti vznikl sestřih neúspěšných přistání prvních stupňů raket Falcon.




Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest
34 Komentáře
nejstarší
nejnovější nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře
Jiný Honza

Tady se bude lámat chleba ohledně letu na Mars. Impuls 380 s ve vakuu by byl velmi slušný výsledek. Držím palce.

PetrV

Pro lety na oběžnou dráhu Země je důležitá hlavně spolehlivost.
Mars, Měsíc jsou výzvy, kde půjdou patrně dál, aby z motorů vyždímali maximum.
Vyšší impuls mohou mít jen motory termální nebo jaderné.

Tady je seznam firem, co budou dělat pro NASA na projektu pro let na Měsíc(Mars). Chybí mi tam Boeing, ale mohu se mýlit…

Aerojet Rocketdyne Inc. of Redmond, Washington
Ahmic Aerospace LLC of Oakwood, Ohio
AI SpaceFactory Inc. of Secaucus, New Jersey
Blue Origin LLC of Kent, Washington (two selections)
Box Elder Innovations LLC of Corinne, Utah
Cornerstone Research Group Inc. of Miamisburg, Ohio
Elementum 3D Inc. of Erie, Colorado
Gloyer-Taylor Laboratories LLC of Tullahoma, Tennessee
IN Space LLC of West Lafayette, Indiana
Orbital Sciences Corporation (Northrop Grumman Space Systems Inc.) of Dulles, Virginia
pH Matter LLC of Columbus, Ohio
Phase Four Inc. of El Segundo, California
Rocket Lab USA Inc. of Long Beach, California
Sensuron LLC of Austin, Texas
Space Exploration Technologies Corp. (SpaceX) of Hawthorne, California
Space Systems Loral Inc. (Maxar Technologies) of Palo Alto, California (three selections)
Stellar Exploration Inc. of San Luis Obispo, California

Fúzi dělá:
https://en.wikipedia.org/wiki/Lockheed_Martin_Compact_Fusion_Reactor
Jen zrcadlo by muselo být propustné u pohonu jen jedním směrem…

Od roku 2018 zkouší fúzi pomocí plazmového děla, což by byl vynikající pohon pro planetolet.

Uvidíme, jak se Biden postaví k tomuto seznamu. Ty firmy opravdu umí včetně SpaceX.

BlackSheep

Elon Musk na konci října prozradil, že už proběhl test, během kterého fungoval Raptor s tlakem 300 barů po dobu 90 sekund, načež se motor začal tavit.

Príde mi to ako dosť nízka hodnota na tak krátku dobu a ešte u motoru s viacnásobným použitím. Predsa len často porovnávaný RD-180 je len na jedno použitie a má uvedený pracovný tlak 267bar… dá sa predpokladať, že to nie je medzná hodnota ale skôr optimálna na dosiahnutie 100% spoľahlivosti.

Tým nechcem znižovať význam Raptora, po dlhom čase je tu nový inovatívny raketový motor. Len to, že ešte vyžaduje vývoj a stále nedosahuje vypočítaných hodnôt pri úvahe znovapoužiteľnosti.
Bolo by snáď po 20 rokoch od vyrobenia RD-180 aj načase 🙂

Tie verzie mi trocha pripomínajú deriváty RD-170. Asi je to jediná možnosť ako zjednodušiť konštrukciu a tým váhu, prípadne zvýšiť výkon raketového motoru. Gimbalink je u väčšiny motorov pri SN asi zbytočný prepych a zároveň ich riadenie príliš komplikuje riadiaci počítač…

Rosetau

Nízká hodnota? Docela silná slova. Už 300 baru ve spalovací komoře je docela absurdní číslo a vše nad tím je už na pokraji technických možností.

BlackSheep

Ono tá veta pokračuje. Na tak krátku dobu, keď už pri jej dosiahnutí dochádza k nezvratným zmenám v konštrukcii. Neviem čo je na tom zlé. Limity konštrukcií sú dané, nemyslel som v zmysle zhadzovať konštrukciu. Nechápem teda tých mí-muskárov.

Ferrero

Díky za přehled, Petře!

Tonda

A jak je to s motory s kterými se bude přistávat na Měsíci?

Vlada

Tam se nebude přistávat pomocí raptorů, ale pomocí manévrovacích trysek. Raptor je na to příliš silnej a gravitace Měsíce příliš slabá…

Dr.Valve

Ak si pozorný záujemca začal všímať Čína začala tlačiť na pílu a lieta často na Mesiac, máme tu také malé závody. Kto asi doletí prvý s posádkou na Mesiac a na Mars? Čínsky súdruhovia alebo Space X..

Radim

NASA…

Viktor

Sazim na Cinany

Vladimír

První na Měsíci byla kdysi dávno posádka Apolla 11, nebo mi něco uniklo?

Naposledy upraveno před 8 měsíci uživatelem Vladimír
Jan Jančura

Podle mne Musk dost kecá. Zvýšení tlaku ve spalovací komoře z 250 barů na 300 barů zvýší specifický impulz o cca 1%. Aby zvýšil tah motoru Raptor z 200 tun na 300 tun tak musí zvýšit množství paliva a okysličovadla cca o 50% proti stávajícímu množství. To vše se samozřejmě zásadně promítne do dimenzí motoru vč. trysky, jinak nedosáhne optimálních parametrů.
Nechápu proč se vůbec snaží o toto zvýšení tlaku ve spalovací komoře – za 1% zvýšení specifického impulzu zaplatí neúměrném zvýšením nároků na motor, což je protismyslné, když chce dosáhnout vysoké životnosti a spolehlivosti.

Vladimir Todt

Možná by bylo dobré si přečíst celý článek před vlezením do diskuze. :O

Jan Jančura

Samozřejmě jsem článek četl. Stačilo říci, že ten “zjednodušený” motor s 300 t tahu bude zcela nový, ve většině rozměrů větší motor. Takže budou 3 varianty motorů Raptor.

TomG

A co to třeba chápat takhle,- ve smyslu že samotná spalovací komora je dostatečně robustní aby ten výkon zvládla.Narozdíl od turbočerpadel kde už dosahují konstrukčního limitu v množství čerpaného media ?

Jan Jančura

Projektové množství paliva jednoznačně určuje dimenzování turbočerpadel, vstřikovacích trysek, spalovací komory, trysky atd. Zda je účelné mít dvojí atmosférické motory s tím, že se u SH sníží jejich počet, to neumím posoudit.
Zvýšení tlaku ve spalovací komoře rovněž ovlivňuje jednotlivé části raketového motoru, ale poněkud jinak. Ale to již asi probíhá současně s postupným vývojem těchto motorů, což samozřejmě kvůli extrémně vysokému tlaku ve spalovací komoře je určitě velmi obtížný problém. Otázkou je, jak jsem psal v předchozím příspěvku, účelnost toho zvýšení tlaku.
Ten stálý vývoj je sice pěkná věc, ale měl by říci kdy, chce představit nějakou dočasně definitivní verzi, aby např. mohl NASA předvést nějakou odzkoušenou verzi např. měsíčního Starshipu, jinak asi těžko s ním může vážně NASA počítat.

Jan Jančura

Ještě doplňuji, že naprosto nechápu proč potřebuje aby vakuové Raptory fungovaly při atmosférickém tlaku.

Rosetau

Je evidentní, že jste v tom článku hodně věcí nepochopil. Píše se tam, že to jde a ne že to potřebuje. Vakuový Raptor je robustnější než vakuový Merlin, který je vyroben z tenkostěnného niobu. Alespon se nemusí Raptor nikam dodatečně vozit aby se po statických zážezích zkompletoval.

Invc

Nepotřebuje.

Jenže větší trysky se jim do rakety stejně nevejdou…

Samo

Kvôli rýchlemu vývoju, ako bolo nádherne vidieť na videu z testu Raptor vac. v McGregor… Rovnako s tým súvisí že tryska R Vac. je vyrobená z prstencov trubičiek. Pokiaľ viem prstence nikto predtým nepoužil, väčšinou sú do špirály alebo pozdĺž osi a teda predpokladám že potrebujú otestovať aj to poriadne ako sa bude správať distribúcia chladiva.

https://twitter.com/spacex/status/1309317126130339845
comment image

Jiří Lacina

z kontextu Muskových výroků jsem důvod k existenci dvou atmosférických Raptorů pochopil tak , že jedna varianta bude mít regulovatelný tah( ta varianta která bude využívána v rámci přistávacího manévru), zatímco ta druhá bude mít tah pevně daný. Chápu to tak , že ta druhá varianta s pevně daným tahem bude rozměrově stejná, ale díky zjednodušení oproti té variantě s regulovatelným tahem( a díky nepříliš velikým konstrukčním změnám) bude mít vyšší tah.

Jan Jančura

Ano, jenže “zjednodušená” neregulovaná by měla mít větší tah cca 300 tun, takže bude rozměrově jiná.

jiří lacina

A co když je to opačně. Zdá se mi pravděpodobné že Raptor je konstrukčně dimenzován na takové projektové množství paliva, kdy při dosažení optimálních parametrů bude mít tah 300 tun. To je cílový stav do kterého se chtějí postupně dostat v rámci postupného “dolaďování” Adaptace této finální varianty s neregulovatelným tahem na variantu umožňující regulovat tah, pak sníží výkon na 250 tun. V rámci této varianty nebude dosaženo zcela optimálních parametrů, ale tato varianta bude tvořit v rámci prvního stupně pouhou pětinu motorů. A než aby se stavěl rozměrově jiný motor bude tato regulovatelná varianta rozměrově stejně velká jako ta s plným tahem 300 tun. Proto se domnívám že budou obě varianty atmosférického Raptoru stejně velké.

Vladimír Todt

Boha, vždyť z článku je jasné, že 300 t neregulovatelný Raptor bude v základu rozměrově stejný, ale bude mít větší turbočerpadla. Vyšší tlak potřebuje, aby přes stejnou komoru prohnali více paliva pro vyšší tah. Cílí na co možná nejlepší poměr tahu k váze motoru. Viz ruské motory, kde k tomu dospěli proto, že neuměli vyřešit nerovnoměrné spalování ve velkých komorách jako měl např. F1. Tak šli na menší komor, ale zase s vyšším tlakem a ještě je u větších motorů rozdělily na více komor se společnými turbočerpadly. Vždyť je to jasné. :O

Naposledy upraveno před 8 měsíci uživatelem Vladimír Todt
Jan Jančura

Na počátku vývoje Raptoru hovořil o tahu 200 t resp. o něco menším, tak nevím proč by jej dimenzoval na 300 t? Když nyní dospěl k potřebě motoru o tahu 300 t, což vůbec nekritizuji, tak ten dle zákonů termodynamiky musí mít výkonnější turbíny a čerpadla, větší průměry potrubí, více vstřikovačů větší průměr spalovací komory, větší průměr kritického a výstupního průřezu trysky apod. tady zcela jiný motor, samozřejmě koncepčně podobný původnímu.

PetrK

Jen jestli jste si nespletl příčinu a důsledek. Možná nejde o potřebu 300 t, ale o možnost, která vyplynula z postupného vývoje … Jinými slovy ” jak si s tím hrajeme, tak nám to vychází, že když něco vypustíme a tím ten motor zjednodušíme, tak nám to při stejné (vnější) velikosti umožní zvýšit tah až na 300t …”. Tedy IMHO.

Viktor

Zvyseni tahu o 50% samozrejme vede k zvyseni sekundove spotreby paliva o cca 50% a pri cca stejnem tlaku v komore ke zvetseni objemu komory o 50%. Stavajici komora to zcela jiste nezvladne. Tedy jde o zcela novy motor, s novymi cerpadly a komorou. Nicmene zvetseni patrne neni tak velke aby nesly vyuzit konstrukcni reseni z “maleho” motoru, jen zvetsene. Pokud jde o ten tlak v komore a specificky impuls, je to spis jen medialni show.Aby nejak horko tezko vychazel let k Marsu, je nezbytny Isp alespon 3800 m/s ve vakuu. A to s metanem nejde bez tlaku v komore nekde na urovni > 30 MPa. A aby to tak netlouklo do oci, tak se medialne pouzivaji tyto tlaky. Real bude nekde na urovn 20 az 25 MPa. A to uz roky vime ze funguje

Invc

1) jak si přišel na to, že zvýšení tahu o 50% musí znamenat zvýšení spotřeby o 50%

2) na tu o 50% větší komoru jsi přišel jak? (tady se ma tlak právě zvýšit… nemá zůstat stejný).

Naposledy upraveno před 8 měsíci uživatelem Invc
Jan Jančura

Já jsem nad tou první větou uvažoval, ale nepřišel jsem na to jak to jinak říci. Já prostě u vývoje SH/SS Muskovi nerozumím. Na rozdíl od vcelku excelentního vývoje F9 takový skoro zmatečný u SH/SS, jako by si hrál. Jen jako doklad uvádím např. zahájenou a nedokončenou výstavbou odpalovací rampy na Floridě, zbytečnou výstavbou v Cocoa apod. Kolika proměnami prošla koncepce vzhled SH/SS a ani dnes zdaleka nevíme ty jeho základní parametry. Pak se divme, že NASA s projektem SH/SS zatím nepočítá.

PetrK

NASA samozřejmě s možnostmi systému SH/SS kalkuluje. Hm, zajímavé – synonymum a přesto tomu to slovo kalkuluje dává trochu jiný význam. Myslím tím – uvažuje jako o jedné z možných variant použití Každopádně minimálně upravená SS jako lunární lander.

vencour

Dodal, že turbočerpadla v raketových motorech, jsou neskutečně obtížná (obzvlášť ta operující s nadbytkem kyslíku). Podle něj jde z hlediska mechaniky/tekutin/spalování o vůbec nejobtížnější problém, který existuje.

Neni lepší napsat nebo uvést že jde o nejsložitější dosud řešený problém? Těch úspěšně neřešených či ještě nevyřešených bude taky dost.

K K

Prosím nepoužívejte v českých textech “metrické” tuny. Tenhle přívlastek je nutný jen v článcích pro USA, my používáme jen metrickou soustavu. Naopak v českém textu působí rušivě: pokud použijete přívlastek jen někde, pak je oprávněné ptát se, zda i ostatní tuny jsou metrické.