SpaceX začíná testovat první exemplář vakuové varianty motoru Raptor pro loď Starship

SpaceX vyrobilo první exemplář nové varianty motoru Raptor, která bude pohánět kosmickou loď Starship ve vesmírném vakuu. Doposud byly vyráběny pouze atmosférické Raptory určené pro přistání Starship a budoucí starty nosné rakety Super Heavy. Elon Musk v souvislosti s tímto milníkem prozradil také pár podrobností a novinek o motoru Raptor obecně.

Většina orbitálních raket je vybavena alespoň dvěma typy motorů, kdy jeden je optimalizován pro fungování v zemské atmosféře a druhý je určen pro zážehy ve vakuu, kde atmosférické motory nejsou tak efektivní. Například raketa Falcon 9 má na prvním stupni devět atmosférických motorů Merlin 1D, ale druhý stupeň pohání Merlin 1D-Vac, který byl navržen pro fungování ve vakuu. Hlavním rozdílem mezi těmito dvěma variantami motoru je to, že ve vakuu je pro co nejvyšší efektivitu motoru potřeba výrazně větší expanzní tryska („zvon“, z kterého vycházejí spaliny). Rozdílnou velikost atmosférické a vakuové expenzní trysky dobře ilustruje tento obrázek:

Vizualizace různých variant Merlinu. Zleva: Merlin 1A, Merlin 1B, Merlin 1B Vac, Merlin 1C, Merlin 1C Vac, Merlin 1D, Merlin 1D Vac

Podobné to bude i u Super Heavy / Starship, i když to nějakou dobu vypadalo, že v zájmu zjednodušení a zrychlení vývoje bude kosmická loď alespoň zpočátku používat pouze atmosférické motory Raptor. Z tohoto plánu ale nakonec sešlo a Starship má podle posledních informací mít tři atmosférické motory a tři vakuové. A Elon Musk nyní prozradil, že SpaceX nedávno otestovalo zkrácenou trysku pro vakuovou variantu Raptoru. Webu NASA Spaceflight se podařilo vyfotit motor s touto testovací tryskou v texaském McGregoru, kde SpaceX provádí testování Raptorů.

Raptor se zkrácenou vakuovou trysku během testování v McGregoru (Foto: Gary Blair / NASA Spaceflight)

Zkouška podle Muska proběhla dobře, a tak nyní může následovat testování kompletního vakuového Raptoru s expanzní tryskou v plné délce. V souvislosti s tím se SpaceX na Twitteru pochlubilo fotkou prvního vyrobeného exempláře Raptoru ve vakuové variantě. Není moc jasné, čím vším se tato nová verze liší od atmosférického motoru, ale nejviditelnějším rozdílem je již zmíněná velikost expanzní trysky, přičemž fotka nabízí užitečné srovnání s vedle stojícím atmosférickým Raptorem a také člověkem. Expanzní tryska vakuového Raptoru by měla mít průměr kolem 2,8 metru, zatímco atmosférická tryska má průměr jen 1,3 metru.

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

Novinkou pak je regenerativní chlazení této rozměrné expanzní trysky na vakuovém Raptoru. Regenerativní chlazení znamená, že studené palivo je před spálením v komoře nejdříve vedeno kanálky kolem různých částí motoru, které je potřeba chladit. Motory Merlin na raketách Falcon také využívají regenerativní chlazení, ale v případě vakuové verze se to týká pouze spalovací komory a hrdla trysky. Onen externí „zvon“, který trysku prodlužuje, je chlazen radiativně (zářením/sáláním). Vakuový Merlin zároveň využívá tzv. film cooling, který vede odpadní spaliny z plynového generátoru kolem motoru a vhání je do trysky. Tyto spaliny nejsou studené, ale jsou chladnější než to, co vychází z hlavní spalovací komory, takže to ve výsledku chrání expanzní trysku před vysokými teplotami. Díky tomu není potřeba regenerativní chlazení celé trysky a stačí chlazení radiativní.

U Raptoru je regenerativně chlazena spalovací komora i celá tryska, a to i u vakuové varianty motoru. Elon Musk už v minulosti vysvětlil, že chlazení Raptoru je docíleno pomocí vyfrézovaných měděných kanálků s inconelovým obalem po celé délce trysky. Těmito kanálky koluje studený metan před svým spálením v komoře. Z fotky výše je ale evidentní, že vakuový Raptor má chlazení expanzní trysky evidentně řešené odlišně.

Expanzní tryska vakuového Merlinu na raketách Falcon je z lehké slitiny niobu, která je velmi náchylná k deformaci. Proto je také tryska Merlinu zpevněna páskem, který udržuje její tvar během manipulace na Zemi a v průběhu startu. Po oddělení prvního stupně a zážehu vakuového Merlinu pak můžete v živých přenosech vidět, jak pásek z trysky odpadne. Křehkost vakuové trysky zároveň znamená, že při zážehu Merlinu v atmosféře by došlo k jejímu roztrhání. SpaceX tedy musí vakuové Merliny testovat bez připojené niobové trysky. Oproti tomu vakuový Raptor má podle Elona Muska být schopen zážehu v atmosféře, aniž by to vedlo ke zničení expanzní trysky. V následujících týdnech by tedy mohlo v McGregoru proběhnout testování prvního vakuového Raptoru v podobě, kterou vidíme na fotce výše. Elon Musk odhaduje, že první exemplář má více než 50% šanci, že přežije test bez úhony. Finální vakuový Raptor se však bude trochu lišit. Například nebude mít systém pro naklánění trysky, který lze vidět na testovacím exempláři. Na lodi Starship totiž budou vakuové Raptory napevno připevněny a nebudou se naklánět.

Test vakuové varianty motoru Merlin 1D bez připojené expanzní trysky (Foto: SpaceX)

Co se týče parametrů vakuového Raptoru, Elon Musk aktuálně prozradil, že zpočátku bude motor mít specifický impuls přibližně 372 sekund, ale dlouhodobým cílem stále je dosáhnout hodnoty 380 sekund či více. To je v podstatě fyzikální hranice, které je schopný Raptor dosáhnout na základě spalovacího poměru kyslíku a metanu ve výši 3,5–3,6 ku jedné, pro který byl motor navržen. Pro srovnání, vakuový Merlin 1D má specifický impuls 348 sekund a motor RL-10 na horním stupni Atlasu 5 má 451 sekund (vodíkové motory v této kategorii nemají konkurenci). Tah vakuového Raptoru by měl být ma hodnotě 220 tun.

Elon Musk v aktuálním rozhovoru mluvil také o atmosférickém Raptoru. Ten má mít dvě podvarianty, o čemž jsem psal v nedávném článku. Jedna verze je ta, kterou známe například z testovacích letů prototypů Starship. Jedná se o atmosférický motor se schopností náklonu, který měl původně mít tah 200 tun. Musk ale nyní prozradil, že u tohoto motoru dochází při testování k poškození až při tahu 230 tun, takže by měl být schopen dlouhodobě udržovat tah kolem 210 tun.

Tři atmosférické motory Raptor v Boca Chica v dubnu 2020 (Foto: Elon Musk)

Druhá varianta atmosférického Raptoru bude zjednodušená a nebude schopna naklápění ani regulace tahu. Díky tomu ale bude mít zvýšený tah 250–300 tun. Musk v minulosti zmínil, že tento zjednodušený Raptor by měl mít hmotnost kolem 1500 kg, což by při tahu 300 tun znamenalo poměr tahu vůči hmotnosti 200:1, čímž by překonal Merlin 1D, světového rekordmana v této kategorii. Elon Musk si myslí, že poměr 200:1 je u zjednodušeného Raptoru teoreticky dosažitelný. Tento typ motoru by se podle Muska měl začít vyrábět za 6–9 měsíců a výhledově to bude nejvíce vyráběná varianta. Kompletní sestava rakety Super Heavy a lodi Starship totiž bude potřebovat 20 zjednodušených Raptorů, 11 standardních atmosférických a 3 vakuové. Výsledný počet motorů na Super Heavy se ale může ještě změnit podle toho, s jakým tahem budou provozovány oba typy atmosférických Raptorů. Cílem pro Super Heavy je podle Muska celkový tah ve výši 7500 tun.

Poznámka: Sekce o chlazení Merlinu byla nepřesná a po vydání byla aktualizována.




Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest
20 Komentáře
nejstarší
nejnovější nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře
Krys

Ví se kde bude možné otestovat SuperHeavy se všemi motory raptor ve finální sestavě? Nějak si nedokážu představit, že je všechny zažehnou naráz v Bocca Chica.. To by snad ta vesnička poblíž odletěla také 🙂

plegen

To budou nejspíš testovat v oceánu, dost daleko od pobřeží. To autor článku myslím psal už dříve.

TomG

Ano,ostatně už hledá člověka co by mu vyprojektoval vesmírný přístav pro možnost výcenásobných startů v jediném dni.
A testovat by to měli na místě kde budujou testovací rampu pro SuperHeavy,což je na pobřeží.

plegen

E. Musk to myslí vážně. A jak by se to asi všechno dalo pojmenovat? Nekonečná rozmanitost v nekonečných možnostech? Zatím konečná, ale kdo ví, co bude pak.

Eliška Krásnohorká

Děkuju mnohokrát za článek! Domnívám se jen, že nejde o hranici fyzickou, nýbrž fyzikální.

Samo

Motory Merlin na raketách Falcon také používají regenerativní chlazení, ale pouze pro spalovací komoru a hrdlo trysky, onen externí „zvon“, který trysku prodlužuje, je u obou typů Merlinu chlazen radiativně (zářením/sáláním). “
To pokiaľ viem nieje pravda, M1D Vac. má trysku chladenú radiatívne no M1D SL. má určite regeneratívne chladenú trysku technikou chanel-wall ktorú zdedil aj Raptor. Takto vyzerá medená vložka pred leptaním kanálikov, tie sú vyleptané a potom je celá prekrytá. comment image

Petr Šída

Petře, u Merlinu Vac je chlazení trysky řešeno vstřikem chladnějších spalin z turbíny na vnitřní obvod trysky (viz ten prstenec kolem trysky), není to čistě radiativní chlazení, ale jak se tomu říká netuším

Petr Šída

Díky za popis P

Samo

Rovnako by s radiatívne chladenou tryskou nebolo možné aby kaptonová páska nalepená na tryske v tomto zábere z testu existovala a nezoškavrila sa. https://forum.nasaspaceflight.com/index.php?action=dlattach;topic=26388.0;attach=418046;image

PetrV

Krásný kus železa.

V těch malých trubickach v horní části motoru okolo jsou nějaké ovladaci el. kabely, elmag řízení.Cidla apod? příp pneumaticke řízení? K cemu vsemu slouží?
Pokud elektrické kabely pro opětovné zapálení,kde berou šťávu? z baterie asi ne.
Spacex používá čepový vstřikovač pro dodavku paliva je to obdoba jako u dieselu?
http://www.diesel-gas.cz/diesel-gas-cng-versus-cng/

Díky za článek.

Ales

Jo to by me taky zajimalo 🙂

Co se tyka rozdilu vstrikovacu. Hlavni rozdil je v tom, ze na raketovych motorech rozstrikujes palivo i okyslicovadlo. U dieselu je to jen palivo. To jen principialne – rozdilu bude vice a taky je tam neznama jak presne vypada vstrikovac pouzity spacex.

Invc

Raptor používá “coaxial swirl” injectory (souosý vířivý).

Pintle injectory (čepové) používá Merlin.

Naposledy upraveno před 1 rokem uživatelem Invc
Invc

Dík, nechtělo se mi to hledat 🙂

Martin B

Zde je skvělé video Scotta Manleyho o raketových vstřikovačích a jak fungují. Včetně toho co používá SpaceX

https://www.youtube.com/watch?v=aa4ATJGRqA0

zdeněk řezáč

zdravím!
mám jen malou otázku:
Proč je start rakety vždy z výšky 0 nad mořem a jak by tedy probíhal start z výšky třeba 3 km na mořem?

Jiří Hadač

Jde tu hlavně o bezpečnost. Zní to zvláštně, ale je to tak. Vetšinou se dávají kosmodromy na břeh moře, aby při odhazování stupňů nedocházelo k problémům. Neplatí to všude, Čína či Rusko mají kosmodromy i ve vnitrozemí.
Ano, bylo by to lepší, benefitem by bylo menší tření o atmosféru, ale je dle jedne odpovědi na serveru space.stackexchange.com je pořád důležitější vzdálenost od rovníku než nadmořská výška.

Invc

1) Pokud chceš startovat co nejdříve nad moře, tak to většinou znamená, že seš blízko u moře.

2) Je to v podstatě jedno – energeticky pro rakety je podstatná rychlost stranou, výška je zajímavá pouze v tom, že se potřebuješ brzy dostat mimo překážející atmosféru. A v rychlosti stranou ti pomůže více být blíže rovníku a startovat na východ, než pár kilometrů výšky.

Jinak – i kdybys to porovnal ve stejném místě, tak ta úspora by byla minimální. Šetřil bys převážně na odporu vzduchu v počáteční fázi jenže tam je ta raketa stejně pomalá … (na gravitační ztrátě bys neušetřil téměř vůbec nic)