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:

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.

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.

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.

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.

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.