При использовании цикла с полной газификацией компонентов, где почти полный расход кислорода с небольшой долей метана будет приводить в действие турбонасос окислителя и почти полный расход метана с небольшой долей кислорода будет приводить в действие турбонасос горючего, оба потока — окислитель и горючее — будут полностью газифицированы в отдельных газогенераторах, прежде чем попадут в камеру сгорания.
ЖРД выполнен по двухвальной схеме подачи компонентов топлива (возможна протечка метана только в тракт метана и кислорода только в тракт кислорода, в отличие, например, от RS-25, где для исключения протечки вдоль вала турбины, на котором расположены насосы обоих компонентов, в уплотнение подаётся гелий)[прояснить], а также имеет систему наддува баков компонентов топлива соответствующими газами, что устраняет потребность в гелии.
Двигатель использует переохлаждённые компоненты топлива, что позволяет увеличить массу топлива в баках за счёт увеличения её плотности, повышает удельный импульс, тягу, а также снижает риск кавитации в турбонасосах[9].
В будущем возможно создание нескольких модификаций двигателя Raptor. В ускорителе Super Heavy только центральные двигатели, использующиеся при посадке, будут иметь карданный подвес и систему дросселирования. Двигатели внешнего кольца будут максимально упрощены для снижения стоимости и сухой массы ускорителя, а также повышения тяги и надёжности.[10].
Заявленные характеристики двигателя Raptor в процессе проектирования в течение 2012—2017 годов менялись в широком диапазоне, от высокого значения целевой пустотной тяги 8200 кН[11] до поздней, гораздо более низкой тяги 1900 кН.
С 2018 года ожидается, что двигатель будет иметь удельный импульс 380 с в пустоте и 330 с у земли[12][2].
28 июля 2010 года на 46-й конференции «Joint Propulsion Conference» Американского института аэронавтики и астронавтики директор испытательного комплекса SpaceX в МакГрегоре[англ.]Том Маркьюзик[англ.] представил информацию о начальных этапах проектирования двух семейств двухступенчатых ракет-носителей и двух новых ракетных двигателей для них. Планировалось, что двигатель Merlin 2 с топливной парой керосин / жидкий кислород для первых ступеней Falcon X, Falcon XX будет способен развить тягу 1 700 000фунт-сил[англ.] [7 562кН] на уровне моря и 1 920 000 фунт-сил [8 540 кН] в пустоте, что сделало бы его самым мощным двигателем в своем классе.[16]. Двигатель Raptor, использующий жидкий водород и жидкий кислород, имеющий в пустоте тягу 150 000 фунт-сил [667 кН], удельный импульс 470 с, предназначался для верхних ступеней сверхтяжелых ракет-носителей.[17][18][15]
В октябре 2012 года SpaceX объявила о работе над ракетным двигателем, который будет в несколько раз мощнее, чем двигатели Merlin 1, и не будет использовать топливо RP-1. Двигатель предназначался для ракеты-носителя следующего поколения под кодовым именем MCT[англ.], способной выводить полезную нагрузку 150—200 т на низкую околоземную орбиту, что превышает возможности SLSНАСА.[19][15]
19 февраля 2014 года вице-президент SpaceX по разработке двигателей Томас Мюллер, выступая на мероприятии «Exploring the Next Frontier: The Commercialization of Space is Lifting Off» в Санта-Барбаре, сообщил, что разрабатываемый двигатель Raptor будет способен развивать тягу в 1 000 000 фунт-сил [4 448 кН]. Удельный импульс составит 321 с на уровне моря и 363 с в пустоте.[25][17][18][15]
9 июня 2014 года на конференции «Space Propulsion 2014» в Кёльне Томас Мюллер объявил, что SpaceX разрабатывает многоразовый двигатель Raptor для тяжелой ракеты, предназначенной для полёта на Марс. Планировалось, что тяга двигателя для первой ступени составит 705тс [6 914 кН], что сделало бы его чуть более мощным, чем двигатель программы «Аполлон» — F-1. Высотная версия двигателя — тяга 840 тс [8 238 кН], удельный импульс 380 с. Пресс-секретарь центра Стенниса — Ребекка Стрекер сообщила, что компания испытывает узлы двигателя малого масштаба на стенде E-2 в Миссисипи.[26][27][11][15]
В конце 2014 года SpaceX завершила испытания главной форсунки. Летом 2015 года команда испытательного стенда E-2 завершила полномасштабное испытание кислородного газогенератора нового двигателя. С апреля по август было выполнено 76 огневых испытаний газогенератора с общей наработкой около 400 секунд.[28]
6 января 2015 года Илон Маск заявил, что целью является тяга двигателя чуть больше 230 тс [2 256 кН], что намного ниже заявленной ранее.[29][15]
Испытания двигателя
26 сентября 2016 года Илон Маск опубликовал в Twitter две фотографии первого испытательного запуска двигателя Raptor в сборе на испытательном комплексе SpaceX в МакГрегоре.[30][31][32] Маск сообщил, что целевая производительность — удельный импульс в пустоте — 382 с, при коэффициенте расширения сопла 150, тяга в 3 000 кН, давление в камере сгорания 300бар [30 МПа].[33][34][35] 27 сентября он пояснил, что коэффициент расширения 150 — для испытательного образца, вакуумная версия будет иметь коэффициент расширения 200.[36] Подробности были обобщены в статье о двигателе Raptor, опубликованной на следующей неделе.[9]
27 сентября 2016 года на 67-м ежегодном Международном конгрессе астронавтики в Гвадалахаре Илон Маск представил подробности концепции ITS.[37] Были даны характеристики двигателя Raptor: давление в камере сгорания 300 бар [30 МПа]; возможность дросселирования тяги в диапазоне 20—100 %; номинальная тяга 3 050 кН, удельный импульс 334 с, степень расширения 40; для вакуумной версии — тяга 3 500 кН, удельный импульс 382 с, степень расширения 200.[5][15]
К сентябрю 2017 года испытательный двигатель, в котором был применён сплав, повышающий устойчивость элементов турбонасоса кислорода к окислению, работающий с давлением в камере сгорания в 200 бар и развивающий тягу в 1 000 кН, прошёл 42 стендовых огневых испытания с общей наработкой 1200 секунд. Самое длительное испытание продолжалось 100 секунд.[2][38][15]
29 сентября 2017 года в рамках 68-го ежегодного Международного конгресса астронавтики в Аделаиде Илон Маск представил новую концепцию под кодовым названием BFR[39]. Характеристики двигателя Raptor изменились: давление в камере сгорания 250 бар [25 МПа]; тяга 1 700 кН, удельный импульс 330 с; для пустотной версии — тяга 1 900 кН, удельный импульс 375 с[2][38][15].
Илон Маск объявил, что двигатель Raptor впервые отправится в полёт как часть BFR[39]. В октябре 2017 года он пояснил, что лётные испытания начнутся на полноразмерном корабле (верхней ступени BFR), выполняющем «короткие прыжки» высотой в несколько сотен километров[40].
17 сентября 2018 года на презентации, в рамках которой был представлен первый космический турист BFR Юсаку Маэдзава, информация о ракете была обновлена[12]; озвучены характеристики двигателя Raptor: целевое значение давления в камере сгорания примерно 300 бар [30 МПа]; тяга около 200 тс [1 960 кН]; потенциально-возможный удельный импульс около 380 с.
4 февраля 2019 года было проведено первое огневое испытание лётного[уточнить] образца двигателя[41][42]. Испытание продолжалось 2 секунды при давлении 170 бар, достигнута тяга 116 тс [1 137 кН], что составляет 60 % от номинального значения[43].
7 февраля 2019 года проведено очередное огневое испытание с использованием «теплых» компонентов топлива, после которого Илон Маск сообщил, что двигатель подтвердил проектную мощность[44], достигнув уровня тяги в 172 тс [1 686 кН] при давлении в камере сгорания 257 бар [25,7 МПа]. Предполагается прирост тяги 10—20 % при использовании переохлаждённых компонентов топлива[45].
В августе 2019 испытан при полёте аппарата Starhopper.[46]
5 августа 2020 года состоялся тестовый «прыжок» прототипа Starship (SN5) с двигателем Raptor SN27 на 150 м[47]; с тех пор проведено ещё несколько подобных испытаний.
Raptor Vacuum (RVac) — это вариант двигателя с удлиненным регенеративно охлаждаемым соплом для более высокого удельного импульса в космосе. Оптимизированный для вакуума двигатель нацелен на удельный импульс ~380 с (3700 м/с). Полноценное испытание первой версии Raptor Vacuum было завершено в сентябре 2020 года в Макгрегоре[50]. Первое летное испытание Raptor Vacuum произошло во время второго теста S25[51]
.
Raptor 2
Raptor 2 — это новая версия двигателя Raptor, представляющая собой полную переработку двигателя первой версии. Инженеры избавились от факельных воспламенителей в главной камере сгорания, была переделана турбина, электроника, увеличено критическое сечение сопла. Двигатель избавился от большого количества датчиков (которые были необходимы в первой версии для осуществления отладки) и сопутствующего трубопровода. Многие фланцевые соединения были заменены сваркой. Все эти улучшения значительно снижают сложность двигателя, удешевляют производство и уменьшают количество точек отказа.[52]
Облегчённая версия двигателя Raptor 2 не нуждающаяся в тепловом щите и системе пожаротушения[53][54]. Стенки камеры двигателя Raptor этой версии могут испытывать самые высокие тепловые нагрузки из когда-либо созданных. Из-за возросшей тяги и уменьшения веса возможна установка 35 двигателей вместо 33 на ускоритель и 6 вместо 3 на корабль.
В мае 2024 года на огневых испытаниях Raptor V3 достиг давления в камере — 350 бар (269 тонн тяги)[55].
Финансирование
С 2009 по 2015 год разработка двигателя финансировалась за счёт инвестиций SpaceX, без привлечения финансирования со стороны правительства США[56][28].
13 января 2016 года ВВС США заключили со SpaceX соглашение о разработке прототипа двигателя Raptor, предназначенного для верхних ступеней ракет-носителей Falcon 9 и Falcon Heavy, с финансированием в размере 33,7 млн долларов со стороны ВВС и не менее 67,3 млн долларов со стороны SpaceX. Ожидалось, что работа по контракту будет завершена не позднее 31 декабря 2018 года[57][58][59].
9 июня 2017 года ВВС США изменили соглашение, увеличив сумму финансирования со своей стороны на 16,9 млн долларов, не уточнив цели[57][60].
19 октября 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 40,8 млн долларов[57][61].
22 декабря 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 6,5 млн долларов[57].
↑ 12Todd, David (22 ноября 2012). SpaceX's Mars rocket to be methane-fuelled. Flightglobal. Архивировано 11 января 2014. Дата обращения: 5 декабря 2012. Musk said Lox and methane would be SpaceX's propellants of choice on a mission to Mars, which has long been his stated goal. SpaceX's initial work will be to build a Lox/methane rocket for a future upper stage, codenamed Raptor. The design of this engine would be a departure from the "open cycle" gas generator system that the current Merlin 1 engine series uses. Instead, the new rocket engine would use a much more efficient "staged combustion" cycle that many Russian rocket engines use.{{cite news}}: Указан более чем один параметр |work= and |newspaper= (справка)
↑Tom Markusic.SpaceX Propulsion (неопр.). Space Exploration Technologies (28 июня 2010). Дата обращения: 25 октября 2018. Архивировано 30 июля 2016 года.
↑Daily Clipsheet (неопр.). ula.lonebuffalo.com (9 июня 2014). Дата обращения: 19 октября 2018. Архивировано 8 июля 2014 года.
↑ 12NASA-SpaceX testing partnership going strong (неопр.). Lagniappe, John C. Stennis Space Center. NASA (сентябрь 2015). — «this project is strictly private industry development for commercial use». Дата обращения: 10 января 2016. Архивировано 31 декабря 2015 года.
↑Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «SpaceX propulsion just achieved first firing of the Raptor interplanetary transport engine». Дата обращения: 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
↑Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «Mach diamonds». Дата обращения: 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
↑Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «Production Raptor goal is specific impulse of 382 seconds and thrust of 3 MN (~310 metric tons) at 300 bar». Дата обращения: 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
↑Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «Chamber pressure is almost 3X Merlin, so engine is about the same size for a given area ratio». Дата обращения: 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
↑Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «382s is with a 150 area ratio vacuum (or Mars ambient pressure) nozzle. Will go over specs for both versions on Tues.» Дата обращения: 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
↑Elon Musk on Twitter (неопр.) (26 сентября 2016). — «Meant to say 200 AR for production vac engine. Dev will be up to 150. Beyond that, too much flow separation in Earth atmos.» Дата обращения: 19 октября 2018. Архивировано 27 сентября 2016 года.
↑Elon Musk on Twitter (неопр.) (3 февраля 2019). — «First firing of Starship Raptor flight engine!» Дата обращения: 6 февраля 2019. Архивировано 5 февраля 2019 года.
↑SpaceX on Instagram(англ.) (5 февраля 2019). — «Completed a two-second test fire of the Starship Raptor engine that hit 170 bar and ~116 metric tons of force – the highest thrust ever from a SpaceX engine and Raptor was at ~60% power.» Дата обращения: 6 февраля 2019. Архивировано 14 мая 2019 года.
↑Elon Musk on Twitter (неопр.) (7 февраля 2019). — «Raptor just achieved power level needed for Starship & Super Heavy». Дата обращения: 7 февраля 2019. Архивировано 7 февраля 2019 года.
↑Elon Musk on Twitter (неопр.) (7 февраля 2019). — «Design requires at least 170 metric tons of force. Engine reached 172 mT & 257 bar chamber pressure with warm propellant, which means 10% to 20% more with deep cryo.» Дата обращения: 7 февраля 2019. Архивировано 7 февраля 2019 года.
↑Gwynne Shotwell.Statement of Gwynne Shotwell, President & Chief Operating Officer, Space Exploration Technologies Corp. (SpaceX) (неопр.). Congressional testimony 14–15. US House of Representatives, Committee on Armed Service Subcommittee on Strategic Forces (17 марта 2015). — «SpaceX has already begun self-funded development and testing on our next-generation Raptor engine. ... Raptor development ... will not require external development funds related to this engine.». Дата обращения: 11 января 2016. Архивировано 28 января 2016 года.
↑Contracts for Jan. 13, 2016 (неопр.). Release No: CR-008-16. US Department of Defense (13 января 2016). — «Space Exploration Technologies, Corp. (SpaceX), Hawthorne, California, has been awarded a $33,660,254 other transaction agreement for the development of the Raptor rocket propulsion system prototype for the Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV) program.» Дата обращения: 15 января 2016. Архивировано 15 января 2016 года.
↑Jeff Foust.Air Force adds more than $40 million to SpaceX engine contract (неопр.). SpaceNews[англ.] (21 октября 2017). — «According to government procurement documents, the Air Force modified that agreement June 9, adding nearly $16.9 million to the award, not specifying what the funding would be used for beyond it was a “supplement agreement for work within scope.”». Дата обращения: 9 февраля 2019.
↑Contracts for October 19, 2017 (неопр.). Release No: CR-203-17. US Department of Defense (19 октября 2017). — «Space Exploration Technologies Corp., Hawthorne, California, has been awarded a $40,766,512 modification (P00007) for the development of the Raptor rocket propulsion system prototype for the Evolved Expendable Launch Vehicle program.» Дата обращения: 9 февраля 2019. Архивировано 10 февраля 2019 года.