Ракетные двигатели SpaceX - SpaceX rocket engines

каналы, протравленные в сопле Merlin 1D, позволяют регенеративное охлаждение предотвращение расплавления выхлопным теплом.

С момента основания SpaceX в 2002 году компания разработала четыре семейства ракетные двигатели — Мерлин, Пустельга, Драко и SuperDraco - и в настоящее время (с 2016 г.) развивающийся другой ракетный двигатель: Raptor.

История

За первые десять лет существования SpaceX компания разработала множество жидкостные ракетные двигатели, по крайней мере, еще один такой тип находится в стадии разработки. По состоянию на октябрь 2012 г., каждый из разработанных на сегодняшний день двигателей -Пустельга, Мерлин 1, Драко и Super Draco - были разработаны для первоначального использования в Ракеты-носители SpaceX —Сокол 1, Сокол 9, и Falcon Heavy —Или для Дракон капсула.[1] Каждый основной двигатель, разработанный к 2012 году, был основан на керосине с использованием РП-1 как топливо с жидкий кислород (LOX) в качестве окислителя, а RCS управляющие двигатели подруливающих устройств использовали хранимые гиперголичный пропелленты.

В ноябре 2012 г. на заседании Королевское авиационное общество в Лондоне, Великобритания, SpaceX объявили, что планируют разработать метан двигатели для своих будущих ракет. Эти двигатели будут использовать ступенчатый цикл горения, для более высокой эффективности, аналогичной системе, используемой в бывшем Советском Союзе. НК-33 двигатель.[2]

К середине 2015 года SpaceX разработала в общей сложности 9 архитектур ракетных двигателей за первые 13 лет существования компании.[3]

Двигатели на керосине

SpaceX разработала два на основе керосина двигателей до 2013 года, Merlin 1 и Kestrel, и публично обсудил гораздо более крупный концептуальный дизайн двигателя высокого уровня, названный Мерлин 2. Merlin 1 приводил в действие первую ступень Сокол 1 ракета-носитель и используется как на первой, так и на второй ступенях Сокол 9 и Falcon Heavy ракеты-носители. Вторая ступень Falcon 1 была оснащена двигателем Kestrel.

Мерлин 1

Основная статья: Мерлин (семейство ракетных двигателей)

Мерлин 1 - это семья LOX /РП-1 ракетные двигатели разработаны в 2003–2012 гг. Мерлин 1А и Мерлин 1Б использовал абляционно охлажденный углеродное волокно составной сопло. Merlin 1A произвел 340 килоньютон (76000 фунтовж) тяги и использовался для питания первой ступени первых двух Сокол 1 полеты в 2006 и 2007 годах. Merlin 1B имел несколько более мощный турбонасос, и создавал большую тягу, но никогда не управлялся на летательном аппарате до перехода SpaceX на Merlin 1C.

Ракетные двигатели Merlin 1D на Сокол 9 v1.1 ракета-носитель в SLC-40 ангар, апрель 2014 г.

В Мерлин 1С был первым в семье, кто использовал с регенеративным охлаждением форсунка и камера сгорания. Впервые он был запущен на полную мощность в 2007 году.[4]впервые полетел на третья миссия Falcon 1 в августе 2008 г.,[5] запитал "первый частное строительство ракета на жидком топливе для успешного выхода на орбиту »(Сокол 1, рейс 4 ) в сентябре 2008 г.,[5]и впоследствии приводил в действие первые пять полетов Falcon 9, каждый из которых выполнял версия 1.0 Ракета-носитель Falcon 9 - с 2010 по 2013 гг.[6]

В Мерлин 1D, разработанный в 2011–2012 гг., также имеет форсунку и камеру сгорания с регенеративным охлаждением. Он имеет вакуумную тягу 690 кН (155000 фунтов силы), удельный вакуумный импульс (Iзр) 310 с, увеличенный коэффициент расширения 16 (по сравнению с предыдущими 14,5 у Merlin 1C) и давление в камере 9,7 МПа (1410 фунтов на квадратный дюйм). Новой особенностью двигателя является возможность открытия дроссельной заслонки от 100% до 70%.[7] Отношение тяги к массе двигателя 150: 1 является самым высоким из когда-либо достигнутых для ракетного двигателя.[8][9]Первый полет двигателя Merlin 1D тоже был первым. Сокол 9 v1.1 полет.[10] 29 сентября 2013 г. Сокол 9, рейс 6 миссия успешно запустила Канадское космическое агентство с КАССИОПА спутник на полярную орбиту и доказал, что Merlin 1D может быть перезапущен, чтобы контролировать возвращение первой ступени обратно в атмосферу - часть Программа летных испытаний многоразовой системы запуска SpaceX - необходимый этап создания многоразовой ракеты.[11]

Пустельга

Основная статья: Пустельга (ракетный двигатель)

Пустельга была LOX /РП-1 под давлением ракетный двигатель, и был разработан SpaceX[когда? ] в качестве главного двигателя второй ступени ракеты Falcon 1. Он был построен примерно так же игла архитектура как двигатель Merlin SpaceX, но не имеет турбонасос, и питается только давление в баллоне. Его сопло было аблятивно охлаждается в камере и радиационно охлаждаемый в горле и изготовлен из высокопрочного ниобий сплав. Управление вектором тяги обеспечивается электромеханическими приводами на куполе двигателя по тангажу и рысканью. Управление по крену и ориентация во время фазы выбега обеспечивается гелием. подруливающие устройства на холодном газе.[12][13]

Двигатели на основе метана

В ноябре 2012 г. металокс двигатели вышли на сцену, когда генеральный директор SpaceX Илон Маск объявила о новом направлении двигательной части компании: развитие метан /LOX ракетные двигатели.[2]Работа SpaceX над двигателями, работающими на метане / LOX (металоксе), строго направлена ​​на поддержку программы развития технологий Mars. У них не было планов построить двигатель верхней ступени для Falcon 9 или Falcon Heavy, использующий металоксовое топливо.[14] Однако 7 ноября 2018 года Илон Маск написал в Твиттере: «Вторая ступень Falcon 9 будет модернизирована, чтобы стать похожей на мини-корабль BFR», что может предполагать использование двигателя Raptor на этой новой второй ступени. Программа разработки касается исключительно полноразмерного двигателя Raptor для марсианской миссии.[14]

Raptor

Основная статья: Raptor (семейство ракетных двигателей)

Raptor это семья метан /жидкий кислород ракетные двигатели, разрабатываемые SpaceX с конца 2000-х годов,[2] несмотря на то что LH2 /LOX пропеллент смесь изначально изучалась, когда в 2009 году началась работа по разработке концепции Raptor.[15] При первом упоминании SpaceX в 2009 году термин «Raptor» применялся исключительно к концепции двигателя верхней ступени.[2] В октябре 2013 года компания SpaceX обсуждала, что они намерены создать семейство ракетных двигателей Raptor на основе метана.[16] Первоначально было объявлено, что двигатель достигнет тяги в вакууме 2,94 меганьютона (661 000 фунтов силы).[16]В феврале 2014 года они объявили, что двигатель Raptor будет использоваться на Марсианский колониальный транспортер. Ракета-носитель будет использовать несколько двигателей Raptor, как и девять. Мерлин 1s на каждой Сокол 9 бустерный сердечник.[17] В следующем месяце SpaceX подтвердила, что по состоянию на март 2014 г., вся работа по разработке Raptor ведется исключительно над этим единственным очень большим ракетным двигателем, и что в текущих разработках не было двигателей Raptor меньшего размера.[14]

В двигателе Raptor на метане / LOX используется высокоэффективный и теоретически более надежный полнопоточное ступенчатое горение цикл,[17] отход от открыто цикл газогенератора система и топливо LOX / керосин, используемые в двигателях текущей серии Merlin 1.[2] По состоянию на февраль 2014 г., предварительные проекты Raptor рассматривали возможность создания тяги в 4,4 меганьютона (1000000 фунтов-силы) с вакуумом. удельный импульс (Язр) 363 секунды (3,56 км / с) и на уровне моря Iзр 321 секунда (3,15 км / с),[17][18]хотя более поздние размеры рассматриваемых концептов были ближе к 2,2 МН (500 000 фунтов силы).

Первоначальное тестирование технологии Raptor на уровне компонентов началось в мае 2014 года с испытания элемента инжектора.[16][19]Первый полный двигатель разработки Raptor, размер которого составляет примерно одну треть полномасштабных двигателей, запланированных для использования на различных частях звездолета, с силой примерно 1000 кН (220 000 фунтовж) воткнул, начались испытания на наземный испытательный стенд в сентябре 2016 г. Испытательное сопло имеет коэффициент расширения всего 150, чтобы исключить разделение потока проблемы при испытании в атмосфере Земли.[20]

Полнопоточный ступенчатый цикл сгорания Raptor пропускает 100 процентов окислителя (с низким соотношением топлива) для питания насоса кислородной турбины и 100 процентов топлива (с низким содержанием кислорода) для питания турбинного насоса для метана. Оба потока - окислитель и топливо - будут полностью в газовая фаза прежде чем они войдут в камера сгорания. До 2016 года только два полнопоточных ракетных двигателя ступенчатого внутреннего сгорания были достаточно развиты для испытаний на испытательных стендах: Советский РД-270 проект в 1960-х и Aerojet Rocketdyne Встроенная силовая головка демонстрационный проект середины 2000-х годов, в ходе которого тестировался не двигатель в целом, а только силовая установка.[17][20]

Предполагается, что другие характеристики полнопоточной конструкции позволят еще больше повысить производительность или надежность с возможностью компромисса между конструкцией:[17]

  • устранение турбины окислителя топлива пересекающийся что традиционно является точкой отказа современных химических ракетных двигателей.
  • в насосной системе требуется более низкое давление, что увеличивает срок службы и дополнительно снижает риск катастрофического отказа
  • способность увеличивать давление в камере сгорания, тем самым увеличивая общую производительность, или «за счет использования более холодных газов, обеспечивая такую ​​же производительность, как и у стандарт ступенчатый двигатель внутреннего сгорания, но с гораздо меньшей нагрузкой на материалы, что значительно снижает усталость материала или вес [двигателя] ».[17]

Двигатель Methalox

В своем объявлении о Межпланетная транспортная система (ЕГО) на 67-й Международный астронавтический конгресс 27 сентября 2016 года Илон Маск указал, что все двигатели системы управления реакцией для ITS будут работать от газообразный снабжение метаном и кислородом в каждом из этих транспортных средств. Для этого будут разработаны новые двигатели.[21][22][23]

Гиперголические двигатели

Драко

Основная статья: Драко (семейство ракетных двигателей)

Драко находятся гиперголичный Жидкостная ракета двигатели, которые используют смесь монометилгидразин топливо и четырехокись азота окислитель. Каждый Драко подруливающее устройство генерирует 400 ньютонов (90 фунтов силы) тяги.[24] Они используются как Система контроля реакции (RCS) подруливающих устройств на обоих Космический корабль Дракон, и на Ракета-носитель Falcon 9 вторая ступень.[25]

SuperDraco

Основная статья: SuperDraco

SuperDraco хранимое топливо гиперголичный двигатели генерируют 67 000 ньютонов (15 000 фунт-сил) тяги, что делает SuperDraco вторым по мощности двигателем, разработанным SpaceX, более чем в 200 раз[26] более мощные, чем обычные двигатели Draco RCS. Для сравнения, он более чем в два раза мощнее, чем Пустельга двигатель, используемый во второй ступени ракеты-носителя Falcon 1 компании SpaceX, и примерно 1/9 тяги Мерлин 1D двигатель. Они будут использоваться как Запуск системы прерывания двигатели на SpaceX Dragon 2 для перевозки экипажа в низкая околоземная орбита.[27]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Моррисон, Сара (26 мая 2020 г.). "Запуск SpaceX в среду будет успешным". Vox. Получено 2020-05-27.
  2. ^ а б c d е Тодд, Дэвид (2012-11-22). «Марсианская ракета SpaceX будет работать на метане». FlightGlobal. ВЕЛИКОБРИТАНИЯ. В архиве из оригинала на 2014-01-11. Получено 2014-01-10.
  3. ^ «Свидетельские показания Джеффри Торнбурга, подготовленные SpaceX». SpaceRef.com. 26 июня 2015. [SpaceX разрабатывает] все наши двигатели на собственном предприятии и в США. В настоящее время компания работает над четвертым поколением бустерных двигателей, в том числе Merlin 1A, Merlin 1B, Merlin 1C и Merlin 1D. Кроме того, мы разработали вакуумный двигатель Kestrel, вакуумный двигатель Merlin 1C и вакуумный двигатель Merlin 1D для наших вторых ступеней на Falcon 1, Falcon 9 и Falcon Heavy. SpaceX также разработала двигатели Draco и SuperDraco, которые обеспечивают возможность работы в космосе и прекращения движения для Dragon ... Мы также продвигаемся вперед со значительными исследованиями и разработками по ракетному двигателю следующего поколения Raptor. ... SpaceX успешно разработала 9 упомянутых выше ракетных двигателей за последние 13 лет.
  4. ^ Whitesides, Лоретта Идальго (2007-11-12). «SpaceX завершает разработку ракетного двигателя для Falcon 1 и 9». Проводной. В архиве из оригинала от 12.01.2014.
  5. ^ а б Кларк, Стивен (28 сентября 2008 г.). «Наконец-то сладкий успех для ракеты Falcon 1». Космический полет сейчас. В архиве из оригинала на 2014-01-11. Получено 2011-04-06.
  6. ^ Клотц, Ирен (06.09.2013). «Маск говорит, что SpaceX« крайне параноик », поскольку он готовится к дебюту Falcon 9 в Калифорнии». Космические новости. Получено 2013-09-13.
  7. ^ «SpaceX представляет планы стать лучшим в мире производителем ракет». Неделя авиации и космической техники. 2011-08-11. Архивировано из оригинал на 2014-01-12. Получено 2012-10-11.(требуется подписка)
  8. ^ Чайкин, Андрей (январь 2012). «Изменяет ли SpaceX формулу ракеты? 1 провидец + 3 пусковых установки + 1500 сотрудников =?». Журнал Air & Space. Вашингтон, округ Колумбия.: Смитсоновский институт. В архиве из оригинала 12.01.2014. Получено 2012-11-13.
  9. ^ "Двигатель Merlin 1D компании Spacex успешно отработал на полную мощность". SpaceX. 25 июня 2012 г.
  10. ^ Розенберг, Зак (2012-03-16). «SpaceX готовит модернизированные двигатели». Flightglobal. В архиве из оригинала на 2014-01-11. Получено 2012-03-17.
  11. ^ Уолл, Майк (2013-10-17). «SpaceX совершила испытательный полет Falcon 9 в огромной многоразовой ракете». Space.com. Нью-Йорк. В архиве из оригинала на 2014-01-11. Получено 2014-01-10.
  12. ^ Зсидисин, Грег (23 марта 2007 г.). "SpaceX подтверждает Stage Bump на Demoflight 2". Space Daily. В архиве из оригинала 12.01.2014. Получено 2008-09-30.
  13. ^ Уэйд, Марк (2014). «Керстрель». Энциклопедия Astronautica. Архивировано из оригинал на 2014-01-12. Получено 2014-01-12.
  14. ^ а б c Гвинн Шотвелл (21 марта 2014). Трансляция 2212: специальный выпуск, интервью с Гвинн Шотвелл (аудиофайл). Космическое шоу. Событие происходит в 21: 25–22: ​​10 и 26: 25–27: 10. 2212. Архивировано с оригинал (mp3) на 2014-03-22. Получено 2014-03-22. наша цель - полный размер Raptor
  15. ^ «Долгосрочные планы по использованию космических аппаратов SpaceX». HobbySpace.com. Архивировано из оригинал на 2010-02-14. Получено 2009-07-13.
  16. ^ а б c Леоне, Дэн (25 октября 2013 г.). «SpaceX может начать испытания двигателя, работающего на метане, на Стеннисе в следующем году». Космические новости. В архиве из оригинала на 2014-01-11. Получено 2013-10-26.
  17. ^ а б c d е ж Беллуссио, Алехандро Г. (07.03.2014). «SpaceX продвигает ракету на Марсе с помощью мощности Raptor». NASAspaceflight.com. Получено 2014-03-08.
  18. ^ «Начальник силовой установки SpaceX поднимает толпу в Санта-Барбаре». Pacific Business Times. 19 февраля 2014 г.. Получено 22 февраля 2014.
  19. ^ SpaceX проведет испытания ракетного двигателя на метане в Миссисипи, Сакраменто пчела, 22 апреля 2014 г. В архиве 29 апреля 2014 г. Wayback Machine
  20. ^ а б Беллуссио, Алехандро Г. (2016-10-03). «ITS Propulsion - Развитие двигателя SpaceX Raptor». NASASpaceFlight.com. Получено 2016-10-03.
  21. ^ Бергин, Крис (27.09.2016). "SpaceX раскрывает, что изменит правила игры на Марсе через план колонизации". NASASpaceFlight.com. Получено 2016-10-13.
  22. ^ Ричардсон, Дерек (27.09.2016). «Илон Маск демонстрирует межпланетную транспортную систему». Spaceflight Insider. Получено 2016-10-13.
  23. ^ Бергер, Эрик (2016-09-28). «Момент Маска на Марсе: дерзость, безумие, блеск - а может быть, все три». Ars Technica. Получено 2016-10-13.
  24. ^ «Обновления SpaceX - 10 декабря 2007 г.». SpaceX. 2007-12-10. Получено 2012-12-26.
  25. ^ "Руководство пользователя полезной нагрузки ракеты-носителя Falcon 9, 2009 г." (PDF). SpaceX. 2009. Архивировано с оригинал (PDF) на 2012-05-03. Получено 2013-03-08.
  26. ^ «SpaceX Test Fires Engine Prototype Engine for Astronaut Escape System». НАСА. 2012-02-01. Получено 2012-02-01.
  27. ^ «SpaceX готова к тесту на прерывание полета Crew Dragon». SpaceNews.com. 2020-01-13. Получено 2020-05-27.

внешняя ссылка