Двигатели первой ступени spacex

Ракетные двигатели SpaceX — SpaceX rocket engines

С момента основания SpaceX в 2002 году компания разработала четыре семейства ракетных двигателей — Merlin , Kestrel , Draco и SuperDraco — и в настоящее время (с 2016 года) разрабатывает еще один ракетный двигатель: Raptor , а после 2020 года — новую линейку двигателей метокс. .

СОДЕРЖАНИЕ

История

За первые десять лет существования SpaceX компания разработала ряд жидкостных ракетных двигателей , и по крайней мере еще один такой же тип находится в стадии разработки. По состоянию на октябрь 2012 года каждый из разработанных на сегодняшний день двигателей — Kestrel , Merlin 1 , Draco и Super Draco — был разработан для первоначального использования в ракетах-носителях SpaceX — Falcon 1 , Falcon 9 и Falcon Heavy — или для капсулы Dragon. . Каждый основной двигатель, разработанный к 2012 году, был основан на керосине с использованием RP-1 в качестве топлива с жидким кислородом (LOX) в качестве окислителя, в то время как управляющие двигатели RCS использовали хранимые гиперголовые пропелленты .

В ноябре 2012 года на заседании Королевского авиационного общества в Лондоне, Великобритания, SpaceX объявила, что планирует разработать двигатели на основе метана для своих будущих ракет. В этих двигателях будет использоваться ступенчатый цикл сгорания для более высокой эффективности, аналогичной системе, используемой на двигателе НК-33 бывшего Советского Союза .

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

Двигатели на керосине

SpaceX разработала два двигателя на основе керосина до 2013 года, Merlin 1 и Kestrel, и публично обсудила гораздо более крупный концептуальный двигатель высокого уровня под названием Merlin 2 . Merlin 1 приводил в действие первую ступень ракеты-носителя Falcon 1 и используется как на первой, так и на второй ступенях ракет- носителей Falcon 9 и Falcon Heavy . Вторая ступень Falcon 1 была оснащена двигателем Kestrel.

Мерлин 1

Merlin 1 — это семейство ракетных двигателей LOX / RP-1, разработанных в 2003–2012 годах. Мерлин 1A и Мерлин 1B используются в аблативном охлажденное углеродном волокне композитного сопло. Мерлин 1A произвел 340 кН (76000 фунтов _F ) тяги и используется для питания первого этапа первых двух Фалькон 1 полетов в 2006 и 2007 годах Мерлин 1B имел несколько более мощный турбо-насос , и генерируется больше тяги, но никогда не летал на летательном аппарате до перехода SpaceX на Merlin 1C.

Merlin 1C был первым в семье , чтобы использовать регенеративное охлаждение сопла и камеры сгорания. Впервые он был запущен на полную боевую мощность в 2007 году, впервые вылетел в рамках третьей миссии Falcon 1 в августе 2008 года, приведя в действие «первую частную ракету на жидком топливе, успешно вышедшую на орбиту» ( Falcon 1 Flight 4 ) в сентябре 2008 года. , и впоследствии обеспечивал первые пять полетов Falcon 9, каждый из которых выполнялся на ракете-носителе Falcon 9 версии 1.0, с 2010 по 2013 год.

Двигатель Merlin 1D , разработанный в 2011–2012 годах, также имеет сопло и камеру сгорания с регенеративным охлаждением. Он имеет тягу в вакууме 690 кН (155000 фунтов силы), удельный импульс вакуума (I _sp ) 310 с, повышенную степень 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%. Отношение тяги к массе двигателя 150: 1 является самым высоким из когда-либо достигнутых для ракетных двигателей. Первый полет двигателя Merlin 1D был также первым полетом Falcon 9 v1.1 . 29 сентября 2013 года 6 Фалькон 9 Flight миссия успешно запущена Канадское космическое агентство «s Cassiope спутник на полярную орбиту, и доказала , что Merlin 1D может быть перезапущен для контроля повторного входа в спине первой ступени в атмосфере-часть Программа летных испытаний многоразовой системы запуска SpaceX — необходимый шаг на пути к созданию многоразовой ракеты.

Пустельга

Kestrel был ракетным двигателем LOX / RP-1 с питанием под давлением и был разработан SpaceX в качестве главного двигателя второй ступени ракеты Falcon 1. Он был построен примерно в то же игольчатый архитектуры как двигатель Merlin SpaceX, но не имеет турбо-насос , и подается только давление в резервуаре . Его сопло имеет абляционное охлаждение в камере и радиационное охлаждение в горловине и изготовлено из высокопрочного ниобиевого сплава. Управление вектором тяги обеспечивается электромеханическими приводами на куполе двигателя по тангажу и рысканью. Управление по крену и ориентация во время фазы выбега обеспечивается двигателями, работающими на холодном гелиевом газе .

Двигатели на основе метана

В ноябре 2012 года на сцену вышли двигатели , работающие на металоксе, когда генеральный директор SpaceX Илон Маск объявил о новом направлении развития силовых установок компании: разработке ракетных двигателей на метане / LOX . Работа SpaceX над двигателями на основе метана / LOX (металокса) строго направлена ​​на поддержку программы развития технологий Mars. У них не было планов построить двигатель верхней ступени для Falcon 9 или Falcon Heavy с использованием металоксового топлива. Однако 7 ноября 2018 года Илон Маск написал в Твиттере: «Вторая ступень Falcon 9 будет модернизирована до уровня мини-корабля BFR», что может подразумевать использование двигателя Raptor на этой новой второй ступени. В центре внимания новой программы разработки двигателей находится исключительно полноразмерный двигатель Raptor для марсианской миссии.

Raptor

Raptor — это семейство ракетных двигателей на метане и жидком кислороде, разрабатываемых SpaceX с конца 2000-х годов, хотя смесь топлива LH2 / LOX изначально изучалась, когда работа по разработке концепции Raptor началась в 2009 году. Когда SpaceX впервые упомянул этот термин в 2009 году, термин «Раптор» применялся исключительно в концепции двигателя верхней ступени. В октябре 2013 года компания SpaceX обсуждала, что они намерены создать семейство ракетных двигателей Raptor на основе метана, первоначально заявив, что двигатель будет развивать тягу в вакууме 2,94 меганьютона (661 000 фунтов силы). В феврале 2014 года они объявили, что двигатель Raptor будет использоваться на Mars Colonial Transporter . Бустер будет использовать несколько двигателей Raptor, аналогично использованию девяти Merlin 1 на каждом ядре бустера Falcon 9 . В следующем месяце SpaceX подтвердила, что по состоянию на март 2014 года все работы по разработке Raptor ведутся исключительно на этом одном очень большом ракетном двигателе, и что в текущих разработках не было двигателей Raptor меньшего размера.

В двигателе Raptor, работающем на метане / LOX, используется высокоэффективный и теоретически более надежный полнопоточный ступенчатый цикл сгорания , отход от системы открытого цикла газового генератора и пропелленты LOX / керосин, используемые в двигателях текущей серии Merlin 1. По состоянию на февраль 2014 года предварительные проекты Raptor предусматривали создание тяги в 4,4 меганьютона (1000000 фунт-сил) с удельным импульсом вакуума (I _sp ) 363 секунды (3,56 км / с) и I _sp на уровне моря 321 секунда ( 3,15 км / с), хотя размеры более поздних концептов были ближе к 2,2 МН (500000 фунтов силы).

Первоначальное тестирование технологии Raptor на уровне компонентов началось в мае 2014 года с испытания элемента форсунки. Первый полный двигатель разработки Raptor, размер которого составляет примерно одну треть от размера полномасштабных двигателей, запланированных для использования на различных частях звездолета, с тягой примерно 1000 кН (220 000 фунтов _силы ), начал испытания на наземном испытательном стенде в сентябре. 2016. Испытательное сопло имеет степень расширения всего 150, чтобы исключить проблемы с разделением потока во время испытаний в атмосфере Земли.

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 находиться в газовой фазе, прежде чем попадут в камеру сгорания . До 2016 года только два полнопоточных ракетных двигателя ступенчатого внутреннего сгорания были достаточно развиты, чтобы их можно было испытать на испытательных стендах: советский проект РД-270 в 1960-х годах и демонстрационный проект силовой установки Aerojet Rocketdyne Integrated в середине 2000-х годов, который не прошел. протестируйте двигатель в целом, а не только силовую головку.

Предполагается, что другие характеристики полнопоточной конструкции позволят еще больше повысить производительность или надежность с возможностью компромисса друг с другом при проектировании:

• исключая топливо-окислитель турбины Interseal , который традиционно является точка отказа в современных химических ракетных двигателях
• 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 те же характеристики, что и у стандартного ступенчатого двигателя внутреннего сгорания, но с гораздо меньшей нагрузкой на материалы, что значительно снижает усталость материала или вес [двигателя]». «

Подруливающее устройство Methox

SpaceX разрабатывает двигатели с газообразным метоксом, которые будут использовать газообразный метан и газообразный кислород, а не топливо из жидкого метана и жидкого кислорода (металокса), которые используются в двигателе Raptor.

В своем объявлении о межпланетной транспортной системе (ITS) на 67-м Международном астронавтическом конгрессе 27 сентября 2016 года Илон Маск указал, что все двигатели системы управления реакцией для ITS (впоследствии переименованного в Starship ) будут работать на газообразном метане и кислороде. поставки в каждый из этих транспортных средств, и что для этой цели будут разработаны новые подруливающие устройства.

К 2020 году планировалось разместить один комплект двигателей RCS с высокой тягой в средней части корпуса Starship HLS для лунной посадки варианта Starship и использовать его на последних «десятках метров» любого конечного лунного спуска и посадки, поскольку а также используется для ухода с поверхности Луны. Конструкция средней части корпуса предназначена специально для решения проблемы эрозии лунной поверхности и образования пыли по всей Луне из-за использования двигателей Raptor, расположенных в основании Starship.

Гиперголические двигатели

Драко

SuperDraco

Гиперголические двигатели SuperDraco с хранимым топливом вырабатывают 67 000 ньютонов (15 000 фунт-сил) тяги, что делает SuperDraco третьим по мощности двигателем, разработанным SpaceX, более чем в 200 раз более мощным, чем обычные двигатели Draco RCS. Для сравнения, он более чем в два раза мощнее двигателя Kestrel, используемого во второй ступени ракеты-носителя Falcon 1 компании SpaceX, и составляет примерно 1/9 тяги двигателя Merlin 1D . Они используются в качестве двигателей системы прерывания запуска на SpaceX Dragon 2 для транспортировки экипажа на низкую околоземную орбиту .

Источник

SpaceX провела испытания основного двигателя первой ступени своей тяжелой ракеты

Компания SpaceX в течение 4 последних лет обещает произвести запуск своей тяжелой ракеты Falcon Heavy. И похоже, мы дождались. На днях компания опубликовала в «Твиттере» видео, которое может говорить о том, что эта система практически готова для своего первого полета. На видео можно увидеть, как происходит статичный тест основного двигателя первой ступени Falcon Heavy на испытательном полигоне в городе Макгрегор, что в Техасе, США. Испытания проходили в конце прошлой недели.

Ракета-носитель Falcon Heavy по своей сути представляет собой усиленную версию Falcon 9 с увеличенной мощностью. В совокупности эта мощность приблизительно равна мощности трех основных ступеней обычной Falcon 9 собранных вместе. Заявленные показатели позволяют трем ускорителям первой ступени генерировать больше тяги и в целом повышают грузоподъемность ракеты-носителя. В SpaceX отмечают, что на настоящий момент Falcon Heavy будет способна вывести на околоземную орбиту более 22 000 килограммов полезной нагрузки. В идеале же тяжелая версия сможет выводить на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку массой до 63,5 тысяч килограммов. А при запусках к Марсу ее грузоподъемность будет составлять порядка 17 тысяч килограммов. В следующем году компания планирует использовать Falcon Heavy для пилотируемого полета вокруг Луны (полетят два частных лица, информация о которых пока не разглашается). К Марсу Falcon Heavy должна будет отправиться в 2020 году.

Как указывает сам Илон Маск, мощность двух боковых ускорителей основной ступени Falcon Heavy практически эквивалентна мощности ускорителя обычной Falcon 9, однако третий ускоритель тяжелой версии обладает повышенной тягой, а также использует «дополнительное оборудование». Другими словами, главный ускоритель у Falcon Heavy только один, а остальные два используются в качестве вспомогательных.

Несмотря на то, что Falcon Heavy внешне очень похожа на свою более компактную версию Falcon 9, обе ракеты-носителя очень разные. И видимо, проходивший на прошлой неделе тест основного двигателя Falcon Heavy оказался весьма важным с точки зрения проверки его эксплуатационных и технических характеристик.

Для поклонников SpaceX новость об испытаниях должна стать хорошим поводом для радости. Ведь впервые Маск еще в 2011 году пообещал, что дебют Falcon Heavy состоится в 2013-м. С тех пор первый запуск многократно переносился, а несколько произошедших неприятных инцидентов сильно отодвинули на задний план ожидаемый старт. Прямо сейчас SpaceX нацелена на беспилотный запуск Falcon Heavy в конце лета. Старт ракеты-носителя будет происходить со стартового комплекса Launch Pad 39A. Напомним, что с этого исторического места в Космическом центре Кеннеди производился пилотируемый запуск к Луне. Факт проведенных испытаний основного ускорителя ракеты может являться отличным признаком того, что запуск может случиться именно в то время, на которое он (в настоящий момент) запланирован.

Источник

Как тебе никакое, Илон Маск? Почему у США нет своего ракетного двигателя

Компания SpaceX Илона Маска подала в суд на Военно-воздушные силы США и требует отменить результаты тендера по созданию замены российскому ракетному двигателю РД-180. Почему США никак не построят свой аналог и чего добивается SpaceX?

США вот уже более 20 лет используют в своей космической программе российские ракетные двигатели РД-180, у которых нет аналогов в мире. Перейти на лучшие в мире жидкостные двигатели американцам пришлось после официального закрытия программы Space Shuttle и из-за отсутствия собственных разработок.

Разумеется, подобная ситуация не может быть вечной, и США с тех пор ведут собственные разработки аналогов. Однако пока они существуют в виде чертежей и прототипов, а правительство США всеми силами старается избавиться от зависимости и выделяет деньги на опытно-конструкторские работы и испытания.

SpaceX при этом уже получала финансовую поддержку на свои разработки грузовиков Dragon и других космических новинок. В то же время компания неожиданно проиграла тендер на создание аналога российскому РД-180. Победителем вышла компания United Launch Alliance (ULA) — совместное предприятие Lockheed Martin и Boeing. ULA обещает построить свои ракеты-носители вместе с двигателями к 2021 году, а SpaceX уверяет, что может успеть раньше. А значит, и деньги должны принадлежать ей, а не конкурентам.

Драка за двигатель

О поданном в Федеральный суд США иске SpaceX против ВВС США сообщило в четверг агентство Reuters. В иске компания отмечает, что тендер на 2,3 млрд долларов по созданию американского аналога двигателя РД-180 должен быть объявлен вновь из-за нарушения контрактных правил со стороны ВВС США.

SpaceX полагает, что состоявшийся в 2018 году тендер нечестно распределил эти 2,3 млрд долларов между компаниями-конкурентами. Так, наибольшую долю финансирования получила ULA — 967 млн долларов. Компания Blue Origin Джеффа Безоса получила 500 млн долларов, а корпорация Northrop Grumman — 791,6 млн. SpaceX же не получила ничего, хотя считает себя лидером по разработке космических технологий.

В своей жалобе компания Space Exploration Technologies Corp заявила, что были заключены контракты на три «не построенные и никогда не летавшие» ракетные системы, которые не будут готовы к полётам в установленные правительством сроки, что «нанесёт ущерб целям», намеченным в программе ВВС,

— сообщает Reuters со ссылкой на содержание иска.

Фото: www.globallookpress.com

Три победителя тендера получили финансирование на создание своих ракет с соответствующими двигателями. ULA строит тяжёлую ракету Vulcan, Northrop Grumman — ракету OmegA, Blue Origin — ракету New Glenn. SpaceX отмечает, что ВВС США нарушили контрактные условия по пяти пунктам, не предоставив компании Илона Маска возможности конкурировать с победителями конкурса. Все три компании уже заявили, что намерены участвовать в судебной тяжбе, так как иск напрямую затрагивает их коммерческие интересы.

Стоит отметить, что SpaceX и ULA — злейшие конкуренты. Как напоминает Reuters, SpaceX уже пыталась навредить деятельности ULA. В 2014 году компания Илона Маска подала в суд из-за контракта ВВС США на 36 млрд долларов на 36 ракетных запусков компанией ULA. Самое интересное было потом: до открытой драки за правительственные контракты так и не дошло, потому что ВВС в итоге сертифицировали SpaceX на пуски в интересах национальной безопасности, что тогда удовлетворило компанию.

Таким образом, на наших глазах в США разворачивается корпоративная борьба за то, кто в итоге будет официальным создателем американской замены РД-180. Компанию Маска в чём-то можно понять: за последние годы она построила космический грузовик Dragon, который успешно летал на МКС, запускала ракету-носитель Falcon и даже придумала, как возвращать её первую ступень на плавучую платформу. Конкуренты же пока такими достижениями похвастаться не могут.

На чём летают американцы?

Россия и США заключили первый контракт на поставку 101 двигателя РД-180 ещё в далёком 1997 году. С тех пор соглашение продлялось, так как американцы никак не могут сделать ничего, что могло бы сравниться с нашей разработкой. РД-180 используются в США на ракетах Atlas V, первая ступень которых в полёте отделяется и падает в океан. Наличие РД-180, которые использует ULA, до сих пор позволяет ей на равных конкурировать со SpaceX, у которой есть не такие мощные и надёжные двигатели Merlin собственной разработки.

Фото: www.globallookpress.com

На первую ступень Atlas V ставится просто один российский РД-180, тогда как более-менее схожего эффекта для своей ракеты-носителя Falcon SpaceX добивается компоновкой сразу нескольких двигателей Merlin — на «соколе» Маска стоят сразу девять маршевых двигателей Merlin 1D+, которые используют керосин в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя, как и российский двигатель.

Однако характеристики «мерлинов» далеки от того, что показывает российский космический «мотор»: тяга РД-180 в вакууме составляет 423,4 тонна-силы, а у Merlin 1D+ — всего 78 тонна-силы. Важно отметить и тот момент, что РД-180 сконструирован для многоразового использования, тогда как ULA просто топит в океане каждый новый российский двигатель вместе с первой ступенью, а SpaceX только-только изобрела способ возвращения первой ступени своей ракеты на плавучую платформу.

На что же тогда делает ставку Илон Маск? SpaceX сейчас продолжает работу над двигателем Raptor. 11 февраля 2019 года Маск сообщил в Twitter, что Raptor во время испытания впервые смог превзойти РД-180 по уровню давления в камере сгорания — оно достигло 274,2 килограмм-силы на кв. см против 261,7 кгс у РД-180.

Однако тогда «Энергомаш» напомнил, что российский двигатель сертифицирован с запасом как минимум в 10% мощности, тогда как для Raptor нынешние показатели являются, вероятно, предельными. Главное также состоит в том, что Raptor — это всё же прототип, а не реально существующий двигатель, и доводить его до ума, стабилизировать характеристики, испытывать в разных условиях и при разных нагрузках инженерам SpaceX предстоит ещё долго.

Свой аналог РД-180 создаёт и компания Blue Origin. Он получил название BE-4. Ожидается, что он будет иметь тягу в 249,5 тс, что больше, чем Merlin от SpaceX, но почти в два раза меньше, чем у РД-180.

Долгий путь

На самом деле, несмотря на все разработки, американцам предстоит проделать сложную работу. Если вернуться вновь к тому, что делает SpaceX, то нельзя не отметить ещё несколько интересных разработок. Компания уже построила целую линейку двигателей Draco, которые используются на «грузовиках» Dragon (18 двигателей) для управления и ориентации в космосе. Также Draco устанавливались на вторую ступень носителей Falcon и включались тогда, когда на первой ступени уже отработали двигатели Merlin.

Фото: www.globallookpress.com

SpaceX также построила двигатель SuperDraco, который должен использоваться в пилотируемых полётах в космос на корабле Crew Dragon. Задача двигателя — резко отстрелить и увести в сторону капсулу с астронавтами в случае возникновения нештатной ситуации. При помощи SuperDraco Илон Маск даже планировал мягко и плавно приземлять спускаемый аппарат с астронавтами в заданном районе.

Но реальность оказалось другой: во время испытаний двигателя SuperDraco в конце апреля 2019 года произошёл взрыв, который уничтожил спускаемый аппарат корабля Crew Dragon. Планы SpaceX провести уже в этом году первый пилотируемый полёт сорвались, и компания оказалась отброшена в работах по этой программе на несколько лет назад. Но самое страшное для США заключается в том, что эти испытания похоронили и надежды американцев на скорое обретение собственных средств доставки астронавтов на МКС: им придётся по старинке пользоваться нашими «Союзами», покупая «билеты» по цене около 83 млн долларов за одно астронавто-место.

Важно также и то, что все успешные и провальные разработки SpaceX — это маневренные двигатели, а вовсе не маршевые гиганты вроде РД-180. Да и с маневренными, как мы видим, есть большие проблемы. Что же касается маршевых, то ULA проводит запуски в интересах США, включая даже спутники связи и слежения, только лишь с помощью РД-180. Потому что этот двигатель надёжен и зарекомендовал себя десятилетиями.

Нынешняя ситуация с контрактами на создание американского аналога РД-180 в США печальна. Несколько компаний в буквальном смысле грызутся за контракты от правительства и мешают друг другу жить, пытаясь урвать кусок пожирнее и навредить конкуренту. Возможно, именно из-за отсутствия единой государственной программы, единого управления опытными и конструкторскими работами, а также из-за наличия «волчьих» корпоративных интересов и стремления к обогащению отдельно взятых и без того не бедных менеджеров США по-прежнему всё ещё отстают от России в технологиях космических кораблей и ракетных двигателей.

Источник