Что такого особенного в ракетном двигателе SpaceX Raptor с давлением в камере 300 бар?

Что позволяет двигателю Raptor иметь высокое давление в камере 300 бар? По сравнению с другими ракетными двигателями, которые были или которые сейчас находятся в эксплуатации, у него самое высокое давление в камере. Чем он отличается от других двигателей, и какие новые разработки были сделаны в этом двигателе?

Ответы (3)

Raptor представляет собой полнопоточный металоксовый двигатель с многоступенчатым сгоранием. В этом предложении много новых технологий.

  • Ступенчатое сгорание
    Топливо и/или окислитель воспламеняются для запуска турбины, которая вращает турбонасос, повышая давление подачи в камеру сгорания. Затем газы в турбине подаются в камеру сгорания, а не выбрасываются. Обычно через этот процесс проходит сторона, богатая топливом, но есть также двигатели с многоступенчатым сгоранием, обогащенные окислителем.

    Подробнее о ступенчатом сжигании в Википедии .

  • Полнопоточное ступенчатое сгорание
    Вся масса топлива в двигателях проходит через турбонасосы и/или турбины, прежде чем попасть в камеру сгорания. Это означает, что имеется турбонасос с высоким содержанием топлива и турбонасос с высоким содержанием окислителя.

  • Металокс
    Двигатель использует жидкий метан и жидкий кислород в качестве топлива. Для орбитальных ракет не использовались двигатели, работающие на метане.

Теперь большим сюрпризом из доклада IAC стало высокое давление в камере ракеты. Это дает множество преимуществ.

  • Размер: двигатель Raptor примерно такого же размера, как двигатель Merlin, но имеет в 3 раза большее давление в камере и в 3 раза большую тягу.
  • Давление: сопла де Леваля, используемые в ракетных двигателях, всасывают низкоскоростной газ под высоким давлением и преобразуют его в газ с более низким давлением и высокой скоростью. Чем лучше соотношение между давлением в камере и давлением на выходе, тем эффективнее двигатель.

Raptor имеет очень высокое давление в камере сгорания по сравнению с другими высокопроизводительными двигателями. Например , SSME имеет давление в камере ~ 20 МПа .

Что касается технологических разработок, уникальных для Raptor, ознакомьтесь с этой цитатой Илона Маска в его AMA.

Раньше компания разрабатывала новый металлический сплав, чрезвычайно устойчивый к окислению, для горячего, богатого кислородом турбонасоса, который работает при безумном давлении, питая главную камеру с давлением 300 бар. Все, что может гореть, сгорит. Кажется, мы держим это под контролем, так как турбонасос Raptor не показал эрозии при испытательных стрельбах, но еще есть возможности для оптимизации.

Ступенчатое сгорание с обогащением кислородом вряд ли можно назвать «технологической разработкой, уникальной для Raptor», у Советов десятилетиями были двигатели с многоступенчатым сгоранием, обогащенные кислородом.
Этот ответ содержит более полезную информацию по этой теме, а также видео в этом вопросе: youtu.be/4QXZ2RzN_Oo
@OrganicMarble да, сначала использовались на РД-270, но у него давление в камере 26,1 МПа по сравнению с Раптором 30 МПа. Может быть, этот новый металлический сплав, упомянутый Илоном Маском, имеет значение.
V@TJ Таразевиц это новый стойкий металлический сплав, в каких частях двигателя он используется, в турбонасосе, в главной камере сгорания, в них обоих, или также в других частях?
«Все, что может гореть, сгорит». Неспециалист не испытает боли, слез и пота от этого предложения. Сделать так, чтобы все, что должно гореть, было половиной работы, а вторая половина — заставить все, что не должно гореть, не гореть!

Одна очень простая вещь, исключительно высокий удельный импульс из-за высокого давления в камере.

Merlin 1D имеет давление в камере 97 атм и удельный атмосферный импульс 282 секунды. Раптор имеет атмосферный удельный импульс в подавляющем большинстве случаев 334 секунды (что похоже на сон). Предположим, что воображаемая ракета с Мерлин-1Д имеет Δ В 10000 м/с. Если бы Raptor был установлен на ракете, Δ В увеличится на 1843 м/с!

Это меняет жизнь SpaceX, и я очень сомневаюсь, что через два года что-то превзойдет исключительно высокий удельный импульс Raptor.

Обратите внимание, что SSME с более низким давлением в камере 20,64 МПа достиг ISP на уровне моря 366 с, поэтому вы можете захотеть квалифицировать, каким образом 334 с «мечтательны».
@NathanTuggy использовал Hydrolox, а не метан и LOX
Для ясности, когда я говорю «может захотеть пройти квалификацию», я имею в виду указать это в ответе . Комментарии преходящи.
@NathanTuggy, но ты не сказал, что хочешь пройти квалификацию
"так что вы можете хотеть квалифицировать каким образом" — я сделал .
@Raze, пожалуйста, включите информацию о Hydrolox в свой ответ. У меня тот же вопрос возник после прочтения фразы.

Большая проблема с двигателями SpaceX не в том, я С п . Соотношение тяги и массы , которое SpaceX получает, действительно важно.
T/M, возможно, более важен для доставки полезной нагрузки на LEO, чем я С п есть, а SpaceX устанавливает новые рекорды Т/М в своих проектах.

Merlin 1D имеет Т/М ≈ 200 . Raptor, вероятно, будет иметь T / M ≈ 400 . Ничто другое никогда не приближалось к достижению таких значений T/M.

Вы действительно должны объяснить , почему TWR, также известный как T/M, так важен для LEO; общепризнано, что это полезно для бустеров (по крайней мере, до определенного момента), но в меньшей степени для второй/третьей ступеней.
Я не видел каких-либо недавних спецификаций по тяге или массе ITS Raptor; у вас есть ссылка на это утверждение ≈ 400:1?
T/M не имеет значения для LEO. Это важно для =получения= LEO. Как только вы окажетесь на орбите, интернет-провайдер станет более важным. «Орбита — это 1/2 пути куда угодно». Энергетические потребности для перехода с поверхности на НОО огромны. Чем дольше вы добираетесь с поверхности до НОО, тем хуже становится. Таким образом, вы хотите добраться до НОО так быстро, как только смогут выжить ваши физические структуры. Следовательно, T/M так важен.
Задокументировано, что Merlin 1D имеет T/M около 200. Говорят, что Raptor обеспечивает в 3 раза большую тягу в том же физическом форм-факторе, что и Merlin. Это будет Т/М ~ 600. Но Раптору потребуется некоторое усиление, а значит, и дополнительная масса по сравнению с Мерлином. Следовательно, Raptor, скорее всего, будет стоить ~400, а не ~600 для T/M.
Я не уверен, что это долгосрочная цель, поскольку я ничего об этом не читал, но их краткосрочная цель (для ITS / BFR) — TWR 200 или выше. Я не думаю, что в ближайшее время они достигнут 400, я думаю, что 250 в среднесрочной перспективе разумно. (Помните, что у вас будет двигатель, который должен выдерживать в 3 раза более высокое давление, турбонасосы, которые могут подавать примерно в 2,5 раза больше веса и примерно в 3,5 раза больше объема при перепаде давления, в 3 раза превышающем предыдущий. При той же конструкции и без оптимизации он должен быть примерно в 10,5 раз больше веса турбонасоса.
Трубопровод должен быть немного меньше sqrt(3) в диаметре, то есть примерно в 2,5 раза перед турбонасосом и в 2,5 раза умноженный на 3 после турбонасоса в камеру сгорания. Стойки, которые соединяют двигатель с остальной частью ракеты, должны выдерживать умножение веса. Не хочу пускать пыль в глаза, но 400 - это слишком надуманно для текущего технологического этапа разработки. Есть сомнения, спрашивайте. (Кстати, я не коренной житель, поэтому мой английский немного хромает)
Что такого особенного в ракетном двигателе SpaceX Raptor с давлением в камере 300 бар?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v