Почему конструкция SpaceX Raptor настолько проста по сравнению с SSME?

Я бы не стал делать какие-либо выводы только на основе диаграмм, SSME очень хорошо известен широкой публике, поэтому у нас есть более подробная диаграмма. Это не означает, что реальный двигатель более или менее сложен, потому что многие вещи не показаны на диаграммах. Чтобы подтвердить мою точку зрения, вот более новая схема Raptor, нарисованная инженером-двигателем Елисеем Масловым , который восстанавливает реальную схему из любой информации, которую он может найти:

Здесь много вопросов, давайте сначала рассмотрим эти два:

4. И последнее, но не менее важное: какое решение предлагает SpaceX для насыщенной кислородом среды при 377 бар, инжектор 748K и 546бар, предварительная горелка 811K?

2. Кислородный насос Raptor расположен непосредственно над основной камерой сгорания, а два насоса SSME находятся на противоположных сторонах основной камеры сгорания. Почему SSME не может использовать аналогичную конфигурацию с кислородным насосом предварительной горелки сверху и выпуском кислородной крыльчатки высокого давления непосредственно над основной камерой сгорания?

Космический шаттл впервые поднялся в воздух в 1981 году. Еще в 1970-х годах, когда он проектировался, американцы не пытались построить двигатели внутреннего сгорания, обогащенные кислородом, поскольку предполагали, что не существует сплава, способного выдержать такие условия. Это фактически помешало американцам разработать керосиновые двигатели с ступенчатым сгоранием, поскольку керосиновый двигатель с ступенчатым сгоранием с высоким содержанием топлива будет страдать от закоксовывания.

В 1990-х годах, после распада Советского Союза, американцы получили в свои руки несколько старых двигателей НК33 и обнаружили, что Советы решили проблему материалов для сжигания с высоким содержанием кислорода в 1960-х годах! Таким образом, Советы смогли использовать ступенчатое сжигание керосина, как в РД170 советской тяжелой ракеты-носителя «Энергия» (на которой советский шаттл «Буран» совершил свой единственный космический полет в 1988 году, прежде чем развал Советского Союза привел к исчезновению бюджета) и его производная РД180 (которая была продана в США) (источник: Википедия )

Следуя этому советско-российскому опыту, SpaceX разработала собственные сплавы, которые, скорее всего, очень дороги и с которыми сложно работать.

Поэтому кислородный насос, вероятно, находится в верхней части камеры сгорания, чтобы кислородный путь был как можно короче. Это означает, что Raptor — очень высокий двигатель. Похоже, что сопло составляет менее половины общей длины, тогда как в большинстве других двигателей уровня моря оно составляет более половины. Я не уверен, как SpaceX предлагает установить Raptor, но если они используют верхнее крепление, как двигатель космического челнока, это сопло будет качаться в горизонтальном направлении всего за несколько градусов карданного подвеса! Возможное решение - установить двигатель внутри кольцевого карданного подвеса. Я предполагаю, что разработчики главного двигателя космического челнока, которые работали с циклом обогащения топливом, решили разместить насосы рядом с камерой сгорания, чтобы двигатель был коротким и чтобы ему не требовалось слишком много места для поворота.

Кроме того, как отмечено в презентации Stanford SSME, ссылка на которую приведена ниже, расположение турбонасосов на SSME делает их легко заменяемыми. Кислородный турбонасос был сложным, из соображений безопасности имел уплотнение, продуваемое гелием, между турбиной, богатой топливом, и кислородным насосом. Водородный турбонасос был сложным, потому что требовалось несколько ступеней для достижения приличного давления при перекачивании жидкости с наименьшей плотностью.

Работа с турбонасосом Raptor невозможна без снятия двигателя с автомобиля. Однако он специально разработан для обеспечения долговременной надежности. Одной из причин, по которой SpaceX выбрала ступенчатое сгорание с полным потоком, было упрощение уплотнений турбонасоса, когда каждая турбина работает на газовой смеси, совместимой с перекачиваемой жидкостью.

3.Почему Raptor предпочитает использовать выброс метана из топливного насоса вместо задней части контура охлаждения сопла для использования в обогащенной кислородом предварительной горелке, поскольку последняя является сверхкритической жидкостью (метан становится сверхкритическим при давлении 45,99 бар). и 190,56K) и имеет лучшее сгорание, чем первый, который является настоящей жидкостью?

Вероятно, это сделано для улучшения контроля и дросселирования. Настоящая жидкость имеет определенную плотность, и поэтому ее легче измерить, чем сверхкритическую жидкость, плотность которой зависит от давления и температуры.

1. У Raptor нет топливного или кислородного насоса низкого давления...

Я должен согласиться с Johneye в том, что мы не можем делать слишком много выводов о том, насколько сложным является двигатель, исходя из чертежа, поскольку это зависит от того, сколько деталей показано. Одна вещь, которую мы можем видеть, однако, состоит в том, что у SSME есть эти насосы LP. Я не думаю, что Raptor особенно необычен в том, что у них их нет. RS68 (ближайший родственник SSME) имеет только одновальные турбонасосы, см. стр. 3 http://www.rocket-propulsion.info/resources/articles/PropulsionForThe21stCentury-RS-68.pdf .

Обратите внимание, что Raptor, вероятно, имеет несколько ступеней на одном валу , чтобы получить необходимое давление. На чертеже в ОП показаны 2 ступени на одном валу метанового насоса.

Что отличает SSME, так это то, что в нем используются отдельные бустерные насосы с более низким числом оборотов на отдельных валах. Причина этого заключается в том, чтобы избежать кавитации, которая возникает, когда жидкость вблизи точки кипения перемешивается так, что образуются пузырьки, а затем схлопываются. Дополнительной мерой предосторожности является использование трубопроводов большого диаметра. Казалось бы, эти насосы с низкими оборотами не связаны с двигателем. Вместо этого они были закреплены и питались трубопроводом большого диаметра. Слив из них затем подавался в шарнирный канал меньшего диаметра, а оттуда в основные насосы под достаточно высоким давлением, чтобы избежать кавитации. См. стр. 18 этого PDF-файла из Стэнфорда .

Есть несколько причин, по которым Spacex может не понадобиться использовать это решение:

• Не каждый другой движок использует его (на самом деле их мало).
• SpaceX любит переохлаждать топливо для увеличения плотности, но это также снижает кавитацию.
• По крайней мере, половина Raptors на Starship и большинство двигателей на Super Heavy Booster не имеют карданного подвеса, поэтому нет проблем с обеспечением их впускным трубопроводом большого диаметра. Возможно, SpaceX действительно использует насосы низкого давления на двигателях с карданным подвесом.

И последнее замечание: для меня остается загадкой, зачем SSME понадобился кислородный насос низкого давления. Кислород хранился в верхней части внешнего резервуара и должен был находиться под гидростатическим давлением в несколько бар из-за силы тяжести / тяги на входе в двигатель. С другой стороны, водород хранился внизу, поэтому гидростатическое давление было бы небольшим.

Движок SSME использует весьма растянутую последовательность запуска начальной загрузки. На Raptor метод не ясен, но последний рисунок, похоже, показывает раскручивание газа гелия. Наверняка последовательность запуска двигателя очень быстрая. но я не думаю, что Spacex будет использовать труднодоступный газ. Гораздо более вероятно, что будет использовано давление в баке и соответствующее топливо.