跳转到内容

猛禽火箭发动机

维基百科，自由的百科全书
猛禽火箭发动机
在加利福利亚霍桑的SpaceX工厂外准备运输的1代猛禽发动机
原产国美国
制造者SpaceX
用途多级火箭 和 深空 推进
相关产品SpaceX星舰
现状服役
液态火箭发动机
推进剂液氧 / 甲烷
混合比3.6 (78% O2, 22% CH4) [1][2]
系统全流量分级燃烧循环
泵2 涡轮泵
构造
燃烧室1
喷管面积比
  • 34.34 (海平面),[3]
  • 80 (真空)[4]
性能
推力1代: 185 tf（1.81 MN；408,000 lbf）[5]
2代:
  • 230 tf（2.26 MN；507,000 lbf）[6]
    (海平面)
  • 258 tf（2.53 MN；569,000 lbf）[7] (真空)
3代: 280 tf（2.75 MN；617,000 lbf）
推重比1代: 88.94

2代: 141.1

3代: 183.6
燃烧室压力350 bar（5,100 psi）
比冲（真空）380 s（3.7 km/s）[8]
比冲（海平面）327 s（3.21 km/s）[9]
流量
  • ~650 kg/s (1,433 lb/s):[10]
    • ~510 kg/s (1,100 lb/s), O2[11]
    • ~140 kg/s (310 lb/s), CH4[11]
燃烧时间不固定
尺寸
长度3.1米（10英尺）[12]
直径1.3米（4英尺3英寸）[13]
净重1代: 2,080千克（4,590磅）

2代: 1,630千克（3,590磅）

3代: 1,525千克（3,362磅）

猛禽发动机（英语：Raptor）是SpaceX正在研发和制造的火箭引擎系列，为世界上第三种被设计，且第一种被用于飞行的全流量分级燃烧火箭发动机。[14]其采用液态甲烷与液氧作为推进剂（也被称为液氧甲烷）。

SpaceX的重型运载火箭星舰在其超级重型助推器和星舰飞船中使用猛禽发动机。[15]星舰的任务包括将载荷运送至地球轨道，以及未来计划的月球和火星任务。猛禽发动机的推力大约是SpaceX用于猎鹰九号的默林1D发动机的三倍。其被设计可在少量维护后重复使用。[16]

开发历史

[编辑]

构思及初步设计

[编辑]

SpaceX的默林火箭发动机和Kestrel火箭发动机使用RP-1和液氧的组合。而猛禽发动机的推力约为SpaceX的Merlin 1D发动机的三倍，后者为猎鹰9号和猎鹰重型运载火箭提供动力。

一个名为“猛禽”的先进火箭发动机设计项目由SpaceX的Max Vozo于2009年的美国航空航天学会商业载人及货物研讨会上首次公开进行讨论。当时SpaceX有数名员工正在研究猛禽发动机的可行性，但并没有将其放于重要开发项目[17]，而猛禽发动机当时计划使用液氧及液氢作为推进剂。2011年，该计划的相关详情在被披露[18]。2012年3月，有新闻报道指出猛禽发动机正进行开发，但没有相关细节被公开[19]。

2012年10月，SpaceX公开宣布新开发的火箭发动机的概念及设计，并指出此发动机的推力将会是梅林1系列的发动机的数倍，并且将不会使用RP-1作为推进剂，但没有公开表示使用什么燃料作为取代品[20]。他们表示，相关新型火箭发动机的详细资讯将于“未来一至三年内”公布，并指出此发动机将用于下一代大型运载火箭，能向地球低轨道发射150至200吨的有效载荷，远远超越NASA的太空发射系统。

研发过程

[编辑]

2012年11月，马斯克宣布了SpaceX推进部门的新方向，即向开发甲烷燃烧的火箭发动机方向发展。他进一步表明，猛禽发动机的概念将成为基于甲烷燃料的设计，甲烷将是SpaceX计划火星殖民的首选燃料。由于火星地下有和大气中有二氧化碳，甲烷（一种简单的碳氢化合物）可以轻松地通过萨巴捷反应在火星上合成[21]。NASA已经研究了火星上的就地资源利用，并发现其对氧气、水和甲烷的生产是可行的。

当SpaceX在2009年首次提到"猛禽(Raptor)"这个词时，它专门指的是一个上级发动机概念，并且2012年的声明表明，它仍然是一个上级发动机的概念。但是到2014年初，SpaceX确认"猛禽"将被用于新的第二级，以及全新大型（当时的直径为10米）火星殖民运输器的核心（后来在2016年用于星际运输系统的两个级别，然后在2017年用于大猎鹰火箭)。

在2012年11月公开的信息表明，SpaceX可能设计了一系列以Raptor为名的火箭发动机；这一点在2013年10月由SpaceX确认。然而，2014年3月，SpaceX首席运营官格温·肖特威尔澄清说，新发动机开发计划的重点完全在全尺寸Raptor发动机上；在通往非常大的Raptor发动机的开发路径上，并没有计划生产较小的亚尺度甲烷发动机。

2013年10月，SpaceX宣布将在NASA的史坦尼兹太空中心进行猛禽发动机组件的甲烷发动机测试，SpaceX将向现有的测试架基础设施添加设备，以支持液态甲烷和热气态甲烷发动机组件测试[22][23]。2014年4月，SpaceX完成了对斯坦尼斯测试架的必要升级和维护，以准备进行猛禽发动机组件的测试，并已经开始了发动机组件测试计划，重点是开发强大的启动和关闭程序。在斯坦尼斯的组件测试还允许硬件验证。

SpaceX在2014年成功开始了喷嘴的开发测试，并在2015年完成了全功率下的全尺寸氧预燃器测试。从2015年4月至8月，进行了76次预燃器的点火试验，并总计有约400秒的测试时间。SpaceX在2014年和2015年完成了使用NASA斯坦尼斯设施的计划测试。

2016年1月，美国空军向SpaceX授予了一项价值3360万美元的开发合同，以开发一种用于猎鹰9号和猎鹰重型上级阶段原型版本的猛禽发动机原型。

第一版的设计目标是使其室压达到250巴（25兆帕斯卡；3,600磅力每平方英寸）。[24] 截至2022年7月，室压已在测试中达到300巴。[25] 2024年4月，马斯克分享了SpaceX通过Raptor 1发动机（海平面185 tf, Rvac 200 tf）和Raptor 2发动机（海平面230 tf, Rvac 258 tf）取得的性能，并公布了即将推出的Raptor 3的目标规格（海平面280 tf, Rvac 306 tf）[26][27] 并表示SpaceX最终目标是实现海平面助推器引擎的推力超过330吨。[28]

Raptor 1和2发动机需要使用热屏蔽来保护管道和电缆免受高速大气再入的热量影响，而Raptor 3的设计则不需要外部热屏蔽。[29]

测试

[编辑]

生产

[编辑]

发动机设计

[编辑]
猛禽火箭发动机燃烧过程原理示意图
猛禽火箭发动机的简化图

猛禽火箭发动机采用液态甲烷[30]与液氧作为推进剂[31]，而非猎鹰9号运载火箭所使用的煤油/液态氧。更早的猛禽火箭发动机设计中计划采用液态氢作为燃料，而不是甲烷[32]。

猛禽火箭发动机将有着数倍于默林真空1D发动机的推力。 更广义上的猛禽火箭发动机概念是一款高可重用性的甲烷分级燃烧发动机，用于SpaceX的下一代用于火星探索与殖民的运载火箭[33] 。根据伊隆·马斯克的说法，这个设计将能够达到完全复用的目标，并能让太空飞行的开销降低两个数量级[34]。

猛禽火箭发动机采用了复杂的全流量分级燃烧循环， 氧化剂和燃料分别由各自的动力涡轮机供压，部分推进剂通过管道互相交换，分别燃烧驱动涡轮机。这种设计下，涡轮机的工作温度更低，因而发动机的寿命得到延长，效率也更高。而且燃烧室的压力可以更大，支持更大的比冲。由于氧气预燃室的富氧气体高压高温，SpaceX研发了SX500合金，用于建造于氧气预燃室。[35]

所有猛禽发动机的发动机点火，无论是在测试台上还是在空气中，都将通过火花进行点火，这将使猛禽发动机无需猎鹰9号和猎鹰重型发动机上用于点火的三乙基铝-三乙基硼烷（TEA-TEB）。

电脑模拟技术

[编辑]

猛禽火箭发动机的开发大量使用电脑模拟技术，并利用图形处理器通用计算技术加速，使开发成本降低，预先发现发动机燃烧不稳定性等问题，和测试在地面不容易复制环境的状态。[36] [37]

发动机版本

[编辑]

猛禽真空发动机

[编辑]

猛禽发动机 第一代

[编辑]

猛禽发动机 第二代

[编辑]

猛禽发动机 第三代

[编辑]

2023年5月，马斯克表示猛禽发动机成功通过一次45秒静态点火测试并录得点燃室压力350 bar（5,100 psi），产生269吨推力。[38]

测试

[编辑]

全箭的测试始于子系统级，与大多数运载火箭一样，采用火箭发动机部件测试，然后在地面测试设施中测试完整的火箭发动机。猛禽发动机的部件级测试于2014年5月开始[39]，2016年9月首次进行全发动机测试。[40]截至2017年9月，开发中的猛禽发动机在42个主要地面试验台上进行了共计1200秒的发动机点火测试，最长的测试为100秒。[41]

2009至2015年间的开发全部依靠SpaceX的私人投资，完全不依靠美国政府的资金投入[42][43]。2016年一月，SpaceX同意由美国空军从防卫部门预算中拿出3360万美元提供资金支持以研发一款可能会被用于猎鹰9号运载火箭及猎鹰重型运载火箭的第二节的原型猛禽火箭发动机。SpaceX也将提供至少6730万美元用于同一项目，并保证民间资本与政府资金比例至少为2:1。[44][45]

2016年8月一台研发用猛禽火箭发动机被送往SpaceX在德克萨斯州的McGregor测试场[46]进行研发相关的测试。[47]

2019年8月27日，搭载了猛禽火箭发动机SN6的Starship的缩小原型Starhopper成功完成了150米的跳跃测试。[48]

2020年8月4日，搭载了猛禽火箭发动机SN27的星舰原型SN5成功完成了150米的跳跃测试。[49]

2020年8月18日，猛禽发动机在测试中达到了330巴（Bar）的室压[50]，这是世界上现有最高的燃烧室压力。

2020年9月3日，搭载了猛禽火箭发动机SN29的星舰原型SN6成功完成了150米的跳跃测试。

2020年12月10日，搭载了猛禽火箭发动机SN30， 36， 42的星舰原型SN8进行了12.5公里的跳跃测试， 降落速度太快导致失败。

2021年5月31日，猛禽发动机首次完成轨道飞行时长的发动机点火测试。

2021年6月27日，首具真空猛禽发动机运抵德州博卡奇卡。

2021年7月底，超过20具猛禽发动机及3具真空猛禽发动机运抵德州博卡奇卡。

2021年10月25日，马斯克表示猛禽发动机版本二在爆炸前最高达到321Bar室压，并产生245吨推力。

2021年11月12日，S20完成首次6具发动机静态点火测试。

2021年12月18日，马斯克确定未来星舰将会有9具2代猛禽发动机，助推器将有33具2代猛禽发动机。

2022年2月9日，首具2代猛禽发动机运抵博卡奇卡。

2022年2月10日，马斯克表示猛禽发动机曾达到247吨马力，并指出在处理猛禽发动机二代高温融化的问题后，可以每天生产最少一具猛禽发动机二代。

2022年3月30日，第一具2代猛禽发动机运抵德州博卡奇卡。

2022年7月，合计39具2代猛禽发动机安装至S24及B7。

2022年9月，猛禽发动机首次于测试场进行快速重启测试。

2022年10月，首具使用电力驱动向量的2.1代猛禽发动机运抵德州博卡奇卡。

2022年11月，SpaceX完成制造第200具2代猛禽发动机。[51]

2023年5月，第三代猛禽发动机达成350Bar室压，并产生高达269公吨推力，相当于超级重型助推器将拥有约8900公吨推力。[52]

2023年8月18日，SpaceX进行了猛禽发动机万向节最大角度(15度)的长时间测试[53]。

参见

[编辑]

参考文献

[编辑]
  1. ^ Sierra Engineering & Software, Inc. Exhaust Plume Calculations for SpaceX Raptor Booster Engine (PDF): 1. 18 June 2019 [17 September 2021]. （原始内容存档 (PDF)于20 October 2021）. The nominal operating condition for the Raptor engine is an injector face stagnation pressure (Pc) of 3669.5 psia and a somewhat fuel-rich engine O/F mixture ratio (MR) of 3.60. The current analysis was performed for the 100% nominal engine operating pressure (Pc=3669.5 psia) and an engine MR of 3.60. 
  2. ^ Space Exploration Technologies Corp. Draft Programmatic Environmental Assessment for the SpaceX Starship/Super Heavy Launch Vehicle Program at the SpaceX Boca Chica Launch Site in Cameron County, Texas (PDF). faa.gov. FAA Office of Commercial Space Transportation: 12. 17 September 2021 [17 September 2021]. （原始内容存档 (PDF)于17 September 2021）. Super Heavy is expected to be equipped with up to 37 Raptor engines, and Starship will employ up to six Raptor engines. The Raptor engine is powered by liquid oxygen (LOX) and liquid methane (LCH4) in a 3.6:1 mass ratio, respectively. 
  3. ^ Sierra Engineering & Software, Inc. Exhaust Plume Calculations for SpaceX Raptor Booster Engine (PDF): 1. 18 June 2019 [17 September 2021]. （原始内容存档 (PDF)于20 October 2021）. The subject engine uses a closed power cycle with a 34.34:1 regeneratively-cooled thrust chamber nozzle. 
  4. ^ Dodd, Tim. "Starbase Tour with Elon Musk [PART 2]". Everyday Astronaut. 4 记录于. 7 August 2021 [23 February 2024]. Youtube. （原始内容存档于17 February 2024） （美国英语）. 
  5. ^ Bergin, Chris. Raptor 2 testing at full throttle on the SpaceX McGregor test stands. NASASpaceFlight.com. 2022-01-23 [2022-03-22] （美国英语）. 
  6. ^ Dodd, Tim. Raptor 1 VS Raptor 2: What's New // What's Different. Everyday Astronaut. 14 July 2022 [15 July 2022]. Youtube. （原始内容存档于15 July 2022） （美国英语）. 
  7. ^ Starship : Official SpaceX Starship Page. SpaceX. [24 May 2020]. （原始内容存档于22 May 2020）. 
  8. ^ Musk, Elon [@elonmusk]. Sea level Raptor's vacuum Isp is ~350 sec, but ~380 sec with larger vacuum-optimized nozzle (推文). （原始内容存档于25 September 2019） –通过Twitter.  Missing or empty |date= (help)
  9. ^ Musk, Elon. First Lunar BFR Mission. YouTube. 2018-09-17 [2018-09-19]. （原始内容存档于2020-02-11）. And this is the Raptor engine that will power BFR both the ship and the booster, it’s the same engine. And this is approximately a 200-ton thrust engine that’s aiming for roughly a 300-bar or 300-atmosphere chamber pressure. And if you have it at a high expansion ratio it has the potential to have a specific impulse of 380.  |time=被忽略 (帮助)
  10. ^ At 2.23 MN thrust and 350 s specific impulse
  11. ^ 11.0 11.1 78% O2, 22% CH4 mixture ratio
  12. ^ Starship | SpaceX. [2019-10-02]. （原始内容存档于2019-09-30）. 
  13. ^ Musk, Elon. Making Life Multiplanetary. youtube.com. SpaceX. 2017-09-29 [2017-09-29]. （原始内容存档于2021-03-18）. 
  14. ^ Dodd, Tim. Is SpaceX's Raptor engine the king of rocket engines?. Everyday Astronaut. 2019-05-25 [2023-05-22]. Youtube. （原始内容存档于22 May 2023） （美国英语）. 
  15. ^ Starship Users Guide, Revision 1.0, March 2020 (PDF). SpaceX/files. SpaceX. March 2020 [18 May 2020]. （原始内容 (PDF)存档于2 April 2020）. SpaceX's Starship system represents a fully reusable transportation system designed to service Earth orbit needs as well as missions to the Moon and Mars. This two-stage vehicle — composed of the Super Heavy rocket (booster) and Starship (spacecraft) 
  16. ^ Neff, William; Steckelberg, Aaron; Davenport, Christian. The rockets NASA and SpaceX plan to send to the moon. The Washington Post. 9 January 2023 [28 August 2023]. （原始内容存档于17 April 2023）. 
  17. ^ Notes: Space Access'11: Thurs. – Afternoon session – Part 2: SpaceX. RLV and Space Transport News. 2011-04-07 [2011-04-08]. （原始内容存档于2012-03-20）. 
  18. ^ SpaceX Raptor LH2/LOX engine. RLV and Space Transport News. 2011-08-08 [2011-08-09]. （原始内容存档于2011-11-02）. 
  19. ^ Rosenberg, Zach. SpaceX readies upgraded engines. Flightglobal. 2012-03-16 [2012-03-17]. （原始内容存档于2014-03-05）. SpaceX is in the midst of a variety of ambitious engine programmes, including the Merlin 2, a significant modification of the Merlin 1 series, and the Raptor upper stage engine. Details of both projects are tightly held. 
  20. ^ Rosenberg, Zach. SpaceX aims big with massive new rocket. Flightglobal. 2012-10-15 [2012-10-17]. （原始内容存档于2012-10-18）. 
  21. ^ GPUs to Mars: Full-Scale Simulation of SpaceX's Mars Rocket Engine. YouTube. 5 May 2015 [4 June 2015]. （原始内容存档于2016-01-19）. 
  22. ^ Cochran: Space-X Decision Bodes Well for Job Growth in South Mississippi. Senator Cochran. 23 October 2013 [27 October 2013]. （原始内容存档于2016-03-04）. 
  23. ^ NASA Stennis Space Center to Test SpaceX Next Generation Rocket Engines Systems. Mississippi Development Authority. 23 October 2013 [27 October 2013]. （原始内容存档于2013-12-03）. 
  24. ^ Elon Musk speech: Becoming a Multiplanet Species. YouTube. 29 September 2017. （原始内容存档于9 March 2018）.  第68届国际宇航大会在澳大利亚阿德莱德举行
  25. ^ 引用错误：没有为名为:3的参考文献提供内容
  26. ^ Berger, Eric. Elon Musk just gave another Mars speech; this time the vision seems tangible. Ars Technica. 8 April 2024 [2024-04-16]. 
  27. ^ Foust, Jeff. Musk outlines plans to increase Starship launch rate and performance. SpaceNews. 6 April 2024 [2024-04-16]. 
  28. ^ Elon Musk SpaceX Presentation Leaves Audience Speechless. SpaceX. 4 April 2024 [16 April 2024] –通过YouTube. 
  29. ^ @SpaceX. At Starbase, ElonMusk provided an update (推文). April 6, 2024 [November 13, 2024] –通过Twitter. 
  30. ^ 引用错误：没有为名为#1的参考文献提供内容
  31. ^ 引用错误：没有为名为fg20120316的参考文献提供内容
  32. ^ Markusic, Tom. SpaceX Propulsion (PDF). 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference: 12–15. 2010-07-28 [2015-10-28]. （原始内容存档 (PDF)于2016-07-30）. 
  33. ^ Leone, Dan. SpaceX Could Begin Testing Methane-fueled Engine at Stennis Next Year. Space News. 2013-10-25 [2013-10-26]. （原始内容存档于2014-01-11）. 
  34. ^ 存档副本. [2016-10-01]. （原始内容存档于2015-09-06）. 
  35. ^ SpaceX metallurgy team developed SX500 superalloy for 12000 psi, hot oxygen-rich gas. It was hard. Almost any metal turns into a flare in those conditions.. [2021-01-05]. （原始内容存档于2020-11-12）. 
  36. ^ GPUs to Mars: Full Scale Simulation of SpaceX's Mars Rocket Engine (PDF). [2021-05-15]. （原始内容存档 (PDF)于2021-11-11）. 
  37. ^ GPUs to Mars: Full-Scale Simulation of SpaceX's Mars Rocket Engine. [2023-01-12]. （原始内容存档于2016-01-19）. 
  38. ^ Elon Musk [@elonmusk]. Raptor V3 just achieved 350 bar chamber pressure (269 tons of thrust). Congrats to @SpaceX propulsion team! Starship Super Heavy Booster has 33 Raptors, so total thrust of 8877 tons or 19.5 million pounds. (推文). 2023-05-12 –通过Twitter. 
  39. ^ NASA, SpaceX Cut Ribbon To Launch Testing Partnership — MS EIGS. web.archive.org. 2015-07-08 [2019-08-05]. 原始内容存档于2015-07-08. 
  40. ^ ITS Propulsion - The evolution of the SpaceX Raptor engine. NASASpaceFlight.com. 2016-10-03 [2019-08-05]. （原始内容存档于2018-11-22） （美国英语）. 
  41. ^ 引用错误：没有为名为:1的参考文献提供内容
  42. ^ Gwynne Shotwell. Statement of Gwynne Shotwell, President & Chief Operating Officer, Space Exploration Technologies Corp. (SpaceX) (PDF). Congressional testimony. US House of Representatives, Committee on Armed Service Subcommittee on Strategic Forces: 14–15. 2015-03-17 [2016-01-11]. （原始内容 (PDF)存档于2016-01-28）. 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. 
  43. ^ NASA-SpaceX testing partnership going strong (PDF). Lagniappe, John C. Stennis Space Center. NASA. September 2015 [2016-01-10]. （原始内容存档 (PDF)于2015-12-31）. this project is strictly private industry development for commercial use  |volume=被忽略 (帮助); |issue=被忽略 (帮助)
  44. ^ Contracts: Air Force. U.S. Department of Defense Contracts press release. 2016-01-13 [2016-01-15]. （原始内容存档于2016-01-15）. 
  45. ^ Orbital ATK, SpaceX Win Air Force Propulsion Contracts. SpaceNews. 2016-01-13 [2016-01-15]. （原始内容存档于2016-02-03）. 
  46. ^ Berger, Eric. SpaceX has shipped its Mars engine to Texas for tests. Ars Technica. 2016-08-10 [2016-08-17]. （原始内容存档于2016-10-04）. 
  47. ^ elon-musk-reveals-first-photos-of-spacexs-powerful-new-raptor-engine. ars technica. 2016-09-26 [2016-09-26]. （原始内容存档于2016-09-26）. 
  48. ^ Grush, Loren. SpaceX’s prototype rocket flies to its highest altitude yet during hover test. The Verge. 2019-08-27 [2019-08-28]. （原始内容存档于2021-01-06）. 
  49. ^ SpaceX. SN5 150m Hop 视频. （原始内容存档于2020-08-22）. 
  50. ^ 猛禽发动机室达到330bar. （原始内容存档于2020-08-17）. 
  51. ^ https://twitter.com/spacex/status/1588569951228801024 （页面存档备份，存于互联网档案馆） 200th Raptor2 Engine
  52. ^ https://twitter.com/elonmusk/status/1657249739925258240 （页面存档备份，存于互联网档案馆） Raptor V3 just achieved 350 bar chamber pressure (269 tons of thrust).
  53. ^ https://twitter.com/SpaceX/status/1692260577866092863. Twitter. [2023-08-28]. （原始内容存档于2023-08-18） （中文）.  外部链接存在于|title= (帮助)
检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=猛禽火箭發動機&oldid=86304678”