Společnost SpaceX pokračuje ve vývoji své nejen „marsovské“ lodi Starship na několika frontách najednou. Kromě výroby a testování prototypů samotné lodi se připravuje také první nosná raketa Super Heavy a zároveň probíhá vývoj několika variant motorů Raptor.
Tento nový motor by měl mít nejen skvělé parametry, SpaceX chce palivo do něj vyrábět i na Marsu z tam dostupných surovin. A právě na „motorickou část“ celé mašinérie nové kosmické lodi společnosti SpaceX se dnes zaměříme.
Elon Musk se v posledních týdnech podělil o pár novinek a zajímavostí ohledně toho, jak pokračuje testování Raptoru a jaké má SpaceX plány ohledně jednotlivých variant tohoto metanového motoru.
Motor Raptor SN49 před instalací na Starship SN9
Nejprve krátké představení pro ty, kdo společnost SpaceX tak nesledují. Raptor je motor typu s uzavřeným cyklem ( „full flow staged combustion“), který bude pohánět kosmickou loď Starship a nosnou raketu Super Heavy. Motor spaluje metan a kapalný kyslík a má zhruba 2,5krát vyšší tah (tj. výkon) než Merlin 1D, který pohání současné rakety Falcon.
První Raptor v plné velikosti (SN1) SpaceX otestovala v únoru 2019 ve svém areálu v McGregoru v Texasu. Motory od té doby prošly radikálními změnami a mnoha optimalizacemi pro usnadnění výroby a zvýšení výkonu. Díky tomu mají novější vyrobené exempláře nižší hmotnost, vyšší tah a vyšší specifický impuls.
Zároveň se neustále zvyšuje rychlost výroby Raptorů. Do dubna 2020 bylo dokončeno celkem 26 motorů, v červnu 2020 SpaceX vyrobila třicátý Raptor, v srpnu 2020 se chystalo testování 40. exempláře a v říjnu 2020 byl vyroben 50. kus
Web NASA Spaceflight pak před Vánoci odhadoval, že SpaceX už nejspíš testuje motor SN60 či ještě novější. To by nebylo překvapivé, neboť prototyp Starship SN9 je už osazen Raptorem SN49 (čísla zbylých dvou motorů zatím neznáme).
Jak vlastně funguje motor Raptor, ukazuje animace níže. Objevila se také neoficiální animace kyslíkového turbočerpadla, na kterou Elon Musk reagoval tím, že animace prý zhruba odpovídá realitě. Dodal, že turbočerpadla v raketových motorech jsou z hlediska vývoje a výroby neskutečně obtížná (obzvlášť ta operující s nadbytkem kyslíku).
A jak pokračuje testování Raptorů v McGregoru? Na stránkách SpaceX bylo na začátku prosince dočasně uvedeno, že firma jen v roce 2020 provedla 330 testovacích zážehů motorů Raptor v celkové délce 16 tisíc sekund. Do tohoto čísla byly započítány i statické zážehy a zkušební lety Starhopperu a prototypů Starship SN5 a SN6.
Pod tlakem
Jednou vytyčenou metou vývojářů je, aby Raptor dokázal spolehlivě fungovat s tlakem 300 barů v hlavní spalovací komoře (světový rekordman je ruský motor RD-180 s tlakem 267 barů).
Už dříve jsme informovali o tom, že Raptor letos v srpnu krátkodobě dosáhl rekordního tlaku 330 barů, ale klíčové je, aby motor dokázal fungovat pod vysokým tlakem bez poškození delší dobu (řádově desítky minut, protože motory by se měly používat opakovaně).
Elon Musk na konci října prozradil, že už proběhl test, během kterého fungoval Raptor s tlakem 300 barů po dobu 90 sekund, načež se motor začal tavit. Na základě těchto výsledků Musk věří, že bez velkých změn konstrukce motoru by mělo být možné dosáhnout operačního tahu 210 metrických tun (2,05 MN).
Vertikální test motoru Raptor SN18 v McGregoru
Raptory, které letěly na prototypu Starship SN8, by podle Muska nejspíš také zvládly provoz s tlakem 300 barů, ale bylo by to prý riskantní a u těchto testovacích letů nemělo smysl tolik tlačit na pilu.
Musk navíc uvedl, že i tak byly Raptory pro let SN8 příliš silné a musely být přiškrceny na maximum a postupně vypínány, aby loď nevyletěla moc vysoko a zároveň se omezilo aerodynamické namáhání. Každopádně Musk si je jistý, že Raptory použité pro orbitální lety už budou provozovány s tlakem 300 barů.
Do vesmíru s jinou výbavou
Zatím jsme se bavili o standardním Raptoru, který známe ze současných prototypů Starship. Jedná se o variantu určenou pro fungování v atmosféře, která je schopná regulace a vektorizace tahu kvůli přistávacímu manévru kosmické lodi nebo nosné rakety. Zároveň ovšem SpaceX připravuje zjednodušenou variantu atmosférického Raptoru, která najde uplatnění na nosné raketě Super Heavy.
Z dřívějška víme, že tato verze nebude schopná regulace ani vektorizace tahu, ale zato bude mít vyšší tah. Elon Musk nedávno upřesnil, že tato varianta je označována „R-Boost“ a cílem je, aby motor měl tah 300 tun s tlakem 300 barů v komoře. Motor bude mít stejně velkou trysku jako standardní Raptor, ale bude prý potřebovat větší čerpadla. Každá raketa Super Heavy by pak měla mít přibližně 20 motorů R-Boost.
Neoficiální znázornění potenciální podoby Super Heavy s 28 Raptory. Motory R-Boost jsou k vidění po obvodu.
Poslední vyvíjenou variantou je Raptor optimalizovaný pro fungování ve vakuu. Ten bude mít tah 220 tun a specifický impuls ve výši minimálně 372 sekund. (O specifickém impulsu a významu této klíčové veličiny si můžete přečíst v našem starším článku.)
Vakuové Raptory mají oproti atmosférické variantě výrazně větší trysku s průměrem kolem 2,8 metru a nebudou schopny vektorizace tahu, protože budou napevno připojeny k trupu lodi. První exemplář vakuové varianty byl vyroben na začátku září a SpaceX pak 25. září zveřejnila video z testovacího zážehu v plném trvání.
Na rozdíl od vakuové varianty předchozího motoru SpaceX, motoru Merlin, je vakuový Raptor schopen zážehu v atmosféře, aniž by to vedlo ke zničení expanzní trysky. Elon Musk nově prozradil, že vakuový Raptor má expanzní poměr 107 a testovací zážeh v atmosféře nevedl k žádným problémům kromě menšího odtržení proudu spalin na konci trysky („flow separation“).
Poměr plochy hrdla a ústí trysky („area ratio“) by se pak podle Muska asi mohl ještě zvýšit, kdyby se podařilo motor provozovat i s tlakem 330 barů. Trysku však nelze zvětšovat donekonečna, protože by se pak motory nevešly na raketu. Elon Musk zároveň stále doufá, že se u vakuového Raptoru podaří dosáhnout specifického impulsu 380 sekund.
Vývoj a testování Raptoru tedy zřejmě pokračuje dobře, i když se to neobešlo bez výbuchů (obzvlášť v začátcích). Elon Musk v souvislosti s tím slíbil, že až Starship párkrát doletí na orbitu, SpaceX zveřejní sestřih z různých selhání během testování Raptorů. Podobně v minulosti vznikl sestřih neúspěšných přistání prvních stupňů raket Falcon.
Text vznikl pro server ElonX.cz. Před vydáním byl redakčně upraven. Původní text najdete zde.
