Как SpaceX без взрыва зажгла новый двигатель Raptor на космическом корабле

В четверг вечером SpaceX сделала еще один шаг к проверке технологии ракетного двигателя, который будет использоваться в их ракете Starship. Впервые инженеры компании зажгли вакуумную версию ракетного двигателя Raptor, который был прикреплен к верхней ступени звездолета, сообщает arstechnica.

Испытательный запуск на закате в Южном Техасе длилась всего несколько секунд. Но, похоже, он был успешным, и это еще одна отметка в серии технических испытаний, которые SpaceX должна завершить перед запуском Starship на сверхтяжелой ракете для орбитального испытательного полета. Это может произойти где-то в начале 2022 года.

First firing of a Raptor vacuum engine integrated onto a Starship pic.twitter.com/uCNAt8Kwzo

— SpaceX (@SpaceX) October 22, 2021

Разумеется, SpaceX уже провела испытания своего корабля Starship с двигателями Raptor. В некоторых испытательных полетах прототипа машина поднималась на высоту около 10 км с мощностью до трех двигателей Raptor, работающих «от уровня моря». Но совсем другое дело — испытать ракету с версией Raptor, оптимизированной для работы в космическом вакууме.

Расширительные форсунки

Ракетные двигатели, конечно, состоят из многих частей, но самая большая и самая заметная — это сопло, которое направляет поток выхлопных газов. Эти выхлопные газы образуются в камере сгорания, где сгорают окислитель и топливо. Затем выхлопной газ проталкивается через узкое отверстие, называемое горловиной, для его ускорения. Теперь, перемещаясь на сверхзвуковой скорости, выхлопные газы расширяются при входе в сопло, причем, чем длиннее и шире сопло, тем быстрее движется выхлоп.

Более быстрый выход газа из ракетного двигателя — это хорошо, потому что он обеспечивает большую тягу. Больше тяги означает, что ваша ракета может поднимать больше массы. Следовательно, расширенное сопло означает лучшую производительность.

Just finished this little animation showing the expansion ratios of @SpaceX’s Merlin 1D engines. Crazy how much bigger the vacuum nozzle is compared to the sea level nozzle! Are these numbers pretty close to right @elonmusk ? pic.twitter.com/N14MEXmeAh

— Everyday Astronaut (@Erdayastronaut) September 18, 2019

Так почему же не у всех ракетных двигателей есть гигантские сопла? Из-за явления, известного как «разделение потока», которое происходит, когда поток газа внутри двигателя отделяется от стенок сопла. Это может вызвать турбулентность и вибрацию. В худшем случае это может привести к взрыву двигателя. Абсолютного значения, когда это происходит, нет, но риск разделения потока увеличивается, когда давление выхлопных газов, выходящих из сопла, падает ниже 50 процентов от давления окружающей среды.

Это не проблема в космосе, где атмосферное давление практически равно нулю. Но на уровне моря, чем больше размер сопла, тем больше риск отрыва потока.

Наиболее распространенный способ решения этой проблемы — спроектировать первую ступень ракеты с двигателями, оптимизированными для работы на уровне моря, и разгонный блок с двигателями, оптимизированными под вакуум. Например, у ракеты Falcon 9 есть первая ступень с девятью двигателями Merlin с меньшими соплами, которые выполняют всю работу в нижних слоях атмосферы, и вакуумный двигатель Merlin с гораздо большим соплом для космического пространства.

Альтернативные подходы

Космический шаттл НАСА использовал более гибридный подход. Его главные двигатели, которые работали на протяжении всего профиля полета от запуска на орбиту, ухудшили характеристики на обоих концах. В итоге шаттл получил сопло максимально большого размера на уровне моря — это действительно раздвинуло границы разделения потока, не выходя за край, — но значительно меньшего размера, чем было бы оптимально в вакууме.

Разгонный блок SpaceX Starship предназначен для полетов как в плотной атмосфере, так и в космосе. Он нацелен на решение головоломки размера сопла, летая с тремя двигателями Raptor [работающими] «от уровня моря» [и до безвоздушного пространства] и тремя «вакуумными» двигателями Raptor. Испытания в четверг ознаменовали первый раз, когда один из вакуумных двигателей был прикреплен к транспортному средству Starship и испытан.

One of my favorite bits of footage from tomorrow's talk at @ChabotSpace is this close up of the Shuttle engines throttling up. Before the engines reach full power the outside air pressure pushed up inside the engine nozzles creating unstable flow separation. See the nozzle flex. pic.twitter.com/vYXjUl7nTK

— Scott Manley (@DJSnM) January 17, 2019

Самый опытный американский двигатель верхней ступени, RL-10, производимый Aerojet Rocketdyne, имеет огромную степень расширения, так как размер его сопла намного больше, чем его горловина. Таким образом, этот двигатель можно испытать только на земле в большой вакуумной камере. Испытания SpaceX в четверг проходили на улице, в Южном Техасе, на высоте нескольких футов над уровнем моря.

Так как же SpaceX завершила тестовый запуск двигателя с вакуумной оптимизацией, не разрушив его?

В ответ на этот вопрос основатель SpaceX Илон Маск сказал в Твиттере, что компания решила проблему, построив двигатель Raptor для создания очень высокого давления в камере. Двигатель также еще не полностью оптимизирован для работы в вакууме, поэтому имелся достаточный запас, чтобы предотвратить его дестабилизацию отрывом потока.

Это позволило SpaceX завершить испытания в четверг без каких-либо взрывов.