猛禽火箭發動機

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第一代猛禽火箭發動機
2016年9月25日,猛禽火箭發動機在德克萨斯州McGregor测试场首次测试点火。
原產國美国
生產者SpaceX
目的多级火箭深空 推进
狀態退役
液態燃料
構造
燃燒室1
喷管面积比34.34[1]
性能
推力1,814 kN(408,000 lbf) [2][3][4]
推重比92.5
燃燒室壓力25 MPa(3,600 psi)[1]
比衝(海平面)330s [5]
尺寸
長度3.1米(10英尺)[6]
直徑1.3米(4英尺3英寸)[7]
淨重2,000公斤(4,400磅)[8]
用於
星舰
第二代猛禽火箭發動機
原產國美国
生產者SpaceX
目的多级火箭深空 推进
狀態服役
液態燃料
構造
燃燒室1
喷管面积比34.34[1]
性能
推力2,256 kN(507,000 lbf)
推重比143.8
燃燒室壓力30 MPa(4,400 psi)[1]
比衝(海平面)327s [5]
尺寸
長度3.1米(10英尺)[6]
直徑1.3米(4英尺3英寸)[7]
淨重1,600公斤(3,500磅)[8]
用於
星舰
猛禽火箭發動機真空版
2016年9月25日,猛禽火箭發動機在德克萨斯州McGregor测试场首次测试点火。
原產國美国
生產者SpaceX
目的多级火箭深空 推进
狀態服役
液態燃料
構造
燃燒室1
喷管面积比80
性能
推力>2,600 kN(580,000 lbf)[1]
推重比<120
燃燒室壓力30 MPa(4,400 psi)[1]
比衝(真空)378-380 s(3.71-3.73 km/s)[9]
尺寸
直徑~2米(6英尺7英寸)
用於
星艦

猛禽(英語:Raptor)是SpaceX正在研发的一款低温[10]甲烷燃料火箭发动机,被计划用于高性能的星艦。猛禽火箭發動機采用液态甲烷[11]液氧作为推进剂[12],並採用了全流量分級燃燒循環。猛禽發動機是世界上第一種實用化的全流量分級燃燒火箭發動機,亦是世界上第一種實用化的甲烷火箭發動機。

設計[编辑]

猛禽火箭发动机燃烧过程原理示意图
猛禽火箭發動機的簡化圖

猛禽火箭發動機采用液态甲烷[11]液氧作为推进剂[12],而非猎鹰9号运载火箭所使用的煤油/液態氧。更早的猛禽火箭發動機设计中计划采用液態氢作为燃料,而不是甲烷[13]

猛禽火箭發動機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發動機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[14] 。根据伊隆·馬斯克的说法,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[10]

猛禽火箭發動機採用了複雜的全流量分級燃燒循環, 氧化劑和燃料分別由各自的動力渦輪機供壓,部分推進劑通過管道互相交換,分別燃燒驅動渦輪機。這種設計下,渦輪機的工作溫度更低,因而發動機的壽命得到延長,效率也更高。而且燃燒室的壓力可以更大,支持更大的比沖。由於氧氣預燃室的富氧氣體高壓高溫,SpaceX研發了SX500合金,用於建造於氧氣預燃室。[15]

所有猛禽發動機的發動機點火,無論是在測試台上還是在空氣中,都將通過火花進行點火,這將使猛禽發動機無需獵鷹9號和獵鷹重型發動機上用於點火的三乙基鋁-三乙基硼烷(TEA-TEB)。

電腦模擬技術[编辑]

猛禽火箭發動機的開發大量使用電腦模擬技術,並利用圖形處理器通用計算技術加速,使開發成本降低,預先發現發動機燃燒不穩定性等問題,和測試在地面不容易複製環境的狀態。[16] [17]

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[18],2016年9月首次进行全发动机测试。[19]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。[20]

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[21][22]。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節的原型猛禽火箭發動機。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。[23][24]

2016年8月一台研发用猛禽火箭發動機被送往SpaceX在德克萨斯州的McGregor测试场[25]进行研发相关的测试。[26]

2019年8月27日,搭載了猛禽火箭發動機SN6的Starship的缩小原型Starhopper成功完成了150米的跳躍測試。[27]

2020年8月4日,搭載了猛禽火箭發動機SN27的星艦原型SN5成功完成了150米的跳躍測試。[28]

2020年8月18日,猛禽发动机在测试中达到了330(Bar)的室压[29],这是世界上现有最高的燃烧室压力。

2020年9月3日,搭載了猛禽火箭發動機SN29的星艦原型SN6成功完成了150米的跳躍測試。

2020年12月10日,搭載了猛禽火箭發動機SN30, 36, 42的星艦原型SN8進行了12.5公里的跳躍測試, 降落速度太快導致失敗。

參見[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Making Humans a Multiplanetary Species (PDF). SpaceX. 2016-09-28 [2016-09-28]. (原始内容 (PDF)存档于2016-09-28). 
  2. ^ 引用错误:没有为名为musk20200817b的参考文献提供内容
  3. ^ 引用错误:没有为名为musk20200817a的参考文献提供内容
  4. ^ Elon Musk on Twitter:Final decision made earlier this week on booster engine count. Will be 33 at ~230 (half million lbs) sea-level thrust. 页面存档备份,存于互联网档案馆
  5. ^ 5.0 5.1 引用错误:没有为名为SpaceX20180917的参考文献提供内容
  6. ^ 6.0 6.1 存档副本. [2021-08-01]. (原始内容存档于2019-09-30). 
  7. ^ 7.0 7.1 引用错误:没有为名为youtube-makinglifemulti的参考文献提供内容
  8. ^ 8.0 8.1 Elon Musk on Twitter: Max thrust version of Raptor should achieve true T/W > 170. Target is 1.5 ton engine with >260 t-F. Max Isp version should achieve ~380 sec, but T/W probably <120 due to big nozzle. These are just guesses for now.页面存档备份,存于互联网档案馆
  9. ^ @elonmusk. It is! Looks like we can get 378 sec Isp with this version of Raptor Vacuum, so over 380 sec with some improvements down the road. (推文). 2021-06-28 [2021-06-28] –通过Twitter (英语). 
  10. ^ 10.0 10.1 存档副本. [2016-10-01]. (原始内容存档于2015-09-06). 
  11. ^ 11.0 11.1 http://spaceref.com/news/viewsr.html?pid=47400
  12. ^ 12.0 12.1 Rosenberg, Zach. SpaceX readies upgraded engines. Flightglobal. 2012-03-16 [2012-03-17]. (原始内容存档于2014-01-11). 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. 
  13. ^ 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). 
  14. ^ 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). 
  15. ^ 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). 
  16. ^ 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). 
  17. ^ SpaceX Merlin (& Raptor) Engine R&D, GPU-Powered. [2021-05-15]. (原始内容存档于2017-04-06). 
  18. ^ 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. 
  19. ^ 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). 
  20. ^ 引用错误:没有为名为:1的参考文献提供内容
  21. ^ 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. 17 March 2015 [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. 
  22. ^ 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)
  23. ^ Contracts: Air Force. U.S. Department of Defense Contracts press release. 13 January 2016 [2016-01-15]. (原始内容存档于2016-01-15). 
  24. ^ Orbital ATK, SpaceX Win Air Force Propulsion Contracts. SpaceNews. 13 January 2016 [2016-01-15]. (原始内容存档于2016-02-03). 
  25. ^ Berger, Eric. SpaceX has shipped its Mars engine to Texas for tests. Ars Technica. 10 August 2016 [17 August 2016]. (原始内容存档于2016-10-04). 
  26. ^ elon-musk-reveals-first-photos-of-spacexs-powerful-new-raptor-engine. ars technica. 26 September 2016 [26 September 2016]. (原始内容存档于2016-09-26). 
  27. ^ 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). 
  28. ^ SpaceX. SN5 150m Hop 视频. (原始内容存档于2020-08-22). 
  29. ^ 猛禽发动机室达到330bar. (原始内容存档于2020-08-17).