10 лет Рапторам. Тут TheSpaceEngineer напомнил, что на днях исполнилось 10 лет с момента первого прожига двигателя Raptor, и это хороший повод вспомнить историю программы, которая сегодня находится на острие двигателестроения и самым массово-производимым двигателем одновременно. Тем более, тот первый Raptor был не тем агрегатом, который мы знаем сейчас, а малоразмерным прототипом всего на 100 тонн силы. Кадры с его прожига затем использовали во время анонса BFR/ITS — того самого предшественника Starship. К моменту первого прожига в 2016 году не осталось ни одного рабочего образца двигателя с полным циклом дожигания (FFSC). Эта схема считается самой эффективной, но наиболее сложной в освоении, тк требует 2 набора турбин для газификации обоих компонентов топливной пары. По сути, FFSC это обязательное требование для полностью многоразовой системы, тк лишнюю массу из-за железа для многоразовости надо компенсировать эффективными и мощными двигателями. Первооткрывателем этого цикла был ещё Валентин Глушко, под надзором которого был разработан двигатель РД-270, разумеется, на гидразине с тетраоксидом диазота. Но из-за всей драмы в советской лунной программе, ни его проект, ни двигатель для него, так и не дошли до лётных испытаний, только на земле. Ещё у них был очень ограниченный ресурс, который бы не отвечал современным требованиям по многоразовости. Это отдельная и большая история, но к теме поста не относится. Так что кроме РД-270 и прототипов отдельных компонентов в исследованиях NASA/USAF (IPD от Aerojet и Rocketdyne), у SpaceX не было нормальной прикладной базы для разработки подобного двигателя. Поэтому и пришлось в 2012 начинать работу с уменьшенного демонстратора, чтобы показать, что им такая задача по зубам, и собрать нужный опыт для полноразмерной версии. К слову, NASA/USAF на IPD забили, поэтому успешные тесты турбоагрегатной установки так и не вылились в полноценный двигатель. Как и в случае с IPD, с 2014 по 2015 на стендах гоняли только отдельные компоненты. Вот и выходит, что мини-Раптор в 2016 стал не только первым стендовым двигателем с FFSC из США, но и первым на паре метан-кислород для этого цикла (так-то с метаном экспериментируют ещё с 30-годов прошлого века). Точное число изделий этой версии неизвестно, но за 2 года было построено около десятка, которые гоняли на стендах 2 года. А уже в 2019 первый блок полноразмерной версии Raptor 1 полетел на демонстраторе Starhopper в Техасе. Принято считать, что у Рапторов было 3 версии, но их намного больше. Даже в рамках Raptor 1 был целый блок версии 1.5 (на них летали суборбитлатные прототипы, и были установлены на Starship S20 и Super Heavy B4), как и несколько версий Raptor 2 и переходные версии к Raptor 3, у которого также несколько поколений. И это не считая форков, которые гоняли на стендах, но публично их не фиксировали. Но за эти годы можно примерно прикинуть, что к десятку мини-Рапторов было также произведено 200-220 изделий Raptor 1 (включая 1.5 и все версии) — тут цифры расходятся, тк SpX использовали разные серийники для разных типов двигателя. Около 600 изделий Raptor 2 (самый высокий номер R576) и уже не менее 250 Raptor 3 (как раз заметил R248). То есть объёмы уже на уровне двигателей Merlin для Falcon 9. И да, схему FFSC активно осваивают другие компании в США и Китае. Но главная сложность тут не техническая, а именно производственная. Сделать 1 двигатель для наземных тестов намного проще, чем 1000 лётных, которые ещё и будут стоить несколько миллионов, а затем и сотни тысяч долларов.

Почему самая большая ракета в мире падает из-за льда? Во вчерашнем апдейте SpaceX вскользь рассказали о потере Super Heavy B21 во время миссии Flight 13. На том ускорителе впервые смогли перезапустить все 33 двигателя Raptor 3 для первого тормозного манёвра, но его прервали раньше времени — под конец импульса у трёх центральных двигателей Raptor зафиксировали скопление льда в топливных магистралях. Ну а затем ступень пыталась сесть на 8 из 13 Рапторов. Для тех, кто давно следит за программой, при упоминании льда могли возникнуть техасские флешбеки. И это сложная проблема, которую SpaceX пытается победить четвёртый год. Чтобы понять её чуть лучше, стоит посмотреть на схему двигателя Raptor 3. Вас интересует вон та фиолетовая часть с газогенератором для кислорода и тонкая фиолетовая линия на возврат обратно в бак. Откуда вообще взялся лёд? Речь конкретно про основной бак с кислородом (нижняя половина ступени), в котором скапливаются продукты загрязнения от автогенного наддува. Двигатели Raptor имеют 2 контура возврата газа в баки для поддержки давления — изолированную для метана и отдельную для кислорода. Контур наддува для бака с метаном по сути закрытого цикла — криогенный метан проходит по каналам и охлаждает компоненты двигателя, разогревается и возвращается, но не взаимодействует с продуктами горения. Сам газ остаётся относительно холодным, но самое главное — чистым. С баком для кислорода другая история — его забирают из турбины (газогенератора) для газификации кислорода, в которой он в небольшой пропорции смешивается с метаном. Поскольку Raptor 3 является двигателем с полным циклом дожигания, то есть имеет 2 набора турбин и насосов для газификации обоих компонентов, то в каждом наборе кислород и метан смешиваются в разных пропорциях. И вот этот кислородный газ, который частично забирают из газогенератора для газификации кислорода, и возвращают обратно в основой бак с кислородом для наддува — он причина многих бессонных ночей инженеров SpaceX. Тк этот кислородный газ уже не совсем чистый, а с примесями воды, углерода итд. Попадая в бак с криогенным кислородом, эти элементы, которые имеют иную температуру замерзания, просто превращаются в лёд в криогенной жидкости. Решения этой проблемы нет, просто данность. Поэтому один из основных выходов — ставить фильтры. Но это тоже тонкая история, тк нагромождения фильтров в том числе имеют свои обратные стороны с точки зрения гидродинамики. SpaceX несколько раз меняли схему фильтров на Super Heavy V1 (их ставят на входе топливопроводов к двигателям), и даже пришли к гигантскому экрану в баке, чтобы снизить эту проблему. Для Super Heavy V3 их снова поменяли. И как видим… пока не сработало. Поэтому те самые апгрейды железа, о которых упоминали SpaceX в апдейте, скорее всего связаны именно с фильтрами в баке с кислородом. 📸: TheSpaceEngineer

SpaceX чуть подробнее рассказали про причины отмены запуска Flight 13 в прошлых раз. Во-первых, озвучили критерий для запуска ракеты с потерей до 2 двигателей (для V1 якобы было 3). Так что отмена зажигания на 4 двигателях никак не вписывается в штатную ситуацию. Во-вторых, во время прошлой попытки аж у 6 Рапторов возникли проблемы в турбонасосах для кислорода, а автоматика отменила зажигание 4 из них. Предполагаемая причина — скопившаяся влага после прошлых тестов. Это достаточно интересная деталь с точки зрения быстрого переиспользования движков. Сама процедура отмены старта прошла без хард стопа, как во время самого первого прожига Super Heavy V3.