Двигатель Raptor

Raptor представляет собой многоразовый ракетный двигатель SpaceX, который поднимает Starship, полностью многоразовую ракетную систему компании для полетов на Марс. Он работает на жидком метане и жидком кислороде (эту топливную пару называют металоксом) и стал первым летавшим двигателем своего типа. Этот двигатель должен сделать выход на орбиту настолько дешевым, чтобы полет на Марс превратился в обычную статью бюджета.

Что такое Raptor?

Raptor представляет собой ракетный двигатель на метане и кислороде, рассчитанный на то, чтобы его запускали, возвращали и быстро запускали снова. На ускорителе Super Heavy стоят 33 двигателя Raptor, а на второй ступени Starship шесть: три настроены для работы на уровне моря, а три созданы для вакуума космоса. Вакуумные версии называются RVac, и их сопла расширены для разреженного воздуха на большой высоте. Метан выбрали вместо керосина, на котором летает Falcon 9, по причине, которая ведет прямо к Марсу. Он сгорает чище и оставляет меньше сажи (это явление называют коксованием), которая забивает двигатель и мешает повторному использованию. Кроме того, метан когда-нибудь можно будет производить на поверхности Марса из местных углекислого газа и воды.

Зачем появился Raptor

Raptor решает проблему, из-за которой космос всегда стоил как государственный бюджет. До появления многоразовых ракет доставка одного килограмма на низкую околоземную орбиту стоила около 10 000 долларов, и орбита оставалась закрытым клубом для правительств и редких миллиардеров. Для обычного инженера или будущего астронавта такая цена полностью закрывала дверь, а общество из-за нее не могло даже пробовать многое за пределами планеты. Илон Маск начинает с цели, самоподдерживающегося города на Марсе, и идет от нее назад, а каждую деталь, и прежде всего Raptor, оценивает по тому, приближает ли она стоимость к этой цели.

Как это работает

В полнопоточной замкнутой схеме все горючее и весь окислитель проходят через два газогенератора, один с избытком горючего, другой с избытком окислителя, и только потом попадают в основную камеру сгорания. Поэтому ничего не сбрасывается за борт, а турбины работают при более низкой температуре. Впервые такой двигатель спроектировали в 1960-х годах в СССР (РД-270), но он так и не полетел, и Raptor стал первым двигателем этого типа, который поднялся в небо. Давление в камере сгорания Raptor составляет около 300-350 бар, больше, чем 267 бар у российского РД-180, а более высокое давление дает больше тяги при тех же размерах двигателя. За три поколения тяга на уровне моря выросла примерно в полтора раза: со 185 до 280 тонн-силы (тс).

Этот рост дало не увеличение размеров двигателя. Каждое поколение становилось легче и одновременно мощнее: сухая масса снизилась с 2080 кг у Raptor 1 до 1525 кг у Raptor 3, примерно на 27%. В Raptor 3 теплозащита и внешние трубопроводы встроены прямо в двигатель, поэтому исчезли детали, которые раньше крепились снаружи, и тяговооруженность превысила 180 к 1. Больше тяги при меньшей массе решает все для ступени, которая должна поднять все, что установлено над ней.

Экономика Raptor

Распределение двигателей объясняет экономику. Полная связка Starship несет 39 двигателей Raptor, но не поровну. Ускоритель Super Heavy выполняет самую тяжелую работу и пробивает плотные нижние слои атмосферы, поэтому на нем намного больше двигателей, чем на корабле, который он поднимает. На ускорителе Version 3 одновременно работают 33 двигателя Raptor 3 и, по данным SpaceX, создают на старте тягу около 80,8 МН, это примерно 8240 тс (18,2 млн фунтов-силы) и более чем вдвое больше, чем у ракеты Saturn V, которая отправляла экспедиции Apollo к Луне. Ускорителю нужны все 33 двигателя в каждом полете, поэтому каждое более легкое и мощное поколение окупается на каждой связке, которую строит SpaceX, а стоимость одного двигателя снизилась примерно с 1 млн долларов у Raptor 1 и движется к цели около 250 000 долларов.

Текущее положение Raptor

Всего выпущено более 600 двигателей, а один только Raptor 2 наработал на испытаниях более 226 000 секунд. Именно такое накопленное время работы превращает прототип в настоящий продукт. В конце 2021 года наращивание выпуска стало задачей всей компании, потому что Маск сделал рост производства двигателей главной целью SpaceX. Выпуск вырос и к 2024 году достиг примерно одного двигателя в день, а сейчас линия выпускает Raptor 3, и в Макгрегоре уже собраны двигатели с серийными номерами в несколько сотен.

Что дальше

Raptor 3 стал серийной версией с цельной конструкцией, которая должна выдерживать вход в атмосферу и снова лететь почти без обслуживания между полетами. Двигатель, который может отработать, вернуться и снова запуститься без переборки, позволил бы стоимости килограмма и дальше снижаться по мере роста частоты запусков. Raptor 3 впервые полетел в 12-м полете Starship 22 мая 2026 года. В 12-м и 13-м полетах впервые на версии Version 3 испытали повторные включения двигателей ускорителя для возвращения, а в 14-м полете корабль вышел на орбиту, хотя один из его вакуумных двигателей отключился раньше времени.

Итог

В Raptor инженерная цель и финансовая цель сходятся, потому что каждый килограмм, снятый с двигателя, снижает стоимость выхода на орбиту. Следующее испытание для него связано с повторным использованием: нужно поймать ускоритель Version 3 и снова запустить его двигатели.