Jak ve SpaceX zažehli vakuový Raptor na lodi Starship, aniž by došlo k jeho explozi
SpaceX v pátek 12. listopadu provedlo úspěšný statický zážeh všech šesti Raptorů na Starship S20 najednou. S tím souvisí zajímavá problematika zážehů vakuových motorů Raptor v atmosféře. Celá záležitost byla pěkně vysvětlena v nedávném článku Ars Technica, který vznikl při příležitosti říjnového zážehu Starship S20, při kterém byl poprvé otestován vakuový Raptor namontovaný na Starship. Následuje náš překlad článku.
Ve čtvrtek 21. října večer učinila firma SpaceX další krok směrem k potvrzení správnosti své koncepce raketových motorů, které mají pohánět rakety Starship. Inženýři této společnosti poprvé zažehli vakuovou variantu raketového motoru Raptor namontovaného do lodi Starship.
Test se uskutečnil v jižním Texasu na základně Starbase u Boca Chica a trval jenom pár sekund. Ale vypadá to, že byl úspěšný, a lze tedy odškrtnout další kolonku v řadě technických zkoušek, které musí SpaceX uskutečnit předtím, než vypustí raketu Starship a Super Heavy na oběžnou dráhu. To by se mohlo uskutečnit počátkem roku 2022.
First firing of a Raptor vacuum engine integrated onto a Starship pic.twitter.com/uCNAt8Kwzo
— SpaceX (@SpaceX) October 22, 2021
Ve SpaceX už samozřejmě v minulosti prováděli ostré testy lodi Starship s motory Raptor. U zkušebních letů některých prototypů loď vystoupala do asi 10kilometrové výšky, poháněna až třemi motory Raptor ve verzi optimalizované pro fungování v atmosféře „na úrovni hladiny moře“. Ale testovat raketu s variantou motoru Raptor optimalizovanou na činnost ve vakuu, to je docela jiná káva.
Expanzní trysky
Raketové motory se skládají z řady součástí, ale ta největší a nejnápadnější z nich je tryska, která usměrňuje tok spalin. Spaliny vznikají ve spalovací komoře, kde za přítomnosti okysličovadla hoří pohonná látka. Aby se spaliny urychlily, jsou protlačeny přes úzký otvor nazývaný hrdlo. Spaliny pohybující se nadzvukovou rychlostí vstupují do trysky, kde expandují a kde se dále urychlují tím více, čím je tryska širší a delší.
Rychleji vystupující plyny z raketového motoru jsou žádoucí, protože tím poskytují větší tah. Větší tah znamená, že raketa je schopna vynést více nákladu. Proto větší (více se rozšiřující a delší) tryska znamená lepší výkon. Tak proč nemají všechny raketové motory obří trysky?
První vyrobený vakuový Raptor (vpravo) a srovnání velikosti s atmosférickou variantou (Foto: SpaceX)
Je to kvůli jevu nazývanému „odtržení toku“, který nastává, když se tok spalin oddělí od vnitřního povrchu trysky. Tím mohou být vyvolány turbulence a vibrace. V nejhorším možném případě to může vést až k destrukci motoru. Není stanovena žádná absolutní hodnota, kdy tento jev nastane, nicméně riziko odtržení toku se zvyšuje, když tlak spalin opouštějících trysku klesne pod 50 procent okolního tlaku. To v kosmu nedělá problémy, protože tam okolní, čili vnější tlak je v podstatě nulový. Ale na úrovni mořské hladiny platí, že čím je tryska větší, tím je riziko odtržení toku spalin rovněž větší.
Nejběžnější způsob, jak se vyrovnat s tímto problémem, je konstruovat první stupeň rakety s motory optimalizovanými na činnost v prostředí s vnějším tlakem na úrovni mořské hladiny a horní stupeň rakety s motory optimalizovanými pro činnost ve vakuu. Například raketa Falcon 9 má první stupeň vybaven devíti motory Merlin s menšími tryskami, které jsou v činnosti v nízkých vrstvách atmosféry a druhý stupeň rakety je vybaven motorem Merlin-Vacuum (MVac) s mnohem větší tryskou pro vnější vrstvy atmosféry a kosmický prostor.
Vizualizace různých variant Merlinu. Všimněte si výrazně větší trysky u vakuových motorů. Zleva: Merlin 1A, Merlin 1B, Merlin 1B Vac, Merlin 1C, Merlin 1C Vac, Merlin 1D, Merlin 1D Vac
Jiné možnosti
V případě raketoplánu NASA byl zvolen jiný, poněkud smíšený přístup. Hlavní motory raketoplánu (SSME), které byly v činnosti od startu až po oběžnou dráhu, musely obětovat část svého výkonu na obou koncích trajektorie. Raketoplán měl ve výsledku trysku tak velkou, jak jen to bylo možné pro úroveň mořské hladiny (skutečně stlačili hranici pro odtržení toku spalin co nejníže, aniž by přitom ovšem překročili kritickou mez), ale stále ještě podstatně menší, než by odpovídalo optimu pro vakuum.
Horní stupeň rakety SpaceX, tedy samotná loď Starship, je konstruovaná tak, aby létala jak v hustých vrstvách atmosféry, tak v kosmu. Problematika velikosti trysek je zde řešena tak, že loď je vybavena třemi motory Raptor optimalizovanými pro mořskou hladinu a třemi motory Raptor pro vakuum. Říjnový test znamenal prvenství v tom, že motor pro vakuum byl zabudován do Starship a testován za atmosférického tlaku.
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
Nejosvědčenější americký raketový motor pro horní stupeň, motor RL-10 vyráběný firmou Aerojet Rocketdyne, má obrovský expanzní poměr. To znamená, že u tohoto motoru je velikost trysky mnohem větší než rozměr hrdla. V důsledku tento motor vůbec nemůže být testován na Zemi jinak, než ve velké vakuové komoře. A hle: říjnový test vakuového motoru SpaceX se uskutečnil na volném prostranství v jižním Texasu, pár metrů nad hladinou moře, bez vakuové komory. Otázka tedy zní: Jak ve SpaceX dokázali provést testovací zážeh motoru optimalizovaného pro vakuum, aniž by jej zničili?
Šest motorů Raptor ve dvou variantách na Starship S20 (Foto: Elon Musk)
Elon Musk, zakladatel SpaceX, odpověděl na tuto otázku na Twitteru. Podle jeho slov tento problém vyřešili tak, že vyrobili motor Raptor, který generuje velmi vysoký tlak ve spalovací komoře. Rovněž optimalizace motoru pro vakuum ještě není zcela úplná, takže zbylo dost prostoru na to, aby odtržení toku spalin nemohlo motor destabilizovat.
To umožnilo firmě SpaceX dokončit říjnový test, aniž by cokoliv vybuchlo.
Přeloženo z článku Ars Technica od Erica Bergera.
Lehce offtopic:
Co si myslíte o nadzvukových atmosferických motorech?
Tedy že by prvních 7-15km letu nemusely rakety tahat sebou kyslík a braly ho ze vzduchu kolem?
(Tedy za předpokladu, že to někdy bude fungovat pro vysoké rychlosti)
Boingy už teď používají celkem slušné motory, ale jsou pomalé. Turbiny se nezvladnou otáčet dostatečně rychle aniž by se rozprskly.
No to v podstatě dělají SpaceShipTwo a LauncherOne … sice ne nadzvukové, ale principiálně …
To spíš SABRE. Akorát o těch už čtu minimálně 12 let a pořád ani demo …
“Boingy už teď používají celkem slušné motory, ale jsou pomalé.”
Můžete prosím vysvětlit?
Cestovní rychlost boingu je 840 km/h což je víc než dvojnásobek než zvládne nejrychlejší auto 415 km/h, jenže u rakety potřebujeme více.
Při pouhých 2g a dostupné výšce 12km potřebujeme max rychlost 2500 km/h.
Jediný atmosferický motor vhodný pro rakety co jsem našel je SABRE. Ví někdo o vývoji něčeho podobného?
Kdyby šlo jen o maximální rychlost … tak motorů pracujících v rozsahu rychlosti 0 – 3000 km/h je celá řada.
Mohl by sis půjčit třeba Pratt & Whitney J58 z Blackbirdu (M3.3) nebo třeba Solovjev D30F6 z Migu-31 (3000 km/h), nebo 50 let starý Tumansky R-15B z Migu-25 (skoro 3500 km/h) …
Jenže o tom to není…. chybí ti v úvahách 1 podstatná věc: křídla ano či ne? a od toho se pak odvíjí to podstatné – potřebný TAH.
No já jsme spíš myslel, že mi napíšete jaké že to ten Boeing používá motory o kterých nevím a pak píšete o standardních motorech, které se montují do komerčních letadel více výrobců, tedy s Boeingem to nijak nesouvisí.
Problém je v tom, že proudové motory jsou velice slabé a mají malý poměr tahu k hmotnosti. Tedy třeba Raptor má řádově 200 a Pratt & Whitney J58 (Invc dobrá volba) má kolem 5. Jinými slovy ten motor unese sebe sama pětkrát, kdežto Raptor dvěstěkrát.
V tomto clanku je zminovano testovani ve vakuove komore. Je zde nekdo, kdo o tom vi neco blizsiho? Jak je ta komora velika? Jak se v ni udrzuje vakuum se zapalrnym raketovym motorem?
Tak třeba toto: https://www.nasa.gov/centers/wstf/site_tour/propulsion_test_area/vacuum_test_stands/index.html.
Nějak jsem to nepochopil. Pokud tyto “vakuové motory” zvládnou dík tlaku létat v atmosféře tak proč je nepoužijí pro létání v atmosféře. Z výkladu se zdá že by měli být lepší než ty atmosférické.
A pro lety mimo atmosféru nepoužijí skutečně optimalizované motory pro nízký tlak?
Protože jsou tak obrovské, že by se jich tam nevešlo dost a taky čím větší tryka, tím víc potřebuje prostoru pro naklánění, takže další omezení pro počet.
Protože je “lepší” a “lepší” – prostě když řekneš lepší – tak je třeba pořešit v čem / pro jaký účel.
Nechce se mi dohledávat přesná a aktuální čísla pro Raptor … tak ti to ukážu na Merlinu pro F9 – princip a důvody jsou stejné, jen čísla jsou jiná:
SL Merlin má tah 854 kN
Vac Merlin má tah 981 kN – a je efektivnější co do spotřeby paliva
Takhle by člověk řekl, že Vac Merlin je jasně lepší…
Jenže do místa, které zabere 1 Vac Merlin svou tryskou – se vejde 9 SL Merlinů a ještě mají místo na vektorování. Takže v místě, kde bys měl 981 kN tahu vakuového Merlinu, můžeš mít 7 686 kN tahu z 9 SL Merlinů… a zatímco F9 s 981 kN tahu by se při startu nehnul z místa … tak s 9 SL Merliny spokojeně lítá.
Ze zlvadnou letat neznamena, ze jsou efektivni v atmosfere. Funguje, ale klasicky raptor je efekktivnejsi za techto podminek.
Čemu říkáš efektivita?
Stejne spotreba, mensi tah.
V tom případě:
V bodě nula (tam, kde bude SL tryska téměř optimální) budou obě na tom prakticky stejně.
Se snižujícím se okolním tlakem – na tom bude větší stále lépe (její “pracovní plocha” by se zvětšovala), zatímco SL stále stejně (její pracovní plocha se nemá kam zvětšit).
Ve výsledku by tedy byla VAC efektivnější…
Teda ale, pěkně to s tou tryskou cvičí, při tom odtržení…
Technicky více odbornější článek, jen tak dál. Díky 🙂
Člověk čeká, co se na konci dozví jako ono kouzlo… …a dozví se, že Elon tweetoval, že je to díky vysokému tlaku.
Poslední odstavec mohl být formulovaný lépe. Díky velmi vysokému tlaku v komoře má proud spalin dost vysoký tlak ještě i na konci vakuové trysky, a proto nedochází k odtržení toku, což by způsobilo zničení motoru.
…
Hmm, neznamená to tedy, že je ten vakuový motor optimalizovaný na provoz v atmosféře?!
Neznamená.
Optimalizován je pro provoz ve vakuu… ale limitován je velikostí lodi. (Optimalizace směřuje k co největší trysce, ale limitující je velikost lodi). A vedlejším efektem tohoto limitu je, že tryska je tak “malá”, že na konci má stále tlak vyšší než ambient na hladině moře.
Nemyslel to pan K S ze ,,jen,, poladili sw aby jim motor pri hladine more nevybouchnul?
To není dáno SW – tohle závisí na hardwaru (tlak v komoře, průměr hrdla trysky, rozměry a tvar trysky).
Edit:
Beru zpět, asi máš pravdu. Pak ale nechápu proč nemají větší trysku i na atmosférickým raptoru?
Asi je tam něco, co vac zvládne, ale dlouhodobě to nebude dobré pro provoz.
Hlavní důvod je ten, že jeden raptor vac zabere tolik místa, kolik 3 SL raptory, ale tah má jen o něco vyšší než 1 SL raptor.
Takže pokud jseš limitován místem a potřebuješ určitý tah – tak více motorů je lepší než větší tryska jednoho motoru.
(Prostě – pokud bys dal na SH místo 33 SL motorů jen 11 VAC … tak se nepohne z místa).
Na Starship je ten důvod stejný + se k němu přidávají ještě další důvody (přistání + větší vektorování).
Cilem je mit plyny za kazde situace tak, aby sly rovne z trysky. Vetsi tryska povede k underxpansion a snizeni efektivity. Realne vsak tryska je trochu vetsi, protoze se bere celkovy usek kdy je raptor zazehnuty a maximalizuje se efektivia pro cely dobu letu nikoliv pro maximalni efektivitu na hladine more.
1) Větší tryska vede k přeexpandování (over) nikoliv podexpandování (under).
2) Ten “pokles efektivity” se poměřuje oproti ideální trysce (teoretické dokonalé v konkrétním okamžiku)… A to snížení efektivity je prakticky pouze v tom, že neseš “zbytečný” kus trysky (část od místa odtrhu k okraji trysky je zbytečná z pohledu práce) – čti velmi malý, pokud dokážeš přežít ten trochu nepravidelný odtrh … Jinými slovy: pokud tě netrápí riziko poškození a hmotnost – pak mezi zbytečně velkou tryskou a ideální SL tryskou nebude prakticky žádný rozdíl co do efektivity (v negativním směru a naopak s klesajícím okolním tlakem bude příliš velká tryska na efektivitě získávat).
Souhlas. Buď se jedná o nepřesný překlad nebo Musk něco plácnul. To, že ten test ty vakuové Raptory přežily, může být jejich odolnější konstrukcí nebo krátkou dobou testu. Navíc asi z důvodů prostorového omezení jsou dle mého orientačního výpočtu tyto vakuové Raptory optimalizované na “vakuum” o tlaku 0,1 baru.
U toho “orientačního výpočtu” … by mě zajímalo z jakých parametrů si vycházel?
Průměr hrdla?
Tlak v komoře?
Pak ti možná dokážu říct, kdes udělal chybu.
A jinak:
1) Ne neplácnul.
2) Překlad je správný. Tlak v komoře je tak vysoký, že i u takto velké trysky nedojde k přeexpandování.
3) Ne není to krátkou dobou testu. Raptor vac přežil i full duration test v atmosféře.
https://twitter.com/spacex/status/1309317126130339845
Přesně, člověk s napětím čeká na nějaké sáhodlouhé technické vysvětlení, které bude zabírat minimálně celou druhou polovinu článku, předtím se i trochu bojí, jestli zvládne vše pochopit bez hlubších znalostí zákonů termodynamiky a materiálového inženýrství, a ono je shrnuto do jedné věty :D. Ne nadarmo se říká, že geniální myšlenky jsou jednoduché! :).
Díky za překlad.