Raptor de SpaceX

El motor Raptor funciona con metano líquido subenfriado y oxígeno líquido subenfriado en un ciclo de combustión escalonada de flujo completo . Este tipo de combustión utiliza un ciclo de doble eje con prequemadores ricos en oxidante y en combustible. El ciclo permite el flujo completo de ambos propelentes a través de las turbinas sin que se deseche propelente sin quemar.

La combustión escalonada de flujo completo se aparta del sistema de generador de gas de "ciclo abierto" más tradicional y de los propelentes de LOX/queroseno utilizados por su predecesor Merlin . ^{[ 23 ]} Antes del Raptor, ningún motor de combustión escalonada de flujo completo se había utilizado en vuelo y solo dos diseños habían avanzado lo suficiente como para llegar a los bancos de prueba: el proyecto soviético RD-270 en la década de 1960, un motor de prueba a escala real, y el Aerojet Rocketdyne Integrated Powerhead Demonstrator a mediados de la década de 2000, que solo demostró el cabezal de potencia. ^{[ 16 ] [ 24 ] [ 22 ] [ 25 ]} Los motores RS-25 (utilizados por primera vez en el transbordador espacial ) utilizaban una forma más simple de ciclo de combustión escalonada. ^{[ 26 ]} Varios motores de cohete rusos, incluidos el RD-180 ^{[ 23 ]} y el RD-191, también lo hacían. ^{[ 22 ]}

La combustión escalonada de flujo completo tiene la ventaja de que la energía producida por los prequemadores, y utilizada para alimentar las bombas de propulsión, se distribuye entre todo el flujo de combustible, lo que significa que los gases de escape de los prequemadores que impulsan las turbobombas de propulsión están lo más fríos posible, incluso más fríos que en otros ciclos de motor cerrados que solo prequeman un propulsor. Esto contribuye a una mayor vida útil del motor. En cambio, un motor de ciclo abierto en el que los gases de escape de los prequemadores evitan la cámara de combustión principal intenta minimizar la cantidad de propulsor que pasa por el prequemador, lo cual se logra operando la turbina a su temperatura máxima tolerable.

Diagrama del ciclo del motor del cohete Raptor 2 con estimaciones a partir de información y análisis de fuentes abiertas.

Una turbina rica en oxígeno impulsa una turbobomba de oxígeno, y una turbina rica en combustible impulsa una turbobomba de metano. Tanto el oxidante como el combustible se convierten completamente a la fase gaseosa antes de entrar en la cámara de combustión . ^{[ 16 ]} Esto acelera la mezcla y la combustión, reduciendo el tamaño y la masa de la cámara de combustión requerida. Se utilizan encendedores de antorcha en los prequemadores. Debido a las altas temperaturas del escape del prequemador, la cámara de combustión principal del Raptor 2 no tiene encendedor principal, lo que elimina la necesidad del fluido de encendido consumible dedicado del Merlin. ^{[ 22 ]} El Raptor 2 utiliza inyectores de remolino coaxiales para admitir propelentes en la cámara de combustión, en lugar de los inyectores de aguja del Merlin . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Raptor está diseñado para propelentes criogénicos profundos : fluidos enfriados cerca de sus puntos de congelación , en lugar de sus puntos de ebullición , como es típico para los motores de cohetes criogénicos. ^{[ 29 ]} Los propelentes subenfriados son más densos, lo que aumenta la masa de propelente por volumen ^{[ 30 ]} así como el rendimiento del motor. El impulso específico aumenta y el riesgo de cavitación en las entradas a las turbobombas se reduce debido a la mayor tasa de flujo másico de combustible propelente por unidad de potencia generada. ^{[ 22 ]} La cavitación (burbujas) reduce el flujo/presión de combustible y puede privar al motor de combustible, mientras erosiona las palas de la turbina. ^{[ 31 ]} La relación oxidante / combustible del motor es aproximadamente de 3,8 a 1. ^{[ 32 ]} El Methalox se quema de forma relativamente limpia, lo que reduce la acumulación de carbono en el motor.

Muchas empresas han adoptado propulsores de metano y oxígeno líquidos , como Blue Origin con su motor BE-4 , así como el Longyun-70 de la empresa emergente china Space Epoch . ^{[ 33 ]}

Muchos componentes de los primeros prototipos del Raptor se fabricaron mediante impresión 3D , incluyendo turbobombas e inyectores, lo que aumentó la velocidad de desarrollo y prueba. ^{[ 29 ] [ 34 ]} El motor de desarrollo a escala reducida de 2016 tenía el 40 % (en masa) de sus piezas fabricadas mediante impresión 3D. ^{[ 22 ]} En 2019, los colectores del motor se fundieron con la superaleación Inconel SX300 desarrollada internamente por SpaceX , posteriormente mejorada a SX500. ^{[ 35 ]}

Los motores de cohete Merlin y Kestrel de SpaceX utilizan una combinación de RP-1 y oxígeno líquido ("kerolox"). El motor Raptor tiene aproximadamente el triple de empuje que el motor Merlin 1D de SpaceX , que impulsa los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy .

Raptor fue concebido para quemar propulsores de hidrógeno y oxígeno en 2009. ^{[ 36 ]} SpaceX tenía algunos empleados trabajando en el motor de la etapa superior de Raptor con baja prioridad en 2011. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

En octubre de 2012, SpaceX anunció el desarrollo de un concepto de motor que sería "varias veces más potente que la serie de motores Merlin 1 y no utilizaría el combustible RP-1 de Merlin ". ^{[ 39 ]}

En noviembre de 2012, el fundador y director ejecutivo de SpaceX, Elon Musk, anunció que SpaceX estaba trabajando en motores de cohetes alimentados con metano , que Raptor se basaría en metano, ^{[ 40 ]} y que el metano impulsaría la colonización de Marte. ^{[ 25 ]} Debido a la presencia de agua subterránea y dióxido de carbono en la atmósfera de Marte , el metano, un hidrocarburo simple , podría sintetizarse en Marte utilizando la reacción de Sabatier . ^{[ 41 ]} Un análisis de la NASA encontró que la producción de recursos in situ en Marte era viable para la producción de oxígeno, agua y metano. ^{[ 42 ]}

A principios de 2014, SpaceX confirmó que Raptor se usaría tanto para la primera como para la segunda etapa de su próximo cohete. Esto se mantuvo a medida que el diseño evolucionó desde el Mars Colonial Transporter ^{[ 25 ]} al Interplanetary Transport System ^{[ 43 ]} , el Big Falcon Rocket y, finalmente, Starship ^{[ 44 ] .}

El concepto evolucionó a partir de una familia de motores de cohete designados como Raptor (2012) ^{[ 45 ]} para centrarse en el motor Raptor de tamaño completo (2014). ^{[ 46 ]}

En enero de 2016, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos otorgó un contrato de desarrollo de 33,6 millones de dólares a SpaceX para desarrollar un prototipo de Raptor para su uso en la etapa superior de Falcon 9 y Falcon Heavy . ^{[ 47 ] [ 48 ]}

La primera versión estaba diseñada para operar a una presión de cámara de 250 bares (25 MPa; 3600 psi) . ^{[ 49 ]} En julio de 2022, la presión de la cámara había alcanzado los 300 bares en una prueba. ^{[ 31 ]} En abril de 2024, Musk compartió el rendimiento alcanzado por SpaceX con el motor Raptor 1 (nivel del mar 185 t _f , RVac 200 t _f ) y el motor Raptor 2 (nivel del mar 230 t _f , RVac 258 t _f ) junto con las especificaciones objetivo para el próximo Raptor 3 (nivel del mar 280 t _f , RVac 306 t _f ) ^{[ 50 ] [ 51 ]} y dijo que SpaceX apuntaría a lograr finalmente más de 330 toneladas de empuje en los motores de propulsión a nivel del mar. ^{[ 52 ]}  

Los motores Raptor 1 y 2 requieren una cubierta térmica para proteger las tuberías y el cableado del calor de la reentrada atmosférica a alta velocidad, ^{[ 31 ]} mientras que el Raptor 3 está diseñado para que no requiera un escudo térmico externo. ^{[ 53 ]}

Las pruebas de desarrollo iniciales ^{[ 54 ]} de los componentes Raptor se llevaron a cabo en el Centro Espacial Stennis de la NASA , ^{[ 18 ] [ 55 ]} a partir de abril de 2014. Las pruebas se centraron en los procedimientos de arranque y apagado, así como en la caracterización y verificación del hardware . ^{[ 22 ]}

SpaceX comenzó a probar inyectores en 2014 y probó un prequemador de oxígeno en 2015. Se realizaron 76 pruebas de encendido del prequemador, con un total de unos 400 segundos de tiempo de prueba, entre abril y agosto. ^{[ 54 ]}

A principios de 2016, SpaceX construyó un banco de pruebas de motores en su sitio de pruebas de McGregor en el centro de Texas para las pruebas del Raptor. ^{[ 22 ] [ 18 ]} El primer Raptor se fabricó en las instalaciones de SpaceX Hawthorne en California. En agosto de 2016 se envió a McGregor para las pruebas de desarrollo. ^{[ 56 ]} El motor tenía un empuje de 1 MN (220 000 lb _f ) . ^{[ 57 ]} Fue el primer motor de metalox de combustión escalonada de flujo completo en llegar a un banco de pruebas. ^{[ 22 ]}  

Se utilizó un motor de desarrollo a escala reducida para la validación del diseño. Tenía un tercio del tamaño de los diseños de motores previstos para vehículos de vuelo. ^{[ 22 ]} Presentaba una presión en la cámara de 200 bares (20 MPa; 2900 psi) , con un empuje de 1 meganewton (220 000 lb _f ) y utilizaba la aleación SX500 diseñada por SpaceX, creada para contener gas oxígeno caliente en el motor a hasta 12 000 libras por pulgada cuadrada (830 bares; 83 MPa) . ^{[ 35 ]} Se probó en un banco de pruebas terrestre en McGregor , encendiéndose brevemente. ^{[ 22 ]} Para eliminar los problemas de separación del flujo durante las pruebas en la atmósfera terrestre, la relación de expansión de la tobera de prueba se limitó a 150. ^{[ 22 ]}     

Para septiembre de 2017, el motor a escala reducida había completado 1200 segundos de encendidos en 42 pruebas. ^{[ 58 ]}

SpaceX completó muchas pruebas de encendido estático en un vehículo usando Raptor 2, incluyendo una prueba de 31 motores (se pretendía que fueran 33) el 9 de febrero de 2023, ^{[ 59 ]} y una prueba de 33 motores el 25 de agosto de 2023. ^{[ 60 ]} Durante las pruebas, más de 50 cámaras se fundieron y más de 20 motores explotaron. ^{[ 31 ]}

SpaceX completó su primer vuelo de prueba integrado de Starship el 20 de abril de 2023. El cohete contaba con 33  motores Raptor 2, pero tres de ellos se apagaron antes del despegue. La prueba de vuelo se interrumpió tras alcanzar una altitud de aproximadamente 39  km sobre el Golfo de México. Varios motores fallaron antes de que el sistema de terminación de vuelo (FTS) destruyera el propulsor y la nave. ^{[ 61 ]}

En la segunda prueba de vuelo integrada , los 33 motores propulsores permanecieron encendidos hasta el inicio de la combustión de retroceso, y los seis motores de Starship permanecieron encendidos hasta que se activó el FTS. ^{[ 62 ] [ 63 ]}

En la tercera prueba de vuelo integrada , los 33 motores del propulsor permanecieron encendidos hasta el apagado del motor principal, y luego, tras la separación en caliente, 13 se volvieron a encender con éxito para realizar un impulso de retorno durante toda su duración. ^{[ 64 ]} En la maniobra de aterrizaje del propulsor, solo se encendieron 3 de los 13 motores previstos, con 2 que se apagaron rápidamente, el otro permaneció encendido hasta que el propulsor fue destruido a ~462 metros sobre el nivel del mar. ^{[ 64 ]} La nave mantuvo con éxito los 6 motores encendidos hasta el apagado de la segunda etapa/motor secundario sin problemas, sin embargo, un reencendido previsto del Raptor en el espacio fue cancelado debido al balanceo durante la inercia. ^{[ 64 ]}

El séptimo vuelo de prueba incluyó el primer motor Raptor reutilizado, ^{[ 65 ]} que voló con éxito durante la fase de ascenso del Super Heavy Booster 14 y fue recuperado tras su captura exitosa por la torre de lanzamiento. Otros 29 motores Raptor fueron reutilizados en el B14 para el noveno vuelo de prueba de Starship . ^{[ 66 ]}

En enero de 2016, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (USAF) adjudicó a SpaceX un contrato de desarrollo de 33,6 millones de dólares para desarrollar un prototipo del motor Raptor para su uso en la etapa superior de los cohetes Falcon 9 y Falcon Heavy . El contrato requería una financiación equivalente por parte de SpaceX de al menos 67,3 millones de dólares . ^{[ 47 ] [ 73 ]} Se planificó que las pruebas del motor se realizaran en el Centro Espacial Stennis de la NASA en Mississippi bajo la supervisión de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. ^{[ 47 ] [ 48 ]} El contrato de la USAF contemplaba un único prototipo de motor y pruebas en tierra. ^{[ 47 ]}

En octubre de 2017, la USAF adjudicó un contrato de modificación de US$40,8 millones para un prototipo Raptor para el programa Evolved Expendable Launch Vehicle . ^{[ 74 ]} Este debía utilizar propulsores de metano líquido y oxígeno líquido , un ciclo de combustión escalonada de flujo completo y ser reutilizable. ^{[ 48 ]}

En julio de 2021, SpaceX anunció una segunda planta de producción de Raptor en el centro de Texas, cerca de la planta de pruebas de motores de cohetes ya existente . Esta planta se centraría en la producción en serie del Raptor 2, mientras que la planta de California produciría el Raptor Vacuum y nuevos diseños experimentales de Raptor. Se esperaba que la nueva planta produjera finalmente entre 800 y 1000 motores de cohete al año. ^{[ 75 ] [ 76 ]} En 2019, se afirmó que el coste (marginal) del motor se acercaba al millón de dólares estadounidenses . SpaceX planeaba producir en masa hasta 500 motores Raptor al año, cada uno con un coste inferior a 250 000 dólares estadounidenses . ^{[ 77 ]}

Cada versión del motor tiene una variante Raptor Vacuum (RVac) correspondiente ^{[ 80 ]} con una tobera extendida y refrigerada regenerativamente para un impulso específico mayor en el espacio. El Raptor optimizado para el vacío apunta a un impulso específico de ≈ 380 s (3700 m/s) . ^{[ 10 ]} Una prueba de duración completa de la versión 1 del Raptor Vacuum se completó en septiembre de 2020 en McGregor. ^{[ 80 ]} El primer encendido en vuelo de un Raptor Vacuum fue en S25 durante la segunda prueba de vuelo integrada . ^{[ 63 ]}  

El Raptor 2 es un rediseño completo del motor Raptor 1. ^{[ 81 ]} Se rediseñaron la turbomaquinaria, la cámara, la tobera y la electrónica. Muchas bridas se convirtieron en soldaduras , mientras que otras piezas se eliminaron. ^{[ 82 ]} Las simplificaciones continuaron después de que comenzó la producción. El 10 de febrero de 2022, Musk mostró las capacidades y las mejoras de diseño del Raptor 2. ^{[ 82 ] [ 83 ]}

Para el 18 de diciembre de 2021, Raptor 2 había comenzado la producción. ^{[ 84 ]} Para noviembre de 2022, SpaceX producía más de un Raptor al día y había creado una reserva para futuros lanzamientos. ^{[ 85 ]} Los Raptor 2 se producen en las instalaciones de desarrollo de motores McGregor de SpaceX .

Los Raptor 2 alcanzaban consistentemente 230 t _f (510 000 lbf ) de empuje para febrero de 2022. Musk indicó que los costos de producción eran aproximadamente la mitad que los del Raptor 1. ^{[ 82 ]}   

El Raptor 3 está diseñado para alcanzar finalmente 300 t _f (2,9 MN ) de empuje en la configuración de propulsor/nivel del mar. ^{[ 51 ] [ 86 ]} A agosto de 2024, había alcanzado un máximo de 280 t _f, con una masa de 1525 kg y  Presión de la cámara de 350 bar  en pruebas en tierra, aunque a partir de 2025 la presión operativa solo se ha anunciado hasta 330 bar. ^{[ 87 ]} Durante una actualización en mayo de 2026, SpaceX reveló que los motores Raptor 3 producían nominalmente 250 t _f (275 t _f para la variante de vacío) de empuje. ^{[ 8 ]}

El objetivo principal del Raptor 3 era eliminar las cubiertas protectoras del motor trasladando la mayor parte de las tuberías y sensores a la estructura principal del motor, ^{[ 50 ] [ 52 ]} aprovechando la refrigeración regenerativa ya existente. El 2 de agosto de 2024, se presentó el Raptor 3 SN1. ^{[ 88 ]} La reducción de componentes visibles externamente provocó que el CEO de United Launch Alliance , Tory Bruno, acusara erróneamente a SpaceX de presentar un motor "parcialmente ensamblado" al compararlo con motores "completamente ensamblados". ^{[ 89 ] [ 90 ]}

Muchas uniones atornilladas en el Raptor 2 se han eliminado o reemplazado por piezas individuales o soldaduras. Sin embargo, esto dificulta el mantenimiento, ya que algunas piezas pueden quedar ocultas bajo las soldaduras. ^{[ 91 ] : 42:19–45:50}

El 22 de mayo de 2026, la duodécima prueba de vuelo de Starship demostró el primer vuelo de los motores Raptor 3. Uno de los 33 motores Raptor 3 del vehículo se apagó prematuramente durante el lanzamiento, pero a pesar de la falla del motor, el vehículo logró su trayectoria prevista. En la maniobra de recuperación, no todos los motores se encendieron, y los que lo hicieron se apagaron a menos de 20 segundos del minuto previsto para la combustión. ^{[ 92 ]}

En octubre de 2021, SpaceX inició un proyecto para desarrollar un diseño conceptual para un nuevo motor de cohete con el objetivo de mantener el costo por debajo de los US$1000 por tonelada de empuje. El proyecto se denominó motor 1337, que se pronuncia "LEET" (en referencia a un meme de programación ). ^{[ 85 ]}

Aunque el esfuerzo de diseño inicial se detuvo a finales de 2021, el proyecto ayudó a definir un motor ideal y probablemente generó ideas que se incorporaron al Raptor 3. Musk declaró entonces que "No podemos hacer que la vida sea multiplanetaria con el Raptor, ya que es demasiado caro, pero el Raptor es necesario para salir del paso hasta que el 1337 esté listo". ^{[ 85 ]}

En junio de 2024, el concepto LEET se aclaró como una demolición total del diseño del Raptor 3, y Musk declaró que SpaceX "probablemente lo hará en algún momento. ... [El Raptor 3] se parece a un motor LEET, pero es mucho más caro porque todavía tiene piezas impresas , por ejemplo". ^{[ 91 ]}