Motores de cohetes SpaceX

Desde la fundación de SpaceX en 2002, la compañía ha desarrollado cuatro familias de motores de cohetes : Merlin , Kestrel , Draco y SuperDraco , y desde 2016 desarrolló el motor de cohete de metano Raptor y, después de 2020, una línea de propulsores de metano .

En los primeros diez años de SpaceX, liderada por el ingeniero Tom Mueller , la compañía desarrolló una variedad de motores de cohetes de propulsante líquido , con al menos uno más de ese tipo en desarrollo. A partir de octubre de 2012 ^[actualizar], cada uno de los motores desarrollados hasta la fecha ( Kestrel , Merlin 1 , Draco y Super Draco) se habían desarrollado para su uso inicial en los vehículos de lanzamiento de SpaceX ( Falcon 1 , Falcon 9 y Falcon Heavy ) o para la cápsula Dragon . ^[1] Cada motor principal desarrollado hasta 2012 ha estado basado en queroseno, utilizando RP-1 como combustible con oxígeno líquido (LOX) como oxidante, mientras que los motores de propulsión de control RCS han utilizado propulsores hipergólicos almacenables .

En noviembre de 2012, en una reunión de la Royal Aeronautical Society en Londres, Reino Unido, SpaceX anunció que planeaba desarrollar motores basados ​​en metano para sus futuros cohetes. Estos motores utilizarían combustión de ciclo escalonado , para lograr una mayor eficiencia, similar al sistema utilizado en el motor NK-33 de la ex Unión Soviética . ^{[2] [ necesita actualización ]}

A mediados de 2015, SpaceX había desarrollado un total de 9 arquitecturas de motores de cohetes en los primeros 13 años de existencia de la compañía. ^[3]

SpaceX ha desarrollado dos motores a base de queroseno hasta 2013, el Merlin 1 y el Kestrel, y ha discutido públicamente un concepto de diseño de alto nivel de motor mucho más grande llamado Merlin 2. Merlin 1 impulsó la primera etapa del vehículo de lanzamiento Falcon 1 y se utiliza tanto en la primera como en la segunda etapa de los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy . La segunda etapa del Falcon 1 estaba impulsada por un motor Kestrel.

Merlin 1 es una familia de motores de cohetes LOX / RP-1 desarrollados entre 2003 y 2012. Merlin 1A y Merlin 1B utilizaban una tobera compuesta de fibra de carbono refrigerada por ablación . Merlin 1A producía 340 kilonewtons (76.000 lbf ₎ de empuje y se utilizó para impulsar la primera etapa de los dos primeros vuelos del Falcon 1 en 2006 y 2007. Merlin 1B tenía una turbobomba algo más potente y generaba más empuje, pero nunca voló en un vehículo de vuelo antes de que SpaceX pasara al Merlin 1C.

El Merlin 1C fue el primero de la familia en utilizar una tobera y una cámara de combustión refrigeradas regenerativamente . Se puso en marcha por primera vez con un encendido de misión completa en 2007, ^[4] voló por primera vez en la tercera misión Falcon 1 en agosto de 2008, ^[5] impulsó el "primer cohete de combustible líquido desarrollado de forma privada en alcanzar la órbita con éxito" ( Falcon 1 Flight 4 ) en septiembre de 2008, ^[5] y posteriormente impulsó los primeros cinco vuelos del Falcon 9, cada uno de ellos realizado con un vehículo de lanzamiento Falcon 9 versión 1.0 , desde 2010 hasta 2013. ^[6]

El Merlin 1D , desarrollado entre 2011 y 2012, también tiene una tobera y una cámara de combustión refrigeradas regenerativamente. Tiene un empuje de vacío de 690 kN (155 000 lbf), un impulso específico de vacío (I _sp ) de 310 s, una relación de expansión aumentada de 16 (en comparación con los 14,5 anteriores del Merlin 1C) y una presión de cámara de 9,7 MPa (1410 psi). Una nueva característica del motor es la capacidad de acelerar del 100 % al 70 %. ^[7] La ​​relación empuje-peso de 150:1 del motor es la más alta jamás lograda para un motor de cohete. ^{[8] [9]} El primer vuelo del motor Merlin 1D también fue el vuelo inaugural del Falcon 9 v1.1 . ^[10] El 29 de septiembre de 2013, la misión Falcon 9 Flight 6 lanzó con éxito el satélite CASSIOPE de la Agencia Espacial Canadiense a una órbita polar y demostró que el Merlin 1D podía reiniciarse para controlar el reingreso de la primera etapa a la atmósfera (parte del programa de pruebas de vuelo del sistema de lanzamiento reutilizable de SpaceX) , un paso necesario para hacer que el cohete sea reutilizable. ^[11]

Kestrel era un motor cohete LOX / RP-1 alimentado a presión , y fue desarrollado por SpaceX como el motor principal de la segunda etapa del cohete Falcon 1; fue utilizado entre 2006 y 2009. Fue construido alrededor de la misma arquitectura de pivote que el motor Merlin de SpaceX, pero no tiene una turbobomba , y es alimentado solo por presión del tanque . Su boquilla fue enfriada ablativamente en la cámara y enfriada radiativamente en la garganta, y está fabricada a partir de una aleación de niobio de alta resistencia . El control del vector de empuje es proporcionado por actuadores electromecánicos en la cúpula del motor para el cabeceo y la guiñada. El control del alabeo, y el control de actitud durante la fase de planeo, es proporcionado por propulsores de gas frío de helio . ^{[12] [13]}

En noviembre de 2012, los motores de metano/ LOX aparecieron en escena cuando el director ejecutivo de SpaceX, Elon Musk, anunció una nueva dirección para el sector de propulsión de la empresa: el desarrollo de motores de cohetes de metano / LOX . ^[2] El trabajo de SpaceX en motores de metano/LOX (metalox) es estrictamente para apoyar el programa de desarrollo de tecnología de Marte de la empresa. No tenían planes de construir un motor de etapa superior para el Falcon 9 o el Falcon Heavy utilizando propulsor de metano/LOX. ^[14] Sin embargo, el 7 de noviembre de 2018, Elon Musk tuiteó: "La segunda etapa del Falcon 9 se actualizará para que sea como una mini nave BFR", lo que puede implicar el uso de un motor Raptor en esta nueva segunda etapa. El enfoque del nuevo programa de desarrollo de motores está exclusivamente en el motor Raptor de tamaño completo para la misión centrada en Marte. ^[14]

Raptor es una familia de motores de cohetes de metano / oxígeno líquido en desarrollo por SpaceX desde finales de la década de 2000, ^[2] aunque la mezcla de propulsores LH2 / LOX estaba originalmente en estudio cuando comenzó el trabajo de desarrollo del concepto Raptor en 2009. ^[15] Cuando SpaceX lo mencionó por primera vez en 2009, el término "Raptor" se aplicó exclusivamente a un concepto de motor de etapa superior. ^[2] SpaceX discutió en octubre de 2013 que tenían la intención de construir una familia de motores de cohetes Raptor basados ​​en metano, ^[16] anunciando inicialmente que el motor alcanzaría un empuje de vacío de 2,94 meganewtons (661.000 lbf). ^[16] En febrero de 2014, anunciaron que el motor Raptor se utilizaría en el Mars Colonial Transporter . El propulsor utilizaría múltiples motores Raptor, similar al uso de nueve Merlin 1 en cada núcleo de refuerzo Falcon 9 . ^[17] El mes siguiente, SpaceX confirmó que a partir de marzo de 2014 , todo el trabajo de desarrollo de Raptor se basa exclusivamente en este único motor de cohete de gran tamaño, y que no había motores Raptor más pequeños en la mezcla de desarrollo actual. ^{[14][actualizar]}

El motor de metano/LOX del Raptor utiliza un ciclo de combustión por etapas de flujo completo altamente eficiente y teóricamente más confiable, ^[17] un cambio con respecto al sistema de ciclo de generador de gas abierto y los propulsores LOX/queroseno utilizados en la actual serie de motores Merlin 1. ^[2] En febrero de 2014 , los diseños preliminares del Raptor buscaban producir 4,4 meganewtons (1 000 000 lbf) de empuje con un impulso específico de vacío (I _{sp ) de 363 segundos (3,56 km/s) y un I sp} a nivel del mar de 321 segundos (3,15 km/s), ^{[17] [18]} aunque los tamaños de concepto posteriores que se estaban considerando estaban más cerca de los 2,2 MN (500 000 lbf). ^[actualizar]

Las pruebas iniciales a nivel de componentes de la tecnología Raptor comenzaron en mayo de 2014, con una prueba del elemento inyector. ^{[16] [19]} El primer motor de desarrollo completo de Raptor, aproximadamente un tercio del tamaño de los motores a escala real planificados para el uso en varias partes de la Starship, con aproximadamente 1000 kN (220 000 lbf ₎ de empuje, comenzó a probarse en un banco de pruebas en tierra en septiembre de 2016. La boquilla de prueba tiene una relación de expansión de solo 150, para eliminar los problemas de separación del flujo mientras se prueba en la atmósfera de la Tierra. ^[20]

El ciclo de combustión por etapas de flujo completo del Raptor pasará el 100 por ciento del oxidante (con una proporción baja de combustible) para alimentar la bomba de turbina de oxígeno, y el 100 por ciento del combustible (con una proporción baja de oxígeno) para alimentar la bomba de turbina de metano. Ambas corrientes, oxidante y combustible, estarán completamente en la fase gaseosa antes de ingresar a la cámara de combustión . Antes de 2016, solo dos motores de cohete de combustión por etapas de flujo completo habían progresado lo suficiente como para ser probados en bancos de pruebas: el proyecto soviético RD-270 en la década de 1960 y el proyecto de demostración de cabezal de potencia integrado Aerojet Rocketdyne a mediados de la década de 2000, que no probó un motor completo sino solo el cabezal de potencia. ^{[17] [20]}

Se proyecta que otras características del diseño de flujo total aumentarán aún más el rendimiento o la confiabilidad, con la posibilidad de hacer compensaciones de diseño entre uno y el otro: ^[17]

• Eliminación del sello intermedio de la turbina del oxidante de combustible , que tradicionalmente es un punto de falla en los motores de cohetes químicos modernos.
• Se requieren presiones más bajas a través del sistema de bombeo, lo que aumenta la vida útil y reduce aún más el riesgo de falla catastrófica.
• capacidad de aumentar la presión de la cámara de combustión, aumentando así el rendimiento general, o "mediante el uso de gases más fríos, proporcionando el mismo rendimiento que un motor de combustión por etapas estándar pero con mucho menos estrés en los materiales, reduciendo así significativamente la fatiga del material o el peso [del motor]". ^[17]

SpaceX está desarrollando propulsores gaseosos Methox que utilizarán gas que debe ventilarse de los tanques de propulsor para controlar la actitud.

En su anuncio del Sistema de Transporte Interplanetario (ITS) en el 67º Congreso Astronáutico Internacional el 27 de septiembre de 2016, Elon Musk indicó que todos los propulsores del sistema de control de reacción para el ITS (posteriormente renombrado a Starship ) operarían a partir del suministro de metano gaseoso y oxígeno en cada uno de esos vehículos, y que se desarrollarían nuevos propulsores para ese propósito. ^{[21] [22] [23]}

Para 2020, se planeó ubicar un conjunto de propulsores RCS metox de alto empuje en el cuerpo medio de la variante de aterrizaje lunar Starship HLS de Starship y se utilizarán durante las "decenas de metros" finales de cualquier descenso y aterrizaje lunar terminal, [ ^24] así como para partir de la superficie lunar. ^{[24] : 50:30} El diseño del cuerpo medio es específicamente para abordar el problema de la erosión de la superficie lunar y la creación de polvo en toda la Luna por el uso de motores Raptor que se encuentran en la base de Starship.

En 2021, se vieron propulsores de gas caliente en el cuerpo de los prototipos de Starship, ^[25] sin embargo, no está claro si se utilizarán en futuras Starships.

Los Draco son motores de cohetes de combustible líquido hipergólico que utilizan una mezcla de combustible de monometilhidrazina y oxidante de tetróxido de nitrógeno . Cada propulsor Draco genera 400 newtons (90 lbf) de empuje. ^[26] Se utilizan como propulsores del Sistema de Control de Reacción (RCS) tanto en la nave espacial Dragon como en la segunda etapa del vehículo de lanzamiento Falcon 9. [ ^27]

Los motores hipergólicos de propulsante almacenable SuperDraco generan 67.000 newtons (15.000 lbf) de empuje, lo que convierte al SuperDraco en el tercer motor más potente desarrollado por SpaceX, más de 200 veces ^[28] más potente que los motores de propulsión RCS Draco regulares. En comparación, es más de dos veces más potente que el motor Kestrel utilizado en la segunda etapa del vehículo de lanzamiento Falcon 1 de SpaceX, y aproximadamente 1/9 del empuje de un motor Merlin 1D . Se utilizan como motores del sistema de aborto de lanzamiento en el SpaceX Dragon 2 para el transporte de tripulación a la órbita baja de la Tierra . ^[29]

• Vehículos de lanzamiento de SpaceX

• Gira SpaceX – Motores, 11 de noviembre de 2010.
• Presentación de ingeniería de sistemas de SpaceX, 28 de septiembre de 2012. Incluye fotografía de los motores de vacío Merlin 1C y Merlin 1C uno al lado del otro.