Med Raptor-motoren skal SpaceX løfte en enorm teknisk udfordring
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Med Raptor-motoren skal SpaceX løfte en enorm teknisk udfordring

Illustration: SpaceX

Elon Musks fremtidsplaner om at kolonisere Mars og gøre rumfart billigere står og falder med én ting: Raptor-motoren.

Motoren repræsenterer nu kerneteknologien for SpaceX og markerer et voldsomt skift væk fra en forholdsvis simpel teknologi ... hvis man kan sige det om raketteknologi overhovedet.

For selvom SpaceX muligvis har fået ry som klassens frække dreng, især på grund af deres genanvendelige raketter, så bygger firmaets nuværende Merlin-motorer på en kendt og udbredt teknologi. Noget nyt skal til for at realisere planerne om, at 122 meter lange rumfartøjer skal sende 100 mennesker ad gangen mod Mars. Det nye er Raptor-motoren.

Læs også: Elon Musk: 122 meter langt fartøj skal sende 100 mennesker til Mars på 80 dage

Merlin-motorerne flyver på det samme brændstof, som raketmotorer fra Soyuz over Saturn V til Antares har fløjet på: flydende oxygen og petroleum med forskellige additiver.

Merlin har også de klassiske turbopumper, der bliver drevet af deres egen brændstofforsyning, og udstødningsgasserne herfra bliver smidt ud af siden, hvilket kan ses som en kraftig flamme på rakettens side. Det kaldes også open cycle.

Raptor-motoren er ikke open cycle. Som de første i verden vil SpaceX flyve en motor med full flow combustion cycle og methan som brændstof. Og hvad betyder så det?

Illustration: MI Grafik

Jo, i stedet for at smide udstødningsgassen fra turbopumpens gasgenerator ud af siden, bliver den sendt ned i forbrændingskammeret, så den ikke går til spilde.

I det lukkede kredsløb indgår også to gasgeneratorer, en til brændstoffet methan og en til oxidationsmidlet flydende ilt. Begge leder drivmidlerne frem til brændkammeret i en gasform for at øge forbrændingstrykket.

Mere og koldere brændstof

Raptor-motoren er også designet til, at drivmidlerne skal køles til markant lavere temperatur end normalt. Musk vil have drivvæskernes temperatur helt ned nær fryse­punktet i stedet for den normale temperatur, som er tæt på kogepunktet. Med en lavere temperatur kan der nemlig tankes mere brændstof.

Det er dog værd at bemærke, at det netop var den superkolde ilt, som reagerede med kompositmaterialer på en Falcon-9-raket for nylig og fik den til at eksplodere. Musk selv beskrev det som et helt nyt problem inden for rumfart.

Læs også: Superkold ilt gik i forbindelse med kompositmaterialer og fik SpaceX-raket til at eksplodere

Raptor-motoren er planlagt i flere versioner, hvoraf én er tiltænkt rollen som motor i rummets vakuum om bord på de fremtidige ‘Marsfærger’. Her kan det dog blive en energimæssig udfordring at holde brændstoffet nedkølet under turen til Mars – og tilbage igen.

Raptor-motoren forsynes også med et nyt tændingssystem, der giver mulighed for at tænde motoren igen og igen med elektriske gnister, hvis noget ikke virker. De nuværende Merlin-motorer bliver tændt med såkaldt hypergolske væsker i form af Trimethylaluminium (TEA) og Triethylborane (TEB), der skaber høj varme, når de kommer i forbindelse med hinanden. Illustration: MI Grafik

Afsindigt højt tryk i gasgeneratorer

Én ting er dog helt sikker: Hvis man er raketingeniør og har stirret sig blind på, at et højt tryk er godt, så vil man elske Raptor-motoren. Kombinationen af full flow combustion cycle og methan gør nemlig, at SpaceX kan opnå et afsindigt tryk.

Trykket øger motorens kraft og gør det muligt at medbringe mere vægt på turen. Men udfordringerne stiger tilsvarende. Højere tryk giver større risiko for, at motoren brænder sammen, og højere tryk udsætter turbinerne for en voldsom kraft.

I tilfældet med Raptor-motoren er det helt slemt, fordi stort set alt brændstof i første omgang bliver forbrændt i gasgeneratorerne med en lille smule oxidationsmiddel. Derefter skal al gassen føres gennem turbinen for at drive pumperne, som igen leverer drivmiddel til gasgeneratoren. Og endelig skal drivmidlerne i gasform sendes ind i brændkammeret.

I Raptor-motoren skal trykket i brændkammeret være over 300 bar, og det betyder, at trykket i gasgeneratorerne skal være endnu højere, helt oppe i omegnen af 700 til 900 bar, fortæller Jonas Bækby Bjarnø fra DTU Space. Til sammenligning har brændkammeret på Soyuz­raketten, der sendte Andreas Mogensen i rummet, et tryk på 58 bar, og SpaceX’ Merlin-motor har et kammertryk på 97 bar.

Ingen har fløjet med full flow combustion cycle

Indtil videre har ingen motor med full flow combustion cycle fløjet, og kun to har været testet. Den ene var Sovjetunionens RD-270-projekt, der blev sat i gang i 1962, men droppet i 1967 efter adskillige tests. Motoren havde vedvarende problemer med ustabil forbrænding – et problem, som under ingen omstændigheder må opstå på Raptor-motoren, især ikke når den skal bruges i en clustersammensætning af 42 motorer på Mars-færgerne. Rystelser i en eller flere motorer kan hurtigt skabe problemer.

Den anden var en motor fra det amerikanske firma Aerojet Rocketdyne, der blev testet med succes i 2006, men aldrig har fløjet.

SpaceX luftede første gang sine planer om en Raptor-motor i 2009 og igen i 2011, hvor de beskrev Raptor-motoren som en mulighed til et øvre rakettrin. Dengang var motoren prioriteret lavt.

Det ændrede sig hen over årene, og i 2014 offentliggjorde chefingeniør Tom Mueller, at Raptor-motoren skulle bruges til at sende store mængder gods til Mars.

Den 26. september 2016 udførte SpaceX så sin første test af motoren. SpaceX har ikke offentliggjort resultaterne, og det er også uklart, hvor stor testmotoren var i forhold til de planlagte versioner. Rumfartsmedier som de fremtrædende Nasa­Spaceflight og SpaceNews kommer med forskellige udmeldinger.

Se SpaceX' egen video fra testen af Raptor-motoren her:

Efter testen afslørede Elon Musk dog, at den endelige motor til et førstetrin skal ende med et kammertryk på 303 bar – altså tre gange Merlin-motorens – en vakuum-specifik impuls på 382 sekunder og en kraft på 3MN.

Methan passer perfekt til Musk

Valget af methan er også værd at lægge mærke til, for ved at benytte det frem for petroleum, opnår Musk flere fordele.

For det første kan han opnå en højere ydeevne: Methan har mange af de samme egenskaber som brint – det ultimative drivmiddel, hvad kraft angår – men er nemmere at håndtere.

For det andet kan methan ved hjælp af den såkaldte Sabatier-reaktion udvindes på Mars på basis af vand fra undergrunden og kuldioxid fra atmosfæren.

For det tredje er det værd at bemærke, at det konkurrerende rumfartsfirma Blue Origin – som også har planer om kæmperaketter til Mars – ligeledes har skiftet fokus mod methan som drivmiddel i deres motorer.

Læs også: Genbrugs-raket (næsten) på størrelse med Saturn V skal flyve inden 2020

Og endelig har SpaceX oplyst, at den renere forbrænding ved me­than gør det nemmer at genanvende raketterne – en pointe, som både Jonas Bækby Bjarnø og raketudvikler Peter Madsen fra Raketmadsens Rumlaboratorium tilslutter sig:

»SpaceX har nok lært nu, at det er et stort arbejde at rense motorer og genbruge turbopumper, når man bruger petroleum. Methan brænder renere,« siger Jonas Bjarnø.

Eller som Peter Madsen lidt mere bramfrit udtrykker det:

»For at sige det ligeud: Raketterne er møgsorte, når de lander, og det kan klart betyde noget for, hvor mange gange de kan genanvendes.«

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Er den Russiske RD180 motor ikke også closed cycle? Mener at Amerikanerne opgraderede deres Atlas raketter til denne motor pga højere opnåelig specifik impuls ( pga closed cycle)

  • 2
  • 0

Den er "halv - closed", da det der driver turboen er et kammer hvor der forbrændes hele mængden af oxygen med en lille mængde af petroleummen. Udstødningen herfra kommer så ind i forbrændingskammeret sammen med resten af brændstoffet. Yderst effektivt, men det er ikke let at få motoren til at holde til strømmen af varm, gasformig ilt fra det første kammer.
http://www.astronautix.com/r/rd-180.html

Raptor gør det samme med både brændstof og oxygen, og det vises nu udmærket i figuren ovenfor. De to grønne bokse er to reaktionskamre hvor man dels afbrænder en lille smule methan i oxygenet, og tilfører en lille smule oxygen til methanet. Reaktionen herfra driver så pumperne.

  • 7
  • 0

Her kan det dog blive en energimæssig udfordring at holde brændstoffet nedkølet under turen til Mars – og tilbage igen.

Uden at vide meget om emnet, kan nogen så fortælle mig om man kan udnytte rummet/vakum til at holde brændstoffet koldt?

  • 0
  • 0

Metans smeltepunkt er 91,5 Kelvin og kogepunktet er 111,7K
Oxygens smeltepunkt er 54,36 Kelvin og kogepunktet er 90,19K

Hvis de er i kredsløb omkring jorden og raketten bare peger en tilfældig retning vil de nok få problemer med køling ja.

Men på turen til mars bør de kunne klare sig med en "parasol" mellem solen og raketten og skal nok lige så meget bekymre sig om at brændstoffet ikke fryser på turen ud.

Hvis man i stedet brugte hydrogen med et smeltepunkt på 14K og kogepunkt på 20K ville det kræve en del afskærmning at sikre sig mod at det koger af. Dertil kommer så hydrogens kedelige evne til at gøre metaller skøbelige.

  • 6
  • 0

Den er "halv - closed", da det der driver turboen er et kammer hvor der forbrændes hele mængden af oxygen med en lille mængde af petroleummen

Tak - det er mig der ikke har styr på terminologien.
Ved du hvad hvad er fordelen ved adskilte pumper, andet end en kortere aksel? Da motoren formodes at køre med konstant blandingsforhold skulle man tro at en enkelt turbine med to turbopumper skulle være tilstrækkeligt. Har det noget at gøre med at man gerne vil kunne genstarte motoren og at man kører under/overstøkiometrisk i startfasen?

  • 0
  • 0

Det er ikke muligt at nøjes med en turbine da der opereres med full flow. Alt fuel/oxidiser skal igennem turbinen for at blive forgasset og hvis det sker i kun en turbine så siger det på godt jysk RØVHUL.

Jeppe N, DSC

  • 4
  • 0

At brænde noget opfattes ofte som at brænde en gas (metan) i luft. Denne motor demonstrerer at man på samme måde kan brænde ilt i metan. Hvis vores atmosfære bestod af metan, ville ilt være en brændbar gas. Det ville kræve helt nye tabeller over stoffers "brændværdi".
Gad vide hvordan de tænder sådan en forbrænding og holder den igang.

  • 1
  • 4

Brænde ilt i methan?? Oxygen er i begge tilfælde oxidationsmidlet så det er methan der bliver oxideret af oxygen, der så reduceres.
Ikke noget nyt her.
Det venstre kammer med stort overskud af methan / en meget "fed" blanding og det højre kammer med stort overskud af oxygen / en meget mager blanding. Det ser simpelt ud på illustrationen....

  • 8
  • 0

Det bliver spændende at se om SpaceX vil bruge Raptor motoren i en ny Falcon 9 lignende raket. Der er jo ingen grund til at bruge krafter på Merlin motorer når man har en Raptor motor der på alle parametre er bedre. Samtidigt vil der helt sikkert være bedre økonomi i kun at producere en sealevel og en vacuum motortype.

Jeppe N, DSC

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten