Raptor da SpaceX

Motor de combustão em estágios com fluxo total

O motor Raptor da SpaceX é um motor de tipo ‘combustão em estágios de fluxo total’. Em um ciclo de combustão em estágios, também chamado de ciclo fechado, os propelentes são queimados em etapas. A solução para aumentar o impulso específico (Isp) do motor foi a tentativa de direcionar o escapamento do gerador de gás para a câmara de combustão, de modo que queimasse nas melhores condições para criar empuxo. A URSS foi a primeira a fazer motores de circuito fechado – o NK-15 e o NK-33 foram instalados no foguete pesado N-1, enquanto o RD-253/275 opera no Proton. Os Estados Unidos adotaram esse esquema – seu primeiro motor de foguete de ciclo fechado foi o de propulsão do space shuttle, que, por outro lado, se tornou o primeiro motor deste tipo movido a oxigênio e hidrogênio. O ciclo de combustão de fluxo total aproveita todos os gases do circuito do motor (tanto o fluido do propelente quanto os gases usados para mover as turbobombas) na combustão dentro da câmara principal, produzindo um empuxo máximo com a reserva de propelente disponível.

O Raptor usa conjuntos separados de turbinas e bombas nas linhas de combustível e oxidante como parte do seu ciclo de combustão de fluxo total, com bombas de pre-queimador produzindo a pressão de entrada necessária para a operação das bombas principais para criar uma pressão da câmara de combustão de 300 bar – a mais alta alcançado por um motor de foguete de combustível líquido operacional. Pré-queimadores são como câmaras de combustão menores. Sua função é acionar as turbobombas, que bombeiam propelente para os pré-queimadores. São duas turbomaquinarias, uma que funciona com gás rico em combustível e outra com gás enriquecido de oxigênio. A exaustão desses gases é então combinada na câmara de combustão principal onde a mistura é inflamada. O teste do pré-queimador significa que ambos os pré-queimadores disparam, mas os gases de exaustão de qualquer um deles apenas fluirão pela câmara de combustão principal, onde a combustão não é iniciada.
A versão SL (nível do mar), com 311.013,4 kgf de empuxo, tem uma proporção de tubeira de 40, levando a um diâmetro da saída da ordem de 1,7 metros com uma expansão otimizada para operação na atmosfera, uma vez que o “booster” só operará em altitudes de pouco mais de 100 quilômetros.
O Raptor SL de linha de montagem tem um empuxo de vácuo de 3.297 quilonewtons com uma uma taxa de fluxo de propelente de 931 kg por segundo em uma proporção de mistura de 3,8, embora os tamanhos dos tanques impliquem em uma mistura próxima de 3,7.
Durante o ciclo de funcionamento do motor, a temperatura da saída do pré-queimador de oxigênio líquido em 475 ° C. Dentro da câmara do pré-queimador a temperatura chega a 811 K, para uma temperatura de saída de 748 K. Os gases entram na câmara de combustão principal e produzem o empuxo. O fluxo, ao sair da tubeira do motor, se expande e atingem pressão e temperatura mais baixas. Com uma taxa de expansão em torno de 40 e levando em conta a compressão adiabática assume-se uma pressão de saída acima de 2,16 bar.

Os testes de pré-combustão tornaram-se cada vez mais raros à medida que o design do Raptor ao nível do mar da SpaceX amadurece ao longo de testes de solo e, mais tarde em testes de solo e vôo em protótipos de Starship. A nave S20 estava equipada com dois motores durante seu primeiro teste. Um foi a variante otimizada do Raptor de nível do mar da qual a SpaceX construiu dezenas de e disparou por mais de 30.000 segundos em solo. O outro, era um motor otimizado a vácuo com a sua característica tubeira maior. O teste pré-queimador da Ship 20 é o primeiro teste do Raptor desde o primeiro teste estático do Booster Super Heavy “B4” em meados de julho.
O Raptor emprega um sistema de resfriamento regenerativo – direcionando combustível da turbina através da câmara do motor e trocadores de calor da tubeira antes de alcançar o pré-queimador e a turbina. No momento em que ambos os componentes alcançam a cabeça do injetor do motor, eles estão completamente na fase gasosa. O projeto do motor de fluxo total tem uma série de vantagens sobre os motores de combustão em estágios típicos; em primeiro lugar, um desempenho superior, mas também levando em consideração a confiabilidade e as considerações de reutilização. Um desempenho superior é obtido ao injetar os propelentes na câmara de combustão em forma gasosa, criando uma reação mais rápida.
O uso de turbinas separadas para as turbobombas de combustível e oxidante reduz a potência geral da turbina em comparação com o projeto de turbobomba de eixo único em que uma turbina aciona as duas bombas. Além disso, a passagem de todo o fluxo de propelente pelas turbinas facilita seu resfriamento e cria um ambiente térmico gerenciável. O equipamento de bombeamento separado elimina a interseção do oxidante e do combustível de alta pressão, que é um ponto de falha dos projetos de motores tradicionais.

O motor tem um empuxo no vácuo de 3.500 kN (356.900,7 kgf), um impulso específico (também no vácuo) de 382 segundos, com uma pressão da câmara de combustão principal de 300 bar; possui uma capacidade de regulagem de potência de 20 a 100%. Seu método de ignição é por vela, com capacidade de re-iginição múltipla. A razão de área é de 200, e a razão de mistura de 3,8; A taxa de fluxo fica em torno de 31,2 kg / s ( o fluxo de oxidante é de 737,2 kg/s e o de combustível de 194 kg /s).

Há alguns meses, o CEO Elon Musk escreveu no Twitter que a empresa planeja construir um motor “Raptor 2”. Esta seria uma versão mais potente do motor, atualmente em desenvolvimento. Em maio de 2020, Musk observara que a variante ao nível do mar tem um empuxo de cerca de 200 toneladas, mas havia planos para aumentar isso para 250 toneladas. Isso pareceu ter sido confirmado por Musk quando postou no Twitter que o plano atual era aumentar o empuxo básico do Raptor para cerca de 226.796,185 kgf e também aumentar o numero de motores do primeiro estágio para 32 ou 33. Todos os motores, sejam fixos ou basculantes, seriam os mesmos, produzindo um empuxo de 7.600 toneladas-força e uma relação de empuxo-massa total de cerca de 1,5.

Musk confirmou ainda que “…os motores centrais do Starship serão iguais aos motores do SuperHeavy. Este é basicamente o Raptor 2. O Raptor Vacuum seria apenas uma variante dele. Ainda está para sder definido quanto a se deveremos mesclar os R-Vac com Raptor 2 (com mais potência), mantendo o diâmetro atual da garganta ou estreitando-o (para obter mais Isp). Adicionar mais três R-Vac com mais impulso específico [Isp] máximo talvez… ”

O site da SpaceX mostra que o plano anterior era para o Super Heavy produzir um empuxo de 7.257.477,92 kgf. Os comentários de Musk sugerem que esse número pode chegar a 7.711.070,29 kgf. Em comparação, o foguete mais poderoso que já voou foi o Saturn V do projeto Apollo da NASA. Ele voou pela última vez em 1973 e seus motores F-1 geravam 3.447.302,012 kgf de empuxo. A empresa manteve as informações vagas no que diz respeito à capacidade de carga útil do foguete SuperHeavy assim equipado. Seu site afirma que pode carregar mais de 100 toneladas à órbita baixa da Terra (LEO). Isso pode ser um número subestimado: um guia do usuário em abril de 2020 sugeriu que o foguete poderia transportar algo próximo a 156 toneladas até a órbita baixa. Na época, Musk confirmou que esse era realmente o objetivo de longo prazo:

“A massa dos veículos SN iniciais será um pouco alta e o Isp um pouco baixo, mas, com o tempo, será de ~ 150t para LEO totalmente reutilizável.” Para missões a Marte, a informação mais importante poderia ser a relação empuxo-peso de 1,5. A relação empuxo-peso mostra como o empuxo se compara ao peso do próprio veículo. Ao contrário de um avião que decola horizontalmente, um foguete, sendo lançado verticalmente, precisa que seu empuxo seja maior do que seu peso. Quanto maior o empuxo/peso, maior a aceleração conseguida pelos motores.

Em janeiro de 2021, Musk explicou que uma proporção maior é crítica para uma espaçonave reutilizável como o Starship: “… a relação empuxo/massa será de ~ 1,5, então ele acelerará excepcionalmente rápido. Uma relação empuxo/massa alta é importante para veículos reutilizáveis, ​​para fazer um uso mais eficiente do propelente – que representa seu custo primário. Para foguetes descartáveis, descartar estágios representa o custo principal, portanto, a otimização é baixa na relação empuxo/massa.” Transportar mais carga de uma vez é útil, mas para uma nave reutilizável, precisa-se usar o propelente da forma mais eficiente possível – para voltar de Marte, por exemplo.

Conheça mais sobre exploração espacial no Curso Introdutório de História e Fundamentos da Astronáutica

Curso de Introdução à Astronáutica

Compre os e-books da Biblioteca Espacial Brasileira:

CONTRIBUA ATRAVÉS DO PIX DO HOMEM DO ESPAÇO: homemdoespacobr@gmail.com

BIBLIOTECA ESPACIAL

E-book Estações Espaciais Volume I

E-book Estações Espaciais Volume II

E-book Naves Espaciais Tripuladas

E-book Compêndio da missão EMM-1 dos Emirados a Marte

E-book Compêndio Satélites Militares

E-book Compêndio da missão Soyuz 9

%d bloggers like this: