Raptor (motore a razzo)

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Jump to navigation Jump to search
Raptor (famiglia di motori)
Raptor test firing, 2015-09-25.jpg

Primo test di un prototipo completo del motore Raptor, 25 Settembre 2016, presso McGregor, Texas.
Paese di origineStati Uniti
ProgettistaSpaceX
Principale costruttoreSpaceX
ApplicazioneRazzo a propellente liquido, propulsione
StatusIn sviluppo
Motore a propellente liquido
PropellenteLOX / Metano liquido
Rapporto del composto3.8
Ciclociclo a precombustione a flusso completo
Pompe2 × multi-stage
Configurazione
Camera1
Rapporto di scaricoMotore atmosferico: 150:1, Motore per il vuoto: 200:1[1]
Prestazioni
Spinta (vuoto)~1 900 kN (430 000 lbf)[2]
Spinta (livello del mare)1 700 kN (380 000 lbf)[2]
Pressione camera25 MPa (3 600 psi)[2]
Isp (vuoto)375 s[2]
Isp (livello del mare)330 s[2]
Dimensioni
DiametroMotore atmosferico <1,3m [2] Motore per il vuoto: 2,4m
Usato in
Interplanetary Transport System

Raptor è una famiglia di motori a razzo a metano in fase di sviluppo da parte di SpaceX, destinata ad alimentare con alte prestazioni gli stadi superiori e inferiori della nuova classe di lanciatori riutilizzabili (RLV) super-pesanti di SpaceX[3].

I motori saranno alimentati da metano liquido e ossigeno liquido (LOX), una dipartita rispetto alle famiglie di motori Kestrel e Merlin, le precedenti sviluppate da SpaceX, che utilizzano cherosene RP-1 come propellente. La scelta del combustibile è eccezionale anche rispetto alla tradizione della propulsione a razzo, dato che nessun motore orbitale a metano ha mai superato la fase sperimentale. Si tratta inoltre dell'unico motore alimentato a metano attualmente in via di sviluppo, assieme al BE-4 di Blue Origin.

Progetti precedenti per Raptor avrebbero usato idrogeno liquido (LH2) anziché metano.

Negli attuali piani, Raptor avrà oltre tre volte la spinta del motore Merlin 1D che alimenta il primo stadio del Falcon 9, pur mantenendo dimensioni comparabili.

Il progetto Raptor è mirato a sviluppare "un sistema di propulsione a metano altamente riutilizzabile che alimenterà la prossima generazione di veicoli di lancio SpaceX progettati per l'esplorazione e la colonizzazione di Marte"[4].

Sviluppo[modifica | modifica wikitesto]

La colonizzazione di Marte e lo sviluppo di sistemi di trasporto adatti sono dichiaratamente le ragioni stesse della fondazione di SpaceX[5]. La prima menzione pubblica dello sviluppo di Raptor come motore adeguato allo scopo risale al 2009, quando Max Vozoff lo descrisse come sistema a combustione stadiata, alimentato a idrogeno e ossigeno liquidi.[6]

Negli anni successivi è stata più volte confermata da esponenti della compagnia la prosecuzione del programma di sviluppo sino all'annuncio, nell'ottobre del 2012, che il successore della famiglia di motori Merlin sarebbe stato "diverse volte più potente" e non avrebbe usato il cherosene RP-1 come propellente. Contestualmente fu menzionato il veicolo a cui il nuovo sistema di propulsione sarebbe stato destinato, in grado di trasportare dalle 150 alle 200 tonnellate in Orbita terrestre bassa.[7]

La scelta del metano[modifica | modifica wikitesto]

Fu solamente un mese dopo, nel novembre del 2012, che l'AD Elon Musk annunciò ufficialmente la selezione del metano come propellente per Raptor.[8]

Come più volte ribadito da Musk ([8],[9],[3]) la scelta è giustificata in parte dalla possibilità di sintetizzare metano a partire dalle risorse marziane, dalla relativa facilità di stoccaggio rispetto all'idrogeno liquido e dalle proprietà chimiche della sua combustione, che lo rendono adatto ad un sistema riutilizzabile.[9]

La presenza di acqua in forma solida sulla superficie di Marte, assieme ad una composizione atmosferica che vede l'anidride carbonica come gas più presente, rendono possibile lo sfruttamento della reazione di Sabatier per produrre in situ sia metano (CH4) che ossigeno (O2). In questo modo sia il comburente che il carburante utilizzati da Raptor sono dunque producibili sul Pianeta Rosso.

Studi della NASA hanno esaminato e confermato la possibilità di ricorrere a tecniche di sfruttamento delle risorse locali (In site resource utilization, ISRU) per la produzione di ossigeno, acqua e metano.[10]

Nell'ottobre del 2013 SpaceX confermò pubblicamente l'intenzione di sviluppare un'intera famiglia di motori bastati su Raptor.[4]

Sviluppo delle componenti[modifica | modifica wikitesto]

Test del pre-combustore dell'ossigeno sviluppato da SpaceX per il motore Raptor, presso il Test Stand E-2 a Stennis, nel 2015[11].

Nello stesso mese si ebbe la prima evidenza pubblica dell'intenzione di produrre e testare hardware relativo al motore a metano. SpaceX dichiarò infatti l'intenzione di testare componenti di Raptor presso lo Stennis Space Center in Mississippi [12][13], e che avrebbe modificato l'attrezzatura del centro per supportare l'utilizzo del metano sia liquido che gassoso. Le modifiche furono completate nell'Aprile del 2014 e il programma di testing ebbe inizio a breve[14]. La tecnologia a combustione stadiata a ciclo completo utilizzata da Raptor presenta notevoli sfide tecniche associate al testing delle componenti, nonostante ciò la compagnia è stata in grado di portare a termine il ciclo di sviluppo a Stennis nel 2015[14]. I sistemi e le procedure sviluppati come risultato sono numerosi, tra cui procedure di accensione e spegnimento robuste, difficoltose per i motori a ciclo completo,[14] gli iniettori nel 2014 e il pre-combustore per l'ossigeno nel 2015.[11] Non essendo ancora definite le specifiche finali del motore, tutto l'hardware di sviluppo citato fin ora è mirato alla produzione di un prototipo in scala, dalla spinta massima pari a 1MN.[14]

Il primo prototipo integrato[modifica | modifica wikitesto]

Nel gennaio del 2016, l'Areonautica militare americana ha stipulato con SpaceX un contratto di 33,6 milioni di USD per lo sviluppo di un prototipo completo, anche se in scala, di Raptor. In aggiunta all'investimento delle forze armate, SpaceX si ritrovò contrattualmente obbligata a destinare almeno 67,3 milioni di USD nel progetto di ricerca e sviluppo, con termine previsto nel 2018[15].

Foto della prima accensione del prototipo di Raptor presso McGregor, Texas, il 26 Settembre 2016[3]. Nello scarico sono osservabili i mach diamonds.

Il primo prototipo integrato di Raptor, fabbricato nell'impianto SpaceX di Hawthorne, California, raggiunse il centro di testing di McGregor in Texas nell'agosto del 2016.[16]

Si tratta del sistema in scala già citato, da 1MN di spinta (circa un terzo della potenza prevista per il motore operativo). È il secondo motore a ciclo a precombustione a flusso completo nella storia a raggiungere la fase di testing integrata, il primo a metano[14].

Il 26 settembre 2016 Elon Musk pubblicò su Twitter le immagini relative alla prima accensione del prototipo a McGregor[17] [18]. Il giorno seguente l'AD di SpaceX specificò come il prototipo fosse nella configurazione adatta al vuoto, con un rapporto di scarico di 150:1[19]. Pochi giorni dopo, in occasione della conferenza tenuta alla IAC 2016 a Guadalajara, Messico, Musk ha rilasciato per la prima volta informazioni tecniche approfondite sul design finale del motore[3].

Un articolo pubblicato su nasaspaceflight.com, sito di riferimento nel settore, riporta varie specifiche aggiuntive del prototipo: la pressione operativa nella camera di combustione raggiunge i 20 MPa (200bar); le sue turbopompe sono in grado di produrre 27 MW di potenza, con più potenza “per unità di spinta” di ogni motore a idrocarburi esistente[14].

Il 29 settembre 2017, in occasione della IAC 2017 ad Adelaide, Australia, Musk ha presentato un aggiornamento sul ciclo di testing del prototipo. Nel corso di un anno gli ingegneri di SpaceX lo hanno sottoposto a 42 accensioni, di durata variabile, accumulando un totale di circa 1200 secondi di accensione[20].

Piani futuri[modifica | modifica wikitesto]

Prototipi in scala finale[modifica | modifica wikitesto]

Sin dalle prime menzioni pubbliche di Raptor, le specifiche tecniche target pubblicamente rivelate per il motore hanno subito una rapida evoluzione. In particolare le dimensioni e la potenza previste per la versione operativa sono state riviste negli anni, parallelamente alla maturazione del nuovo lanciatore di SpaceX, cui il sistema di propulsione è destinato[14]. Dal 2009, anno della prima menzione pubblica di Raptor, al 2014, la compagnia ha sempre parlato del motore come limitato esclusivamente alla propulsione del secondo stadio[21]. Solo a inizio 2014 SpaceX ha confermato che Raptor, nella sua versione atmosferica, sarebbe stato usato anche nel primo stadio del nuovo razzo in sviluppo, allora denominato 'MCT', Mars Colonial Transporter. Esso avrebbe impiegato un cluster di 9 motori, in una configurazione simile a quella dei Merlin nel Falcon 9[9]. Nel 2014, Tom Mueller ha rivelato target di spinta a livello del mare per Raptor di 4400 kN a febbraio[9], poi rivisti a 6900 kN nel giugno dello stesso anno[22]. Se il carico utile sulla superficie di Marte previsto per il lanciatore è rimasto più o meno costante negli anni, nell'intervallo fra le 150 e le 200 tonnellate, la spinta al decollo del razzo e il numero di motori necessari per raggiungerla hanno subito numerose variazioni. A partire dal 2015, quando Elon Musk aggiornò a ribasso le specifiche target di spinta per Raptor a 2300 kN, lo sviluppo del primo stadio del lanciatore marziano abbracciò infatti una nuova filosofia[23]. Questa risulta basata su un numero maggiore di motori, ciascuno capace di una spinta inferiore rispetto a quella prevista dai design precedenti, con un risultato netto di mantenere o aumentare la spinta complessiva dello stadio. La motivazione risiede nella volontà di massimizzare il rapporto spinta-massa (Thrust-to-weight ratio) del motore, che si è rivelato essere ottimale a dimensioni minori[23]. Questa direzione apparve chiara alla IAC 2016, quando vennero rilasciati i dettagli relativi al lanciatore secondo il design di allora, denominato ITS, Interplanetary Transport System. Il primo stadio di ITS, dal diametro di ben 12m, avrebbe impiegato ben 42 motori Raptor, ciascuno capace di 3000 kN di spinta[3].

Già a partire dall'estate 2017, tuttavia, Musk accennò ad un ulteriore riorientamento del programma, volto a ridimensionare la scala del lanciatore in modo da ridurre le difficoltà economiche e tecniche di sviluppo e i rischi associati[24]. Le specifiche target per il lanciatore e per Raptor più aggiornate sono dunque, ad oggi, quelle rivelate il 29 Settembre 2017 al convegno IAC 2017 ad Adelaide. L'ultima iterazione del design, detta BFR o 'Big Falcon Rocket', prevede due stadi dal diametro minore, di 9m, provvisti il primo di 31 motori, il secondo di 6 (7 a ottobre 2017[25]). La spinta finale prevista per Raptor è stata ridotta a 1700 kN a livello del mare e 1900 kN nel vuoto, contestualmente sono state ridotte anche le dimensioni fisiche del motore. La pressione operativa della camera di combustione è stata inoltre portata a 250MPa, a fronte dei 300 previsti dal design del 2016.[20]

Con la maturazione dei requisiti operativi di design, SpaceX può dunque procedere alla fabbricazione dei primi prototipi in scala finale. In una conferenza a Stanford, l'11 ottobre 2017, Gwynne Shotwell ha annunciato che la produzione dei motori full-scale è iniziata[26]. Rispetto al primo prototipo già testato nel 2016, da 1MN, si tratta di un up-scaling del 70%.

Testing in volo[modifica | modifica wikitesto]

Vista la complessità tecnica e finanziaria del lanciatore BFR, sin dal 2016 SpaceX ha reso nota la volontà di procedere in maniera graduale nel testare il sistema in volo, iniziando con missioni suborbitali nel 2019[3]. BFR è un imponente lanciatore a due stadi, il cui secondo stadio/navetta riutilizzabile presenta le sfide di sviluppo maggiori[27]. L'intenzione, chiarita nell'ottobre 2017, è quella di dare inizio ai test in volo di Raptor integrandolo proprio con il secondo stadio del lanciatore, o BFR spaceship (navetta spaziale). Questo sarà infatti in grado di compiere 'salti' suborbitali con atterraggio verticale, anche in assenza del primo stadio. Usando le parole di Musk[28] :

(EN)

« Initial flight testing [will be with] a full-scale 9-meter-diameter ship doing short hops of a few hundred kilometers altitude and lateral distance ... [projected to be] fairly easy on the vehicle, as no heat shield is needed, we can have a large amount of reserve propellant and don’t need the high area ratio, deep-space Raptor engines ... »

(IT)

« I primi test in volo saranno piccoli salti di poche centinaia di chilometri di altezza e spostamento laterale, [effettuati tramite] un BFR spaceship in scala 1:1, con diametro di 9m ... [stimiamo che] gli stress sul veicolo saranno limitati, visto che non sarà nemmeno necessario uno scudo termico, inoltre saranno disponibili ampi margini nelle riserve di propellente, e non avremo bisogno dei motori Raptor ottimizzati per il vuoto, dall'elevato rapporto di scarico ... »

(Elon Musk)

In questo modo sarà possibile dare priorità allo sviluppo degli elementi più difficoltosi dell'architettura, rimandando i test-flight del primo stadio ad un successivo momento.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) Alejandro G. Belluscio, ITS Propulsion – The evolution of the SpaceX Raptor engine, in NASASpaceFlight.com, 3 ottobre 2016. URL consultato il 3 ottobre 2016.
  2. ^ a b c d e f (EN) Elon Musk, Making Life Multiplanetary., su youtube.com, 29 settembre 2017. URL consultato il 29 settembre 2017.
  3. ^ a b c d e f (EN) Making Humans a Multiplanetary Species (PDF), SpaceX, 28 settembre 2016. URL consultato il 28 settembre 2016 (archiviato dall'url originale il 28 settembre 2016).
  4. ^ a b (EN) Dan Leone, SpaceX Could Begin Testing Methane-fueled Engine at Stennis Next Year, in Space News, 25 ottobre 2013. URL consultato il 26 ottobre 2013.
  5. ^ (EN) How (and Why) SpaceX Will Colonize Mars - Page 2 of 5 - Wait But Why, in Wait But Why, 16 agosto 2015. URL consultato il 29 ottobre 2017.
    «And that’s when [2001 n.d.r.] he [Elon Musk n.d.r] made the decision—he’d do it himself. Not the plant project—the big project. He had spent months voraciously reading about rocket technology and what it would take to make them himself, and he believed it was possible. He’d put 1,000,000 people on Mars.».
  6. ^ Long term SpaceX vehicle plans, HobbySpace.com, 7 luglio 2009. URL consultato il 13 luglio 2009 (archiviato dall'url originale il 14 febbraio 2010).
  7. ^ Zach Rosenberg, SpaceX aims big with massive new rocket, in Flightglobal, 15 ottobre 2012. URL consultato il 17 ottobre 2012.
  8. ^ a b David Todd, Musk goes for methane-burning reusable rockets as step to colonise Mars, in FlightGlobal Hyperbola, 20 novembre 2012. URL consultato il 4 novembre 2015 (archiviato dall'url originale l'11 giugno 2016).
    «"We are going to do methane." Musk announced as he described his future plans for reusable launch vehicles including those designed to take astronauts to Mars within 15 years, "The energy cost of methane is the lowest and it has a slight Isp (Specific Impulse) advantage over Kerosene," said Musk adding, "And it does not have the pain in the ass factor that hydrogen has".».
  9. ^ a b c d Alejandro G. Belluscio, SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power, in NASAspaceflight.com, 7 marzo 2014. URL consultato il 7 marzo 2014.
  10. ^ mmooney, In-Situ Resource Utilization - Mars Atmosphere/Gas Chemical Processing, su NASA SBIR/STTR, NASA, 8 novembre 2015. URL consultato il 2 giugno 2015.
  11. ^ a b (EN) NASA-SpaceX testing partnership going strong (PDF), su nasa.gov.
  12. ^ NASA Stennis Space Center to Test SpaceX Next Generation Rocket Engines Systems, Mississippi Development Authority, 23 ottobre 2013. URL consultato il 27 ottobre 2013.
  13. ^ Cochran: Space-X Decision Bodes Well for Job Growth in South Mississippi, Senator Cochran, 23 ottobre 2013. URL consultato il 27 ottobre 2013 (archiviato dall'url originale il 29 ottobre 2013).
  14. ^ a b c d e f g (EN) ITS Propulsion – The evolution of the SpaceX Raptor engine | NASASpaceFlight.com, su www.nasaspaceflight.com. URL consultato il 23 ottobre 2017.
  15. ^ (EN) Contracts for January 13, 2016, in U.S. DEPARTMENT OF DEFENSE. URL consultato il 23 ottobre 2017.
  16. ^ (EN) SpaceX has shipped its Mars engine to Texas for tests, in Ars Technica. URL consultato il 23 ottobre 2017.
  17. ^ Elon Musk, SpaceX propulsion just achieved first firing of the Raptor interplanetary transport engine, su Twitter.com, 26 settembre 2016. URL consultato il 26 settembre 2016 (archiviato dall'url originale il 26 settembre 2016).
  18. ^ Elon Musk, Mach diamonds, su Twitter.com, 26 settembre 2016. URL consultato il 26 settembre 2016 (archiviato dall'url originale il 26 settembre 2016).
  19. ^ Elon Musk, 382s is with a 150 area ratio vacuum (or Mars ambient pressure) nozzle. Will go over specs for both versions on Tues., su Twitter.com, 26 settembre 2016. URL consultato il 26 settembre 2016 (archiviato dall'url originale il 26 settembre 2016).
  20. ^ a b SpaceX, Making Life Multiplanetary, 29 settembre 2017. URL consultato il 28 ottobre 2017.
  21. ^ RLV and Space Transport News » Long term SpaceX vehicle plans, su hobbyspace.com, 14 febbraio 2010. URL consultato il 28 ottobre 2017 (archiviato dall'url originale il 14 febbraio 2010).
  22. ^ Butler, Amy; Svitak, Amy. "AR1 vs. Raptor: New rocket program will likely pit kerosene against methane" (2014-06-09). Aviation Week & Space Technology. SpaceX is developing the Raptor as a reusable engine for a heavy-lift Mars vehicle, the first stage of which will feature 705 metric tons of thrust, making it 'slightly larger than the Apollo F-1 engine,' Tom Mueller, SpaceX vice president of propulsion development, said during a space propulsion conference last month in Cologne, Germany. The vacuum version is targeting 840 metric tons of thrust with 380 sec. of specific impulse. The company is testing subscale components using the E-2 test stand at NASA's Stennis Space Center in Mississippi, says Stennis spokeswoman Rebecca Strecker. ... Mueller said many people ask why the company switch to methane for its Mars rocket. With reusability in mind, SpaceX's cost studies revealed that 'by far the most cost-effective propellant to use is methane,' he said, which would be easier than hydrogen to manufacture on Mars.
  23. ^ a b I am Elon Musk, CEO/CTO of a rocket company, AMA! • r/IAmA, su reddit. URL consultato il 28 ottobre 2017.
  24. ^ Elon Musk, ISS R&D Conference, July 19, 2017, 19 luglio 2017. URL consultato il 28 ottobre 2017.
  25. ^ I am Elon Musk, ask me anything about BFR! • r/space, su reddit. URL consultato il 1º novembre 2017.
  26. ^ Fireside Chat with SpaceX President Gwynne Shotwell, in Flickr. URL consultato il 28 ottobre 2017.
  27. ^ Making Humans a Multiplanetary Species, su youtube.com.
  28. ^ (EN) Musk offers more technical details on BFR system - SpaceNews.com, in SpaceNews.com, 15 ottobre 2017. URL consultato il 28 ottobre 2017.

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]