Dit artikel beschrijft de technische evolutie van de SpaceX Raptor-motor, van versie 1 naar de recentere versie 3. De Raptor is een complex type raketmotor, genaamd full-flow staged combustion (FFSC), waarbij twee preburners worden gebruikt om de pompen aan te drijven, wat theoretisch zorgt voor een hogere betrouwbaarheid en efficiëntie.
De belangrijkste verbeteringen in de Raptor 3 zijn:
- Prestaties: Een toename van ongeveer 35% in stuwkracht ten opzichte van versie 1.
- Internalisering: Door gebruik te maken van geavanceerde metaal-3D-printtechnologie (zoals Velo3D) zijn veel leidingen intern geplaatst. Hierdoor kon het zware externe hitteschild worden verwijderd, wat resulteerde in aanzienlijke massabesparing.
- Vereenvoudiging: Het verwijderen van overbodige sensoren, het vervangen van boutverbindingen door lassen en het vervangen van helium door stikstof voor het opstartproces.
Hoewel de motor er extern eenvoudiger uitziet, is de interne complexiteit juist toegenomen. De technologie is nog volop in ontwikkeling, wat blijkt uit recente startproblemen tijdens testvluchten.
Hoe SpaceX de Raptor-motor heeft gestroomlijnd
Als u dit leest, is de kans groot dat u de beroemde afbeelding heeft gezien van drie iteraties van de Raptor-raketmotor van SpaceX. De Raptor-motor is ontwikkeld voor het Starship-ruimtevaartuig van SpaceX (de Falcon 9 en Falcon Heavy maken gebruik van de Merlin-motor). De motor werd voor het eerst test-gevuurd in 2016, vloog voor het eerst op de Starhopper in 2019, vervolgens op een Starship-prototype in 2020 en op de volledige Starship-stack in 2023. Sindsdien is de motor blijven verbeteren, waarbij het ontwerp evolueerde van de kluwen van pijpen en draden van de Raptor 1 naar het gladde, gestroomlijnde ontwerp van de Raptor 3, die in mei van dit jaar voor het eerst vloog.
De evolutie is zo dramatisch dat velen aanvankelijk geloofden dat het niet echt was. Tory Bruno, de toenmalige CEO van het lanceerbedrijf United Launch Alliance, tweette dat er "geen reden was om dit te overdrijven door een gedeeltelijk geassembleerde motor te tonen". Hierop reageerde SpaceX-president Gwynne Shotwell door een foto te tweeten van de Raptor 3 die succesvol vuurde.
Deze stroomlijning gaat gepaard met aanzienlijke prestatiewinst; de Raptor 3 levert ongeveer 35% meer stuwkracht dan de Raptor 1.
Om te begrijpen hoe deze evolutie precies is verlopen, is gekeken naar wat SpaceX specifiek heeft veranderd om van de wirwar aan draden en pijpen naar de slanke motor te gaan. Omdat SpaceX geen officiële schema's publiceert en er geen "teardown" van een Raptor-motor is uitgevoerd, is de informatie gebaseerd op opmerkingen van Elon Musk en speculaties van SpaceX-fans.
Hoe de Raptor-motor werkt
De Raptor-motor is een "full-flow staged combustion" (FFSC) motor. Maar wat betekent dat precies?
Een raketmotor werkt door massa ("brandstof/propellant") uit een raketmondstuk te werpen. Volgens de derde wet van Newton ("voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie") duwt dit de raket in de tegenovergestelde richting. Hoe meer massa er wordt uitgestoten en hoe sneller dit gebeurt, hoe meer stuwkracht de motor produceert.
Verschillende typen motoren
De eenvoudigste methode is het vullen van een tank met gas onder druk en dit gas te laten ontsnappen. Dit soort raket, een "cold gas thruster", wordt vaak gebruikt voor kleine aanpassingen aan de positie of oriëntatie van een ruimtevaartuig, zoals bij de Manned Maneuvering Unit van NASA en de stuurraketten van de Falcon 9.
Hoewel deze motoren simpel en betrouwbaar zijn, is de stuwkracht beperkt. Om meer kracht te krijgen, kunnen twee componenten worden gebruikt: een brandstof (zoals kerosine) en een oxidator (zoals zuurstof), die samen in een verbrandingskamer worden verbrand. Hierdoor ontstaat heet gas dat uit het mondstuk ontsnapt. Een motor die de druk van de brandstoftanks gebruikt om de brandstof en oxidator in de verbrandingskamer te persen, wordt een pressure-fed engine (drukgevoede motor) genoemd. De opstijgtrap van de Apollo Lunar Module was een voorbeeld hiervan, gebruikmakend van stikstoftetroxide (N2O4) als oxidator en Aerozine 50 als brandstof.
Het probleem van druk en pompen
Om te voorkomen dat de brandende gassen in de verbrandingskamer terugstromen in de brandstof- en oxidatorleidingen, moet de druk in de verbrandingskamer lager zijn dan de druk in de tanks. Voor een krachtige, compacte motor is echter een zeer hoge druk in de verbrandingskamer gewenst. Het verhogen van de tankdruk is onpraktisch, omdat de tanks dan onaanvaardbaar dik en zwaar worden.
De oplossing is om brandstoffen bij lage druk op te slaan en ze via een pomp onder hoge druk naar de verbrandingskamer te voeren. Vrijwel elke motor die een raket in een baan om de aarde brengt, maakt gebruik van een pomp. De turbopomp van de F-1 motor op de Saturn V vereiste bijvoorbeeld ongeveer 41 megawatt aan vermogen.
Turbopompen en verbrandingscycli
Om deze pompen aan te drijven, wordt meestal een klein deel van de eigen brandstof en oxidator verbrand om een turbine aan te drijven. Er zijn verschillende configuraties:
- Gas generator cycle: Een kleine hoeveelheid brandstof en oxidator wordt naar een turbine geleid, waarna de uitlaatgassen simpelweg worden afgevoerd. Dit wordt gebruikt in de F-1 motor en de Merlin-motor van SpaceX.
- Staged combustion: De brandstof wordt verbrand om de pomp aan te drijven, maar de verbrande propellant wordt vervolgens samen met de onverbrande brandstof naar de hoofdverbrandingskamer geleid. De kleinere kamer die de pompen aanstuurt, wordt de "preburner" (voorverbrander) genoemd. Dit is efficiënter omdat de uitlaatgassen niet worden weggegooid.
- Full-flow staged combustion (FFSC): De Raptor maakt gebruik van dit specifieke type. In een FFSC-motor zijn er twee preburners: één die de brandstofpomp aanstuurt en één die de zuurstompomp aanstuurt. Alle propellant gaat door de preburners. In de ene wordt een kleine hoeveelheid oxidator verbrand met veel brandstof (brandstofrijk), en in de andere een kleine hoeveelheid brandstof met veel oxidator (zuurstofrijk). Beide stromen komen vervolgens samen in de hoofdverbrandingskamer.
Een FFSC-motor is zeer complex. Voor de Raptor waren er slechts twee prototypes gebouwd (een Russische RD-270 in de jaren '60 en een Amerikaanse Integrated Powerhead Demonstrator in de jaren '90/'00), maar geen van beide vloog succesvol. Het voordeel is echter de theoretische betrouwbaarheid: omdat er veel massa door de turbines stroomt, kunnen deze koeler draaien en onder lagere druk werken.
De evolutie van de Raptor
Omdat SpaceX terughoudend is met details, is veel informatie afgeleid van schema's gemaakt door enthousiastelingen en opmerkingen van Elon Musk.
Analyse van de versies
Kijken we naar de schema's van versie 1 en versie 3, dan valt op dat de basisarchitectuur niet is veranderd. Het blijft een FFSC-motor met de zuurstompomp-assemblage bovenop en de brandstofpomp-assemblage aan de zijkant. Ook wordt brandstof gebruikt voor regeneratieve koeling: de brandstof stroomt langs de buitenkant van het mondstuk om te voorkomen dat dit smelt.
Toch zijn er in de speculatieve schema's enkele verschillen zichtbaar tussen versie 1 en 3:
- Common umbilical: De kleinere leidingen zijn in versie 3 gebundeld in één gemeenschappelijke "navelstreng".
- Vervanging van Helium: Waar versie 1 helium gebruikte om de turbines op te starten en bepaalde kleppen te bedienen, lijkt versie 3 stikstof te gebruiken.
- Eliminatie van componenten: Een warmtewisselaar (waarschijnlijk voor gasvormig zuurstof nabij de preburner) en een specifieke brandstofleiding naar de preburner lijken in versie 3 te zijn verwijderd.
Bevestigde wijzigingen door SpaceX en Musk
Betrouwbaardere informatie komt uit verklaringen van SpaceX en Elon Musk. Bij de overgang naar Raptor 2 werd vrijwel alles opnieuw ontworpen, inclusief de turbomachines, de kamernozzle en de elektronica. De turbopomp werd kleiner en de controllers voor de preburners werden verplaatst naar centrale boxen in plaats van verspreid over de motor. Veel kleppen werden gecombineerd in "valve plates".
Andere belangrijke wijzigingen zijn:
- Sensoren: Raptor 1 was grotendeels een ontwikkelingsmotor en had veel extra sensoren voor temperatuur en druk. Naarmate het ontwerp werd geoptimaliseerd, konden veel van deze sensoren worden verwijderd of intern worden geplaatst.
- Ontsteking: De vonkontstekers voor de hoofdverbrandingskamer, aanwezig in versie 1, zijn in versie 2 verwijderd. Dit is waarschijnlijk mogelijk omdat de hete uitlaatstromen uit de preburners nauwelijks extra stimulans nodig hebben om te ontbranden.
- Verbindingen: Veel boutverbindingen (flanges) zijn vervangen door gelaste verbindingen. Dit vermindert de massa en het risico op lekken, hoewel het de servicebaarheid bemoeilijkt.
- 3D-printen en internalisering: Een substantiële verandering in de Raptor 3 is dat veel leidingen niet zijn verwijderd, maar intern zijn geplaatst door gebruik te maken van geavanceerde metaal-3D-printtechnologie (waaronder technologie van Velo3D).
Het doel van deze internalisering was het verwijderen van externe onderdelen, specifiek het hitteschild en de brandbeveiligingssystemen. De enorme hoeveelheid externe draden en pijpen van versie 1 en 2 vereiste een zwaar hitteschild om de hardware te beschermen tegen de hitte van de uitlaatgassen. Door leidingen intern te plaatsen en interne koelsystemen toe te voegen, kon dit schild worden geëlimineerd. Dit is de grootste massabesparing tussen versie 1 en versie 3.
Conclusie
De Raptor-motor heeft een indrukwekkende evolutie doorgemaakt met een dramatische toename in prestaties en een afname in massa en externe componenten. De fundamentele architectuur is gelijk gebleven, maar de ondersteunende elementen zijn drastisch gewijzigd.
Hoewel de motor er eenvoudiger uitziet omdat individuele externe delen zijn verdwenen, is de interne complexiteit van de Raptor 3 juist toegenomen. De technologie is nog steeds in ontwikkeling; zo werd in juli de eerste lanceerpoging van Starship Flight Test 13 automatisch afgebroken vlak voor de lift-off (T-0), omdat enkele Raptor 3-motoren niet startten. De verschillende versies van de Raptor zijn dus een momentopname van een technologie die voortdurend evolueert.
Hoe SpaceX de Raptor-motor heeft gestroomlijnd
Als u dit leest, is de kans groot dat u de beroemde afbeelding heeft gezien van drie iteraties van de Raptor-raketmotor van SpaceX. De Raptor-motor is ontwikkeld voor het Starship-ruimtevaartuig van SpaceX (de Falcon 9 en Falcon Heavy maken gebruik van de Merlin-motor). De motor werd voor het eerst test-gevuurd in 2016, vloog voor het eerst op de Starhopper in 2019, vervolgens op een Starship-prototype in 2020 en op de volledige Starship-stack in 2023. Sindsdien is de motor blijven verbeteren, waarbij het ontwerp evolueerde van de kluwen van pijpen en draden van de Raptor 1 naar het gladde, gestroomlijnde ontwerp van de Raptor 3, die in mei van dit jaar voor het eerst vloog.
De evolutie is zo dramatisch dat velen aanvankelijk geloofden dat het niet echt was. Tory Bruno, de toenmalige CEO van het lanceerbedrijf United Launch Alliance, tweette dat er "geen reden was om dit te overdrijven door een gedeeltelijk geassembleerde motor te tonen". Hierop reageerde SpaceX-president Gwynne Shotwell door een foto te tweeten van de Raptor 3 die succesvol vuurde.
Deze stroomlijning gaat gepaard met aanzienlijke prestatiewinst; de Raptor 3 levert ongeveer 35% meer stuwkracht dan de Raptor 1.
Om te begrijpen hoe deze evolutie precies is verlopen, is gekeken naar wat SpaceX specifiek heeft veranderd om van de wirwar aan draden en pijpen naar de slanke motor te gaan. Omdat SpaceX geen officiële schema's publiceert en er geen "teardown" van een Raptor-motor is uitgevoerd, is de informatie gebaseerd op opmerkingen van Elon Musk en speculaties van SpaceX-fans.
Hoe de Raptor-motor werkt
De Raptor-motor is een "full-flow staged combustion" (FFSC) motor. Maar wat betekent dat precies?
Een raketmotor werkt door massa ("brandstof/propellant") uit een raketmondstuk te werpen. Volgens de derde wet van Newton ("voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie") duwt dit de raket in de tegenovergestelde richting. Hoe meer massa er wordt uitgestoten en hoe sneller dit gebeurt, hoe meer stuwkracht de motor produceert.
Verschillende typen motoren
De eenvoudigste methode is het vullen van een tank met gas onder druk en dit gas te laten ontsnappen. Dit soort raket, een "cold gas thruster", wordt vaak gebruikt voor kleine aanpassingen aan de positie of oriëntatie van een ruimtevaartuig, zoals bij de Manned Maneuvering Unit van NASA en de stuurraketten van de Falcon 9.
Hoewel deze motoren simpel en betrouwbaar zijn, is de stuwkracht beperkt. Om meer kracht te krijgen, kunnen twee componenten worden gebruikt: een brandstof (zoals kerosine) en een oxidator (zoals zuurstof), die samen in een verbrandingskamer worden verbrand. Hierdoor ontstaat heet gas dat uit het mondstuk ontsnapt. Een motor die de druk van de brandstoftanks gebruikt om de brandstof en oxidator in de verbrandingskamer te persen, wordt een pressure-fed engine (drukgevoede motor) genoemd. De opstijgtrap van de Apollo Lunar Module was een voorbeeld hiervan, gebruikmakend van stikstoftetroxide (N2O4) als oxidator en Aerozine 50 als brandstof.
Het probleem van druk en pompen
Om te voorkomen dat de brandende gassen in de verbrandingskamer terugstromen in de brandstof- en oxidatorleidingen, moet de druk in de verbrandingskamer lager zijn dan de druk in de tanks. Voor een krachtige, compacte motor is echter een zeer hoge druk in de verbrandingskamer gewenst. Het verhogen van de tankdruk is onpraktisch, omdat de tanks dan onaanvaardbaar dik en zwaar worden.
De oplossing is om brandstoffen bij lage druk op te slaan en ze via een pomp onder hoge druk naar de verbrandingskamer te voeren. Vrijwel elke motor die een raket in een baan om de aarde brengt, maakt gebruik van een pomp. De turbopomp van de F-1 motor op de Saturn V vereiste bijvoorbeeld ongeveer 41 megawatt aan vermogen.
Turbopompen en verbrandingscycli
Om deze pompen aan te drijven, wordt meestal een klein deel van de eigen brandstof en oxidator verbrand om een turbine aan te drijven. Er zijn verschillende configuraties:
- Gas generator cycle: Een kleine hoeveelheid brandstof en oxidator wordt naar een turbine geleid, waarna de uitlaatgassen simpelweg worden afgevoerd. Dit wordt gebruikt in de F-1 motor en de Merlin-motor van SpaceX.
- Staged combustion: De brandstof wordt verbrand om de pomp aan te drijven, maar de verbrande propellant wordt vervolgens samen met de onverbrande brandstof naar de hoofdverbrandingskamer geleid. De kleinere kamer die de pompen aanstuurt, wordt de "preburner" (voorverbrander) genoemd. Dit is efficiënter omdat de uitlaatgassen niet worden weggegooid.
- Full-flow staged combustion (FFSC): De Raptor maakt gebruik van dit specifieke type. In een FFSC-motor zijn er twee preburners: één die de brandstofpomp aanstuurt en één die de zuurstompomp aanstuurt. Alle propellant gaat door de preburners. In de ene wordt een kleine hoeveelheid oxidator verbrand met veel brandstof (brandstofrijk), en in de andere een kleine hoeveelheid brandstof met veel oxidator (zuurstofrijk). Beide stromen komen vervolgens samen in de hoofdverbrandingskamer.
Een FFSC-motor is zeer complex. Voor de Raptor waren er slechts twee prototypes gebouwd (een Russische RD-270 in de jaren '60 en een Amerikaanse Integrated Powerhead Demonstrator in de jaren '90/'00), maar geen van beide vloog succesvol. Het voordeel is echter de theoretische betrouwbaarheid: omdat er veel massa door de turbines stroomt, kunnen deze koeler draaien en onder lagere druk werken.
De evolutie van de Raptor
Omdat SpaceX terughoudend is met details, is veel informatie afgeleid van schema's gemaakt door enthousiastelingen en opmerkingen van Elon Musk.
Analyse van de versies
Kijken we naar de schema's van versie 1 en versie 3, dan valt op dat de basisarchitectuur niet is veranderd. Het blijft een FFSC-motor met de zuurstompomp-assemblage bovenop en de brandstofpomp-assemblage aan de zijkant. Ook wordt brandstof gebruikt voor regeneratieve koeling: de brandstof stroomt langs de buitenkant van het mondstuk om te voorkomen dat dit smelt.
Toch zijn er in de speculatieve schema's enkele verschillen zichtbaar tussen versie 1 en 3:
- Common umbilical: De kleinere leidingen zijn in versie 3 gebundeld in één gemeenschappelijke "navelstreng".
- Vervanging van Helium: Waar versie 1 helium gebruikte om de turbines op te starten en bepaalde kleppen te bedienen, lijkt versie 3 stikstof te gebruiken.
- Eliminatie van componenten: Een warmtewisselaar (waarschijnlijk voor gasvormig zuurstof nabij de preburner) en een specifieke brandstofleiding naar de preburner lijken in versie 3 te zijn verwijderd.
Bevestigde wijzigingen door SpaceX en Musk
Betrouwbaardere informatie komt uit verklaringen van SpaceX en Elon Musk. Bij de overgang naar Raptor 2 werd vrijwel alles opnieuw ontworpen, inclusief de turbomachines, de kamernozzle en de elektronica. De turbopomp werd kleiner en de controllers voor de preburners werden verplaatst naar centrale boxen in plaats van verspreid over de motor. Veel kleppen werden gecombineerd in "valve plates".
Andere belangrijke wijzigingen zijn:
- Sensoren: Raptor 1 was grotendeels een ontwikkelingsmotor en had veel extra sensoren voor temperatuur en druk. Naarmate het ontwerp werd geoptimaliseerd, konden veel van deze sensoren worden verwijderd of intern worden geplaatst.
- Ontsteking: De vonkontstekers voor de hoofdverbrandingskamer, aanwezig in versie 1, zijn in versie 2 verwijderd. Dit is waarschijnlijk mogelijk omdat de hete uitlaatstromen uit de preburners nauwelijks extra stimulans nodig hebben om te ontbranden.
- Verbindingen: Veel boutverbindingen (flanges) zijn vervangen door gelaste verbindingen. Dit vermindert de massa en het risico op lekken, hoewel het de servicebaarheid bemoeilijkt.
- 3D-printen en internalisering: Een substantiële verandering in de Raptor 3 is dat veel leidingen niet zijn verwijderd, maar intern zijn geplaatst door gebruik te maken van geavanceerde metaal-3D-printtechnologie (waaronder technologie van Velo3D).
Het doel van deze internalisering was het verwijderen van externe onderdelen, specifiek het hitteschild en de brandbeveiligingssystemen. De enorme hoeveelheid externe draden en pijpen van versie 1 en 2 vereiste een zwaar hitteschild om de hardware te beschermen tegen de hitte van de uitlaatgassen. Door leidingen intern te plaatsen en interne koelsystemen toe te voegen, kon dit schild worden geëlimineerd. Dit is de grootste massabesparing tussen versie 1 en versie 3.
Conclusie
De Raptor-motor heeft een indrukwekkende evolutie doorgemaakt met een dramatische toename in prestaties en een afname in massa en externe componenten. De fundamentele architectuur is gelijk gebleven, maar de ondersteunende elementen zijn drastisch gewijzigd.
Hoewel de motor er eenvoudiger uitziet omdat individuele externe delen zijn verdwenen, is de interne complexiteit van de Raptor 3 juist toegenomen. De technologie is nog steeds in ontwikkeling; zo werd in juli de eerste lanceerpoging van Starship Flight Test 13 automatisch afgebroken vlak voor de lift-off (T-0), omdat enkele Raptor 3-motoren niet startten. De verschillende versies van de Raptor zijn dus een momentopname van een technologie die voortdurend evolueert.
Groetjes,