Raptor (moteur-fusée)
Le Raptor est un moteur-fusée alimenté par du méthane liquide[1] et de l'oxygène liquide (LOX)[2], développé et fabriqué par SpaceX. Il équipe les étages inférieurs et supérieurs du lanceur super-lourd Starship construit par SpaceX. Le concept général du moteur Raptor « est un moteur à combustion étagée, fonctionnant avec du méthane et hautement réutilisable, qui alimentera la prochaine génération de lanceurs de SpaceX conçus pour l'exploration et la colonisation de Mars »[3]. Selon Elon Musk, cette conception sera en mesure d'atteindre la pleine réutilisabilité (tous les étages de la fusée) et, par conséquent, permettra en cas de succès « une réduction des coûts des vols spatiaux de deux ordres de grandeur » (soit 100 fois moins coûteux)[4].
| Type moteur | Combustion étagée à flux complet |
|---|---|
| Ergols | Oxygène et méthane liquides |
| Poussée |
1 814,23 kN RV1 2255,53kN RV2 2451.66 RV2.5 2637,99kN RV3 ( au niveau de la mer) |
| Pression chambre combustion | 270 Bars RV1 300 Bars RV2 330 Bars RV2.5 350 Bars RV3 |
| Nbre chambres de combustion | 1 |
| Impulsion spécifique |
~350 s (vide) ~330 s RV1 ~327 s RV2 (niveau de la mer) |
| Rallumage | Oui |
| Poussée modulable | 20-100% |
| Moteur orientable | 15° degrés sur les axes Y et Z |
| Moteur réutilisable | Oui |
| Masse | 2 t RV1 1,6 t RV2 |
| Hauteur | 3,1 m |
| Diamètre | 1,3 m |
| Rapport poussée/poids | 92,5 |
| Modèle décrit | Raptor 1 |
| Autres versions | Raptor V1 RV1.5 RV2 RV2.5 RV3 |
| Utilisation | Propulsion multi-Ă©tages et espace lointain |
|---|---|
| Lanceur | Super Heavy, Starship |
| Premier vol | Juillet 2019 (Starhopper) |
| Statut | En développement |
| Pays | États-Unis |
|---|---|
| Constructeur | SpaceX |
Les Raptors sont meilleurs que les Merlins sur de nombreux points. L’une des plus grandes différences est qu’ils brûlent du méthane au lieu de RP-1. Le méthane peut être brûlé comme le RP-1, mais ses molécules sont beaucoup plus simples que le kérosène. Lorsqu’une molécule de méthane brûle (CH4) avec deux molécules d’oxygène (O2), le moteur produit uniquement du dioxyde de carbone et de l’eau dans l’échappement, sans aucun des autres contaminants, notamment du noir de carbone ou carbone suie.
En capturant le dioxyde de carbone de l’atmosphère, la fusée pourra utiliser la réaction de Sabatier pour reconstituer le méthane et alimenter la prochaine fusée avec zéro émission nette.
Le développement du moteur a commencé en 2009 grâce à des investissements exclusivement privés de SpaceX[5] - [6]. En janvier 2016, SpaceX et l'US Air Force US se sont mis d’accord pour un financement à hauteur de 33,6 millions de dollars du développement d’un prototype d'une nouvelle variante du moteur Raptor conçue pour une utilisation potentielle sur l’étage supérieur du Falcon 9 et du Falcon Heavy. SpaceX s’engageant à financer au moins 67,3 M$ du projet soit un ratio de financement privé-gouvernement de 2 pour 1[7].
Des premiers concepts réalisés pour le moteur Raptor envisageaient d’utiliser de l'hydrogène liquide (H2) plutôt que du méthane[8].
Historique
Le projet de développement du moteur de fusée Raptor a été pour la première fois évoqué publiquement par Max Vozoff de SpaceX au symposium Commercial Crew / Cargo de l'Institut américain d'aéronautique et d'astronautique en 2009[9]. En avril 2011, SpaceX avait un nombre réduit d’ingénieurs sur le projet, le concept avait alors un faible niveau de priorité[10] et prévoyait alors un moteur alimenté par du LH2 / LOX. Le programme fut de nouveau évoqué en 2011[11] et en mars 2012, la presse se fit le relais d’affirmations sur le programme de développement du moteur de l'étage supérieur Raptor sans que des détails supplémentaires ne soient rendu publics[12].
En octobre 2012, SpaceX rend public son concept de moteur de fusée Raptor. Le projet vise à créer un moteur qui serait « plusieurs fois plus puissant que la série de moteurs Merlin 1 et qui n’utilisera plus le carburant RP-1 des moteurs Merlin ». SpaceX refuse cependant de préciser le combustible utilisé[13]. Ils indiquent que plus de détails seraient donnés d’ici « un à trois ans » et que le nouveau moteur est destiné à équiper une nouvelle fusée de SpaceX qui utilisera plusieurs de ces puissants moteurs et sera théoriquement capable de lancer des masses de charge utile de l'ordre de 150 à 200 tonnes en orbite terrestre basse, dépassant la capacité de charge utile du système de lancement de la NASA (SLS)[13].
En novembre 2012, le PDG Elon Musk annonce un nouvel objectif pour le département propulsion de SpaceX : le développement de moteurs de fusée fonctionnant au méthane[2]. Il indique en outre que le concept de moteur au nom de code Raptor sera maintenant basé sur la combustion de méthane. Le méthane étant un carburant de choix pour la colonisation de Mars[14].
En raison de la présence d'eau dans le sous-sol martien et de dioxyde de carbone dans l'atmosphère de la planète Mars, le méthane, qui est un hydrocarbure simple, peut être facilement synthétisé sur la planète rouge en utilisant la réaction de Sabatier[15]. La production in-situ de ressources sur Mars a notamment été examinée par la NASA et jugée viable pour l'oxygène, l'eau et la production de méthane[16]. Selon une étude publiée par des chercheurs de la Colorado School of Mines, l'utilisation in-situ des ressources telles que le méthane de Mars rend les missions spatiales techniquement et économiquement plus réalisables et rendrait une réutilisation du matériel possible[17]. Du méthane a notamment été découvert dans des météorites de Mars[18].
Lors de la première évocation du projet par SpaceX en 2009 ainsi que lors de déclarations ultérieures en 2012, le terme « Raptor » désignait exclusivement le concept d’un moteur d'étage supérieur[9] - [19]. Début 2014 SpaceX a déclaré que le Raptor serait utilisé à la fois pour le nouveau deuxième étage et pour le premier étage principal (de 10 mètres de diamètre) du Transporteur Colonial Martien (de l’anglais : Mars Colonial Transporter). Chaque propulseur utilisera neuf moteurs Raptor, similaire à l'utilisation des neuf Merlin 1s sur chaque propulseur de la fusée Falcon 9[14].
De premiers indices avaient laissé entendre qu'un moteur à combustion étagée de méthane était à l'étude chez SpaceX dès mai 2011. SpaceX avait alors demandé à l'Armée de l'Air américaine si un moteur alimenté au méthane était envisageable dans le cadre de l’appel d’offres de l’USAF pour le développement d’un moteur au kérosène (appel d’offres pour un lanceur haute performance réutilisable : Reusable Booster System High Thrust Main Engine)[14].
De nouvelles informations publiées en novembre 2012 indiquent que SpaceX pourrait avoir en développement non pas un moteur mais une famille de moteurs de fusée Raptor[20]. Cette présomption a été confirmée par SpaceX en octobre 2013[3]. Cependant, la directrice de l’exploitation (COO) Gwynne Shotwell a précisé en mars 2014 que le nouveau programme de développement du moteur est exclusivement destiné à produire un moteur Raptor de pleine puissance. Des moteurs plus petits ne sont donc pas prévus dans le développement[21].
En octobre 2013, SpaceX a annoncé qu'ils allaient commencer à effectuer une série de tests du moteur fusée Raptor au Centre spatial John C. Stennis dans le comté de Hancock, Mississippi. Pour cela, SpaceX devait équiper l'infrastructure existante de bancs d'essais capables d’effectuer des essais avec du méthane liquide[22]. En avril 2014, SpaceX avait fini de préparer ses installations de test et prévoyait alors de commencer les essais avant la fin du mois de mai 2014[23].
En octobre 2013 SpaceX a également révélé la poussée nominale prévue pour le moteur Raptor à 2940 kN[3]. En 2014, les performances fixées ont été revues à la hausse puis à la baisse en 2015 avec une poussée inférieure pour optimiser le ratio poids/poussée.
En février 2014, Tom Mueller, le directeur du développement des moteurs-fusées à SpaceX, a révélé dans un discours que les moteurs « Raptor » étaient conçus pour être utilisés sur un véhicule équipé de neuf moteurs qui devrait permettre d’acheminer « plus de 100 tonnes de fret jusqu'à la surface de Mars » et que la fusée serait plus puissante que précédemment annoncé. Elle produirait plus de 4400 kN de poussée[14] - [24]. En juin 2014 Mueller a fourni plus de spécifications au cours d’une conférence. Les objectifs de performance sont de 6 900 kN de poussée au niveau de la mer (équivalent à 705 tonnes de poussée en gravité standard) et 8200 kN de poussée à vide (840 tonnes de poussée) ainsi qu'une impulsion spécifique de 380 s dans le vide[25]. Des informations antérieures avaient estimé la conception Isp sous vide à seulement 363 s[14]. Jeff Thornburg, qui a dirigé le développement du moteur Raptor chez SpaceX entre 2011 et 2015, a noté que les moteurs de fusée au méthane ont des performances plus élevées que ceux fonctionnant au mélange kérosène / RP-1 et inférieures à ceux à l'hydrogène. D’après lui ces moteurs ont également beaucoup moins de problèmes à long terme que les moteurs à multi-démarrage au kérosène. Le méthane brûle notamment plus proprement que le kérosène et a un coût nettement inférieur à celui de l'hydrogène. À cela s’ajoute la possibilité de produire du méthane directement à partir de sources extra-terrestres[25] - [26].
En janvier 2015, Elon Musk a fait une nouvelle déclaration à propos de la poussée alors ciblée. Le nouveau concept devait développer environ 2300 kN de poussée (230 tonnes-force) c’est-à -dire une poussée beaucoup plus faible qu’annoncée préalablement. Cette déclaration a remis en cause une grande partie des spéculations autour de la configuration des moteurs qui voyaient majoritairement 9 moteurs sur le modèle des Falcon 9. De plus, Elon Musk a déclaré qu’« il y aurait un grand nombre de [moteurs] »[27]. En août 2015, dans une déclaration, Elon Musk indiquait que le ratio oxydant - combustible pour alimenter le moteur serait d'environ 3,8 pour 1[28].
SpaceX a commencé avec succès les tests des injecteurs en 2014 et a réalisé un test à pleine puissance d'un pré-brûleur d'oxygène en 2015. 76 essais du pré-brûleur totalisant quelque 400 secondes de temps de test ont été exécutés d'avril à août 2015[6]. SpaceX a terminé ses essais comme prévu à la NASA Stennis en 2014 et 2015. En février 2016, le centre Stennis avait bon espoir d'établir des accords pour des tests supplémentaires[29].
En janvier 2016, l'US Air Force a accordé un contrat de développement de 33,6 millions $ US à SpaceX pour le développement d’une version prototype de son moteur Raptor réutilisable au méthane pour une utilisation sur l'étage supérieur des Falcon heavy. SpaceX a de son côté investi environ le double soit 67,3 millions US $. Les travaux dans le cadre du contrat devraient être achevés en 2018 et les tests de performance du moteur se feront au Centre spatial John C. Stennis de la NASA dans le Mississippi[7] - [30].
Le 9 décembre 2020, le prototype du Starship SN8, équipé de trois moteurs raptor, effectue un vol à 12,5 km d'altitude. C'est la première fois que trois de ces moteurs fonctionnent simultanément[31].
Le mercredi 5 mai 2021, le prototype du Starship SN15, équipé de 3 moteurs Raptor V1.5, effectue un vol à 10 km d'altitude. Pour la première fois, un Starship a atterri sans explosion du prototype.
Le jeudi 20 avril 2023, première tentative de vol orbital du Starship avec les prototypes Starship S24 et SuperHeavy B7. 3 moteurs Raptor V2 n'ont pas démarré au début du décollage du lanceur de SpaceX et 6 à 8 moteurs se sont éteints durant le vol. Le vol a duré 4 minutes et 2 secondes et s'est terminé en échec avec l'activation du système d'autodestruction du lanceur Starship de SpaceX.
Financement
De 2009 à 2015, le développement de moteurs a été financé par les investissements de SpaceX, sans attirer de financement du gouvernement américain.
Le 13 janvier 2016, l'armée de l'air américaine a conclu un accord avec SpaceX pour développer un prototype de moteur Raptor conçu pour les étages supérieurs des lanceurs Falcon 9 et Falcon Heavy, avec un financement de 33,7 millions de dollars par l'armée de l'air et d'au moins 67,3 millions de dollars de SpaceX. Le contrat devait être conclu au plus tard le 31 décembre 2018[32] - [33] - [34].
Le 9 juin 2017, l'U.S. Air Force a modifié l'accord, augmentant le montant du financement de sa part de 16,9 millions de dollars sans préciser l'objectif[32] - [35].
Le 19 octobre 2017, l'armée de l'air américaine a fourni à SpaceX un financement supplémentaire de 40,8 millions de dollars pour le développement d'un prototype de moteur fusée Raptor[32] - [36].
Le 22 décembre 2017, l'armée de l'air américaine a fourni à SpaceX un financement supplémentaire de 6,5 millions de dollars pour le développement d'un prototype de moteur fusée Raptor[32].
Conception
Le moteur Raptor est alimenté par du méthane liquide et de l'oxygène liquide en utilisant un cycle à combustion étagée plus efficace[19]. Le concept se distingue du cycle « ouvert » générateur de gaz et du mélange de propergols LOX / kérosène des moteurs actuels Merlin[19]. Les moteurs principaux de la navette spatiale (SSME) utilisaient également un procédé de combustion étagée[37] de même que plusieurs moteurs de fusées russes (tels que le RD-180)[19].
Le moteur Raptor est conçu pour être en mesure de fournir « une longue durée de vie [...] et des environnements de turbines moins hostiles »[5].
Plus spécifiquement, le Raptor utilisera un cycle de combustion étagée à flux complet, où 100 % du comburant avec un faible ratio de méthane va alimenter la turbine de la pompe à oxygène et 100 % du carburant avec un faible ratio d’oxygène alimentera la turbine de la pompe à méthane. Les deux flux carburant-comburant seront introduits intégralement en phase gazeuse dans la chambre de combustion. Avant 2014, seuls deux moteurs de fusée à cycle de combustion étagée à flux complet avaient suffisamment progressé pour être testés sur des bancs d'essai : le projet soviétique RD-270 dans les années 1960 et le projet de démonstration Aerojet Rocketdyne integrated powerhead au milieu des années 2000[14].
Le moteur Raptor est conçu pour fonctionner avec des propergols methalox super cryogénisés refroidis à la limite de leur point de congélation plutôt que de leur point d'ébullition comme c’est le plus courant pour les moteurs de fusée cryogéniques[14].
La turbopompe et la plupart des parties critiques des injecteurs sont fabriqués en utilisant l'impression 3D, ce qui permet d’augmenter également la vitesse de développement et de test itératif[14].
Les performances visées pour le moteur Raptor ont largement variées au fur et à mesure de l’avancement du projet : de 8200 kN de poussée dans le vide à une valeur plus récente beaucoup plus faible de 2300 kN (230 tonnes de poussée)[38]. Les estimations ciblent maintenant une impulsion spécifique Isp de 363 secondes dans le vide[14] et de 321 secondes au niveau de la mer[14] - [24]. La poussée finale et l’impulsion spécifique Isp est toujours susceptible de changer tant que le programme de développement ne sera pas achevé[39].
Les caractéristiques suivantes sont envisagées pour augmenter les performances et la fiabilité du moteur[14] :
- Éliminer le joint de la turbine carburant-comburant qui est une cause potentielle d'échec dans les conceptions plus traditionnelles de moteur-fusée
- Obtenir des pressions plus faibles à travers le système de pompage pour augmenter la durée de vie et réduire le risque d'une défaillance catastrophique
- Créer la capacité d'augmenter la pression dans la chambre de combustion pour augmenter la performance globale, ou « à l'aide de gaz froids fournissant les mêmes performances qu’un moteur à combustion interne standard avec beaucoup moins de tension sur les matériaux, ce qui réduit considérablement la fatigue des matériaux ou le poids [du moteur] »[14]
Composants
Estimations du cycle des moteurs de fusée à partir d'informations et d'analyses open source. Le moteur Raptor est alimenté par du méthane liquide sous-refroidi et de l'oxygène liquide sous-refroidi dans un cycle de combustion par étapes à plein débit. Il s'agit d'un écart par rapport au système de générateur de gaz "en cycle ouvert" plus simple et aux propulseurs LOX/kérosène que les moteurs Merlin actuels utilisent. En outre, les moteurs RS-25 (qui ont été utilisés pour la première fois sur la navette spatiale) utilisent une forme plus simple d'un cycle de combustion par étapes, comme le font plusieurs moteurs de fusée russes, y compris le RD-180 et le RD-191.
Le moteur Raptor est conçu pour l'utilisation de propulseurs cryogéniques profonds - des fluides refroidis près de leurs points de congélation, plutôt que d'utiliser des cryopropellants à leurs points d'ébullition car il est plus typique pour les moteurs de fusée cryogéniques. L'utilisation de propergols sous-refroidis augmente la densité du propulseur pour permettre de stocker plus de masse de propulseur dans les réservoirs du véhicule Les performances du moteur sont également augmentées avec les propulseurs sous-refroidis. L'impulsion spécifique est augmentée, et le risque de cavitation aux entrées des turbopompes est réduit en raison du débit massique du combustible propulseur plus élevé par unité de puissance produite. Le rapport oxydant/carburant du moteur serait d'environ 3,8 pour 1, comme l'a déclaré Elon Musk.
Musk a révélé que leur performance cible pour Raptor était une impulsion spécifique au vide de 382 s (3 750 m/s), avec une poussée de 3 MN (670,000 lbf), une pression de chambre de 300 bars (30 MPa ; 4 400 psi) et un rapport d'expansion de 150 pour la variante optimisée pour le vide.
L'allumage du moteur de tous les moteurs Raptor, à la fois sur la plaquette et en vol, a été manipulé par des allumeurs de torche à double redondance allumée, éliminant le besoin d'un fluide d'allumage consommable et dédié, tel qu'utilisé sur Merlin. Cela a été changé pour les moteurs Raptor 2 où les torches allumées ont été remplacées par une méthode d'allumage secrète qui est prétendument moins complexe, plus légère, moins chère et plus fiable. Les allumeurs de torche sont toujours utilisés dans l'oxygène et les têtes de puissance.
Raptor a été affirmé être en mesure de fournir "une longue durée de vie... et des environnements de turbine plus bénins". Plus précisément, Raptor utilise un cycle de combustion par étapes à flux complet, où tout l'oxygène alimentera une turbopompe à oxygène, et tout le carburant alimentera une turbopompe à méthane. Les deux flux - oxydant et carburant - seront complètement mélangés dans la phase gazeuse avant d'entrer dans la chambre de combustion. Avant 2014, seules deux conceptions de moteurs de fusée à combustion par étapes à plein débit avaient suffisamment progressé pour être testés sur des bancs d'essai : le projet soviétique RD-270 dans les années 1960 et le Aerojet Rocketdyne Le moteur de vol est conçu pour une fiabilité extrême, dans le but de soutenir le niveau de sécurité de la compagnie aérienne requis par le marché du transport terrestre point à point.
De nombreux composants des premiers prototypes Raptor ont été fabriqués à l'aide de l'impression 3D, y compris les turbopompes et les injecteurs, avec pour effet d'augmenter la vitesse de développement et les tests itératifs. Le moteur de développement à l'échelle inférieure de 2016 comptait 40 % (en masse) de ses pièces fabriquées par impression 3D. En 2019, des collecteurs de moteur ont été coulés à partir du suralliage SX300 Inconel développé en interne par SpaceX, qui sera bientôt remplacé par le SX500. Le moteur Raptor utilise un grand nombre d'injecteurs à tourbillon coaxial pour admettre des propulseurs dans la chambre de combustion, plutôt que des injecteurs de pintle utilisés sur les précédents moteurs de fusée Merlin que SpaceX a produits en série pour sa famille de lanceurs Falcon.
Production
En juillet 2021, SpaceX a annoncé qu'elle construirait une deuxième installation de production de moteurs Raptor, celle-ci dans le sud du Texas, près de l'installation d'essai de moteurs de fusée existante. Dallas Morning News a rapporté en juillet que SpaceX va "rôt faire son en inaugure" et que l'installation se concentrera sur la production en série de Raptor 2, tandis que l'installation californienne produira Raptor Vacuum et de nouvelles conceptions/expérimentales de Raptor. La nouvelle installation devrait éventuellement produire 800 à 1 000 moteurs de fusée chaque année. SpaceX vise une durée de vie de 1000 vols pour Raptor. En 2019, le coût (marginal) du moteur approchait les 1 million de dollars. SpaceX prévoit de produire en série jusqu'à 500 moteurs Raptor par an, chacun coûtant moins de 250 000 $. Chaque propulseur de vaisseau spatial utilisera 33 raptors au niveau de la mer, tandis que chaque vaisseau spatial du vaisseau spatial utilisera 3 raptors au niveau de la mer plus 3 raptors optimisés sous vide.
À la fin de 2021, SpaceX a déclaré que la mise à l'échelle de la production de Raptor pour soutenir le programme d'essai fréquent de Starship prévu pour 2022 était "actuellement la plus grande contrainte sur le nombre de véhicules que nous pouvons fabriquer" et que le fait de ne pas atteindre un taux de vol d'au moins une fois toutes les deux semaines d'ici la fin de l’année.
Comparaison avec d'autres modèles de moteurs
| Moteur | Fusées | Poussée | impulsion spécifique,
vide |
Poussée à -
rapport de poids |
Propergol | Cycle |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Merlin 1D niveau de la mer | Étage d’appoint Falcon 9 | 914 kN (155 000 lbf) | 311 s (3 050 m/s) | 176 | RP-1 / LOX
(sous-refroidi) |
Générateur de gaz |
| Aspirateur Merlin 1D | Étage supérieur Falcon 9 | 934 kN (210,000 lbf) | 348 s (3 410 m/s) | 180 | RP-1 / LOX
(sous-refroidi) |
Générateur de gaz |
| Kuznetsov | N1,Soyouz-2-1v | 1 638 kN (368 000 lbf) | 331 s (3 250 m/s) | 136,66 | RP-1 / LOX | Combustion par Ă©tapesricheen oxydants |
| EnergomashRD-275M | Proton-M | 1 832 kN (41 000 lbf) | 315,8 s (3 097 m/s) | 174,5 | N2O4 /UDMH | Combustion par Ă©tapesricheen oxydants |
| EnergomashRD-191/181 | Angara, Antares | 2 090 kN (470 000 lbf) | 337,5 s (3 310 m/s) | 89 | RP-1 / LOX | Combustion par Ă©tapesricheen oxydants |
| Raptor optimisée pour le vide spatial | Starship | 2 200 kN (500 000lbf) | ~380 s (3 700 m/s) | <120 | LCH4 / LOX | Combustion par étapes à plein débit |
| Raptor au niveau de la mer | Starship | 2 200 kN (500 000 lbf) | ~350 s (3 400 m/s) | 200 (objectif) | LCH4 / LOX | Combustion par étapes à plein débit |
| Rocketdyne | Navette spatiale, SLS | 2 280 kN (51 000 lbf) | 453 s (4 440 m/s) | 73 | LH2 / LOX | Combustion par Ă©tapes riche en carburant |
| Origine bleue BE-4 | New Glenn,Vulcan | 2 400 kN (550,000 lbf) | 339 s (3 320 m/s) | LCH4 / LOX | Combustion par Ă©tapes riche en oxydants | |
| Aerojet Rocketdyne RS-68A | Delta IV | 3 560 kN (800 000 lbf) | 414 s (4 060 m/s) | 51 | LH2 / LOX | Générateur de gaz |
| EnergomashRD-180 | Atlas III, Atlas V | 4 152 kN (933.000 lbf) | 338 s (3 310 m/s) | 78,44 | RP-1 / LOX | Combustion par Ă©tapesricheen oxydants |
| Rocketdyne F-1 | Saturne V | 7 740 kN (1 740 000 lbf) | 304 s (2 980 m/s) | 83 | RP-1 / LOX | Générateur de gaz |
| Energomash RD-170/171M | Energia,Zenit,Soyuz-5 | 7 904 kN (1 778 000 lbf) | 337,2 s (3 307 m/s) | 79,57 | RP-1 / LOX | Combustion par Ă©tapesricheen oxydants |
Les essais moteurs
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Les tests de développement initiaux [6] des composants du moteur Raptor au méthane ont été réalisés au centre spatial Stennis dans le comté de Hancock au Mississippi où SpaceX a adapté l'infrastructure existante afin de pouvoir effectuer les essais moteur au méthane liquide[3] - [22]. Ces tests ont été limités à des composants du moteur Raptor. Les bancs d'essai du complexe E-2 de Stennis n’étaient pas capables de soutenir des essais à pleine puissance (maximum testable de 440 kN de poussée). Le moteur Raptor en développement tel que prévu en octobre 2013 au moment de l’équipement de la plateforme de Stennis était conçu pour générer plus de 2 940 kN de poussée dans le vide[3].
Les modifications apportées aux bancs d'essai par SpaceX font maintenant partie de l'infrastructure de test de Stennis et seront disponibles aux autres utilisateurs de l'installation après que SpaceX ait terminé son programme[3].
SpaceX a complété avec succès une « série de tests d'injection principale à la fin 2014 » et un « test à pleine puissance du pré-brûleur d'oxygène » du Raptor en juin 2015. Les tests se poursuivent sur les pré-brûleurs composants le Raptor à partir de septembre 2015[6].
SpaceX devra construire un nouveau banc d'essai pour pouvoir tester le moteur Raptor à pleine puissance[3]. Le B-2 banc d'essai au Stennis Space Center est déjà en cours de mise à niveau pour accueillir des essais du SLS de la NASA à 7 440 kN[40].
En février 2019, Elon Musk a indiqué sur Twitter la mise à feu du Raptor, qui a pu fournir une poussée de 1 687 kN (172 tonnes) pour une pression de 268,9 bar dans la chambre de combustion[41].
Le , un moteur Raptor SN6 a été testé avec succès dans le cadre de l'essai du démonstrateur StarHopper. Ce moteur a permis un vol de 57 s, consistant en l'élévation du démonstrateur jusqu'à une hauteur de plus de 150 mètres, ainsi qu'un atterrissage sur une autre plateforme éloignée d'une centaine de mètres de celle de départ. Ce moteur a réalisé des modulations de puissance, mais a montré une défaillance vers la fin de la phase d'atterrissage, cela se manifestant par une combustion très "riche" en méthane d'où une flamme très orangée[42].
Le 31 mai 2021, le moteur Raptor V1.5 a terminé pour la première fois le test d'allumage du moteur du long temps de vol orbital.
Le 27 juin 2021, le premier moteur Raptor V1.5 sous vide est arrivé à Boca Chica, au Texas.
Fin juillet 2021, plus de 20 moteurs Raptor V1.5 et 3 moteurs Raptor V1.5 à vide sont arrivés à Boca Chica, au Texas.
Le 25 octobre 2021, Musk a déclaré que le moteur Raptor version 2 avait atteint une pression maximale de la chambre de 321 bars avant l'explosion et avait généré 245 tonnes de poussée.
Le 12 novembre 2021, le S20 a terminé le premier essai d'allumage statique de six moteurs.
Le 18 décembre 2021, Musk a confirmé que le futur Starship aura 9 moteurs Raptor de deuxième génération, et que le booster aura 33 moteurs Raptor de deuxième génération.
Le 10 février 2022, Musk a déclaré que le moteur Raptor avait atteint 247 tonnes de puissance, et a souligné qu'après avoir traité le problème de la fonte à haute température de la deuxième génération du moteur Raptor, au moins une deuxième génération de moteur Raptor peut être produite chaque jour.
Le 30 mars 2022, le premier moteur Raptor de deuxième génération est arrivé à Boca Chica, au Texas.
En juillet 2022, un total de 39 moteurs Raptor de deuxième génération ont été installés sur les S24 et B7
En octobre 2022, le premier moteur Raptor V2,5 génération utilisant un vecteur d'entraînement électrique est arrivé à Boca Chica, au Texas.
En novembre 2022, SpaceX a achevé la fabrication du 200e moteur Raptor de deuxième génération[43].
En août 2020, Elon Musk a indiqué sur Twitter la mise à feu d'un Raptor, qui a pu fournir une poussée de 225 tonnes pour une pression de 330 bars dans la chambre de combustion[44].
En mai 2023, le moteur Raptor de troisième génération a atteint une pression de la chambre de 350 bars et a généré jusqu'à 269 tonnes métriques de poussée, ce qui équivaut à un booster super lourd avec environ
8 900 tonnes métriques de poussée.
Version pour le vide spatial Raptor
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Raptor Vacuum (RVac) est une variante de Raptor avec une buse allongée et refroidie par régénération pour une impulsion spécifique plus élevée dans le vide de l'espace. Alors que le moteur Raptor optimisé pour le vide vise une impulsion spécifique d'environ 380 s (3 700 m/s),la conception de l'aspirateur Raptor v1.0 pour soutenir le développement précoce du vaisseau spatial a été rendue plus conservatrice et projette une impulsion spécifique de seulement 365 à 370 s (3 580 à 3 630 m/s), diminuant intentionnellement les performances du moteur pour obtenirLes trois premiers moteurs Raptor Vacuum opérationnels devaient voler sur le prototype de vaisseau spatial SpaceX S20 et ont été installés le 4 août 2021. [Cependant, le S20 a été retiré avant de voler][45].
Raptor V1 et Raptor V1.5
DĂ©veloppement
Le développement du Raptor a commencé en 2014 après que SpaceX soit arrivé à la conclusion que le kérosène de fusée RP1 ne convenait pas à une utilisation sur Mars parce qu'il ne peut pas y être extrait. Le concept du moteur Merlin 2, une version agrandie du Merlin 1 qu'ils avaient développé pour le Falcon 9, a donc été publié. L'hydrogène peut être gagné sur Mars, mais difficile à stocker, de sorte que SpaceX a opté pour du méthane qui est plus facile à stocker et qui peut également être gagné sur Mars. Elon Musk lui-même dirige l'équipe qui a conçu et développé le Raptor.
Initialement, les composants du Raptor ont été testés au centre spatial Stennis de la NASA dans le Mississippi. En janvier 2016, SpaceX a reçu une subvention du département de la Défense des États-Unis pour le développement d'un prototype de version à l'étage supérieur du Raptor. En juillet 2016, le premier Raptor complet a été transporté au centre d'essai McGregor de SpaceX au Texas pour subir des tests. À l'époque, il s'agissait toujours d'une version réduite mais entièrement fonctionnelle du Raptor.
Le premier test a eu lieu en septembre 2016, et des photos de ce test ont été publiées sur Twitter par Musk un jour avant la présentation de la conception ITS, le premier projet proposé qui serait ensuite développé en Starship.
Entre 2016 et 2019, la taille et la poussée prévues ont été ajustées à plusieurs reprises. Cela s'est produit parce que la conception conceptuelle du vaisseau spatial a changé un certain nombre de fois. Pour qu'une fusée atterrit, il est important que ces moteurs ne soient pas trop puissants pour qu'une fusée décolle à nouveau. C'est pourquoi le moteur a dû être optimisé pour cela. Le Raptor devait également être en mesure de reprendre beaucoup de gaz afin qu'il y ait un bon contrôle sur l'atterrissage. L'avantage du principe du débit complet est qu'il est facile d'augmenter ou de diminuer sans perdre d'efficacité ; quelque chose qui n'est pas facile ou même impossible avec d'autres cycles de combustion[46].
Utilisation
Le Raptor 1 a fait ses débuts en 2019 avec les deux vols du Starhopper. Après cela, deux vols en trémie avec des sections de chars Starship ont été effectués et finalement cinq vols d'essai atmosphériques avec des prototypes Starship jusqu'à une altitude d'environ 10 kilomètres. Les Raptors ont dû redémarrer pour effectuer l'atterrissage. Au cours de ces vols d'essai, il a été constaté que le Raptor 1 présentait des vulnérabilités qui rendaient le moteur peu fiable. Par exemple, il y avait beaucoup de tuyaux et de câblage à l'extérieur qui pouvaient être endommagés par la chaleur. Il est également arrivé au cours de l'un des vols qu'une turbopompes se soit brûlée.
Musk, comme SpaceX l'a fait plus tôt avec le Merlin 1, veut développer davantage le Raptor étape par étape après avoir obtenu des moteurs de qualité vol. Le Raptor 1 utilisé pour les prototypes Starhopper et Starship jusqu'au numéro de série S20 et les prototypes Super Heavy jusqu'au numéro de série B4 inclus a été amélioré pour plus de détails après chaque test, mais avait des vulnérabilités.
L'amélioration provisoire du Raptor 1 a créé une version simplifiée et plus fiable de celui-ci qui était parfois appelée Raptor 1.5. Cela a fait ses débuts sur le prototype Starship SN15 qui a été le premier à effectuer un atterrissage réussi. Cette version 1.5 était reconnaissable aux buses vertes qui se trouvent également sur le Raptor 2.
Raptor 1 a été conçu et fabriqué au siège de SpaceX à Hawthorn, en Californie. Ils ont été testés à McGregor (Texas) et les vols d'essai ont eu lieu à Starbase dans le sud du Texas. Les variantes R-vac et R-boost du Raptor 1 ont également été construites. Un R-vac est un Raptor optimisé au moyen d'une buse plus longue pour des performances dans le vide de la pièce. Un R-boost est une version fixe qui ne peut pas être contrôlée.
Les R-vac 1 et R-boost 1 construits n'ont finalement plus été utilisés pour les vols d'essai, mais il y avait trois R-vac 1 montés sous le prototype Starship S20 (qui n'a jamais volé) et il y avait vingt R-boost 1 sous le prototype Super Heavy B4. La poussée nominale maximale du Raptor 1 était de 185 tonnes (1814 kiloNewtons). Des valeurs plus élevées ont été obtenues dans les configurations de test[47].
Raptor V2
Raptor 2 est une refonte complète du moteur Raptor de la version 1. La turbomachine, la chambre, la buse et l'électronique ont toutes été redessiner, ainsi que la suppression de certaines pièces et la conversion de nombreuses brides en soudures. Les moteurs Raptor 2 ont fait l'ont vu d'autres simplifications au cours de leur cycle de production.
Raptor 2 a les caractéristiques suivantes par rapport à Raptor 1 :
| Raptor-1 | Raptor-2 | |
|---|---|---|
| Poids (environ), kg | 2000 | 1600 |
| Traction (au niveau de la mer), ts | 185 | 230 |
| Pression de la chambre de combustion, barre | 250 | 300 |
| impulsion spécifique, sec | 330 | 327 |
En septembre 2019, SpaceX a déclaré que son "plan actuel" était d'utiliser Raptor 2 pour les trois moteurs "au niveau de la mer" du deuxième étage du vaisseau spatial et aussi pour tous les moteurs d'appoint - à la fois ceux qui sont à cardan et ceux qui ne le font pas - sur le premier étage du Super Heavy. En février 2023, aucun moteur Raptor 2 n'a volé sur les différents prototypes de véhicules Starship. Ces moteurs sont actuellement produits dans l'installation de développement de moteurs de SpaceX près de McGregor, au Texas. Le 18 décembre 2021, Elon Musk a annoncé sur son compte Twitter que Raptor 2 avait commencé la production, et qu'il aura plus de 230 tonnes de force.Dans une mise à jour du vaisseau spatial le 10 février 2022, Musk a montré les capacités de Raptor 2 et comment il est simplifié mais plus puissant que le Raptor original[48].
Les moteurs Raptor 2 atteignaient 230 tf (51 000 lbf) de poussée de manière constante en février 2022, bien que SpaceX s'attende à être en mesure d'adapter les paramètres du moteur et la conception au fil du temps pour atteindre au moins 250 tf (50,000 lbf). De plus, Musk a indiqué que le coût de production du moteur était environ la moitié de celui de la version Raptor 1 que SpaceX avait utilisée en 2018-2019.
En juin 2022, Musk a tweeté que 250 tonnes étaient réalisables.
Le taux de production de Raptor 2 avait atteint cinq par semaine en février 2022.
SpaceX a effectué de nombreux essais de tir statiques sur un véhicule utilisant des Raptor 2, y compris un essai de 31 moteurs (prévue pour 33) le 9 février 2023[49].
SpaceX a terminé la mission Starship Flight Test le 20 avril 2023. Le Super Heavy avait 33 moteurs Raptor 2 pendant le lancement, mais 3 d'entre eux avaient été désactivés avant que la fusée ne commence à se soulever de la rampe de lancement. La mission s'est terminée après 4 minutes de vol après avoir grimpé à l'apogée d'environ 39 km au-dessus du golfe du Mexique. Le véhicule a subi plusieurs moteurs pendant l'essai en vol, a perdu de l'altitude et a commencé à tomber. Le système de terminaison de vol était commandé à la fois sur le booster et sur le navire.
Au cours d'une tournée, Elon Musk a donné au YouTuberTim Dodd au printemps 2022, il a déclaré qu'il avait encore des souhaits d'amélioration pour le Raptor. Il veut toujours en concevoir les tuyaux externes. Son but principal est qu'il veuille éliminer les couvercles résistants à la chaleur qui protègent les tuyaux de la chaleur. Il aimerait également réduire davantage le nombre de boulons et d'écrous sur le moteur. En outre, il a indiqué que l'allumage de la torche des pré-brûleurs en voulant remplacer un allumage moins sensible à l'entretien.
Trust Vector Control (TVC, moteurs inclinables pour diriger) est allé sur les premiers Raptor 2 avec des systèmes hydrauliques. En juillet 2022, les Raptors avec TVC électrique ont été produits grâce à de puissants servos qui économisent de la masse. En commençant par Super Heavy B9 et Starship S26, les étages de fusée seront équipés du TVC électrique[50] - [51].
Raptor V2.5
Raptor 2.5 devrait encore augmenter la poussée à 250 tonnes à une pression de chambre de combustion de 330 bars.
L'objectif principal est de réduire le coût par tonne de poussée à moins de 1 000 dollars, ce qui correspondrait à un coût de production par moteur d'environ 250 000 dollars. Les indices pour y parvenir sont le retrait de toutes les brides ainsi que le plus d'impression 3D possible de la séquence de fabrication. En outre, il s'agit d'étudier pour obtenir le refroidissement du col de la buse par un fonctionnement plus riche en carburant de la chambre de combustion et d'abolir le refroidissement du film. Ce serait un équilibre entre une production simplifiée et donc une réduction des coûts, mais en même temps une faible diminution des performances.
Raptor V3
Un tir statique de moteur Raptor V3 de 3 à 350 bars (5 100 psi) pendant 45 secondes, avec 269 tonnes de poussée, a été signalé par Musk le 13 mai 2023[52].
SpaceX Starship
Trente-trois moteurs Raptor variant au niveau de la mer alimenteront le booster Super Heavy, tandis que le vaisseau spatial Starship contient six moteurs Raptor, trois optimisés pour le niveau de la mer et trois optimisés pour le vide. La section la plus basse, appelée officieusement la "jupe", abrite les moteurs Raptor, ainsi que des récipients sous pression sûre robes en composite qui stockent l'hélium gazeux utilisé pour faire tourner les turbocompresseurs Raptor. Au-dessus de cette section se trouvent les réservoirs d'oxygène liquide et de propergol de méthane liquide, séparés par un "dôme commun" contenant un petit "réservoir d'en-tête" sphérique au méthane utilisé pour contenir le propergol pour l'atterrissage. Six moteurs Raptor alimentent le vaisseau spatial, trois conçus pour le fonctionnement au niveau de la mer et trois moteurs Raptor Vacuum optimisés pour une utilisation dans le vide de l'espace, produisant une poussée cumulative d'environ 14 MN (1 400 tf ; 3 100 000 lbf)[45].
Articles connexes
Références
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Raptor_(rocket_engine) » (voir la liste des auteurs).
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