Motores de foguetes da SpaceX

Os canais gravados no bico Merlin 1D permitem o resfriamento regenerativo, evitando que o calor do escapamento o derreta

Desde a fundação da SpaceX em 2002, a empresa desenvolveu quatro famílias de motores de foguete, Merlin, Kestrel, Draco e SuperDraco, e está atualmente (desde 2016) desenvolvendo outro motor de foguete: Raptor, e após 2020, uma nova linha de propulsores Methox.

História

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Nos primeiros dez anos da SpaceX, liderada pelo engenheiro Tom Mueller, a empresa desenvolveu uma variedade de motores de foguete de combustível líquido, com pelo menos mais um desse tipo em desenvolvimento. Em outubro de 2012, cada um dos motores desenvolvidos até o momento, Kestrel, Merlin 1, Draco e SuperDraco, foi desenvolvido para uso inicial nos veículos de lançamento da SpaceX, Falcon 1, Falcon 9 e Falcon Heavy ou para a cápsula Dragon.[1] Cada motor principal desenvolvido em 2012 foi à base de querosene, usando RP-1 como combustível com oxigênio líquido (LOX) como oxidante, enquanto os motores de propulsão de controle RCS usaram propelentes hipergólicos armazenáveis.

Em novembro de 2012, em uma reunião da Royal Aeronautical Society em Londres, Reino Unido, a SpaceX anunciou que planejava desenvolver motores baseados em metano para seus futuros foguetes. Esses motores usariam ciclo de combustão em estágios, para maior eficiência semelhante ao sistema usado no motor NK-33 da antiga União Soviética.[2]

Em meados de 2015, a SpaceX havia desenvolvido um total de 9 arquiteturas de motores de foguete nos primeiros 13 anos de existência da empresa.[3]

Motores à base de querosene

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A SpaceX desenvolveu dois motores baseados em querosene em 2013, o Merlin 1 e o Kestrel, e discutiu publicamente um projeto de motor de conceito muito maior e de alto nível chamado Merlin 2. O Merlin 1 impulsionou o primeiro estágio do veículo de lançamento Falcon 1 e é usado tanto no primeiro quanto no segundo estágio dos veículos de lançamento Falcon 9 e Falcon Heavy. O segundo estágio do Falcon 1 era movido por um motor Kestrel.

Merlin 1

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Teste de fogo estático do Merlin 1D na bancada de testes da SpaceX em McGregor, Texas
Motores de foguete Merlin 1D em um veículo de lançamento Falcon 9 v1.1 no hangar SLC-40, abril de 2014
Ver artigo principal: SpaceX Merlin

Merlin 1 é uma família de motores de foguete que usam RP-1 como combustível com oxigênio líquido (LOX) como oxidante, desenvolvido em 2003-2012. Merlin 1A e Merlin 1B utilizaram um bico de compósito de fibra de carbono resfriado ablativamente. O Merlin 1A produziu 340 kilonewtons (76.000 lbf) de empuxo e foi usado para fornecer energia ao primeiro estágio dos dois primeiros lançamentos do Falcon 1 em 2006 e 2007. O Merlin 1B tinha uma turbobomba um pouco mais poderosa e gerava mais empuxo, mas nunca voou em um veículo de lançamento antes da mudança da SpaceX para o Merlin 1C.

O Merlin 1C foi o primeiro na família a usar um bico resfriado regenerativamente e uma câmara de combustão. Ele foi testado pela primeira vez com uma missão completa em 2007,[4] voou pela primeira vez na terceira lançamento do Falcon 1 em agosto de 2008,[5] foi o "primeiro foguete de combustível líquido desenvolvido de forma privada a alcançar a órbita com sucesso" (Falcon 1 Voo 4) em setembro de 2008,[5] e subsequentemente alimentou os primeiros cinco lançamentos do Falcon 9, cada um com um veículo de lançamento Falcon 9 v1.0, de 2010 a 2013.[6]

O Merlin 1D, desenvolvido em 2011-2012, também tem um bico resfriado regenerativamente e uma câmara de combustão. Tem um impulso de vácuo de 690 kN (155.000 lbf), um impulso específico de vácuo (Isp) de 310 s, uma razão de expansão aumentada de 16 (em oposição aos 14.5 anteriores do Merlin 1C) e pressão da câmara de 9.7 MPa (1.410 psi). Uma nova característica do motor é a capacidade de aceleração de 100% a 70%.[7] A relação empuxo/peso de 150:1 do motor é a mais alta já alcançada para um motor de foguete.[8][9] O primeiro voo do motor Merlin 1D também foi o lançamento inaugural do Falcon 9 v1.1.[10] Em 29 de setembro de 2013, a missão Falcon 9 Flight 6 lançou com sucesso o satélite CASSIOPE da Agência Espacial Canadense em órbita polar e provou que o Merlin 1D poderia ser reiniciado para controlar a reentrada do primeiro estágio de volta à atmosfera, parte do Programa de desenvolvimento de sistema de lançamento reutilizável da SpaceX, uma etapa necessária para tornar o foguete reutilizável.[11]

Kestrel

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Ver artigo principal: SpaceX Kestrel

Kestrel era um motor de foguete usando RP-1 como combustível com oxigênio líquido (LOX) como oxidante alimentado por pressão e foi desenvolvido pela SpaceX como o motor principal de segundo estágio do foguete Falcon 1; foi usado em 2006-2009. Ele foi construído em torno da mesma arquitetura de pino do motor Merlin da SpaceX, mas não tem uma turbobomba e é alimentado apenas pela pressão do tanque. Seu bico foi ablativamente resfriado na câmara e radiativamente resfriado na garganta, e é fabricado a partir de uma liga de nióbio de alta resistência. O controle vetorial de empuxo é fornecido por atuadores eletromecânicos na cúpula do motor para inclinação e guinada. O controle de rotação e controle de atitude durante a fase de costa é fornecido por propulsores de gás hélio frio.[12][13]

Motores baseados em metano

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Em novembro de 2012, os motores methalox entraram em cena quando o CEO da SpaceX, Elon Musk, anunciou uma nova direção para o lado da propulsão da empresa: desenvolver motores de foguete de metano/LOX.[2] O trabalho da SpaceX em motores de metano/LOX (methalox) é estritamente para apoiar o programa de desenvolvimento de tecnologia Mars da empresa. Eles não tinham planos de construir um motor de estágio superior para o Falcon 9 ou Falcon Heavy usando propelente Methalox.[14] No entanto, em 7 de novembro de 2018, Elon Musk tuitou: "O segundo estágio do Falcon 9 será atualizado para ser como um mini-nave BFR", o que pode implicar no uso de um motor Raptor neste novo segundo estágio. O foco do programa de desenvolvimento do novo motor é exclusivamente no motor Raptor de tamanho real para a missão com foco em Marte.[14]

Raptor

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Primeiro teste de disparo de um motor Raptor de desenvolvimento em 25 de setembro de 2016 em McGregor, Texas
Ver artigo principal: SpaceX Raptor

Raptor é uma família de motores de foguete de metano/oxigênio líquido em desenvolvimento pela SpaceX desde o final dos anos 2000,[2] embora a mistura de propelente LH2/LOX estivesse originalmente em estudo quando o trabalho de desenvolvimento do conceito Raptor começou em 2009.[15] Quando mencionado pela primeira vez pela SpaceX em 2009, o termo "Raptor" foi aplicado exclusivamente a um conceito de motor de estágio superior.[2] A SpaceX discutiu em outubro de 2013 que pretendia construir uma família de motores de foguete Raptor baseados em metano,[16] inicialmente anunciando que o motor alcançaria 2.94 meganewtons (661.000 lbf) de empuxo a vácuo.[16] Em fevereiro de 2014, eles anunciaram que o motor Raptor seria usado no Mars Colonial Transporter. O foguete auxiliar utilizaria vários motores Raptor, semelhante ao uso de nove Merlin 1s em cada núcleo do foguete auxiliar do Falcon 9.[17] No mês seguinte, a SpaceX confirmou que, a partir de março de 2014, todo o trabalho de desenvolvimento do Raptor é exclusivamente neste motor de foguete muito grande e que nenhum motor Raptor menor estava em desenvolvimento atual.[14]

O motor Raptor metano/LOX usa um ciclo de combustão em estágios de fluxo total altamente eficiente e teoricamente mais confiável,[17] uma partida do sistema de ciclo de gerador a gás aberto e propelentes LOX/querosene usados na atual série de motores Merlin 1.[2] Em fevereiro de 2014, os projetos preliminares do Raptor buscavam produzir 4.4 meganewtons (1.000.000 lbf) de empuxo com um impulso específico de vácuo (Isp) de 363 segundos (3.56 km/s) e um Isp ao nível do mar de 321 segundos (3.15 km/s),[17][18] embora os tamanhos de conceito posteriores sendo examinados estivessem próximos de 2.2 MN (500.000 lbf).

Os testes iniciais de nível de componente da tecnologia Raptor começaram em maio de 2014, com um teste de elemento injetor.[16][19] O primeiro motor de desenvolvimento Raptor completo, com aproximadamente um terço do tamanho dos motores em escala real planejados para uso em várias partes do Starship, com empuxo de aproximadamente 1.000 kN (220.000 lbf), começou a testar em uma bancada de teste em solo em setembro de 2016. O bico de teste tem uma taxa de expansão de apenas 150, a fim de eliminar problemas de separação de fluxo durante o teste na atmosfera terrestre.[20]

O ciclo de combustão em estágios de fluxo total do Raptor passará 100% do oxidante (com uma taxa de combustível baixa) para alimentar a bomba da turbina de oxigênio e 100% do combustível (com uma taxa de oxigênio baixa) para alimentar a bomba de turbina de metano. Ambos os fluxos, oxidante e combustível, estarão completamente na fase gasosa antes de entrarem na câmara de combustão. Antes de 2016, apenas dois motores de foguete de combustão em estágios de fluxo total haviam progredido o suficiente para serem testados em bancadas de teste: o projeto soviético RD-270 na década de 1960 e o projeto de demonstração da cabeça de força integradaç da Aerojet Rocketdyne em meados dos anos 2000, que não testou um motor completo, mas apenas a cabeça de força.[17][20]

Outras características do projeto de fluxo total são projetadas para aumentar ainda mais o desempenho ou a confiabilidade, com a possibilidade de compensar um pelo outro:[17]

  • Eliminando a interselo da turbina oxidante de combustível, que é tradicionalmente um ponto de falha nos motores de foguetes químicos modernos;
  • São necessárias pressões mais baixas através do sistema de bombeamento, aumentando a vida útil e reduzindo ainda mais o risco de falha catastrófica;
  • Capacidade de aumentar a pressão da câmara de combustão, aumentando assim o desempenho geral ou "usando gases mais frios, fornecendo o mesmo desempenho de um motor de combustão em estágios padrão, mas com muito menos estresse sobre os materiais, reduzindo significativamente a fadiga do material ou o peso do [motor]".[17]

Propulsor Methox

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A SpaceX está desenvolvendo propulsores methox gasosos que utilizarão metano gasoso e oxigênio gasoso em vez de propelentes de metano líquido e oxigênio líquido (metalox) usados pelo motor Raptor.

Em seu anúncio do Sistema de Transporte Interplanetário (ITS) no 67.º Congresso Internacional de Astronáutica em 27 de setembro de 2016, Elon Musk indicou que todos os propulsores do sistema de controle de reação para o ITS (posteriormente renomeado para Starship) operariam a partir do metano gasoso e oxigênio fornecimento em cada um desses veículos, e que novos propulsores seriam desenvolvidos para o efeito.[21][22][23]

Em 2020, um conjunto de propulsores methox RCS de alto empuxo foi planejado para ser localizado no meio do corpo na variante da Starship HLS de pouso lunar e será usado durante as "dezenas de metros" finais de qualquer descida e pouso lunar terminal,[24] bem como usado para partir da superfície lunar.[24]:50:30 O projeto do meio do corpo é especificamente para lidar com o problema da erosão da superfície da Lua e a criação de poeira lunar devido ao uso de motores Raptor que estão localizados na base do Starship.

Motores hipergólicos

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Draco

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Ver artigo principal: SpaceX Draco

Draco são motores de foguete de combustível líquido hipergólicos que utilizam uma mistura de combustível monometil hidrazina e tetróxido de nitrogênio como oxidante. Cada propulsor Draco gera 400 newtons (90 lbf) de impulso.[25] São usados como propulsores do sistema de controle de reação (RCS) na espaçonave Dragon e no segundo estágio do veículo de lançamento Falcon 9.[26]

SuperDraco

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Mosaico de teste de fogo do SuperDraco
Ver artigo principal: SpaceX SuperDraco

Os motores hipergólicos de propelente armazenável SuperDraco geram 67.000 newtons (15.000 lbf) de empuxo, tornando o SuperDraco o terceiro motor mais potente desenvolvido pela SpaceX, mais de 200 vezes[27] mais potente do que os motores de propulsão Draco RCS regulares. Em comparação, é mais de duas vezes mais potente do que o motor Kestrel usado no segundo estágio do veículo de lançamento Falcon 1, e cerca de 1/9 mais empuxo de um motor Merlin 1D. Eles são usados como motores Sistema de escape no SpaceX Dragon 2 para o transporte da tripulação para a órbita terrestre baixa.[28]

Veja também

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Referências

  1. ↑ Morrison, Sara (26 de maio de 2020). «There's a lot riding on Wednesday's SpaceX launch». Vox (em inglês). Consultado em 27 de maio de 2020 
  2. ↑ a b c d e Todd, David (22 de novembro de 2012). «SpaceX's Mars rocket to be methane-fuelled». FlightGlobal. UK. Consultado em 1 de outubro de 2014. Cópia arquivada em 11 de janeiro de 2014 
  3. ↑ «SpaceX Prepared Testimony by Jeffrey Thornburg». SpaceRef.com. 26 de junho de 2015. [SpaceX develops] all of our engines in-house and in the United States. The company is currently on its fourth generation of booster engines, which have included the Merlin 1A, the Merlin 1B, the Merlin 1C, and the Merlin 1D. In addition, we have developed the Kestrel vacuum engine, the Merlin 1C vacuum engine, and the Merlin 1D vacuum engine for our second stages on Falcon 1, Falcon 9 and Falcon Heavy. SpaceX has also developed Draco and SuperDraco engines which provide in-space and abort propulsion capability for Dragon ... We are also moving forward with significant R&D on a next generation rocket engine Raptor. ... SpaceX has successfully developed the 9 rocket engines mentioned above in the past 13 years. 
  4. ↑ Whitesides, Loretta Hidalgo (12 de novembro de 2007). «SpaceX Completes Development of Rocket Engine for Falcon 1 and 9». Wired. Cópia arquivada em 12 de janeiro de 2014 
  5. ↑ a b Clark, Stephen (28 de setembro de 2008). «Sweet Success at Last for Falcon 1 Rocket». Spaceflight Now. Consultado em 6 de abril de 2011. Cópia arquivada em 11 de janeiro de 2014 
  6. ↑ Klotz, Irene (6 de setembro de 2013). «Musk Says SpaceX Being "Extremely Paranoid" as It Readies for Falcon 9's California Debut». Space News. Consultado em 13 de setembro de 2013. Arquivado do original em 22 de setembro de 2013 
  7. ↑ «SpaceX Unveils Plans To Be World's Top Rocket Maker». Aviation Week and Space Technology. 11 de agosto de 2011. Consultado em 11 de outubro de 2012. Arquivado do original em 12 de janeiro de 2014 (inscrição necessária)
  8. ↑ Chaikin, Andrew (janeiro de 2012). «Is SpaceX changing the rocket equation? 1 visionary + 3 launchers + 1,500 employees = ?». Washington, D.C.: Smithsonian Institution. Air & Space Magazine. Consultado em 13 de novembro de 2012. Cópia arquivada em 12 de janeiro de 2014 
  9. ↑ «Spacex's Merlin 1D Engine Achieves Full Mission Duration Firing». SpaceX. 25 de junho de 2012 
  10. ↑ Rosenberg, Zach (16 de março de 2012). «SpaceX readies upgraded engines». Flightglobal. Consultado em 17 de março de 2012. Cópia arquivada em 11 de janeiro de 2014 
  11. ↑ Wall, Mike (17 de outubro de 2013). «SpaceX Hit Huge Reusable Rocket Milestone with Falcon 9 Test Flight». Space.com. New York. Consultado em 10 de janeiro de 2014. Cópia arquivada em 11 de janeiro de 2014 
  12. ↑ Zsidisin, Greg (23 de março de 2007). «SpaceX Confirms Stage Bump On Demoflight 2». Space Daily. Consultado em 30 de setembro de 2008. Cópia arquivada em 12 de janeiro de 2014 
  13. ↑ Wade, Mark (2014). «Kerstrel». Encyclopedia Astronautica. Consultado em 12 de janeiro de 2014. Arquivado do original em 12 de janeiro de 2014 
  14. ↑ a b c Gwynne Shotwell (21 de março de 2014). Broadcast 2212: Special Edition, interview with Gwynne Shotwell (mp3) (audio file). The Space Show. Em cena em 21:25–22:10 and 26:25–27:10. 2212. Consultado em 22 de março de 2014. Cópia arquivada em 22 de março de 2014. our focus is the full Raptor size 
  15. ↑ «Long term SpaceX vehicle plans». HobbySpace.com. Consultado em 13 de julho de 2009. Arquivado do original em 14 de fevereiro de 2010 
  16. ↑ a b c Leone, Dan (25 de outubro de 2013). «SpaceX Could Begin Testing Methane-fueled Engine at Stennis Next Year». Space News. Consultado em 26 de outubro de 2013. Arquivado do original em 11 de janeiro de 2014 
  17. ↑ a b c d e f Belluscio, Alejandro G. (7 de março de 2014). «SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power». NASAspaceflight.com. Consultado em 8 de março de 2014 
  18. ↑ «SpaceX propulsion chief elevates crowd in Santa Barbara». Pacific Business Times. 19 de fevereiro de 2014. Consultado em 22 de fevereiro de 2014 
  19. ↑ SpaceX to test methane rocket engine in Miss., The Sacramento Bee, 22 April 2014 Arquivado em 29 abril 2014 no Wayback Machine
  20. ↑ a b Belluscio, Alejandro G. (3 de outubro de 2016). «ITS Propulsion – The evolution of the SpaceX Raptor engine». NASASpaceFlight.com. Consultado em 3 de outubro de 2016 
  21. ↑ Bergin, Chris (27 de setembro de 2016). «SpaceX reveals ITS Mars game changer via colonization plan». NASASpaceFlight.com. Consultado em 13 de outubro de 2016 
  22. ↑ Richardson, Derek (27 de setembro de 2016). «Elon Musk Shows Off Interplanetary Transport System». Spaceflight Insider. Consultado em 13 de outubro de 2016 
  23. ↑ Berger, Eric (28 de setembro de 2016). «Musk's Mars moment: Audacity, madness, brilliance—or maybe all three». Ars Technica. Consultado em 13 de outubro de 2016 
  24. ↑ a b Cummings, Nick (11 de junho de 2020). Human Landing System: Putting Boots Back on the Moon. American Astronautical Society. Em cena em 35:00–36:02. Consultado em 17 de abril de 2021 – via YouTube. for the terminal descent of Starship, a few tens of meters before we touch down on the lunar surface, we actually use a high-thrust RCS system, so that we don't impinge on the surface of the Moon with the high-thrust Raptor engines. ... uses the same methane and oxygen propellants as Raptor. 
  25. ↑ «SpaceX Updates — December 10, 2007». SpaceX. 10 de dezembro de 2007. Consultado em 26 de dezembro de 2012 
  26. ↑ «Falcon 9 Launch Vehicle Payload User's Guide, 2009» (PDF). SpaceX. 2009. Consultado em 8 de março de 2013. Arquivado do original (PDF) em 3 de maio de 2012 
  27. ↑ «SpaceX Test Fires Engine Prototype for Astronaut Escape System». NASA. 1 de fevereiro de 2012. Consultado em 1 de fevereiro de 2012 
  28. ↑ «SpaceX ready for Crew Dragon in-flight abort test». SpaceNews.com (em inglês). 13 de janeiro de 2020. Consultado em 27 de maio de 2020 

Ligações externas

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