لماذا يجب أن تتعلم عن سبيس إكس رابتور

رابتور هو محرك صاروخي ذو دورة احتراق مراحلي مغلقة، يعمل بوقود الميثان، تم تصنيعه بواسطة شركة سبيس إكس . يتم تشغيل المحرك بواسطة الأكسجين السائل المبرد، والميثان السائل المبرد بدلاً من الكيروسين الشبه نقي المستخدم في محركات الصواريخ السابقة للشركة، مثل محركات مرلين.. يقدم محرك رابتور أكثر من ضعف قوة الدفع لمحرك ميرلين المستخدم في مركبة الإطلاق الحالية فالكون ٩.

سيتم استخدام رابتور في كلتا المرحلتين من مركبة إطلاق نظام Starship للرفع الثقيل، والتي تم تصميمها لتحل محل جميع مركبات سبيس إكس الحالية ، بما في ذلك مركبات الإطلاق Falcon 9 وFalcon Heavy وسبيس إكس Dragon 2. كجزء من Starship ، من المتوقع أن يتم استخدام محركات رابتور في تطبيقات مختلفة ، بما في ذلك سوق توصيل الأقمار الصناعية في مدار الأرض ، وإطلاق اقمار خدمة Starlink التابعة لشركة SpaceX ، واستكشاف المريخ واستعماره في نهاية المطاف.

بدأ اختبار محركات رابتور للإستخدام في النموذج الأولي من مركبة إطلاق نظام Starship (النموذج الأولي Starhopper) في يوليو 2019 وأصبحت أول محرك صاروخي يستخدم تكنولوجيادورة احتراق مراحلي مغلقة يتم إطلاقه على الإطلاق. اعتبارًا من يناير ٢٠٢١ ، ينتج رابتور أيضًا أعلى ضغط لغرفة الاحتراق تم الوصول إليه على الإطلاق بواسطة محرك صاروخي مستخدم، عند 330 بار (33000 كيلو باسكال) ، متجاوزًا الرقم القياسي الذي يحمله محرك الصاروخ RD-701 عند 300 بار.



محرك رابتور يستخدم الميثان السائل والأكسجين السائل المبردان لتحت الصفر، من خلال دورة احتراق مراحلي كاملة التدفق، وهي أكثر كفائة من النسخ الأبسط ، مثل دورات التدفق «المفتوحة» باستخدام مولد الغاز (دورة إحتراق غير كاملة التدفق) التي تعمل بالكيروسين والأكسجين السائل، مثل المستخدمة حالياً في محركات ميرلين. كما آيضاً محركات RS-25 ، التي تستخدم الهيدروجين السائل والأكسجين السائل ، من خلال دورة احتراق مفتوحة ، كما تفعل العديد من محركات الصواريخ الروسية ، بما في ذلك RD-180 و RD-191.

تباين الحجم المعلن لمحرك رابتور بشكل كبير خلال الفترة 2012-2017 مع استمرار تطور التصميم ، من قدرة دفع مستهدف تبلغ 8,200 كيلونيوتن (1,800,000 رطلق) من الدفع في الفضاء إلى هدف أحدث وأقل بكثير وهو 1,900 كيلونيوتن (430,000 رطلق) . في نسخة 2017 ، من المتوقع أن يقدم رابتور قدرة إندفاع نوعي في الفراغ = 382 ثوان (3,750 م/ث) وقدرة إندفاع نوعي داخل الغلاف الجوي (عند سطح البحر) = 334 ثوان (3,280 م/ث).

تم تصميم محرك رابتور لاستخدام وقود سائل يتم تبريده لما يقرب نقطة التجمد ، وهو الأمر المعهود لمحركات الصواريخ ذات الوقود المبرد. يزيد استخدام الوقود المبرد لقرب التجمد من كثافة الوقود ، للسماح بمزيد من الكتلة الدافعة له، كما يزيد الدافع المحدد (الإندفاع النوعي) للمحرك، ويقلل من خطر حدوث تجويفات في مضخات الوقود بسبب ارتفاع معدل تدفق الكتلة للطاقة المتولدة.

يتم بدآ إشعال محرك رابتور، سواء على منصة الإطلاق أو إعادة الإشعال آثناء الطيران ، عن طريق الإشعال بالشرارة ، مما يغني عن استخدام خليط اشعال مثل ثلاثي إيثيل الألومنيوم - ثلاثي إيثيل بوران (TEA-TEB) المستخدم في اشعال المحركات في فالكون 9 و فالكون الثقيل.

يستخدم رابتور دورة احتراق مراحلي مغلقة ، حيث يعمل كلا من الوقود والمؤكسد (الميثان السائل والأكسجين السائل) معا على تشغيل المضخات (التوربينات) لدفع وخلط الوقود والمؤكسد في غرفة الإحتراق، يتم ضخ الميثان السائل مع نسبة أكسجين منخفضة لتشغيل مضخة الميثان، وآيضاً يتم ضخ الأكسجين السائل مع نسبة ميثان منخفضة لتشغيل مضخة الأكسجين. ثم يتم خلط كلا التيارين - المؤكسد والوقود - إلى خليط غازي ذو ضغط عالي قبل دخولهما إلى غرفة الاحتراق.

قبل عام 2014 ، كان هناك محركان فقط في العالم يستخدمان دورة احتراق مراحلي مغلقة قد تطوروا بشكل كافٍ للاختبار على منصات الاختبار (دون طيران): مشروع RD-270 السوفيتي في الستينيات ومشروع Integrated Powerhead Demonstrator لشركة Aerojet Rocketdyne الآمريكية في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.

تشمل الخصائص الإضافية لتصميم دورة الاحتراق المغلقة ، المتوقع أن تزيد من الأداء أو الموثوقية ما يلي:



الاستغناء عن الحشية الداخلية للمضخات، الفاصلة بين المؤكسد والوقود، والتي تعد نقطة فشل محتملة في تصميمات المحرك التقليدية ؛

تقليل الضغط المطلوب من نظام الضخ ، مما يزيد من العمر الافتراضي للمحرك، ويقلل من إحتمالية فشل المحرك؛

القدرة على زيادة ضغط غرفة الاحتراق ، وبالتالي إما زيادة الأداء العام أو «باستخدام غازات مبردة آكثر ، مما يوفر نفس أداء محرك الاحتراق المراحلي القياسي ولكن مع ضغط أقل بكثير على المواد ، وبالتالي تقليل إجهاد المواد أو وزن [المحرك] بشكل كبير» .

تهدف سبيس إكس إعادة استخدام رابتور مرات متعدده، تصل الي 1000 رحلة لكل محرك، قبل احالته للتقاعد.

تم تصنيع العديد من الأجزاء المهمة (للاختبار الأولي اثناء تطوير المحرك) باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد ، مما يزيد من سرعة التطوير والاختبار.

في عام 2019 ، تم تقدير التكلفة (الجزئية) للمحرك بأقل من مليون دولار. تخطط سبيس إكس لإنتاج رابتور بكميات كبيرة (ما يصل إلى 500 محرك سنويًا)، كل منها مقدر ان يكلف أقل من 250,000 دولار.