О системе зажигания Раптора 3
Несколько часов назад в Starbase прошёл интересный тест со срабатыванием запальников двигателей Раптор 3 на первой ступени третьей версии Старшипа
Интересен этот тест в первую очередь своим звуком, который, возможно, подтверждает слухи о новой системе зажигания на Рапторах 3, слухи о которой доходили до меня еще больше года назад
Если вкратце - на самых первых демонстраторах двигателя Раптор стояла отработанная и вполне понятная система зажигания для американского ракетного двигателестроения - 2 компонента, триэтилалюминий и триэтилборан - подаются в небольшую камеру сгорания, где воспламеняются при контакте, и горячие продукты сгорания уже поджигали компоненты в газогенераторах и в главной камере сгорания. Это так называемая химическая система зажигания. Точно такая же система стоит двигателях РД-170, на Merlin-1D+ и многих других. Зелёная вспышка при запуске этих двигателей - следствие присутствия ионов бора в пламени. Основной её минус - компоненты токсичные, очень опасные в работе (в том числе, самовоспламеняются на воздухе), и если двигатель выработал запас пускового топлива - перезапустить его без перезарядки просто невозможно.
Решение есть. Все просто - есть 2 электрода, на них подаётся высокое напряжение, между ними пробивает искра/дуговой разряд, и теплота от этого события поджигает топливные компоненты. Это искровой запальник. Чтобы не ставить такой запальник в самое пекло, делается отдельная небольшая камера сгорания, где компоненты подаются при некотором другом соотношении, позволяя поджечься, но не горя при таких же высоких температурах, как в камере сгорания. И уже этот выхлоп из запальника идёт куда нужно. Это уже факельный запальник.
Такие запальники стоят например на RS-25 (главные двигатели Шаттла), на RL-10 (двигатели РБ Centaur), и их начали ставить уже в 2016-2018 годах на прототипы Рапторов, так же как и продолжили их ставить на Рапторы 1 и 2. На Рапторе 2 параметры двигателя задрали выше, увеличились мощности турбонасосов, и, соответственно, выросли температуры в газогенераторах. Теперь окислительный и восстановительный газы могли сами поджечься в камере сгорания от контакта друг с другом, что убирало из конструкции один из трёх запальников.
Но на Рапторе 3 очень незаметно, была внедрена, судя по всему, уникальная для ракетного двигателестроения система зажигания
Термоакустические (резонансные) запальники
Все очень просто. Берём сопло, дуем через него газом, скачки уплотнения ловим ловушкой-резонатором, в которой газ нагревается так сильно, что поджигается. Не нужны никакие электрические системы зажигания, по сравнению с конструкцией факельных запальников - значительное упрощение, и весь запальник можно интегрировать внутрь двигателя.
Но есть и сложности, такие как то, что не существует нормального метода расчета таких запальников, и по сути, все работы сводятся к итеративному методу проектирования, моделирования и множества испытаний
Идея, в общем то, не нова. Еще в 1971 году, исследователи NASA продемонстрировали резонансный запальник, который зажигался на водород-кислороде всего за 0.13 секунд при давлении подачи всего 2.4 атмосферы.
В 2018 году в Техническом университете Мюнхена сделали прототип метан-кислородного резонансного запальника. Так как такая смесь обладает большей средней молекулярной массой, то и скорость звука там ниже, поэтому добиться зажигания тяжело. Но в итоге смогли достичь стабильный запуск, сначала 4 секунды продувая кислородом при 2 МПа, прогревая резонансную полость, а затем впрыскивая метан, который поджигался за 150 мсек
Скорее всего, SpaceX значительно доработали эту идею, либо снизив требуемые давления для зажигания, чтобы запальник можно было питать от баков или от испарившихся компонентов при резком захолаживании двигателя при старте, либо "поддувая" в запальник инертный газ с ракеты под высоким давлением
Если характерное завывание сегодняшнего теста действительно от резонансного нутра новых запальников - это, без шуток, прорыв. Полностью пассивный, лёгкий, многоразовый запальник, без высоковольтных источников. Красота!
Несколько часов назад в Starbase прошёл интересный тест со срабатыванием запальников двигателей Раптор 3 на первой ступени третьей версии Старшипа
Интересен этот тест в первую очередь своим звуком, который, возможно, подтверждает слухи о новой системе зажигания на Рапторах 3, слухи о которой доходили до меня еще больше года назад
Если вкратце - на самых первых демонстраторах двигателя Раптор стояла отработанная и вполне понятная система зажигания для американского ракетного двигателестроения - 2 компонента, триэтилалюминий и триэтилборан - подаются в небольшую камеру сгорания, где воспламеняются при контакте, и горячие продукты сгорания уже поджигали компоненты в газогенераторах и в главной камере сгорания. Это так называемая химическая система зажигания. Точно такая же система стоит двигателях РД-170, на Merlin-1D+ и многих других. Зелёная вспышка при запуске этих двигателей - следствие присутствия ионов бора в пламени. Основной её минус - компоненты токсичные, очень опасные в работе (в том числе, самовоспламеняются на воздухе), и если двигатель выработал запас пускового топлива - перезапустить его без перезарядки просто невозможно.
Решение есть. Все просто - есть 2 электрода, на них подаётся высокое напряжение, между ними пробивает искра/дуговой разряд, и теплота от этого события поджигает топливные компоненты. Это искровой запальник. Чтобы не ставить такой запальник в самое пекло, делается отдельная небольшая камера сгорания, где компоненты подаются при некотором другом соотношении, позволяя поджечься, но не горя при таких же высоких температурах, как в камере сгорания. И уже этот выхлоп из запальника идёт куда нужно. Это уже факельный запальник.
Такие запальники стоят например на RS-25 (главные двигатели Шаттла), на RL-10 (двигатели РБ Centaur), и их начали ставить уже в 2016-2018 годах на прототипы Рапторов, так же как и продолжили их ставить на Рапторы 1 и 2. На Рапторе 2 параметры двигателя задрали выше, увеличились мощности турбонасосов, и, соответственно, выросли температуры в газогенераторах. Теперь окислительный и восстановительный газы могли сами поджечься в камере сгорания от контакта друг с другом, что убирало из конструкции один из трёх запальников.
Но на Рапторе 3 очень незаметно, была внедрена, судя по всему, уникальная для ракетного двигателестроения система зажигания
Термоакустические (резонансные) запальники
Все очень просто. Берём сопло, дуем через него газом, скачки уплотнения ловим ловушкой-резонатором, в которой газ нагревается так сильно, что поджигается. Не нужны никакие электрические системы зажигания, по сравнению с конструкцией факельных запальников - значительное упрощение, и весь запальник можно интегрировать внутрь двигателя.
Но есть и сложности, такие как то, что не существует нормального метода расчета таких запальников, и по сути, все работы сводятся к итеративному методу проектирования, моделирования и множества испытаний
Идея, в общем то, не нова. Еще в 1971 году, исследователи NASA продемонстрировали резонансный запальник, который зажигался на водород-кислороде всего за 0.13 секунд при давлении подачи всего 2.4 атмосферы.
В 2018 году в Техническом университете Мюнхена сделали прототип метан-кислородного резонансного запальника. Так как такая смесь обладает большей средней молекулярной массой, то и скорость звука там ниже, поэтому добиться зажигания тяжело. Но в итоге смогли достичь стабильный запуск, сначала 4 секунды продувая кислородом при 2 МПа, прогревая резонансную полость, а затем впрыскивая метан, который поджигался за 150 мсек
Скорее всего, SpaceX значительно доработали эту идею, либо снизив требуемые давления для зажигания, чтобы запальник можно было питать от баков или от испарившихся компонентов при резком захолаживании двигателя при старте, либо "поддувая" в запальник инертный газ с ракеты под высоким давлением
Если характерное завывание сегодняшнего теста действительно от резонансного нутра новых запальников - это, без шуток, прорыв. Полностью пассивный, лёгкий, многоразовый запальник, без высоковольтных источников. Красота!