SpaceX heeft donderdagavond een nieuwe stap gezet in de richting van het valideren van de raketmotortechnologie die zijn Starship-raket zal aandrijven. Voor het eerst ontstaken ingenieurs van het bedrijf een vacuümversie van een Raptor-raketmotor die aan de bovenste trap van het Starship was bevestigd.

Het testvuur bij zonsondergang in Zuid-Texas duurde slechts enkele seconden. Maar het lijkt succesvol te zijn geweest en het controleert nog een vakje in een reeks technische tests die SpaceX moet voltooien voordat Starship op een Super Heavy-raket wordt gelanceerd voor een orbitale testvlucht. Dit kan ergens begin 2022 gebeuren.

Eerste afvuren van een Raptor-vacuümmotor geïntegreerd in een ruimteschip pic.twitter.com/uCNAt8Kwzo

– SpaceX (@SpaceX) 22 oktober 2021

SpaceX heeft zijn Starship-voertuig natuurlijk al eerder getest met Raptor-motoren. In sommige prototype-testvluchten is het voertuig tot ongeveer 10 km gestegen onder de kracht van maximaal drie Raptor “zeeniveau”-motoren. Maar het is iets heel anders om een ​​raket te testen met een versie van Raptor die is geoptimaliseerd om in het vacuüm van de ruimte te werken.

Raketmotoren hebben natuurlijk veel onderdelen, maar de grootste en meest prominente is het mondstuk, dat de stroom uitlaatgas kanaliseert. Deze uitlaat vindt zijn oorsprong in de verbrandingskamer, waar oxidatiemiddel en drijfgas ontbranden. Dit uitlaatgas wordt vervolgens door een nauwe opening, een keel genaamd, geleid om het te versnellen. De uitlaat is nu supersonisch en zet uit als hij in het mondstuk komt, waar, hoe langer en breder het mondstuk is, hoe sneller de uitlaat beweegt.

Sneller gas dat uit een raketmotor komt, is goed omdat het meer stuwkracht levert. Meer stuwkracht betekent dat je raket meer massa kan optillen. Een groter mondstuk betekent dus betere prestaties.

Ik ben net klaar met deze kleine animatie die de uitzettingsratio’s laat zien van @SpaceX檚 Merlin 1D-motoren. Gek hoeveel groter het vacuümmondstuk is in vergelijking met het mondstuk op zeeniveau! Komen deze cijfers aardig in de buurt? @Elon Musk ?pic.twitter.com/N14MEXmeAh

– Dagelijkse Astronaut (@Erdayastronaut) 18 september 2019

Dus waarom hebben niet alle raketmotoren gigantische sproeiers? Vanwege een fenomeen dat bekend staat als “stroomscheiding”, wat gebeurt wanneer de gasstroom in een motor zich scheidt van de mondstukwanden. Dit kan turbulentie en trillingen veroorzaken. In het ergste geval kan dit ertoe leiden dat de motor zichzelf opblaast. Er is geen absolute waarde voor wanneer dit gebeurt, maar het risico van stroomscheiding neemt toe wanneer de uitlaatgasdruk die uit het mondstuk komt onder 50 procent van de omgevingsdruk daalt.

Dit is geen probleem in de ruimte, waar de atmosferische druk in wezen nul is. Maar op zeeniveau, hoe groter het mondstuk, hoe groter het risico op stromingsscheiding.

De meest gebruikelijke manier om dit probleem aan te pakken, is door de eerste trap van een raket te ontwerpen met motoren die zijn geoptimaliseerd voor prestaties op zeeniveau en een bovenste trap met voor vacuüm geoptimaliseerde motoren. De Falcon 9-raket heeft bijvoorbeeld een eerste trap met negen Merlin-motoren met kleinere straalbuizen die al het werk in de lagere atmosfeer doen en een Merlin-vacuümmotor met een veel grotere straalbuis voor de ruimte.

NASA’s spaceshuttle nam een ​​meer hybride benadering. De hoofdmotoren, die gedurende het hele vluchtprofiel van de lancering in een baan om de aarde schoten, offerden de prestaties aan beide uiteinden op. De shuttle eindigde met een mondstuk dat zo groot mogelijk was op zeeniveau – het voldeed echt aan de grenzen van de stroomscheiding zonder over de rand te gaan – maar aanzienlijk kleiner dan optimaal zou zijn in een vacuüm.

De bovenste trap van het ruimteschip van SpaceX is ontworpen om zowel in een dichte atmosfeer als in de ruimte te vliegen. Het is bedoeld om het raadsel van de mondstukgrootte op te lossen door te vliegen met drie Raptor-motoren op zeeniveau en drie Raptor-motoren met een vacuüm. De test van donderdag markeerde de eerste keer dat een van de vacuümmotoren werd bevestigd aan een Starship-voertuig en werd getest.

Een van mijn favoriete stukjes beeldmateriaal van de talk van morgen op @ChabotSpace is dit close-up van de motoren van de shuttle die aan het smoren zijn. Voordat de motoren het volledige vermogen bereiken, wordt de buitenlucht in de motormondstukken onder druk gezet, waardoor een onstabiele stroomscheiding ontstaat. Zie de spuitmond flex. pic.twitter.com/vYXjUl7nTK

– Scott Manley (@DJSnM) 17 januari 2019

De meest ervaren Amerikaanse motor in de bovenste trap, de RL-10, vervaardigd door Aerojet Rocketdyne, heeft een enorme expansieverhouding, in die zin dat zijn mondstuk veel groter is dan zijn keel. Deze motor kan dus alleen op de grond worden getest in een grote vacuümkamer. De test van SpaceX op donderdag vond buiten plaats, in Zuid-Texas, een paar meter boven zeeniveau.

Dus hoe heeft SpaceX het testvuur van de voor vacuüm geoptimaliseerde motor voltooid zonder deze te vernietigen?

In antwoord op deze vraag, SpaceX-oprichter Elon Musk zei op Twitter dat het bedrijf het probleem heeft opgelost door de Raptor-motor te bouwen om een ​​zeer hoge kamerdruk te produceren. De motor is ook nog niet volledig geoptimaliseerd voor een vacuüm, dus er was genoeg marge om te voorkomen dat stroomscheiding deze destabiliseerde.

Hierdoor kon SpaceX donderdag zijn test afronden zonder dat er iets ontploft.

By Admin

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *