Raptor (roket motoru)

Raptor (Türkçe: Yırtıcı Kuş), SpaceX tarafından geliştirilen, Kriyojenik metan-yakıtlı roket motorları ailesinin ilk üyesidir. Özel olarak, SpaceX süper-ağır fırlatma araçlarının yüksek verimli aşağı ve yukarı aşamalarında kullanılması hedeflenmektedir. Merlin 1C & D motorlarına sahip daha önceki tüm Falcon 9 roketlerinde kullanılmış olan RP-1 kerosen ve LOX karışımı yerine; Raptor motoru yakıt olarak sıvı metan ve sıvı oksijen (LOX), kullanacaktır. Başlangıç tasarımlarında Raptor motorunun metan'dan ziyade sıvı hidrojen (LH2) kullanması öngörülüyordu.
Raptor motoru, şu an kullanımda olan Falcon 9 uyarlaması Falcon 9 v1.1 roketinin ikinci aşamasına güç sağlayan Merlin 1D vakum motorunun ürettiği itkinin altı katına sahip olması öngörülüyor.
Daha geniş Raptor tasarımı "sıkça tekrar-kullanılabilir metan yakıtlı aşamalı-yanan motordur ve bu motor SpaceX'in, Mars'ın keşfi ve kolonileştirilmesi görevlerinde kullanılacak olan, sonraki nesil fırlatma araçlarına güç sağlayacaktır." Elon Musk'a göre, bu tasarım (tüm roket aşamalarında) tam "tekrar-kullanılabilirlik" özelliğine erişmeyi başaracak, ve sonuç olarak, "uzay uçuşlarının maliyetlerinde yaklaşık 100 kat kadar düşüş elde edilmesini" sağlayacaktır.
Tarihçe
Raptordan, ilk olarak 2009'daki Amerikan Havacılık ve Uzay bilimi Enstitüsü'nün Ticari Mürettebat/Kargo konulu bilimsel tartışma ve paylaşım toplantısı sırasında SpaceX'in o zamanki çalışanı olan Max Vozoff bahsetmişti.
2011 Nisan ayı itibarıyla, SpaceX az sayıda da olsa bir kısım çalışanını, o zaman için hala fikir aşamasında kalmış olan LH2/LOX yakıtlı, Raptor yukarı-aşama motoru üzerinde düşük öncelikli olarak çalışmaları için atamıştı.
Geliştirme programının daha sonraki bahsi 2011 yılı içerisinde gerçekleşmiştir.
2012 Mart ayında, haber kaynaklarına göre Raptor yukarı-aşama motoru geliştirme programı başlamıştı, ancak ayrıntıları henüz herkese açıkça bildirilmemişti.
2012 Ekim ayında SpaceX, Merlin 1 dizisi motorlardan birkaç kat daha kuvvetli olacak ancak Merlin'in RP-1 yakıtını kullanmayacak bir roket motoru üzerinde tasarımsal çalışmanın başladığını duyurdu ancak ne tür bir yakıt kullanılacağını belirtmeyi reddetti.
Ayrıntıların "1 ile 3 yıl arası" bir sürede belli olacağını, büyük motordan birden fazla sayıda yeni SpaceX roketinde kullanmasının amaçlandığını, dolayısıyla bu sayede alçak Dünya yörüngesine 150 - 200 ton civarı malzeme taşınabileceğini ve bu miktarın NASA'nın Uzaya Fırlatma Sisteminin (Space Launch System) kapasitesinin üzerinde olduğunu belirtmişlerdir.
Bu durum 2012 Kasım ayında, şirketin CEO'su Elon Musk SpaceX'in itki sistemleri bölümünün yeni hedefinin metan-yakıtlı roket motoru geliştirmek olduğunu duyurunca açıklık kazanmıştır.
Elon Musk ayrıca Raptor kod adlı motor tasarımının artık metan-yakıtına-dayalı bir tasarım olacağını, ve metan'ın SpaceX'in gelecekteki Mars'ın kolonileştirilmesi görevlerinde yakıt olarak kullanılacağını belirtmiştir.
Yer altındaki suyun ve Mars'ın atmosferindeki karbon dioksit varlığı nedeniyle, basit bir hidrokarbon olan metan Sabatier Reaksiyonu sayesinde kolayca Mars yüzeyinde sentezlenebilir. Mars'ta İn-situ kaynak üretimi (In-situ resource production, İn situ - "sahada") konusu NASA tarafından incelenmiş; oksijen, su ve metan üretimi için uygunlanabilir olduğuna karar verilmiştir. Chicago Maden Okulu (Chicago School of Mines) tarafından yayımlanan bir araştırmaya göre, Mars'tan metan üretme gibi in-situ kaynak kullanımı, uzay görevlerini teknik ve ekonomik açıdan daha uygulanabilir kılıyor ve tekrar-kullanılabilirliği mümkün hale getiriyor. Metan Mars'tan gelen meteoritlerde bulunmuştu.
SpaceX tarafından 2009 yılında ilk bahsedildiğinde, "Raptor" terimi özellikle yukarı-aşama motoru tasarımına uygulanmıştı ve 2012 yılındaki resmi bildiriler o zaman için hala yukarı aşama motoru tasarımı olduğunu gösteriyorduancak 2014 yılının başlarında SpaceX Raptor motorunun hem yeni ikinci aşamada, hem de Mars Koloni Taşıyıcısının büyük 10-metre-çaplı çekirdeğinde kullanılacağını doğrulamıştır. Her Falcon 9 hızlandırıcı çekirdeğindeki Merlin 1 motorlarının 9'lu kullanımına benzer şekilde, her hızlandırıcı çekirdeği 9 adet Raptor motoru içerecektir.
SpaceX'te metan yakıtlı aşamalı-yanma motorunun geliştirilmesinin ciddi bir şekilde düşünüldüğünün ilk ipuçları 2011 Mayıs ayında ortaya çıkmıştı. SpaceX ABD Hava Kuvvetlerine, USAF Tekrar-kullanılabilir Hızlandırıcı Sistemi Yüksek İtki Ana Motoru talebinde istenen kerosen-yakıtlı motor ile rekabet edebilecek bir metan-yakıtlı motor ile ilgilenip ilgilenmediklerini sormuştur.
2012 Kasım ayında SpaceX'in hedefinde Raptor-sınıfı roket motorları ailesi olduğunu gösteren duyuru yayımlanmıştır; bu bilgi SpaceX tarafından 2013 Ekim ayında doğrulanmıştır.
Ancak, SpaceX COO'su Gwynne Shotwell 2014 ayında yeni motor geliştirme programının tamamen tam-boyutlu Raptor motoruna odaklanacağını; alt-ölçekteki daha küçük methalox' motorlarının çok büyük Raptor motorunun geliştirme yol-haritasında yer almadığını belirterek konuya açıklık getirmiştir.
2013 Ekim ayında SpaceX, Raptor motorunun metan motoru testlerini John C. Stennis Uzay Merkezinde(John C. Stennis Space Center) gerçekleştireceğini, ve var olan test rampa altyapısına sıvı metan yakıtlı motor testini destekleyebilmesi için yeni donanım ekleyeceğini duyurdu.
2014 Nisan ayında, SpaceX Stennis test rampasına, Raptor bileşenlerinin testi için yapılacak olan zorunlu bakım ve yükseltme çalışmalarını tamamladı, ve tesiste ilgili testleri 2014 Mayıs ayının sonunda yapmaya başlayabilmeyi umuyordu.
2013 Ekim ayında, SpaceX ilk defa Raptor motorunun itki tasarımını açıkladı2940 kN (661000 lbf) ancak 2014 başlarında Raptor motorunun bundan daha yüksek itki miktarına sahip olacağını duyurdu.
2014 Şubat ayında, SpaceX roket motoru geliştirme bölümünün başı olan Tom Mueller, bir konuşması sırasında Raptor motorunun; dokuz adet motorunun " yaklaşık 100 ton kadar kargoyu Mars'a götürebilecek" olan bir araçta kullanılmak üzere tasarlandığını ve 4400 kN (1 milyon lbf) itki üretebilen roketin daha önce duyurulduğundan çok daha kuvvetli olacağını açığa vurmuştur.
Mueller tarafından 2014 Haziran ayında yapılan bir konuşma motor verimi hedeflerini daha ayrıntılandırmıştır: deniz seviyesinde 6900 kN (705 ton-kuvvet) miktarında itki, vakumda 8200 kN (840 ton-kuvvet) miktarında itki, ve vakum versiyonu için 380 saniye değerinde özgül itici kuvvet. Daha önce verilen bilgilere göre tasarımdaki Isp vakum koşulları altında sadece 363 saniye idi.
2015 Ocak ayında, Elon Musk hedefledikleri itki miktarının 2300 kN (230 ton-kuvvet) olduğunu bildirmiştir ki bu daha önce belirtilen daha azdı. Konuşması sırasında "daha pek çok motor [sınıfı] olacak" dediği için 9-motorlu hızlandırıcı hakkında yapılan pek çok tahmin ve tartışmaya şüphe düşürmüştür. 2015 Ağustos ayı itibarıyla, Elon Musk'ın Marsa gidecek olan motorun oksitleyici / yakıt oranının yaklaşık 3.8 / 1 civarında olacağını belirten bir söylemi gün yüzüne çıkmıştır.
Tasarım

Raptor motoruna güç, sıvı metan ve sıvı oksijen karışımı ile daha verimli aşamalı yanma döngüsü kullanılarak sağlanacaktır, bu da, Merlin motorlarının kullandığı 'açık döngülü' Gaz-üreteci sisteminden ve LOX/kerosen itki üreten yakıtlarından vazgeçildiğini göstermektedir. Uzay Mekiği Ana Motorları da aşamalı-yanma döngüsü kullanmıştı, ayrıca pek çok Rus yapımı roket motoru da bu sınıftadır.
Turbopompa ve enjektörlerin çoğu üç boyutlu baskı yöntemiyle üretilecektir böylece geliştirme ve tekrarlanan testlerin hızı artacaktır.
Daha da ayrıntılandırılacak olursa, Raptor "tam-akışlı" (full-flow) aşamalı yanma döngüsü kullanacaktır;bu yöntemde -düşük yakıt oranıyla birlikte- oksitleyicinin %100'ü kullanılarak oksijen türbin pompasına güç sağlanacaktır, diğer taraftan ise -düşük oksijen oranıyla birlikte- yakıtın %100'ü kullanılarak metan turbin pompasına güç sağlanacaktır. Hem oksitleyici akışı hem de yakıt akışı, yanma odasına girmeden önce tamamen gaz fazındadır. 2014 öncesine kadar, sadece 2 adet tam-akışlı aşamalı yanma döngülü roket motoru rampada test edilebilmeye yetecek kadar ilerleme sağlamıştı: 1960'lardaki Sovyet RD-270 projesi ve 2000'lerin ortalarındaki Aerojet Rocketdyne Integrated powerhead ispat (demonstration) projesi.
Raptor motoru için belirtilen tasarım boyutu tasarım devam ederken - çok yüksek bir hedef olan vakumda 8200 kN (1800000 lbf) itki miktarından daha güncel ve daha küçük bir hedef olan 2300 kN (230 ton-kuvvet) itki miktarına- büyük ölçüde değişmiştir. Tahminlere göre vakumdaki Isp değerinin 363 saniye ve deniz-seviyesindeki Isp değerinin 321 saniye olması beklenmektedir.
Motorun en son itki ve Isp değerleri, SpaceX motoru çok-yıllık geliştirme döngüsünden geçirirken, önemli ölçüde değişecektir.
Tam-akışlı tasarımın, verim ya da güvenilirlik artırması öngörülen ek özellikleri arasında şunlar bulunmaktadır:
geleneksel motor tasarımlarında muhtemel arıza noktası olan, yakıt-oksitleyici türbinindeki iç-mühür'ün tasarımdan çıkarılması
pompalama sistemi daha düşük basınç değerleri gerektirdiğinden, sistemin yaşam-süresi artmakta ve sisteme ağır zarar verebilecek arızaların riski de azalmaktadır.
yanma odasındaki basıncı artırabilme özelliği sayesinde sistemin genel verimi artmaktadır, veya "daha soğuk gazlar kullanıldığından, genel bir aşamalı yanma motoru ile aynı verime ulaşıp kullanılan malzemeler üzerinde daha az fiziksel baskı uygulanmış oluyor, dolayısıyla malzemelerin yıpranma miktarları veya [motorun] ağırlığı azalıyor."
Vakum uyarlaması
SpaceX'in Merlin motorunda olduğu gibi, Raptor roket motorunun da bir vakum uyarlaması planlanmıştır. Bu uyarlamada, itki üreten yakıtta (gazda) daha çok yayılma (expansion) sağlayabilmek üzere daha geniş bir egzoz çıkışı kullanılarak, 380 saniyelik bir özgül itici kuvvet değerine ulaşılması hedeflenmektedir, .
Diğer motor tasarımlarıyla karşılaştırılması
Motorun testi
Raptor metan motoru bileşenlerinin ilk testi Stennis Uzay Merkezinde yapılmıştır. SpaceX buradaki test altyapısına, sıvı metan motorunun test edilebilmesi için, yeni donanım eklemiştir.
Stennis tesisindeki ilk test Raptor motorunun bileşenlerinin ayrı ayrı test edilimesiyle sınırlı olacaktır, çünkü Stennis tesisinin E-2 test alanındaki, 440 kN (1 milyon lbf) değerinde itki üretebilen test tablaları Raptor motorunun tamamını test edebilecek büyüklükte değildir. Raptor motoru geliştirilirken, Stennis tesisinde yapılan testlere göre hemen hemen aynı zaman dilimi içinde olmak üzere,2013 Ekim ayında yapılan konuşmalara göre, motorun vakumda 2940 kN (661 bin lbf) değerinden daha fazla itki üretmesi tasarlanmıştı. 2014 Şubat ayında, gözden geçirilmiş, daha yüksek itkiye sahip bir tasarım şirket tarafından incelenmiştir; ancak daha yüksek hızın geliştirilen ilk motorlarla mı elde edileceği açık değildir.
Raptor motoru bileşen testlerinin, SpaceX'in metan yakıtlı motor testlerini destekleyebilmesi için değişiklik yaptığı Stennis tesisindeki E2 tablalarında, 2014 Mayıs ayından sonra başlaması bekleniyordu.
Test edilecek olan ilk parçanın tekli Raptor enjektör öğesi olduğu belirtilmişti.
2014 Ağustos ayında, SpaceX Stennis tesisinde test edilen ilk bileşenlerin yüksek-hacimli gaz enjektörleri olduğunu açıklamıştır.
SpaceX tarafından yapılan donanım değişiklikleri, artık Stennis test altyapısının bir parçasıdır ve SpaceX'in kira sözleşmesi bittikten sonra başka kullanıcıların hizmetine sunulabilecektir.
SpaceX, Raptor motoru tam halinde ürettiği daha büyük itki değerleriyle başa çıkabilmek için, ya yeni bir motor test tablası üretecek ya da var olanı bu ihityacı karşılayabileceği şekilde söküp yeniden oluşturacaktır. 2014 Mayıs ayında, Stennis Uzay Merkezindeki B-2 test tablası NASA'nın 7440 kN itki üretebilen SLS ana aşamasının testine uygun hale gelmesi için yükseltilmeye başlandı.