چگونه اسپیس ایکس موتور رپتور را ساده کرد

اگر در حال خواندن این مطلب هستید، به احتمال زیاد این تصویر معروف از سه تکرار موتور موشک رپتور اسپیس ایکس را دیده اید. موتور رپتور برای فضاپیمای استارشیپ اسپیس ایکس توسعه داده شد (فالکون 9 و فالکون هوی از موتور مرلین استفاده می کنند). اولین بار در سال 2016 مورد آزمایش قرار گرفت، اولین بار در سال 2019 روی استارهاپر پرواز کرد و اولین بار در سال 2020 با یک نمونه اولیه استارشیپ و در سال 2023 روی استارشیپ کامل پرواز کرد.

از آن زمان به بعد، به بهبود ادامه داد و از پیچیدگی لوله‌ها و سیم‌هایی که در رپتور 1 مشاهده می‌کنید به طراحی صاف و ساده رپتور 3 که برای اولین بار در ماه می امسال پرواز کرد، ادامه یافت.

تکامل آنقدر چشمگیر است که بسیاری از مردم در ابتدا معتقد بودند که واقعی نیست. توری برونو، مدیرعامل وقت شرکت پرتاب فضایی United Launch Alliance، در توییتی نوشت که «نیازی به اغراق در این مورد با نشان دادن یک موتور نیمه مونتاژ شده نیست»، که پس از آن گوین شاتول، رئیس اسپیس ایکس، تصویری از شلیک موفقیت آمیز رپتور 3 را توییت کرد:

این ساده سازی همراه با دستاوردهای قابل توجهی در عملکرد همراه شده است، به طوری که Raptor 3 حدود 35٪ نیروی رانش بیشتری نسبت به Raptor 1 ارائه می دهد.

من می خواستم بهتر بفهمم که این تکامل در واقع چگونه اتفاق افتاده است. به طور خاص، SpaceX چه چیزی را تغییر داد که به آن اجازه داد از پیچ و تاب سیم‌ها و لوله‌ها به موتور شیک و ساده سمت راست برود؟

معلوم شد که در اینجا جزئیات کمتری از آنچه من امیدوار بودم موجود است. SpaceX هیچ طرح شماتیک رسمی رپتور را منتشر نمی کند و هیچ کس هم موتور رپتور را خراب نکرده است. اما به لطف نظرات گاه و بیگاه ایلان ماسک، و گمانه زنی های ارتشی از طرفداران اسپیس ایکس، می توانیم تا حدودی ایده ای از تغییرات عمده داشته باشیم.

موتور رپتور یک موتور «احتراق مرحله‌ای با جریان کامل» (FFSC) است. این دقیقا به چه معناست؟

یک موتور موشک با پرتاب جرم ("موتور") به بیرون از نازل موشک کار می کند - به دلیل قانون سوم نیوتن ("برای هر عمل یک واکنش برابر و مخالف وجود دارد")، این موشک را به سمت دیگری سوق می دهد. هر چه بتوانید جرم بیشتری را به بیرون پرتاب کنید و هر چه سریعتر آن را پرتاب کنید، موتور موشک شما نیروی رانش بیشتری تولید می کند.

ساده ترین راه برای انجام این کار این است که به سادگی یک مخزن پر از گاز تحت فشار را پر کنید و مقداری از گاز را تخلیه کنید. گاز خروجی موشک را به حرکت در می آورد، به همان روشی که خروج هوا از بالون باعث هل دادن بالون می شود. این نوع موشک، که "رانشگر گاز سرد" نامیده می شود، اغلب برای انجام تنظیمات جزئی در موقعیت یا جهت فضاپیما استفاده می شود. رانشگرهای گاز سرد، در میان تجهیزات دیگر، روی واحد مانور سرنشین دار ناسا و رانشگرهای کنترلی موشک فالکون 9 اسپیس ایکس یافت می شوند.

این موتورها ساده و قابل اعتماد هستند، اما محدود هستند. فقط آنقدر نیروی رانش وجود دارد که عملا می توانید از یک رانشگر گاز سرد بدست آورید. پس چگونه می‌توانیم قدرت بیشتری داشته باشیم؟ یک راه واضح این است که به جای یک پیشرانه واحد، می توانیم از دو پیشران استفاده کنیم: یک سوخت (مانند نفت سفید) و یک اکسید کننده (مانند اکسیژن) برداریم و سپس آنها را با هم در یک محفظه احتراق بسوزانیم و گاز داغی ایجاد کنیم که از پشت نازل موشک شما خارج می شود. اکنون به جای استفاده از انرژی ذخیره شده در پیشرانه های تحت فشار، از انرژی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی آنها نیز استفاده می کنیم و آن انرژی را به نیروی رانش تبدیل می کنیم.

موتوری که از فشار مخازن سوخت استفاده می کند تا سوخت و اکسید کننده را وارد محفظه احتراق کند، موتور تغذیه تحت فشار نامیده می شود. موتور مورد استفاده برای مرحله صعود ماژول قمری آپولو این نوع موتور بود: از تتروکسید نیتروژن (N2O4) به عنوان اکسید کننده و سوختی به نام Aerozine 50 استفاده می کرد که هر دو تحت فشار بودند.

اما حالا شما مشکل دارید. برای جلوگیری از برگشت گازهای سوخته در محفظه احتراق به خطوط سوخت و اکسید کننده (گرسنگی محفظه احتراق پیشرانه ورودی)، فشار در محفظه احتراق باید کمتر از فشار در مخازن و خطوط سوخت و اکسید کننده باشد. اما برای یک موتور موشک فشرده و قدرتمند، ما می خواهیم فشارهای بسیار بالایی در محفظه احتراق داشته باشیم.

ما می‌توانیم با افزایش فشار در انبار پیشران خود با این مشکل مقابله کنیم، اما این به سرعت غیرعملی می‌شود: هر چه فشارها بیشتر باشد، مخازن ذخیره‌سازی و خطوط پیشران ما باید ضخیم‌تر و سنگین‌تر باشند تا آنها را بدون پارگی حفظ کنیم. راه حل بهتر این است که پیشران ها را در فشار کم ذخیره کنید و سپس آنها را از طریق پمپی تغذیه کنید که فشار آنها را قبل از رسیدن به محفظه احتراق افزایش می دهد.

این روش استاندارد برای ساخت یک موتور موشک قدرتمند است و تقریبا هر موتوری که برای قرار دادن موشک در مدار استفاده می شود از نوعی پمپ برای تحت فشار قرار دادن سوخت و اکسید کننده استفاده می کند.

اکنون ما یک مشکل جدید داریم: به دلیل حجم سیالی که باید تحمل کنند و فشاری که باید اضافه کنند، این پمپ ها برای کارکردن به قدرت بسیار زیادی نیاز دارند. به عنوان مثال، توربوپمپ موتور F-1 مورد استفاده در Saturn V به حدود 41 مگاوات نیرو نیاز داشت، کمی کمتر از توانی که راکتور هسته ای S8G به محور پروانه یک زیردریایی کلاس اوهایو می دهد.

یکی از راه‌های تامین این نیرو با باتری است – موشک الکترون Rocket Lab دارای موتوری با پمپ الکتریکی با باتری است – اما استراتژی رایج‌تر که تقریبا توسط هر موشک تقویت‌کننده بزرگی استفاده می‌شود، استفاده از پیشرانه خود موشک به‌عنوان منبع انرژی، سوزاندن مقدار کمی سوخت و اکسیدکننده برای به حرکت درآوردن توربین است.

راه های مختلفی وجود دارد که می توان چنین سیستمی را پیکربندی کرد. ساده ترین کار این است که مقدار کمی سوخت و اکسید کننده را به یک توربین هدایت کنید و سپس خروجی اگزوز حاصل را تخلیه کنید. این به عنوان چرخه ژنراتور گاز شناخته می شود و همان چیزی است که در موتور F-1 و همچنین موتور Merlin SpaceX استفاده می شود.

گزینه دیگر سوزاندن مقداری از سوخت و اکسید کننده برای به حرکت درآوردن پمپ است، اما سپس پیشران سوخته را به همراه سوخت/اکسیدکننده نسوخته از داخل محفظه احتراق اصلی عبور دهید. این به عنوان «احتراق مرحله‌ای» شناخته می‌شود و محفظه احتراق کوچک‌تری که برای به حرکت درآوردن پمپ‌ها استفاده می‌شود، «پیش سوز» نامیده می‌شود. این چیدمان پیچیده‌تر از چرخه ژنراتور گاز است، اما کارآمدتر نیز هست، زیرا اگزوز داغی که توربوپمپ را به حرکت در می‌آورد، فقط به‌طور بی‌مصرف تخلیه نمی‌شود.

برای اکثر موتورهای احتراق مرحله‌ای، تنها بخشی از پیشرانه از طریق پیش سوز هدایت می‌شود: بقیه به اطراف هدایت می‌شود و مستقیما به محفظه احتراق می‌رود. اما رپتور اسپیس ایکس از نوع خاصی از احتراق مرحله‌ای به نام «جریان کامل» استفاده می‌کند. در یک موتور تمام جریان دو پیش سوز وجود دارد که یکی پمپ بنزین را به حرکت در می آورد و دیگری پمپ اکسیژن را به حرکت در می آورد.

تمام پیشرانه از طریق پیش سوزها عبور می کند: در یکی از آنها، مقدار کمی اکسید کننده در حضور مقدار زیادی سوخت سوزانده می شود (که بیشتر سوخت را نسوخته باقی می گذارد)، در حالی که در دیگری مقدار کمی سوخت در حضور مقدار زیادی اکسید کننده می سوزد (بیشتر اکسید کننده را نسوخته است). جریان های اگزوز غنی از سوخت و غنی از اکسید کننده سپس هر دو وارد محفظه احتراق اصلی می شوند، جایی که با هم می سوزند.

یک موتور احتراقی مرحله‌ای با جریان کامل بسیار پیچیده است و قبل از رپتور تنها دو موتور ساخته شده بود که هیچ‌کدام با موفقیت روی موشک پرواز نکردند. روس ها در دهه 1960 یک موتور FFSC به نام RD-270 ساختند، اما هرگز پرواز نکرد و ایالات متحده بخشی از یک موتور FFSC به نام نمایشگر قدرت یکپارچه را در دهه 1990 و 2000 ساخت، اما هرگز به یک موتور کامل تبدیل نشد.

(زمانی که SpaceX در سال 2012 کار بر روی Raptor را شروع کرد، برخی از تجهیزات مورد استفاده در Powerhead Demonstrator یکپارچه را به دست آورد.) اما یک موتور FFSC چندین مزیت دارد که یکی از آنها (از لحاظ نظری) قابلیت اطمینان است: از آنجا که جرم زیادی از توربین هایی که پمپ ها را به حرکت در می آورند، جریان می یابد، توربین ها می توانند خنک تر و با فشار پایین تر کار کنند. اگر شرکتی هستید که به شدت روی موشک های قابل استفاده مجدد شرط بندی می کنید، توربین قابل اعتمادتر بدیهی است جذاب است.

SpaceX، قابل درک است که در مورد بسیاری از ویژگی‌های فناوری پیشرفته موشکی خود صحبت می‌کند، و اطلاعات رسمی کمتری نسبت به آنچه انتظار دارید در مورد جزئیات دقیق عملکرد Raptor وجود دارد. هیچ کس موتور رپتور را برای نشان دادن آنچه داخل آن است باز نکرده است، و بسیاری از اطلاعات موجود از توییت های ایلان ماسک یا نظرات او در مصاحبه های هر روزه فضانوردان می آید.

با این حال، تعداد زیادی از علاقه مندان به SpaceX در آنجا وجود دارند، بسیاری از آنها کارهایی مانند عکاسی وسواس گونه از هر موتور رپتور در حال خروج از کارخانه را انجام می دهند، و این افراد تلاش زیادی برای حدس و گمان در مورد نحوه عملکرد موتور رپتور انجام داده اند. مفیدترین خروجی این حدس و گمان، برای من، شماتیک های مختلف ساخته شده توسط فن است که نحوه عملکرد موتور رپتور را نشان می دهد. این شماتیک‌ها رسمی نیستند – توسط علاقه‌مندان SpaceX که اطلاعات منابع مختلف را در کنار هم قرار می‌دهند ساخته شده‌اند – بنابراین باید با مقدار زیادی نمک در نظر گرفته شوند.

اما آنها هنوز یک نقطه شروع مفید برای دریافت ایده ای از نحوه عملکرد نسخه های مختلف موتور رپتور هستند.

برای شروع، اجازه دهید به برخی از شماتیک های نسخه 1 رپتور نگاه کنیم. تصویر زیر توسط Elisei Maslov، مهندس نیروی محرکه روسی، در سال 2019 ایجاد شده است.

یکی دیگر از شماتیک های مفید نسخه 1 Raptor طرح زیر است که توسط عضو انجمن NASASpaceFlight "hisdirt" در دسامبر 2019 ایجاد شد. این به ویژه مفید است زیرا اجزای مختلف موتور را در یک مدل واقعی 3 بعدی موتور (مدل سازی شده در Revit، از همه چیز) فراخوانی می کند.

در این نمودارها می‌توانید اجزای اصلی یک موتور احتراقی مرحله‌ای با جریان کامل را مشاهده کنید: پمپ اکسیژن، توربین و پیش سوز در بالای موتور قرار دارند، در حالی که پمپ سوخت، توربین و پیش سوز مجموعه کناری هستند. شما همچنین می توانید ببینید که چگونه سوخت قبل از بازگشت به پیش سوز از خارج نازل جریان می یابد - این کار نازل را خنک می کند تا از گرمای خروجی موشک ذوب نشود و به عنوان خنک کننده احیا کننده شناخته می شود.

شماتیک بعدی که توسط کاربران NASASpaceFlight "Livingjw" و "HVM" در فوریه 2022 ساخته شده است، از ویکی پدیا است و نسخه 2 Raptor را نشان می دهد. این جزئیات کمتر از شماتیک ماسلوف است - اساسا فقط جریان اکسیژن و متان را نشان می دهد - اما همان ترتیب اولیه را نشان می دهد: مجموعه پمپ اکسیژن در بالا، مجموعه پمپ سوخت در طرفین.

و این شماتیک که توسط کاربر توییتر "TheSpaceEngineer" در ژانویه 2025 ارسال شد، نسخه 3 رپتور را نشان می دهد.

با فرض اینکه این شماتیک ها به شدت گمراه کننده نیستند، می توانیم ببینیم که معماری اصلی بین نسخه 1 و نسخه 3 موتور تغییر نکرده است. این هنوز یک موتور احتراقی مرحله‌ای با جریان کامل است و هنوز آرایش اولیه پمپ اکسیژن، توربین و مجموعه پیش سوز را در بالا دارد، با پمپ بنزین، توربین و پیش سوز در کناره، با سوخت برای خنک کردن نازل احیاکننده استفاده می‌شود. و می توانید ببینید که بسیاری از خطوط کوچکتر در نسخه های 1 و 3 یکسان هستند.

هر دو خطوط نیتروژن مورد استفاده برای پاکسازی (پاکسازی پیشرانه از سیستم)، خطوط سوخت و اکسیدکننده را نشان می‌دهند که به سمت جرقه‌زنان می‌روند، و هر دو دارای خطوط سوخت و اکسیدکننده هستند که پیشرانه‌های گازی را به مخازن برمی‌گردانند تا در هنگام خالی شدن آنها تحت فشار قرار بگیرند (این به عنوان فشار خودکار شناخته می‌شود).

پس چه چیزی تغییر کرد؟ اگر به شماتیک های نسخه 1 و نسخه 3 با دقت نگاه کنیم (با یادآوری مجدد که اینها غیر رسمی و گمانه زنی هستند)، می توانیم چند تفاوت را مشاهده کنیم. نسخه 3 خطوط کوچکتر را در کنار هم در یک "نافی مشترک" نشان می دهد، و اگر به عکس های رپتور 3 متصل به یک موشک نگاه کنیم، می توانیم این را ببینیم:

شماتیک نسخه 1 همچنین نشان می دهد که در ابتدا از هلیوم برای چرخاندن توربین های سوخت و اکسیژن استفاده می شود، در حالی که در نسخه 3 این خطوط حذف شده اند و به جای آن از نیتروژن استفاده می شود. (برای من به طرز شگفت انگیزی واضح نیست که این تکامل درست باشد - برخی از نظر دهندگان ردیت در شماتیک نسخه 1 بیان کردند که هلیوم استفاده نشده است - اما شواهدی وجود دارد که اینطور است.) طبق این شماتیک ها، هلیوم مورد استفاده برای کنترل برخی از دریچه های موجود در نسخه 1 نیز در نسخه 3 وجود ندارد، و نسخه 3 هیچ خطوط شماتیک هلیوم را نشان نمی دهد.

شماتیک نسخه 3 همچنین اشاره می کند که یک مبدل حرارتی حذف شده است، چیزی که توسط افراد مختلف در انجمن های NASASpaceFlight تکرار شده است - به نظر می رسد این یک مبدل حرارتی گازی اکسیژن در نزدیکی پیش سوز باشد. همچنین یک خط سوخت به پیش سوز می رود که در نسخه 1 وجود دارد اما در شماتیک نسخه 3 وجود ندارد.

البته منبع قابل اعتمادتر تغییرات، اظهارات ایلان ماسک و اسپیس ایکس است. در مقاله‌ای در سال 2022 NASASpaceFlight درباره به‌روزرسانی SpaceX در مورد پیشرفت Starship اشاره شد که «همه چیز از ماشین‌های توربوماشین گرفته تا نازل محفظه تا الکترونیک» در Raptor 2 دوباره طراحی شد، توربوپمپ منقبض شده بود و کنترل‌کننده‌های پیش سوز «به جای اینکه سرتاسر موتور باشند به جعبه‌ها منتقل شده بودند». یک مقاله هر روز فضانورد در مورد همین به‌روزرسانی همچنین اشاره می‌کند که «بسیاری از دریچه‌ها در صفحات سوپاپ ترکیب شدند». ماسک در پاسخ اخیر به توئیت 5 سپتامبر توسط ییشان وانگ، مدیر عامل سابق Reddit، نامزد شد.

فهرست کوتاهی از تغییرات Raptor در طول زمان را بیاورید:

یک دسته بزرگ در اینجا سنسورها و سیم ها و کابل های مختلف مورد نیاز آنها هستند. از آن‌چه من می‌دانم، نسخه 1 رپتور تا حد زیادی یک موتور توسعه بود، و بنابراین نیاز به حسگرهای اضافی زیادی برای نظارت بر مواردی مانند دما و فشار در بخش‌های مختلف موتور داشت تا نحوه عملکرد موتور را تعیین کند. با شماره گیری موتور، بسیاری از این سنسورها را می توان حذف کرد (اگرچه ممکن است برخی از آنها به صورت داخلی جابجا شده باشند).

چیز دیگری که ماسک به آن اشاره می کند، جرقه زنی های محفظه اصلی است. جرقه زن، بنا به نام خود، سوخت و اکسید کننده را در محفظه احتراق اصلی مشتعل می کند. اینها در نسخه 1 رپتور وجود داشتند، اما در نسخه 2 حذف شده بودند. ماسک نمی‌گوید با چه چیزی جایگزین شده‌اند، اما این تغییر ممکن است به این واقعیت مربوط باشد که جریان‌های اگزوز سوخت داغ و اکسیدکننده از پیش سوزان احتمالا به تشویق بسیار کمی برای احتراق نیاز دارند.

(یک نظر NASASpaceFlight از سال 2019 این سوال را مطرح می کند که آیا جرقه زن های محفظه اصلی با توجه به دمای بالای جریان های اگزوز پیش سوز ضروری هستند یا خیر.)

ماسک همچنین خاطرنشان می‌کند که بسیاری از اتصالات فلنج پیچ‌دار با اتصالات جوشی جایگزین شده‌اند و جرم و اتصالات را کاهش می‌دهند که ممکن است به بهای سرویس‌دهی نشت کنند. به نظر می رسد که این هنوز در حال انجام است، زیرا عکس های اولیه Raptor 3 یک فلنج پیچ دار بزرگ را روی بدنه اصلی موتور نشان می دهد که در عکس های بعدی حذف شده است:

یکی دیگر از تغییرات اساسی در Raptor 3 این است که بسیاری از لوله‌ها حذف نشده‌اند، بلکه از طریق چاپ سه‌بعدی بسیاری از قطعات به داخل منتقل شده‌اند (ماسک قبلا اشاره کرده بود که SpaceX "پیشرفته‌ترین فناوری چاپ فلزات سه بعدی را در جهان دارد" و در سال 2024 این شرکت مجوز فناوری چاپ سه بعدی Velo3D را صادر کرد).

عکس های نزدیک رپتور 3، در واقع به نظر می رسد خطوط چاپ سه بعدی را نشان می دهد:

هدف از این داخلی سازی حذف قسمت های بیشتر، به ویژه سپر حرارتی و سیستم های اطفاء حریق است. توده عظیم سیم و لوله در نسخه 1 و نسخه 2 رپتور به یک سپر حرارتی بزرگ و سنگین نیاز داشت تا از گرمای اگزوز موشک محافظت کند. داخلی سازی خطوط مختلف پیشران و افزودن سیستم های خنک کننده داخلی باعث می شود تا این سپر حرارتی و سیستم حفاظت در برابر آتش از بین برود.

در واقع، بزرگترین تغییر جرم از نسخه 1 به نسخه 3 رپتور ناشی از حذف انبوه سخت افزار موتور "سمت وسیله نقلیه" است، که تقریبا به طور قطع تا حد زیادی سپر حرارتی است.

موتور رپتور اسپیس ایکس تکامل چشمگیری را تجربه کرده است و چندین نسخه اصلی را پشت سر گذاشته است، عملکرد آن افزایش چشمگیری داشته و در مدت زمان کوتاهی جرم و اجزای خارجی کاهش یافته است. معماری اساسی موتور تغییر نکرده است - این موتور هنوز یک موتور احتراقی مرحله‌ای با جریان کامل است که از همان اجزای اولیه استفاده می‌کند - اما عناصر و اجزای مختلف فرعی که از عملکرد آن پشتیبانی می‌کنند به طور قابل توجهی اصلاح شده‌اند.

شایان ذکر است که اگرچه این ساده‌سازی موتور رپتور را به این معنا ساده‌تر کرده است که بخش‌های مختلف منفرد حذف شده‌اند، همچنان (همانطور که ماسک اشاره می‌کند) کار بسیار پیچیده‌ای بود که آن را به کار بیندازید، و مقدار زیادی پیچیدگی داخلی به Raptor 3 اضافه شده است که این تصاویر نشان نمی‌دهند. و مشکلات به طور کامل برطرف نشده اند: اولین تلاش برای پرتاب آزمایش پرواز 13 استارشیپ به طور خودکار توسط نرم افزار پرواز وسیله نقلیه در T-0 (درست قبل از بلند شدن) در جولای گذشته متوقف شد، زیرا چندین موتور رپتور 3 روشن نشدند.

بنابراین، تصویر چندین نسخه از رپتور، تصویری از یک تکه فناوری است که در حال تکامل است.