01
Газ летить назад, а ракета вперед
В основі ракетного двигуна лежить проста ідея: викидати гарячий газ назад якомога швидше. Коли ви штовхаєте щось в один бік, воно штовхає вас у протилежний. Те саме відчуваєте ви, коли тримаєте пожежний рукав: він так і рветься з рук. Цю зворотну силу називають тягою. Усе, що викидає, ракета везе з собою. Тож їй не потрібне повітря, щоб від нього відштовхуватися, і в космосі вона працює так само добре. Двигун Raptor компанія SpaceX створює для своєї ракети Starship. Він спалює рідкий метан разом із рідким киснем. Полум’я перетворює їх на гарячий газ під величезним тиском, а розтруб унизу виштовхує цей газ зі швидкістю понад 3 км/с.
Перед вами Raptor 3, найновіша версія двигуна. У польоті він дає 250 тонн тяги, а SpaceX розробляла його з розрахунком на 280. Сам двигун важить лише 1 525 кг, тож штовхає із силою, приблизно в 160 разів більшою за власну вагу. Заввишки він приблизно 3,1 м, а завширшки 1,3 м. Під прискорювачем Super Heavy разом працюють тридцять три такі двигуни. Кожен щосекунди випиває близько трьох чвертей тонни палива, а весь прискорювач за цей час спалює приблизно 25 тонн.
Ця модель стежить за одним із центральних двигунів протягом стартового етапу. Це час від команди на запуск, коли ракета ще стоїть на землі, до вимкнення двигунів прискорювача. Дещо тут спрощено. SpaceX ніколи не показувала, що всередині Raptor 3, тож розріз зображує відомий цикл наочною схемою, а не справжніми трубами. Графік тяги SpaceX теж не публікувала, тож модель вираховує його зі швидкості, яку показують у трансляції старту. Кроки запуску двигунів ідуть у звичному порядку. За словами SpaceX, увесь запуск займає близько 3 секунд, а тривалість кожного кроку модель лише припускає. Факел змінює форму так само, як справжній, тільки простіше. Перетягуйте шкалу часу, щоб пройти політ крок за кроком, а модель тягніть, щоб повернути її.
Кожна нова версія Raptor ставала сильнішою й легшою. Raptor 1 давав 185 тонн тяги й важив 2 080 кг. Raptor 2 підняв тягу до 230 тонн, а вагу знизив до 1 630 кг. Raptor 3 розрахований на 280 тонн і важить 1 525 кг. До того ж ззовні він значно охайніший, бо позбувся теплозахисного екрана. Попередні версії ховалися під екраном, який захищав прокладені зовні труби й дроти. У Raptor 3 більшість цієї обв’язки перенесли всередину деталей самого двигуна, багато з яких надруковано на 3D-принтері. Захищати стало нічого, тож від екрана відмовилися.
02
Дві рідини, холодніші за лід
Двигун автомобіля бере кисень із повітря. А ракета піднімається туди, де повітря майже немає, тож кисень їй доводиться везти з собою. Raptor спалює метан і кисень. За кімнатної температури обидва вони гази, а газ займає забагато місця, щоб брати його в політ. Тому в баках вони рідкі, охолоджені нижче за температуру кипіння. Для метану це 111 K, приблизно −162 °C. Для кисню це 90 K, приблизно −183 °C. І що холодніша рідина, то вона щільніша, тож у той самий бак її вміщається більше.
Метан і кисень двигун спалює не порівну. На кожен кілограм метану припадає приблизно 3,6 кг кисню, тож за масою суміш майже на чотири п’ятих складається з кисню. Тому киснева частина двигуна більша: у неї ширший вхід і більший насос. На повній тязі один двигун щосекунди ковтає близько 593 кг кисню і 165 кг метану. Щоб так швидко перекачувати стільки рідини, потрібні дуже потужні насоси. Про них розповідає наступний розділ.
Перш ніж згоріти, метан робить гак. Після насоса більша його частина тече безліччю тонких каналів у стінках сопла й камери. Холодна рідина забирає тепло, і саме тому метал не плавиться поруч із полум’ям близько 3 500 K. Інженери називають це регенеративним охолодженням. Тепло при цьому не пропадає, бо підігріває метан дорогою до вогню. Кисень іде коротким шляхом, просто з насоса до своєї передкамери. Торкніться метану чи кисню, щоб простежити його шлях крізь двигун.
Деякі ракетобудівники, зокрема SpaceX, ідуть ще далі. Вони охолоджують обидві рідини значно нижче за температуру кипіння, майже до замерзання. Це називають переохолодженням. Холодніша рідина трохи стискається, тож той самий бак вміщує її більше. Зазвичай так вдається залити приблизно на десяту частину більше палива, і ракету збільшувати не треба. Проте запас тут невеликий. Метан замерзає приблизно за 91 K, а кипить лише на 20 градусів вище. Наскільки саме холодне паливо заливають у Starship, SpaceX не повідомляла.
03
Два насоси, дві маленькі топки
Щосекунди Raptor мусить заганяти близько трьох чвертей тонни палива в камеру, де тиск перевищує 300 бар. Повітря довкола вас тисне більш ніж у 300 разів слабше. Якби паливо виштовхували самі баки, їх довелося б робити такими міцними, що вони важили б надто багато. Тому цю роботу виконують насоси. Кожен насос сидить на одному валу з турбіною, колесом із лопатками, яке крутиться під напором гарячого газу. Насос і турбіна разом утворюють турбонасос. У Raptor їх два: більший для кисню і менший для метану.
Щоб обертатися, турбінам потрібен гарячий газ. Його дають дві маленькі топки, які називають передкамерами, по одній на кожен турбонасос. Майже весь кисень проходить крізь передкамеру з надлишком кисню. Там у ньому згоряє лише дрібка метану. Газ на виході гарячий, але здебільшого це досі кисень, і він крутить кисневий насос. Передкамера з надлишком метану працює навпаки. Крізь неї проходить майже весь метан, у ньому згоряє трохи кисню, а її газ крутить метановий насос. Далі обидва гази течуть у головну камеру й там разом догоряють. Нічого не викидається.
Таку схему називають повнопотоковим замкненим циклом, бо кожна крапля і метану, і кисню, перш ніж згоріти, проходить крізь турбіну. Це дає три великі переваги. Турбіни крутить так багато газу, що вони можуть працювати холоднішими: за кількох сотень градусів, а не понад 3 000. Тож і служать вони довше. Насоси можуть тиснути сильніше, а отже, менший двигун дає вищий тиск і більшу тягу. А кожен вал має справу лише з одним компонентом: або з метаном, або з киснем. Тож не потрібне хитре ущільнення, яке не підпускало б гарячий кисень до пального. Модель показує запуск сповільнено: спершу розкручуються насоси, потім спалахують передкамери, а після них і головна камера. Торкніться двигуна нижче, щоб порівняти його цикл із циклом Raptor.
Найбільше клопоту завдає киснева частина. Гарячий газ, що складається переважно з кисню, роз’їдає більшість металів, а киснева турбіна мусить обертатися просто в ньому. Тож SpaceX розробила власні сплави, здатні там вистояти, як-от SX500. Сама ідея повного потоку не нова. Ще в 1960-х у Радянському Союзі збудували й випробували на стенді РД-270. А в середині 2000-х у США пройшов випробування Integrated Powerhead Demonstrator. Жоден із них так і не відірвався від землі. Першим повнопотоковим двигуном, що полетів, став Raptor. Сталося це 25 липня 2019 року: один такий двигун підняв випробувальний апарат Starhopper на висоту близько 20 м.
04
Де горить великий вогонь
Два гарячі гази зустрічаються в змішувальній головці, плиті вгорі камери згоряння. Там вони змішуються й горять за температури близько 3 500 K, тобто понад 3 200 °C. Тиск усередині перевищує 300 бар, а у 2023 році Raptor 3 на випробувальному стенді досяг рекордних 350 бар. Сама камера напрочуд невелика. Більшу частину висоти двигуна займають насоси над нею і сопло під нею.
Нижче камери стінки звужуються до горловини діаметром близько 22 см, тобто завбільшки з тарілку. Увесь газ мусить протиснутися крізь цю вузьку шийку і дорогою пришвидшується. У самій горловині він досягає швидкості звуку. Далі стінки знову розходяться в сопло, і газ розганяється ще більше. Двигун він покидає зі швидкістю понад 3 км/с. Це приблизно вдесятеро швидше за звук у повітрі.
Це найгарячіше місце в усьому двигуні. Стінки витримують лише тому, що крізь канали всередині них мчить холодний метан. А саме полум’я горить чисто, бо і метан, і кисень потрапляють сюди вже у вигляді газу. Коли газ зустрічається з газом, немає крапель рідини, які спершу треба роздробити й випарувати. Тож гази швидко змішуються й згоряють повністю. Шкали нижче показують, скільки палива щосекунди надходить у камеру і як швидко з неї вилітає вихлоп.
Як запалити вогонь під тиском понад 300 бар? Кожну передкамеру запалює невеликий факельний запальник. Ілон Маск порівнював такі запальники з надпотужними свічками запалювання. А от у головній камері, починаючи з Raptor 2, запальника немає зовсім. Гази з передкамер такі гарячі й щільні, що займаються тієї ж миті, коли зустрічаються. Інженери кажуть, що ця пара поводиться як самозаймисті компоненти палива, тобто такі, що спалахують від самого дотику. А деталь, якої немає, вже не зламається.
05
Одне сопло для густого й розрідженого повітря
Розтруб під камерою називають соплом. Газ тече ним униз, а розтруб поступово ширшає, тож газ розширюється, холоне й розганяється. Тобто сопло перетворює тиск і тепло на швидкість, а саме швидкість створює тягу. Але ідеальний розмір воно має лише для одного тиску повітря. Надто коротке сопло випускає газ раніше, ніж той віддасть усю силу. А якщо сопло надто широке, зовнішнє повітря тисне в нього назад. Розтруб Raptor розрахований на рівень моря, звідки прискорювач починає підйом.
На рівні моря вихлоп Raptor виходить із сопла під тиском близько 0,9 бар. Тиск повітря довкола трохи вищий, близько 1 бар, тож повітря стискає факел. Усередині стиснутого струменя ударні хвилі раз у раз перехрещуються. У місцях перетину газ нагрівається й світиться. Ці яскраві плями називають ромбами Маха. Вони стоять на місці, хоча газ мчить крізь них. Так само не зрушують із місця брижі у швидкому струмку.
Коли ракета піднімається, повітря рідшає й менше тисне на факел. Струмінь розходиться вшир, а ромби розтягуються й тьмяніють. У тому самому режимі двигун тепер тягне приблизно на 5 відсотків сильніше, тобто десь на 14 тонн більше. Зростає і його питомий імпульс: приблизно з 330 с до 350 с. Ця величина показує, скільки тяги двигун отримує з певної кількості палива. На висоті 30 км цей виграш уже майже повний. Рухайте повзунок, щоб побачити двигун на будь-якій висоті під час підйому. А тяга просідає біля Max-Q не через повітря, а тому, що двигун сам її зменшує.
Корабель, що стоїть на прискорювачі, має ще й версію двигуна під назвою Raptor Vacuum, або RVac, із набагато ширшим розтрубом. У космосі немає повітря, яке стискало б факел. Тож більший розтруб сильніше розширює газ і дає питомий імпульс близько 380 с. Але на рівні моря RVac не може працювати на повну потужність. Густе повітря заходило б у розтруб і відривало потік від стінки. Від цього сопло так сильно хиталося б із боку в бік, що могло б пошкодитися. Тому прискорювач літає з розтрубами для рівня моря, а RVac вмикають лише в космосі.
06
Тридцять три двигуни, один старт
Super Heavy несе 33 двигуни Raptor, розставлені трьома кільцями: 3 у центрі, 10 навколо них і 20 по краю. Кермують ракетою внутрішні 13. Кожен із них висить на карданному підвісі, шарнірі вгорі, і два кермові приводи можуть нахиляти його приблизно до 15 градусів. Коли двигун нахиляється, разом із ним нахиляється й тяга, і вся ракета повертає. Зовнішні 20 закріплені нерухомо й нахилятися не можуть. У моделі показано один із трьох центральних двигунів.
Двигуни запускаються приблизно за 3 секунди до старту. Ракета перевіряє, чи кожен із них працює як слід, і лише тоді, у момент T−0, утримувальні захвати відпускають її. Далі вона набирає швидкість у густих нижніх шарах атмосфери. Десь між 45-ю і 60-ю секундами після старту настає Max-Q: мить, коли повітря найсильніше тисне на ракету. Двигуни ненадовго зменшують тягу, щоб послабити навантаження. Наскільки саме, SpaceX не повідомляла, тож цю криву модель вивела з трансляції сама.
Після Max-Q двигуни знову виходять на повну тягу, а розріджене повітря дає ще й додатковий приріст. Приблизно на T+2:20 прискорювач уже на висоті близько 52 км і летить зі швидкістю приблизно 5 800 км/год. Тоді його двигуни вимикаються, а корабель згори запускає свої шість двигунів, поки обидва ступені ще з’єднані. Це називають гарячим розділенням. Кожен Raptor 3 може знову запуститися в польоті, тож прискорювач здатен удруге ввімкнути двигуни й повернутися додому. Торкніться моменту нижче, щоб перейти до нього на графіку.
Уперше Raptor 3 полетів 22 травня 2026 року, у 12-му польоті. Поки що найважче дається повторний запуск двигунів у повітрі. Того разу прискорювач мав розвернутися додому. Для цього маневру повернення знову запустилися 20 двигунів із 28, а для посадкового гальмування лише один. За запуском на землі стежать так само пильно. Першу спробу 13-го польоту, 16 липня 2026 року, автоматика зупинила на T−0, бо кілька двигунів не набрали обертів. Ракета безпечно залишилася на стартовому столі.