Как устроен двигатель Raptor
Двигатель Raptor использует цикл «полнопоточной ступенчатой сгорания» (FFSC). Для начала разберёмся с основами работы ракетных двигателей.
Ракетный двигатель выбрасывает массу топлива из сопла. По третьему закону Ньютона это создаёт тягу, толкающую ракету в противоположном направлении. Чем больше массы выброшено и чем выше скорость выброса — тем выше тяга.
Самый простой вариант — наполнить бак сжатым газом и открыть клапан. Газ вырывается наружу, как из спущенного воздушного шарика. Такие двигатели называют «холодными газовыми реактивными движителями» и используют для маневров космических аппаратов. Они просты и надёжны, но мощность ограничена.
Более мощный способ — использовать два компонента топлива: горючее (например, керосин) и окислитель (кислород). Их сжигают в камере сгорания, создавая горячий газ, который вырывается из сопла. Это намного эффективнее холодного выброса, так как мы используем не только давление в баке, но и энергию химических связей.
Однако возникает проблема: давление в камере сгорания должно быть ниже давления в баках с топливом, иначе горячие газы потекут обратно и перекроют подачу. Для мощного двигателя нужно высокое давление в камере, но повышать давление в баках нельзя — они станут слишком тяжёлыми. Решение: хранить топливо при низком давлении, затем пропустить его через насос, который повысит давление перед камерой сгорания. Этот подход использует почти каждый орбитальный ракетный двигатель.
Теперь новая проблема: турбонасосы требуют огромной мощности. Турбонасос на F-1 потреблял около 41 мегаватта — почти столько же, сколько выдаёт ядерный реактор S8G на атомной подводной лодке класса Ohio. Питать его от батареи слишком расточительно, поэтому используют сам же двигатель: сжигают небольшое количество топлива и окислителя, горячий газ вращает турбину, а турбина приводит насос.
Есть разные способы организовать эту систему. Простейший — жечь топливо в отдельной камере (газогенератор), потом выбросить отработавший газ. Это используется в F-1 и в двигателе Merlin от SpaceX.
Другой вариант — сжечь топливо в малой камере (прижигатель), а затем отправить горячие газы в основную камеру сгорания вместе с основным топливом. Это называется «ступенчатой сгоранием» и работает эффективнее, так как тепло прижигателя используется полезно.
Raptor использует особый тип ступенчатого сгорания — «полнопоточный». Вместо одного прижигателя их два: один создаёт богатую топливом смесь (много топлива, мало окислителя), другой — богатую окислителем (много окислителя, мало топлива). Оба горячих потока попадают в основную камеру, где сгорают вместе. Весь объём топлива и окислителя проходит через прижигатели.
Полнопоточный FFSC двигатель очень сложен. До Raptor было создано только два таких двигателя, и ни один не летал на ракете. Россия разработала RD-270 в 1960-х годах, но тот не полетел. США строили Integrated Powerhead Demonstrator в 1990-х и 2000-х годах, но так и не завершили проект. Когда SpaceX начала работу над Raptor в 2012 году, компания получила оборудование с того проекта.
Полнопоточный FFSC имеет преимущества. Теоретически он более надёжен: из-за большого объёма газа турбины работают при более низких температурах и давлениях. Для компании, ставящей на переиспользуемые ракеты, это критично.
Как развивался Raptor
SpaceX держит свои технологии в тайне, поэтому официальной информации о деталях Raptor мало. Никто не разбирал готовый двигатель, и большая часть знаний исходит от твитов Илона Маска и его интервью для Everyday Astronaut.
Зато есть много энтузиастов SpaceX, которые фотографируют каждый двигатель, покидающий завод, и составляют любительские схемы. Эти схемы не официальны, но они хороший источник для понимания того, как люди видят эволюцию конструкции.
Посмотрим на схему первой версии Raptor, созданную Елисеем Масловым, российским специалистом по двигателям, в 2019 году:
Ещё одна полезная схема Raptor версии 1, созданная участником форума NASASpaceFlight «hisdirt» в декабре 2019 года, показывает компоненты на 3D-модели:
На схемах видны основные элементы полнопоточного FFSC: кислородный насос и прижигатель сверху, топливный насос и прижигатель сбоку. Также виден канал охлаждения — топливо течёт по внешней стороне сопла перед поступлением в прижигатель. Это называется регенеративным охлаждением и предотвращает расплавление сопла.
Следующая схема, созданная пользователями NASASpaceFlight «Livingjw» и «HVM» в феврале 2022 года и попавшая на Wikipedia, показывает вторую версию. Менее детальна, но раскрывает ту же архитектуру: кислородный блок сверху, топливный — сбоку.
А это схема третьей версии, опубликованная в январе 2025 года пользователем Twitter «TheSpaceEngineer»:
Если предположить, что эти неофициальные схемы верны, фундаментальная архитектура не изменилась — это по-прежнему полнопоточный FFSC с теми же основными компонентами. Но множество вспомогательных элементов было существенно переработано.
На схеме версии 3 видно, что малые трубопроводы собраны в общий «зонтик-коллектор». Это видно и на реальных фотографиях Raptor 3 на ракете:
В версии 1 для раскрутки турбин используется гелий, в версии 3 его нет. Вместо этого используется азот. На версии 3 также отсутствуют гелиевые линии для управления клапанами. По сведениям любителей, из схемы версии 3 полностью исчез гелий.
На Raptor 3 удалён теплообменник, который был на версии 1 — по-видимому, это был кислородный теплообменник возле прижигателя. Также отсутствует топливная линия, которая была на версии 1.
Более надёжный источник информации — высказывания Маска и SpaceX. В статье NASASpaceFlight от 2022 года об обновлении Starship говорилось, что на Raptor 2 переделали «всё: от турбомашин до камеры и сопла до электроники». Турбонасос сократился в размере, а контроллеры прижигателя «были перенесены в отдельные блоки вместо того, чтобы быть разбросаны по двигателю». Статья Everyday Astronaut о том же обновлении уточняет: «многие клапаны были объединены в клапанные плиты».
В недавнем ответе Маска на твит бывшего генерального директора Reddit Йишана Вонга приведён краткий список изменений:
Одна из крупных категорий — датчики и провода для них. Raptor версии 1 был в значительной степени экспериментальным двигателем и требовал множество дополнительных датчиков, контролирующих температуру и давление в разных частях. По мере оптимизации датчики удалялись (хотя некоторые могли быть перенесены внутрь).
Второе изменение — основные камерные зажигатели. Их было на версии 1, но на версии 2 они исчезли. Маск не уточняет, чем они заменены, но, вероятно, горячие потоки из прижигателей и сами по себе почти воспламеняются. Комментарий на NASASpaceFlight от 2019 года даже предполагает, что зажигатели основной камеры вообще могут быть не нужны, учитывая высокую температуру выхлопа прижигателей.
Маск также отмечает замену множества болтовых соединений на сварные. Это снижает массу и количество потенциальных мест утечек, но теряется ремонтопригодность. Судя по ранним фото Raptor 3 и более поздним, этот процесс продолжается: большой болтовой фланец в корпусе двигателя исчезает.
Ещё одно существенное изменение на Raptor 3 — интеграция трубопроводов внутрь двигателя через 3D-печать компонентов. Маск раньше заявлял, что SpaceX «обладает самой передовой технологией 3D-печати металла в мире», а в 2024 году компания заключила соглашение с Velo3D на использование их технологии.
На ближних фото Raptor 3 видны линии 3D-печати:
Цель этой интеграции — избавиться от деталей, особенно от теплозащиты и систем пожаротушения. Огромная масса труб и проводов на версиях 1 и 2 требовала большого и тяжёлого экрана для защиты от жара выхлопа. Интеграция трубопроводов и добавление внутреннего охлаждения позволяют эти экраны и системы защиты убрать. Главное снижение массы при переходе от версии 1 к версии 3 произошло именно за счёт удаления «бортовых» компонентов двигателя — это почти наверняка в основном теплозащита.
Итоги
Двигатель Raptor прошёл поразительную эволюцию за короткое время: несколько крупных версий, прирост производительности на 35% и радикальное снижение массы и внешних компонентов. Фундаментальная архитектура остаётся прежней — полнопоточный FFSC с теми же основными элементами — но вспомогательные системы были серьёзно переработаны.
Стоит отметить, что, хотя упрощение внешнего вида двигателя впечатляет, усложнение внутреннее было огромным. Маск подчёркивает, что заставить Raptor 3 работать было архисложно, и в нём скрыта огромная внутренняя сложность, которую не видно на фотографиях. Проблемы также полностью не решены: первая попытка запуска испытания 13 Starship в июле была отменена автоматически при счёте T-0, когда несколько двигателей Raptor 3 не запустились. Так что три версии Raptor на фотографии — это снимок эволюции технологии, которая продолжает развиваться.