محركات صواريخ سبيس إكس

منذ تأسيس شركة سبيس إكس في عام 2002، طورت الشركة أربع عائلات من محركات الصواريخ - ميرلين ، وكستريل ، ودراكو ، وسوبر دراكو - ومنذ عام 2016 طورت محرك الصاروخ رابتور الميثان وبعد عام 2020، خط من محركات الدفع الميثالوكس .

في السنوات العشر الأولى من عمر سبيس إكس، بقيادة المهندس توم مولر ، طورت الشركة مجموعة متنوعة من محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل ، مع وجود محرك واحد على الأقل من هذا النوع قيد التطوير. اعتبارًا من أكتوبر 2012 ^[تحديث]، تم تطوير كل المحركات التي تم تطويرها حتى الآن - Kestrel و Merlin 1 و Draco وSuper Draco - للاستخدام الأولي في مركبات الإطلاق SpaceX - Falcon 1 و Falcon 9 و Falcon Heavy - أو لكبسولة Dragon . [ ^1] كان كل محرك رئيسي تم تطويره بحلول عام 2012 يعتمد على الكيروسين، باستخدام RP-1 كوقود مع الأكسجين السائل (LOX) كمؤكسد، بينما استخدمت محركات الدفع التحكمية RCS دوافع مفرطة الاشتعال قابلة للتخزين .

في نوفمبر 2012، في اجتماع الجمعية الملكية للملاحة الجوية في لندن، المملكة المتحدة، أعلنت شركة سبيس إكس أنها تخطط لتطوير محركات تعتمد على الميثان لصواريخها المستقبلية. ستستخدم هذه المحركات احتراقًا تدريجيًا ، لتحقيق كفاءة أعلى على غرار النظام المستخدم في محرك NK-33 التابع للاتحاد السوفييتي السابق . ^{[2] [ بحاجة لتحديث ]}

بحلول منتصف عام 2015، طورت شركة سبيس إكس ما مجموعه 9 تصاميم لمحركات الصواريخ في أول 13 عامًا من وجود الشركة. ^[3]

طورت سبيس إكس محركين يعملان بالكيروسين حتى عام 2013، وهما ميرلين 1 وكستريل، وناقشت علنًا تصميمًا أعلى مستوى لمحرك أكبر بكثير يسمى ميرلين 2. زود ميرلين 1 المرحلة الأولى من مركبة الإطلاق فالكون 1 بالطاقة ، ويُستخدم في المرحلتين الأولى والثانية من مركبات الإطلاق فالكون 9 وفالكون هيفي . تم تشغيل المرحلة الثانية من فالكون 1 بواسطة محرك كستريل.

ميرلين 1 هي عائلة من محركات الصواريخ LOX / RP-1 التي تم تطويرها في الفترة من 2003 إلى 2012. استخدم ميرلين 1A وميرلين 1B فوهة مركبة من ألياف الكربون مبردة بالاستئصال . أنتج ميرلين 1A 340 كيلو نيوتن (76000 رطل _قدم ) من الدفع واستُخدم لتشغيل المرحلة الأولى من أول رحلتين لفالكون 1 في عامي 2006 و2007. كان ميرلين 1B مزودًا بمضخة توربينية أقوى إلى حد ما ، وولد المزيد من الدفع، ولكن لم يتم إطلاقه على مركبة طيران قبل انتقال سبيس إكس إلى ميرلين 1C.

كان محرك ميرلين 1 سي أول محرك في العائلة يستخدم فوهة تبريد متجددة وغرفة احتراق. تم إطلاقه لأول مرة في مهمة كاملة في عام 2007، ^[4] وحلّق لأول مرة في مهمة فالكون 1 الثالثة في أغسطس 2008، ^[5] وزوّد "أول صاروخ يعمل بالوقود السائل تم تطويره بشكل خاص للوصول إلى المدار بنجاح" ( رحلة فالكون 1 الرابعة ) في سبتمبر 2008، ^[5] ثم زوّد بعد ذلك أول خمس رحلات فالكون 9 - كل منها حلقت بمركبة إطلاق فالكون 9 الإصدار 1.0 - من عام 2010 حتى عام 2013. ^[6]

تم تطوير محرك Merlin 1D في عامي 2011 و2012، ويحتوي أيضًا على فوهة تبريد متجددة وغرفة احتراق. كما يتمتع بقوة دفع فراغية تبلغ 690 كيلو نيوتن (155000 رطل)، ونبضة فراغية محددة (I _sp ) تبلغ 310 ثانية، ونسبة تمدد متزايدة تبلغ 16 (على عكس 14.5 السابقة لمحرك Merlin 1C) وضغط غرفة يبلغ 9.7 ميجا باسكال (1410 رطل لكل بوصة مربعة). الميزة الجديدة للمحرك هي القدرة على الخنق من 100٪ إلى 70٪. ^[7] نسبة الدفع إلى الوزن 150: 1 للمحرك هي أعلى نسبة تم تحقيقها على الإطلاق لمحرك صاروخي. ^{[8] [9]} كانت أول رحلة لمحرك Merlin 1D هي أيضًا أول رحلة لـ Falcon 9 v1.1 . ^[10] في 29 سبتمبر 2013، أطلقت مهمة فالكون 9 الرحلة 6 بنجاح قمر CASSIOPE التابع لوكالة الفضاء الكندية إلى مدار قطبي، وأثبتت أنه يمكن إعادة تشغيل Merlin 1D للتحكم في إعادة دخول المرحلة الأولى إلى الغلاف الجوي - جزء من برنامج اختبار طيران نظام الإطلاق القابل لإعادة الاستخدام من سبيس إكس - وهي خطوة ضرورية لجعل الصاروخ قابلاً لإعادة الاستخدام. ^[11]

كان Kestrel محرك صاروخي يعمل بالضغط من نوع LOX / RP-1 ، وقد طورته شركة SpaceX كمحرك رئيسي للمرحلة الثانية لصاروخ Falcon 1؛ وقد استُخدم في الفترة من 2006 إلى 2009. وقد بُني حول نفس بنية المحور المحوري لمحرك Merlin الخاص بشركة SpaceX ولكنه لا يحتوي على مضخة توربينية ، ويتم تغذيته فقط بضغط الخزان . وقد تم تبريد فوهته بالاستخلاص في الحجرة وتبريده إشعاعيًا في الحلق، وهو مصنوع من سبيكة نيوبيوم عالية القوة . يتم توفير التحكم في متجه الدفع بواسطة محركات كهروميكانيكية على قبة المحرك للميل والانحراف. يتم توفير التحكم في الانقلاب - والتحكم في الموقف أثناء مرحلة الساحل - بواسطة دافعات غاز الهيليوم البارد . ^{[12] [13]}

في نوفمبر 2012، ظهرت محركات الميثالوكس على الساحة عندما أعلن الرئيس التنفيذي لشركة سبيس إكس إيلون ماسك عن اتجاه جديد لجانب الدفع في الشركة: تطوير محركات الصواريخ الميثان / LOX . ^[2] إن عمل سبيس إكس على محركات الميثان/LOX (الميثالوكس) مخصص بشكل صارم لدعم برنامج تطوير تكنولوجيا المريخ الخاص بالشركة. لم يكن لديهم خطط لبناء محرك المرحلة العليا لفالكون 9 أو فالكون هيفي باستخدام وقود الميثالوكس. ^[14] ومع ذلك، في 7 نوفمبر 2018، غرد إيلون ماسك، "سيتم ترقية المرحلة الثانية من فالكون 9 لتكون مثل سفينة BFR صغيرة"، مما قد يعني استخدام محرك رابتور في هذه المرحلة الثانية الجديدة. يركز برنامج تطوير المحرك الجديد حصريًا على محرك رابتور بالحجم الكامل للمهمة التي تركز على المريخ. ^[14]

رابتور هي عائلة من محركات الصواريخ التي تعمل بالميثان والأكسجين السائل والتي طورتها سبيس إكس منذ أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ^[2] على الرغم من أن خليط الوقود LH2 / LOX كان قيد الدراسة في الأصل عندما بدأت أعمال تطوير مفهوم رابتور في عام 2009. ^[15] عندما ذكرها سبيس إكس لأول مرة في عام 2009، تم تطبيق مصطلح "رابتور" حصريًا على مفهوم محرك المرحلة العليا. ^[2] ناقشت سبيس إكس في أكتوبر 2013 أنها تنوي بناء عائلة من محركات الصواريخ رابتور التي تعمل بالميثان، ^[16] وأعلنت في البداية أن المحرك سيحقق قوة دفع فراغية تبلغ 2.94 ميجا نيوتن (661000 رطل). ^[16] في فبراير 2014، أعلنت أن محرك رابتور سيُستخدم في مركبة النقل الاستعمارية المريخية . سيستخدم المعزز محركات رابتور متعددة، على غرار استخدام تسعة محركات ميرلين 1 على كل قلب معزز فالكون 9 . ^[17] في الشهر التالي، أكدت سبيس إكس أنه اعتبارًا من مارس 2014 ، فإن جميع أعمال تطوير رابتور ستكون حصريًا على محرك الصاروخ الكبير جدًا هذا، وأنه لا توجد محركات رابتور أصغر حجمًا في مزيج التطوير الحالي. ^{[14][تحديث]}

يستخدم محرك رابتور الميثان/LOX دورة احتراق مرحلية عالية الكفاءة وأكثر موثوقية من الناحية النظرية ، ^[17] وهو انحراف عن نظام دورة مولد الغاز المفتوح ووقود LOX/الكيروسين المستخدم في سلسلة محركات ميرلين 1 الحالية. ^[2] اعتبارًا من فبراير 2014 ، كانت التصميمات الأولية لرابتور تتطلع إلى إنتاج 4.4 ميجا نيوتن (1000000 رطل) من الدفع مع نبضة فراغ محددة (I _sp ) تبلغ 363 ثانية (3.56 كم/ثانية) ونبضة مستوى سطح البحر (I _sp ) تبلغ 321 ثانية (3.15 كم/ثانية)، ^{[17] [18]} على الرغم من أن أحجام المفاهيم اللاحقة التي تم النظر فيها كانت أقرب إلى 2.2 ميجا نيوتن (500000 رطل). ^[تحديث]

بدأ الاختبار الأولي على مستوى المكونات لتكنولوجيا رابتور في مايو 2014، باختبار عنصر الحاقن. ^{[16] [19]} بدأ أول محرك تطوير كامل لرابتور، والذي يبلغ حجمه ثلث حجم المحركات كاملة الحجم المخطط لاستخدامها في أجزاء مختلفة من ستارشيب، بقوة دفع تبلغ حوالي 1000 كيلو نيوتن (220000 رطل ₎ ، في الاختبار على منصة اختبار أرضية في سبتمبر 2016. تتمتع فوهة الاختبار بنسبة توسع تبلغ 150 فقط، من أجل القضاء على مشاكل فصل التدفق أثناء اختبارها في الغلاف الجوي للأرض. ^[20]

ستمر دورة الاحتراق المرحلية ذات التدفق الكامل لـ Raptor بنسبة 100 بالمائة من المؤكسد (بنسبة وقود منخفضة) لتشغيل مضخة التوربينات الأكسجينية، و100 بالمائة من الوقود (بنسبة أكسجين منخفضة) لتشغيل مضخة التوربينات الميثانية. سيكون كلا التيارين - المؤكسد والوقود - في الطور الغازي تمامًا قبل دخولهما غرفة الاحتراق . قبل عام 2016، لم يتقدم سوى محركين صاروخيين احتراقيين متدرجين بتدفق كامل بما يكفي لاختبارهما على منصات الاختبار: مشروع RD-270 السوفييتي في الستينيات ومشروع عرض رأس الطاقة Aerojet Rocketdyne Integrated في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، والذي لم يختبر محركًا كاملاً بل رأس الطاقة فقط. ^{[17] [20]}

من المتوقع أن تعمل الخصائص الأخرى لتصميم التدفق الكامل على زيادة الأداء أو الموثوقية بشكل أكبر، مع إمكانية إجراء مقايضات تصميمية لأحدهما مقابل الآخر: ^[17]

• إزالة الختم الموجود بين التوربينات المؤكسدة للوقود والذي يعد تقليديًا نقطة فشل في محركات الصواريخ الكيميائية الحديثة
• هناك حاجة إلى ضغوط أقل عبر نظام الضخ، مما يزيد من عمر الخدمة ويقلل بشكل أكبر من خطر الفشل الكارثي
• القدرة على زيادة ضغط غرفة الاحتراق، وبالتالي إما زيادة الأداء العام، أو "باستخدام غازات أكثر برودة، مما يوفر نفس الأداء مثل محرك الاحتراق القياسي ولكن مع ضغط أقل بكثير على المواد، وبالتالي تقليل إجهاد المواد أو وزن [المحرك] بشكل كبير." ^[17]

تعمل شركة سبيس إكس على تطوير محركات دفع ميثوكس الغازية التي ستستخدم الغاز الذي يجب تنفيسه من خزانات الوقود للتحكم في الاتجاه.

في إعلانه عن نظام النقل بين الكواكب (ITS) في المؤتمر الدولي السابع والستين للملاحة الفضائية في 27 سبتمبر 2016، أشار إيلون ماسك إلى أن جميع محركات نظام التحكم في التفاعل لنظام النقل بين الكواكب (الذي تمت إعادة تسميته لاحقًا إلى Starship ) ستعمل من مصدر غاز الميثان والأكسجين في كل من تلك المركبات، وسيتم تطوير محركات جديدة لهذا الغرض. ^{[21] [22] [23]}

بحلول عام 2020، تم التخطيط لمجموعة واحدة من محركات الدفع عالية الدفع من نوع ميثوكس RCS لتوضع في منتصف جسم مركبة ستارشيب HLS المخصصة للهبوط على القمر وسيتم استخدامها خلال "عشرات الأمتار" الأخيرة من أي هبوط نهائي على سطح القمر وهبوطه، ^[24] بالإضافة إلى استخدامها للمغادرة من سطح القمر. ^{[24] : 50:30} يهدف تصميم منتصف الجسم على وجه التحديد إلى معالجة مشكلة تآكل سطح القمر وإنشاء غبار على نطاق القمر من استخدام محركات رابتور الموجودة في قاعدة مركبة ستارشيب.

في عام 2021، شوهدت محركات دفع الغاز الساخن على جسم نماذج أولية من سفن الفضاء، ^[25] ومع ذلك، فمن غير الواضح ما إذا كان سيتم استخدامها في سفن الفضاء المستقبلية.

محركات دراكو هي محركات صاروخية تعمل بالوقود السائل وتستخدم مزيجًا من وقود أحادي ميثيل هيدرازين ومؤكسد رباعي أكسيد النيتروجين . يولد كل محرك من محركات دراكو 400 نيوتن (90 رطلاً) من الدفع. ^[26] تُستخدم كمحركات نظام التحكم في التفاعل (RCS) على كل من مركبة دراغون الفضائية ، وعلى المرحلة الثانية من مركبة الإطلاق فالكون 9. ^[27]

تولد محركات SuperDraco ذات الوقود القابل للتخزين 67000 نيوتن (15000 رطل) من الدفع، مما يجعل SuperDraco ثالث أقوى محرك طورته SpaceX، وهو أقوى بأكثر من 200 مرة ^[28] من محركات الدفع العادية Draco RCS. وبالمقارنة، فهو أقوى بأكثر من ضعف قوة محرك Kestrel المستخدم في المرحلة الثانية لمركبة الإطلاق Falcon 1 التابعة لشركة SpaceX، وحوالي 1/9 قوة دفع محرك Merlin 1D . يتم استخدامها كمحركات لنظام إلغاء الإطلاق على SpaceX Dragon 2 لنقل الطاقم إلى مدار أرضي منخفض . ^[29]

• مركبات الإطلاق سبيس إكس

• جولة سبيس إكس - المحركات، 11 نوفمبر 2010.
• عرض تقديمي لشركة SpaceX Systems Engineering، 28 سبتمبر 2012. يتضمن صورة لمحركي Merlin 1C وMerlin 1C الفراغيين جنبًا إلى جنب.