Bagaimana SpaceX menyalakan mesin Raptor baru di Starship tanpa ledakan

SpaceX mengambil langkah lain Kamis malam untuk memvalidasi teknologi mesin roket yang akan menggerakkan roket Starship-nya. Untuk pertama kalinya, para insinyur di perusahaan itu menyalakan mesin roket Raptor versi vakum yang dipasang di bagian atas pesawat ruang angkasa.

Uji tembak saat matahari terbenam di Texas selatan hanya berlangsung beberapa detik. Tetapi tampaknya telah berhasil, dan telah mencentang kotak lain dalam serangkaian tes teknis yang harus diselesaikan SpaceX sebelum meluncurkan Starship dengan roket Super Heavy untuk penerbangan uji orbital. Ini bisa terjadi sekitar awal 2022.

Peluncuran pertama mesin vakum Raptor yang dibangun ke dalam pesawat ruang angkasa pic.twitter.com/uCNAt8Kwzo

– SpaceX (SpaceX) 22 Oktober 2021

SpaceX telah menguji peluncuran Starship dengan mesin Raptor sebelumnya, tentu saja. Pada beberapa test drive, mobil naik hingga sekitar 10 kilometer di bawah kekuatan hingga tiga mesin Raptor “permukaan laut”. Tetapi menguji roket dengan versi Raptor yang lebih baik untuk beroperasi di ruang hampa adalah masalah lain.

Ekspansi nozel

Mesin roket tentu saja memiliki banyak bagian, tetapi yang terbesar dan paling menonjol adalah nosel yang mengarahkan aliran gas buang. Knalpot ini berasal dari ruang bakar, tempat oksidator dan propelan terbakar. Gas buang ini kemudian dipaksa melalui lubang sempit – yang disebut tenggorokan – untuk mempercepatnya. Sekarang knalpot bergerak dengan kecepatan supersonik, mengembang saat memasuki nozzle, karena semakin panjang dan lebar nozzle, semakin cepat knalpot bergerak.

Gas lebih cepat keluar dari mesin roket adalah hal yang baik karena memberikan lebih banyak daya dorong. Lebih banyak dorong berarti roket Anda dapat mengangkat lebih banyak massa. Dengan demikian, nozzle yang diperpanjang berarti kinerja yang lebih baik.

Saya baru saja menyelesaikan animasi kecil ini yang menunjukkan persentase ekspansi penyematan tweetMesin Merlin 1D. Sungguh gila seberapa besar kawah vakum dibandingkan dengan kawah permukaan laut! Apakah angka-angka ini sangat dekat dengan kanan? penyematan tweet ?pic.twitter.com/N14MEXmeAh

Astronot sehari-hari (Erdayastronaut) 18 September 2019

Jadi mengapa tidak semua mesin roket memiliki nozel raksasa? Karena fenomena yang dikenal sebagai “pemisahan aliran”, yang terjadi ketika aliran gas di dalam mesin terpisah dari dinding nosel. Hal ini dapat menyebabkan turbulensi dan getaran. Dalam skenario terburuk, ini dapat menyebabkan mesin meledak sendiri. Tidak ada nilai absolut untuk kapan hal ini terjadi, tetapi risiko pemisahan aliran meningkat ketika tekanan buang yang meninggalkan nosel turun di bawah 50 persen dari tekanan sekitar.

Ini bukan masalah di ruang angkasa, di mana tekanan atmosfer pada dasarnya nol. Tetapi di permukaan laut, semakin besar kawah, semakin besar risiko pemisahan aliran.

Cara paling umum untuk mengatasi masalah ini adalah merancang tahap pertama roket dengan mesin permukaan laut yang ditingkatkan kinerjanya dan tahap atas dengan mesin yang ditingkatkan vakum. Roket Falcon 9, misalnya, memiliki tahap pertama dengan sembilan mesin Merlin dengan nozel yang lebih kecil melakukan semua pekerjaan di atmosfer yang lebih rendah dan mesin vakum Merlin dengan nosel yang jauh lebih besar untuk luar angkasa.

pendekatan alternatif

Pesawat ulang-alik NASA telah mengambil pendekatan yang lebih hibrida. Mesin utamanya, yang menyala sepanjang profil penerbangannya dari peluncuran ke orbit, mengorbankan kinerja di kedua ujungnya. Pesawat ulang-alik itu berakhir dengan sebuah kawah sebesar mungkin di permukaan laut—itu telah mendorong batas-batas pemisahan aliran tanpa melewati tepinya—tetapi itu jauh lebih kecil daripada idealnya di ruang hampa.

Tahap atas pesawat ruang angkasa SpaceX dirancang untuk terbang di atmosfer dan ruang angkasa yang tebal. Ini bertujuan untuk memecahkan teka-teki ukuran nosel dengan menerbangkan tiga “permukaan laut” dan tiga mesin Raptor “vakum”. Tes hari Kamis adalah pertama kalinya aktuator vakum dipasang ke kendaraan Starship dan uji peluncuran.

Salah satu foto favorit saya dari Tomorrow’s Talk on penyematan tweet Apakah ini dekat dengan pelambatan mesin pesawat ulang-alik. Sebelum mesin mencapai daya penuh, tekanan udara eksternal dipaksa masuk ke dalam nozel mesin yang mengakibatkan pemisahan aliran tidak stabil. Lihat pelenturan lubang. pic.twitter.com/vYXjUl7nTK

-Scott Manley (DJSnM) 17 Januari 2019

Mesin paling berpengalaman di Amerika Serikat, RL-10 yang diproduksi oleh Aerojet Rocketdyne, memiliki rasio ekspansi yang sangat besar, karena ukuran nozzle mesin ini jauh lebih besar daripada tenggorokannya. Jadi motor ini hanya bisa diuji di lapangan dalam ruang vakum yang besar. Tes SpaceX dilakukan Kamis di luar, di Texas selatan, hanya beberapa meter di atas permukaan laut.

Jadi bagaimana SpaceX menyelesaikan uji peluncuran mesin yang disempurnakan dengan vakum tanpa merusaknya?

Menanggapi pertanyaan ini, pendiri SpaceX Elon Musk mengatakan: Dia mengatakan di Twitter Perusahaan memecahkan masalah dengan membangun mesin Raptor untuk menghasilkan tekanan ruang yang sangat tinggi. Motor juga belum sepenuhnya dioptimalkan agar sesuai dengan vakum, jadi ada cukup margin untuk mencegah pemisahan aliran dari ketidakstabilannya.

Ini memungkinkan SpaceX untuk menyelesaikan tes Kamis tanpa meledakkan apa pun.