SpaceX ha dedicado años a transformar un enredo de tuberías y cables en un motor de cohete elegante y aerodinámico. El motor Raptor se encendió por primera vez en 2016, voló en Starhopper en 2019 y alcanzó su plena función en Starship en 2023. Su última versión, el Raptor 3, se exhibió en mayo de este año. La transformación es tan dramática que mucha gente inicialmente dudó de que fuera real.
La evolución del motor sigue una trayectoria clara:
- El Raptor 1, un enredo de tuberías y cables.
- El Raptor 3, el motor elegante y aerodinámico en el lado derecho.
Cómo funciona el motor Raptor
El Raptor es un motor de «combustión por etapas de flujo total». Expulsa masa a través de una tobera de cohete, empujando el cohete en la dirección opuesta. Cuanta más masa se expulsa y cuanto más rápido va, más empuje produce el motor.
El cohete más simple es un propulsor de gas frío. Ventila gas presurizado para empujar una nave espacial. La Unidad de Maniobra Tripulada de la NASA utiliza este tipo de motor. Los propulsores de control del Falcon 9 son similares.
Los propulsores de gas frío son simples y fiables, pero alcanzan su máximo rendimiento rápidamente. Para obtener más empuje, se queman dos propelentes juntos en una cámara de combustión. Esto añade la energía almacenada en los enlaces químicos a la mezcla.
El Problema de la Presión
La quema de combustible y oxidante crea gas caliente que quiere fluir de nuevo a las líneas de combustible y oxidante. Para evitarlo, la presión en la cámara de combustión debe ser menor que la presión en los tanques. Almacenar los propelentes a presiones cada vez más elevadas se vuelve rápidamente poco práctico: los tanques y las líneas se engrosan y se hacen pesados.
En cambio, se almacenan los propelentes a baja presión y se hacen pasar por una bomba que eleva la presión antes de que lleguen a la cámara de combustión. Todos los grandes cohetes de refuerzo utilizan este método.
El Problema de la Potencia de la Turbobomba
Las bombas que manejan este volumen de fluido necesitan enormes cantidades de energía. La turbobomba del motor F-1, utilizado en el Saturn V, requería alrededor de 41 megavatios de energía. Eso es ligeramente menos que la energía que el reactor nuclear S8G entrega al eje de la hélice de un submarino de clase Ohio.
Una forma de suministrar esa energía es con una batería. El cohete Electron de Rocket Lab tiene un motor con una bomba eléctrica alimentada por batería. Pero la mayoría de los grandes cohetes utilizan su propio propelente como fuente de energía, quemando una pequeña cantidad de combustible y oxidante para accionar una turbina que impulsa la bomba.
El ciclo de generador de gas
El arreglo más simple envía una pequeña cantidad de combustible y oxidante a una turbina, luego ventila el escape. Esto se llama ciclo de generador de gas. Impulsa el motor F-1 y el motor Merlin de SpaceX.
La trayectoria de combustión escalonada
Otra opción quema parte del combustible y oxidante para accionar la bomba, luego dirige el propelente quemado a través de la cámara de combustión principal junto con el combustible y oxidante sin quemar. Esto es combustión escalonada. La cámara de combustión más pequeña utilizada para accionar las bombas se llama prequemador.
Esto es más complejo que un ciclo de generador de gas, pero es más eficiente. El propelente quemado se alimenta directamente a la cámara principal en lugar de desperdiciarse.
El diseño de flujo total
El Raptor utiliza combustión escalonada de flujo total. En esta configuración, tanto el combustible como el oxidante pasan por el prequemador antes de llegar a la cámara de combustión principal. Nada se ventila.
Ese enfoque requiere una sincronización y control precisos. El combustible y el oxidante deben encontrarse en el momento adecuado en el prequemador, y todo el sistema tiene que permanecer estable bajo calor y presión extremos.
La ganancia de rendimiento
El Raptor 3 proporciona aproximadamente un 35% más de empuje que el Raptor 1.
Los Escépticos )
Tory Bruno, entonces director ejecutivo de la empresa de lanzamiento espacial United Launch Alliance, tuiteó que no había «necesidad de exagerar esto mostrando un motor parcialmente ensamblado». Gwynne Shotwell, presidenta de SpaceX, respondió con una fotografía del Raptor 3 encendido con éxito.
El intercambio muestra cómo de dramático fue el cambio a ojos de los observadores externos.
Lo que Cambió )
SpaceX no publica esquemas oficiales del Raptor, y nadie ha realizado un desmontaje del motor. Pero Elon Musk ha comentado sobre el diseño ocasionalmente, y los fanáticos han especulado sobre los cambios importantes.
La evolución del Raptor 1 al Raptor 3 implicó la optimización de la turbomaquinaria, la mejora de la cámara de combustión y la refinación del ciclo de combustión por etapas de flujo total. Cada paso hizo que el motor fuera más eficiente y más potente.
El resultado es un motor que no se parece en nada a sus prototipos iniciales. El Raptor 3 es limpio, liso y está construido sobre un diseño que continúa evolucionando.
El Resultado Final )
El recorrido del motor Raptor, desde un enredo de tuberías hasta una potencia elegante, es un ejemplo notable de progreso en la ingeniería. SpaceX tomó un sistema complejo y lo mejoró.
La ganancia de 35% de empuje es parte de esa mejora. El escepticismo de los observadores externos es comprensible. Pero el Raptor 3 ha demostrado de lo que es capaz y representa el estado actual del diseño.
| Etapa ) | Hito ) | Fecha |
|---|---|---|
| Primer encendido a prueba | Motor Raptor probado | 2016 |
| Primer vuelo | Starhopper | 2019 |
| Servicio completo de Starship | Apilamiento de Starship | 2023 |
| Última versión | Raptor 3 | Mayo de este año |
La tabla muestra el cronograma del motor, desde la primera prueba hasta su forma actual. Cada paso acercó el motor a su forma final.
Material de origen: “Cómo SpaceX agilizó el motor Raptor”, construction-physics.com.
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