SpaceX hat Jahre damit verbracht, ein Gewirr aus Rohren und Kabeln in einen schlanken, stromlinienförmigen Raketenmotor zu verwandeln. Der Raptor-Motor wurde erstmals 2016 abgefeuert, flog 2019 auf dem Starhopper und erreichte 2023 seinen vollen Einsatz im Starship. Seine neueste Version, der Raptor 3, wurde im Mai dieses Jahres präsentiert. Die Transformation ist so dramatisch, dass viele Menschen anfangs bezweifelten, ob sie überhaupt echt sei.
Die Entwicklung des Motors folgt einem klaren Pfad:
- Der Raptor 1, ein Gewirr aus Rohren und Kabeln.
- Der Raptor 3, der schlanke, stromlinienförmige Motor auf der rechten Seite.
Wie der Raptor-Motor funktioniert
Der Raptor ist ein „Full-Flow-Stufenverbrennungsmotor“. Er stößt Masse aus einer Raketendüse und treibt so die Rakete in die entgegengesetzte Richtung an. Je mehr Masse ausgestoßen und je schneller sie sich bewegt, desto mehr Schub erzeugt der Motor.
Der einfachste Raketenmotor ist ein Kaltgas-Antrieb. Er lässt unter Druck gesetztes Gas ab, um ein Raumschiff anzutreiben. Die NASA verwendet für ihre Manned Maneuvering Unit eine solche Antriebsart. Die Steuerantriebe der Falcon 9 sind ähnlich.
Kaltgas-Antriebe sind einfach und zuverlässig, aber sie erreichen schnell ihre Grenzen. Um mehr Schub zu erzeugen, werden zwei Treibstoffe zusammen in einer Brennkammer verbrannt. Dadurch wird die in chemischen Bindungen gespeicherte Energie in den Prozess einbezogen.
Das Problem des Drucks
Durch das Verbrennen von Treibstoff und Oxidationsmittel entsteht heißes Gas, das zurück in die Treibstoff- und Oxidationsmittel-Leitungen fließen möchte. Um dies zu verhindern, muss der Druck in der Brennkammer niedriger sein als der Druck in den Tanks. Die Lagerung von Treibstoffen bei immer höheren Drücken wird schnell unpraktisch – die Tanks und Leitungen werden dick und schwer.
Stattdessen werden die Treibstoffe bei niedrigem Druck gelagert und dann durch eine Pumpe geleitet, die den Druck erhöht, bevor sie die Brennkammer erreichen. Diese Methode verwenden alle großen Trägerraketen.
Das Problem der Turbopumpenleistung
Pumpen, die diese Fördermenge bewältigen müssen, benötigen riesige Mengen an Energie. Die Turbopumpe des F-1-Triebwerks, das auf der Saturn V eingesetzt wurde, benötigte etwa 41 Megawatt Leistung. Das ist etwas weniger als die Leistung, die der S8G-Kernreaktor auf die Antriebswelle eines Ohio-Klasse-U-Boots liefert.
Eine Möglichkeit, diese Leistung bereitzustellen, ist mit einer Batterie. Die Rakete von Rocket Lab, Electron, hat ein Triebwerk mit einer batteriebetriebenen elektrischen Pumpe. Aber die meisten großen Raketen verwenden ihr eigenes Treibmittel als Energiequelle, indem sie eine kleine Menge Treibstoff und Oxidationsmittel verbrennen, um eine Turbine anzutreiben, die die Pumpe antreibt.
Der Gasgeneratorzyklus
Die einfachste Anordnung leitet eine kleine Menge Treibstoff und Oxidationsmittel zu einer Turbine, und das Abgas wird abgeleitet. Dies wird Gasgeneratorzyklus genannt. Er speist das F-1-Triebwerk und den Merlin-Triebwerk von SpaceX.
Der gestufte Verbrennungspfad
Eine weitere Option verbrennt einen Teil des Treibstoffs und Oxidationsmittels, um die Pumpe anzutreiben, und leitet das verbrannte Treibmittel dann zusammen mit dem unbrennten Treibstoff und Oxidationsmittel in die Hauptverbrennungskammer. Dies ist gestufte Verbrennung. Die kleinere Verbrennungskammer, die zum Antrieb der Pumpen verwendet wird, wird als Vorbrennkammer bezeichnet.
Dies ist komplexer als ein Gasgeneratorzyklus, aber es ist effizienter. Das verbrannte Treibmittel wird direkt in die Hauptkammer geleitet, anstatt verschwendet zu werden.
Das Vollstromdesign
Der Raptor verwendet gestufte Verbrennung mit Vollstrom. In diesem Aufbau durchlaufen sowohl der Treibstoff als auch das Oxidationsmittel die Vorbrennkammer, bevor sie die Hauptverbrennungskammer erreichen. Nichts wird abgeleitet.
Dieser Ansatz erfordert präzises Timing und Kontrolle. Der Treibstoff und das Oxidationsmittel müssen sich zum richtigen Zeitpunkt in der Vorbrennkammer treffen, und das gesamte System muss unter extremen Hitze- und Druckbedingungen stabil bleiben.
Der Leistungsgewinn
Der Raptor 3 erzeugt etwa 35 % mehr Schub als der Raptor 1.
Die Skeptiker (
Tory Bruno, damals CEO des Raumfahrtunternehmens United Launch Alliance, twitterte, dass es „keine Notwendigkeit gebe, dies zu übertreiben, indem man eine teilweise zusammengebaute Engine zeige.“ SpaceX-Präsidentin Gwynne Shotwell antwortete mit einem Bild der erfolgreichen Zündung von Raptor 3. (
Der Austausch zeigt, wie dramatisch die Veränderung für Außenstehende aussah. (
Was sich geändert hat (
SpaceX veröffentlicht keine offiziellen Raptor-Schemata, und niemand hat eine Abmontage des Motors durchgeführt. Aber Elon Musk hat gelegentlich über das Design kommentiert, und Fans haben über die großen Veränderungen spekuliert. (
Die Entwicklung von Raptor 1 zu Raptor 3 umfasste die Straffung der Turbomaschinerie, die Verbesserung der Brennkammer und die Verfeinerung des Full-Flow-Stufenverbrennungskreislaufs. Jeder Schritt machte den Motor effizienter und leistungsstärker. (
Das Ergebnis ist ein Motor, der überhaupt nicht wie seine frühen Prototypen aussieht. Raptor 3 ist sauber, glatt und basiert auf einem Design, das sich ständig weiterentwickelt. (
Das Fazit (
Der Weg des Raptor-Motors von einem Wirrwarr aus Rohren zu einem schlanken Kraftpaket ist ein bemerkenswertes Beispiel für Ingenieurspfortschritt. SpaceX hat ein komplexes System verbessert. (
Der 35-prozentige Schubgewinn ist Teil dieser Verbesserung. Das Misstrauen seitens der Außenbeobachter ist verständlich. Aber Raptor 3 hat gezeigt, was er kann, und er repräsentiert den aktuellen Stand der Entwicklung. (
| Phase ( | Meilenstein ( | Datum |
|---|---|---|
| Erster Testlauf | Raptor-Triebwerk getestet | 2016 |
| Erster Flug | Starhopper | 2019 |
| Volle Starship-Aufgaben | Starship-Stapel | 2023 |
| Neueste Version | Raptor 3 | Mai dieses Jahres |
Die Tabelle zeigt den Zeitablauf des Triebwerks, vom ersten Test bis zu seiner aktuellen Form. Jeder Schritt brachte das Triebwerk näher an seine endgültige Form.
Quellenmaterial: „How SpaceX streamlined the Raptor engine“, construction-physics.com.
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