SpaceX가 폭발 없이 Starship에서 새로운 Raptor 엔진을 점화한 방법

SpaceX는 목요일 저녁 Starship 로켓에 동력을 공급할 로켓 엔진 기술을 검증하기 위한 또 다른 단계를 밟았습니다. 회사의 엔지니어들은 우주선 상단에 부착된 Raptor 로켓 엔진의 진공 버전을 처음으로 점화했습니다.

남부 텍사스에서 일몰 시 시험 발사는 몇 초 밖에 지속되지 않았습니다. 그러나 그것은 성공적인 것으로 보이며 SpaceX가 궤도 테스트 비행에서 슈퍼 헤비 로켓에 스타쉽을 발사하기 전에 완료해야 하는 일련의 기술 테스트에서 또 다른 상자를 확인했습니다. 이것은 2022년 초 언젠가 일어날 수 있습니다.

우주선에 통합된 Raptor 진공 엔진의 첫 발사 pic.twitter.com/uCNAt8Kwzo

– 스페이스X(스페이스X) 2021년 10월 22일

SpaceX는 물론 이전에 Raptor 엔진으로 스타쉽을 발사하는 것을 테스트했습니다. 일부 테스트 드라이브에서 자동차는 최대 3개의 “해수면” Raptor 엔진의 힘으로 약 10km까지 올라갔습니다. 그러나 개선된 버전의 랩터로 로켓을 진공 상태에서 작동하도록 테스트하는 것은 완전히 다른 문제입니다.

노즐 확장

로켓 엔진은 물론 많은 부품이 있지만 가장 크고 눈에 띄는 것은 배기 가스의 흐름을 지시하는 노즐입니다. 이 배기 가스는 산화제와 추진제가 연소되는 연소실에서 발생합니다. 그런 다음 이 배기 가스는 목구멍이라고 하는 좁은 구멍을 통해 강제로 통과되어 가속됩니다. 이제 배기 가스는 노즐에 들어갈 때 팽창하면서 초음속으로 움직이고 있습니다. 노즐이 길고 넓을수록 배기 가스가 더 빨리 움직이기 때문입니다.

로켓 엔진에서 나오는 더 빠른 가스는 더 많은 추력을 제공하기 때문에 좋은 것입니다. 더 많은 추력은 로켓이 더 많은 질량을 들어 올릴 수 있음을 의미합니다. 따라서 연장된 노즐은 더 나은 성능을 의미합니다.

확장 비율을 보여주는 이 작은 애니메이션을 방금 완료했습니다. 트윗 퍼가기멀린 1D 엔진. 진공 분화구가 해수면 분화구에 비해 얼마나 큰지 정말 놀랍습니다! 이 숫자는 오른쪽에 매우 가깝습니까? 트윗 퍼가기 ?pic.twitter.com/N14MEXmeAh

일상적인 우주비행사(Erdayastronaut) 2019년 9월 18일

그렇다면 왜 모든 로켓 엔진에는 거대한 노즐이 없는 것일까요? 엔진 내부의 가스 흐름이 노즐 벽과 분리될 때 발생하는 “흐름 분리”로 알려진 현상으로 인해. 난기류와 진동을 유발할 수 있습니다. 최악의 경우 엔진이 폭발할 수 있습니다. 이것이 발생하는 경우에 대한 절대값은 없지만 노즐을 떠나는 배기 압력이 주변 압력의 50% 미만으로 떨어지면 흐름 분리 위험이 증가합니다.

이것은 대기압이 본질적으로 0인 우주에서는 문제가 되지 않습니다. 그러나 해수면에서 크레이터가 클수록 흐름 분리의 위험이 커집니다.

이 문제를 해결하는 가장 일반적인 방법은 성능이 향상된 해수면 엔진으로 로켓의 첫 번째 단계를 설계하고 진공 개선된 엔진으로 상위 단계를 설계하는 것입니다. 예를 들어, Falcon 9 로켓은 낮은 대기에서 모든 작업을 수행하는 더 작은 노즐이 있는 9개의 Merlin 엔진과 우주 공간을 위한 훨씬 더 큰 노즐이 있는 Merlin 진공 엔진이 있는 첫 번째 단계를 가지고 있습니다.

대안적 접근

NASA의 우주 왕복선은 더 하이브리드 접근 방식을 취했습니다. 발사에서 궤도에 이르기까지 비행 프로필 전체에 걸쳐 불꽃이 튀는 주 엔진은 양쪽 끝에서 성능을 희생했습니다. 셔틀은 해수면에 있을 수 있을 만큼 큰 분화구를 갖게 되었고(이미 가장자리를 넘지 않고 흐름 분리의 경계를 넘었지만) 진공 상태에서 이상적으로는 훨씬 작습니다.

SpaceX 우주선의 상단은 두꺼운 대기와 우주를 비행하도록 설계되었습니다. 3개의 “해수면”과 3개의 “진공” Raptor 엔진을 비행하여 노즐 크기 수수께끼를 해결하는 것을 목표로 합니다. 목요일의 테스트는 진공 액츄에이터가 스타쉽 차량에 부착된 최초의 테스트였으며 테스트 발사였습니다.

투모로우즈 토크 온에서 내가 가장 좋아하는 장면 중 하나 트윗 퍼가기 이것은 셔틀 엔진의 스로틀링에 가깝습니까? 엔진이 최대 출력에 도달하기 전에 외부 공기 압력이 엔진 노즐로 강제되어 유동 분리가 불안정해집니다. 오리피스 굴곡을 참조하십시오. pic.twitter.com/vYXjUl7nTK

– 스콧 맨리(DJSnM) 2019년 1월 17일

Aerojet Rocketdyne에서 제조한 미국에서 가장 경험이 풍부한 엔진인 RL-10은 이 엔진의 노즐 크기가 목구멍보다 훨씬 크기 때문에 엄청난 팽창률을 가지고 있습니다. 따라서 이 모터는 대형 진공 챔버의 지상에서만 테스트할 수 있습니다. SpaceX 테스트는 목요일 외부 텍사스 남부에서 해수면에서 불과 몇 피트 떨어진 곳에서 수행되었습니다.

그렇다면 SpaceX는 어떻게 엔진을 파괴하지 않고 진공 강화 엔진 발사 테스트를 완료했을까요?

이 질문에 대해 SpaceX 설립자인 Elon Musk는 다음과 같이 말했습니다. 그는 트위터에서 말했다 회사는 극도로 높은 챔버 압력을 생성하는 랩터 엔진을 구축하여 문제를 해결했습니다. 모터는 아직 진공에 맞도록 완전히 최적화되지 않았기 때문에 흐름 분리가 불안정해지지 않도록 충분한 여유가 있었습니다.

이를 통해 SpaceX는 목요일에 아무 것도 날려 버리지 않고 테스트를 완료할 수 있었습니다.