스페이스X 로켓 엔진

SpaceX rocket engines
Merlin 1D 노즐에 식각된 채널은 재생 냉각을 통해 배기열이 용해되지 않도록 방지한다.

2002년 스페이스X 설립 이후 멀린, 케스트렐, 드라코, 슈퍼드라코 등 4개 계열의 로켓엔진을 개발했으며 현재(2016년 이후) 또 다른 로켓엔진인 랩터를 개발하고 있으며 2020년 이후에는 새로운 계열의 메톡스 추진기를 개발하고 있다.

역사

엔지니어 톰 뮬러가 이끄는 스페이스X의 첫 10년 동안, 이 회사는 다양한 액체 프로펠러 로켓 엔진을 개발했고, 그 중 적어도 한 종류는 개발 중에 있다.2012년 10월 현재, 현재까지 개발된 엔진 각각(Kestrel, Merlin 1, Draaco 및 Super Draaco)은 스페이스X 출시 차량인 Falcon 1, Falcon 9 및 Falcon Haven에서 처음 사용하기 위해 또는 드래곤 캡슐용으로 개발되었다.[1]2012년까지 개발된 각 주 엔진은 등유 기반 엔진으로, RCS 제어 추진 엔진은 저장 가능한 쌍곡 추진체를 사용했으며, LOX를 연료로 RP-1을 사용해 왔다.

2012년 11월, 영국 런던에서 열린 영국 왕립항공학회 회의에서 스페이스X는 미래의 로켓을 위한 메탄 기반의 엔진을 개발할 계획이라고 발표했다.이 엔진들은 구소련의 NK-33 엔진에 사용된 시스템과 유사한 높은 효율을 위해 단계별 사이클 연소를 사용할 것이다.[2][needs update]

스페이스X는 2015년 중반까지 회사 창립 13년 동안 총 9개의 로켓 엔진 아키텍처를 개발했다.[3]

등유 기반 엔진

스페이스X는 2013년까지 등유 기반 엔진 2종인 멀린 1호와 케스트렐을 개발했으며, 멀린 2라는 훨씬 큰 개념의 엔진 고수준 설계를 공개적으로 논의해왔다.멀린 1호는 팰컨 1호 발사차량의 1단 동력원으로 팰컨 9호와 팰컨 헤비 발사차량의 1, 2단 모두에 사용된다.팰컨 1초 단계는 케스트렐 엔진에 의해 작동되었다.

멀린 1호

주요 기사:멀린(로켓 엔진 제품군)
스페이스X 맥그리거 테스트 스탠드에서 멀린 1D 테스트 발사

멀린 1호는 2003~2012년 개발된 LOX/RP-1 로켓 엔진 제품군이다.Merlin 1A와 Merlin 1B는 애블링 냉각 탄소 섬유 복합 노즐을 활용했다.멀린 1A는 추력 340킬로와트(7만6000lbf)를 생산해 2006년과 2007년 처음 두 차례 팰컨 1호기의 1단계를 가동하는 데 이용됐다.멀린 1B는 다소 강력한 터보펌프를 탑재해 추력을 더 많이 냈지만 스페이스X가 멀린 1C로 이동하기 전에는 비행기로 비행한 적이 없다.

2014년 4월 SLC-40 격납고에서 Falcon 9 v1.1 발사 차량에 탑재된 Merlin 1D 로켓 엔진

Merlin 1C는 재생 냉각 노즐과 연소실을 사용한 최초의 제품군이었다.먼저 세번째 매 1임무에 8월 2008,[5]의"먼저privately-developed 액체 연료 로켓이 성공적으로 궤도에 도달하기"(송골매 1편 4)전력 9월 2008,[5]에, 그 후에 첫번째 5팰컨 9호 비행 — 각 버전 1.0팔콘과 함께 힘차게 날아갔다 그것은 완전한 임무 의무 사격과 2007,[4]에 해고되었다. 9발사 2010년부터 2013년까지의 [6]차량

2011-2012년에 개발된 Merlin 1D에는 재생 냉각 노즐과 연소실도 있다.진공 추력 690kN(15만5000lbf), 진공 특정 임펄스(Isp) 310초, 팽창비 16(머린 1C의 이전 14.5와 반대), 챔버 압력 9.7MPa(1,410 psi)이다.엔진의 새로운 특징은 100%에서 70%[7]까지 조절할 수 있다는 것이다.엔진의 추력 대 중량비 150:1은 로켓 엔진으로는 역대 최고 수준이다.[8][9]멀린 1D 엔진의 첫 비행은 역시 처녀 비행인 팔콘 9 v1.1이었다.[10]2013년 9월 29일, Falcon 9 Flight 6 미션은 성공적으로 캐나다 우주국의 CASIOPE 위성을 극궤도로 쏘아 올렸고, Merlin 1D가 다시 시작되어 스페이스X 재사용 발사 시스템 비행 시험 프로그램의 일부인 대기권 재진입을 제어할 수 있다는 것을 증명했다.재사용할 수 [11]있는

케스트렐

주요기사 : 케스트렐(로켓엔진)

케스트렐은 LOX/RP-1 압력식 로켓 엔진으로, 스페이스X에 의해 팰컨 1 로켓의 2단계 주 엔진으로 개발되었으며, 2006-2009년에 사용되었다.스페이스X의 멀린 엔진과 같은 핀틀 구조를 중심으로 제작되었지만 터보펌프가 없으며 탱크 압력만으로 급유된다.그것의 노즐은 챔버에서 열렬하게 냉각되었고 목에서 방사적으로 냉각되었으며, 고강도의 니오비움 합금으로 제조되었다.스러스트 벡터 컨트롤은 피치 및 요(Yaw)를 위해 엔진 돔의 전기 기계식 액추에이터에 의해 제공된다.롤 컨트롤 – 코스트 단계 중 자세 제어는 헬륨 냉간 가스 추진기에 의해 제공된다.[12][13]

메탄 기반 엔진

2012년 11월 스페이스X 최고경영자(CEO) 일론 머스크가 메탄/LOX 로켓 엔진 개발이라는 새로운 추진 방향을 발표하면서 메탈록스 엔진이 등장했다.[2]스페이스X는 메탄/LOX(메탄/LOX) 엔진에 대한 작업을 철저히 하기 위한 것으로, 회사의 화성 기술 개발 프로그램을 지원하기 위한 것이다.메탈록스 추진체를 이용해 팰컨 9나 팰컨 헤비급 엔진을 만들 계획은 없었다.[14]그러나 2018년 11월 7일 일론 머스크는 트위터에 "팔콘 9단 2단이 미니 BFR 선박처럼 업그레이드될 것"이라고 적어 새로운 2단계의 랩터 엔진 사용을 암시할 수도 있다.새로운 엔진 개발 프로그램의 초점은 화성에 초점을 맞춘 임무를 위한 풀사이즈 랩터 엔진에만 있다.[14]

랩터

주요 기사: 랩터(로켓 엔진 제품군)
2016년 9월 25일 텍사스 주 맥그리거에서 랩터 개발 엔진의 첫 시험 발사

랩터(Raptor)는 2000년대 후반부터 스페이스X가 개발 중인 메탄/액체 산소 로켓 엔진 계열로, LH2/LOX 추진제 혼합물은 원래 2009년 랩터 개념 개발 작업이 시작되면서 연구 중이었으나,[2] 2000년대 후반부터 스페이스X가 개발 중인 엔진이다.[15]2009년 스페이스X가 처음 언급했을 때 상층 엔진 개념에 대해서만 Raptor라는 용어를 적용했다.[2]스페이스X는 2013년 10월 메탄에 기반한 랩터 로켓 엔진 제품군을 건설할 계획이라고 논의한 바 있다.[16] 처음에 이 엔진은 2.94메가뉴턴(66만1000lbf) 진공 추력을 달성할 것이라고 발표했다.[16]2014년 2월, 그들은 화성 식민 트랜스포터에 랩터 엔진이 사용될 것이라고 발표했다.부스터는 각 Falcon 9 부스터 코어에 9개의 Merlin 1s를 사용하는 것과 유사한 다중 Raptor 엔진을 사용할 것이다.[17]다음 달 스페이스X는 2014년 3월 현재 모든 랩터 개발 작업이 이 단일 대형 로켓 엔진에 독점적으로 적용되고 있으며, 현재 개발 믹스에 더 작은 랩터 엔진은 없다는 사실을 확인했다.[14]

랩터 메탄/LOX 엔진은 현재 멀린 1 엔진 시리즈에서 사용되는 오픈 가스 발전기 사이클 시스템과 LOX/케로센 추진체에서 이탈하여 효율성이 높고 이론적으로 더 신뢰할 수 있는 풀 플로우 단계 연소 사이클을 사용한다.[17][2]2014년 2월 현재 Raptor의 예비 설계에서는 진공 특정 임펄스(Isp) 363초(3.56km/s) 및 해수면 I 321초sp(3.15km/s)의 추력 4.4 메가뉴턴(100만lbf)을 생성하는 것을 검토했지만,[17][18] 이후 개념 크기는 2.2 MN(50만lbf)에 가까웠다.

Raptor 기술에 대한 초기 부품 레벨 테스트는 2014년 5월에 시작되었으며, 인젝터 소자 테스트가 실시되었다.[16][19]약 1,000kN(220,000lbf)의 추진력으로 우주선 각지에서 사용하기로 계획한 풀스케일 엔진의 약 1/3 크기인 최초의 완전한 랩터 개발 엔진은 2016년 9월 지상 시험대에서 시험을 시작했다.시험 노즐은 지구 대기에서 시험하는 동안 유량 분리 문제를 제거하기 위해 팽창비가 150에 불과하다.[20]

랩터의 풀 플로우 단계 연소 주기는 산소 터빈 펌프에 동력을 공급하기 위한 산화제(연료비율이 낮음)의 100%, 메탄 터빈 펌프에 동력을 공급하기 위한 연료(산소비율이 낮음)의 100%를 통과하게 된다.산화기와 연료인 두 스트림은 연소실로 들어가기 전에 완전히 가스 단계에 있을 것이다.2016년 이전에는 테스트 스탠드에서 시험할 수 있을 정도로 풀 플로우 단계 연소 로켓 엔진 2개만 진행되었던 적이 있었는데, 1960년대 소련 RD-270 프로젝트와 2000년대 중반의 에어로젯 로켓디네 통합 파워헤드 실증 프로젝트였다.[17][20]

풀 플로우 설계의 다른 특성은 성능이나 신뢰성을 더욱 증가시킬 것으로 예상되며, 설계 트레이드오프(Transaction off)를 다른 것과 비교할 수 있다.[17]

  • 현대 화학 로켓 엔진에서 전통적으로 고장 난 지점인 연료-유연제 터빈 간극 제거
  • 펌핑 시스템을 통해 압력을 낮춤으로써 수명을 늘리고 치명적인 고장의 위험을 더욱 줄여야 함
  • 연소실 압력을 증가시켜 전체적인 성능을 향상시키거나 "냉각기 가스를 사용함으로써 표준 단계 연소 엔진과 동일한 성능을 제공하지만 재료에 대한 스트레스가 훨씬 적기 때문에 재료 피로나 [엔진] 중량을 현저히 감소시킨다."[17]

메톡스 추진기

스페이스X는 랩터 엔진이 사용하는 액체 메탄과 액체 산소(메탈ox) 추진체 대신 기체 메탄과 기체 산소를 활용할 기체 메톡스 추진기를 개발하고 있다.

일론 머스크는 2016년 9월 27일 제67차 국제우주비행대회(International Spaceial Conference)에서 발표한 '국제우주항공우주국(ITS)'의 대응제어 시스템 추진기(후속 명칭은 스타십으로 변경됨)를 모두 해당 차량의 가스성 메탄과 산소 공급에서 작동시킬 것이며, 그 새로운 것을 시사했다.스러스터는 그 목적을 위해 개발될 것이다.[21][22][23]

2020년까지, 고러스트 메톡스 RCS 추진기 1세트는 우주선 HLS 달 착륙 우주선 변종에서 몸 가운데에 위치할 계획이었고,[24] 모든 말단 달 하강과 착륙의 최종 "tens of methods" 동안 사용될 뿐만 아니라 달 표면에서 출발하는 데 사용될 것이다.[24]: 50:30 중체 디자인은 특히 스타쉽의 기저에 위치한 랩터 엔진의 사용으로 인한 달 표면 침식과 달 폭의 먼지 생성 문제를 해결하기 위한 것이다.

쌍곡선 엔진

슈퍼드라코 시험발사 모자이크

드라코

주요 기사:드래코(로켓 엔진 제품군)

드라코는 모노메틸 하이드라진 연료와 질소 테트로크사이드 산화제를 혼합해 사용하는 쌍곡선 액체 프로펠러 로켓 엔진이다.각 Draco 추진기는 400뉴턴(90파운드f)의 추진력은 90파운드힘이다.[25]이들은 드래곤 우주선과 팰컨 9호 발사체 2단 모두에서 반응 제어 시스템(RCS) 추진기로 사용된다.[26]

슈퍼드라코

주요 기사:슈퍼드라코

슈퍼드레이코 저장성 쌍곡선 엔진은 6만7000뉴턴(1만5000lbf)의 추력을 발생시켜 스페이스X가 개발한 세 번째로 강력한 엔진으로 일반 드레이코 RCS 추진 엔진보다 200배[27] 이상 강력하다.이에 비해 스페이스X의 팰컨 1호 발사체 2단계에 사용된 케스트렐 엔진의 2배 이상, 멀린 1D 엔진의 추진력 약 1/9에 달한다.그들은 낮은 지구 궤도로의 승무원 수송을 위해 스페이스X 드래곤 2의 Launch Abort System 엔진으로 사용된다.[28]

참고 항목

참조

  1. ^ Morrison, Sara (2020-05-26). "There's a lot riding on Wednesday's SpaceX launch". Vox. Retrieved 2020-05-27.
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  3. ^ "SpaceX Prepared Testimony by Jeffrey Thornburg". SpaceRef.com. 26 June 2015. [SpaceX develops] all of our engines in-house and in the United States. The company is currently on its fourth generation of booster engines, which have included the Merlin 1A, the Merlin 1B, the Merlin 1C, and the Merlin 1D. In addition, we have developed the Kestrel vacuum engine, the Merlin 1C vacuum engine, and the Merlin 1D vacuum engine for our second stages on Falcon 1, Falcon 9 and Falcon Heavy. SpaceX has also developed Draco and SuperDraco engines which provide in-space and abort propulsion capability for Dragon ... We are also moving forward with significant R&D on a next generation rocket engine Raptor. ... SpaceX has successfully developed the 9 rocket engines mentioned above in the past 13 years.
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외부 링크