rechts|mini|Raptor beim ersten Test
Das Raptor ist ein Flüssigkeitsraketentriebwerk des Raumfahrtunternehmens SpaceX. Es soll Raketenstufen mit hoher Antriebseffizienz und bis zu 1000-facher Wiederverwendbarkeit ermöglichen (Planungsstand 2017Loren Grush: SpaceX’s planned Mars rocket will be reused 1,000 times. The Verge, 27. September 2016.Patrick Blau: Interplanetary Transport System – Booster. Spaceflight 101, abgerufen am 30. Dezember 2020.Elon Musk: Making Humans a Multi-Planetary Species. New Space, Band 2, Heft 2/2017, Seite 56.) und damit die Entwicklung einer vollständig wiederverwendbaren Großrakete mit sehr niedrigen Kosten pro Start.Mike Wall: SpaceX’s Starship May Fly for Just $2 Million Per Mission, Elon Musk Says. Space.com, 6. November 2019: „Each flight of SpaceX's big Mars-colonizing spacecraft will have a very small price tag, if all goes according to plan.“ mini|300x300px|Raptor-Triebwerke beim ersten Testflug der Starship-Rakete (20. April 2023) Die Entwicklung des Triebwerks begann in den frühen 2010er Jahren als Teil von Raketenentwürfen zur Marskolonisation. Das daraus hervorgegangene Starship mit 33 Raptoren in der ersten und 9 in der zweiten Stufe wird seit 2019 Flugtests mit Raptor-Vorserientriebwerken unterzogen.
Technik mini|Potentielle Methanquellen (CH4) auf dem Mars
Treibstoff Treibstoffart mini|Verbrennungsreaktion von Methan. Durch den Sabatier-Prozess könnte hierbei genauso viel Kohlendioxid entstehen, wie zuvor zur Herstellung des Methans aus der Atmosphäre absorbiert wurde.
In der Konzeptionsphase war zunächst flüssiger Wasserstoff und Flüssigsauerstoff (liquid oxygen, LOX) als Treibstoffmischung ins Auge gefasst worden. Unter anderem wegen der von SpaceX angestrebten bemannten Marsflüge legte sich das Unternehmen dann auf flüssiges Methan und flüssigen Sauerstoff fest. Methan kann auf dem Mars prinzipiell durch den Sabatier-Prozess gewonnen werden und könnte somit auch als Treibstoff für eine Rückreise vom Mars verwendet werden, müsste also nicht bereits auf der Hinreise mitgeführt werden. Genutzt werden soll beim Sabatier-Prozess Kohlendioxid, das den Hauptbestandteil der Mars-Atmosphäre bildet, und Wasser aus den auf dem Mars nachgewiesenen Wassereisvorkommen. Die Energie für den Prozess möchte SpaceX mit einem Solarkraftwerk gewinnen.SpaceX: how Elon Musk plans to power Mars' space-age fuel depots. Inverse, 15. Oktober 2019. Bisher verwendet bzw. verwendete SpaceX für seine Raketentriebwerke (Merlin und Kestrel) Raketenkerosin (RP-1) und Flüssigsauerstoff.
Deep Cryo Wie auch schon bei den Merlin-Triebwerken benutzt SpaceX den Treib- und Sauerstoff in tief-kryogener Form (engl. deep cryo), womit gemeint ist, dass die Stoffe deutlich unter den Kondensationspunkt gekühlt werden, um eine höhere Energiedichte zu erhalten und so die Schubkraft der Triebwerke zu erhöhen. So wird beispielsweise Sauerstoff auf ungefähr −205 °C statt der für die Kondensation benötigten −182,9 °C gekühlt. Laut eigenen Angaben von SpaceX kann der Brennkammerdruck des Raptors durch diese Technik von ungefähr 250 bar auf 300 bar erhöht werden. Allerdings ist erst Raptor V2 dazu in der Lage, tief-kryogenen Treibstoff effizient zu nutzen.
Klimaneutralität Im Dezember 2021 gab SpaceX bekannt, dass das für die Rakete benötigte Methan nicht nur auf dem Mars, sondern auch auf der Erde mit Hilfe des Sabatier-Prozesses aus dem CO2 der Atmosphäre gewonnen werden soll. Damit würde der Treibstoff bei der Verbrennung genauso viel CO2 erzeugen, wie vorher zur Herstellung aus der Atmosphäre absorbiert wurde, und die Starship-Rakete könnte dadurch, vom Herstellungsprozess abgesehen, nahezu klimaneutral fliegen. Dies gilt nur unter der Voraussetzung, dass auch die Energie, die für den Sabatier-Prozess benötigt wird, aus klimaneutralen Quellen stammt. Das Gleiche gilt für den Energiebedarf der Kühlung des Flüssigsauerstoffs und sonstiger Verbraucher. Hierfür sind noch keine veröffentlichten Daten bekannt.
Schubkraft Tom Mueller, vormals SpaceX-Vizepräsident für Triebwerksentwicklung, teilte im Februar 2014 mit, das Raptor-Triebwerk sei für einen Schub von 4500 kN konzipiert worden. Im Vergleich hierzu habe das aktuelle Triebwerk Merlin 1D einen Schub von 689 kN. Der spezifische Impuls soll auf Meereshöhe 321 s und 363 s im Vakuum betragen. Zur Veranschaulichung: Mit der anvisierten Schubkraft von 4500 kN eines Antriebs könnte am Boden (Startrampe) eine Masse von rund 460 Tonnen angehoben werden (inklusive der Masse des Raptor-Triebwerks selbst und der anteiligen Masse der mitgeführten Treibstoffe für diesen Antrieb). Mit 68 solcher Triebwerke könnte man also theoretisch den Berliner Fernsehturm (rund 31.000 Tonnen) anheben. Je geringer die tatsächliche Masse der Rakete pro Triebwerk, desto höher ist letztlich die zum Beschleunigen verbleibende Kraft des Triebwerks. Die bisher erreichbaren Schubkräfte liegen aber noch ein ganzes Stück unter diesem Ziel:
Im September 2016 stellte Elon Musk das Projekt Interplanetary Transport System (ITS) mit 42 Raptor-Triebwerken vor. Der Schub wurde mit 3500 kN auf Meereshöhe angegeben.
Am 29. September 2017 stellte Elon Musk auf dem International Astronautical Congress (IAC) in Adelaide ein dem ITS ähnliches, kleineres Raumfahrtsystem vor, das vorläufig BFR (Big Falcon Rocket) genannt wurde. Die Startrakete soll über 31 Raptor-Triebwerke verfügen. Diese sollten zusammen einen Schub von 5400 Tonnen für die maximal 4400 Tonnen schwere BFR erzeugen. Einige dieser Triebwerke dürften demnach so wie bei der Falcon 9 auch als Landetriebwerke der Erststufe fungieren.
Seit Januar 2022 erreicht das Raptor-Triebwerk routinemäßig 245 Tonnen bzw. 2400 kN Schubkraft bei 300 bis 321 bar Brennkammerdruck. Dieser Wert liegt damit bei reichlich der Hälfte des oben genannten Designziels von 4500 kN.
Vollstromvorverbrennung mini|hochkant|Raptor V1 Bei den meisten gängigen Nebenstromtriebwerken wird ein Teil des Treibstoffs und des Oxydators abgezweigt, in einer Nebenbrennkammer meist in einer treibstoffreichen Mischung verbrannt (was die Gase weniger heiß und es somit einfacher macht, sie über Leitungen weiter zu führen) und das so entstehende Gas als Arbeitsmedium für die Turbopumpen benutzt, die wiederum die jeweiligen Stoffe in die Hauptbrennkammer einspritzen. Das treibstoff- oder sauerstoffreiche Gas, dessen chemische Energie zu diesem Zeitpunkt nicht vollständig aufgebraucht ist, wird über einen Auspuff über Bord ausgestoßen und trägt nicht weiter zur Schuberzeugung in der Düse bei.
Bei Hauptstromtriebwerken wird dies vermieden, indem das Arbeitsgas nach Passieren der Turbinen wieder zurück in die Hauptbrennkammer geleitet wird, wo es an der Verbrennung teilnimmt und die chemische Energie vollständig zur Schuberzeugung genutzt wird.
Bei der Teilstromvorverbrennung gibt es hierbei lediglich eine Turbine, die beide auf der gleichen Welle sitzenden Pumpen antreibt, und dabei entweder Sauerstoff mit einer geringen Menge Treibstoff oder andersherum Treibstoff mit einer geringen Menge Sauerstoff nutzt.
Bei der Vollstromvorverbrennung (engl. full flow staged combustion cycle), zu denen auch das Raptor-Triebwerk zählt, gibt es zwei Turbinen: Eine, die Treibstoff mit einem kleinen Anteil Sauerstoff verbrennt, um die Treibstoffpumpe anzutreiben, und eine, die Sauerstoff mit einem kleinen Anteil Treibstoff verbrennt, um die Sauerstoffpumpe anzutreiben. Dadurch, dass es zwei Turbinen bei jeweils gleichbleibendem Massestrom gibt, können die Turbinen zusammen mehr Leistung für die Pumpen erbringen. Die Pumpen können schließlich den Druck in der Brennkammer und damit den spezifischen Impuls des Triebwerks erhöhen. Eine weitere Möglichkeit ist, die Kraft der Turbinen zu senken, da zwei zusammen nur noch so viel Leistung erbringen müssen, wie vorher eine einzelne. Hierdurch lässt sich der Druck und die Temperatur in den Turbinen und somit auch der Abrieb verringern, was wichtig ist, da Wiederverwendbarkeit ein Schlüsselkonzept der Starship-Rakete ist. Eine dritte Möglichkeit, die auch in den Raptor-Triebwerken verwendet wird, ist eine Mischung aus beiden Verfahren, bei der die Leistung (und somit der Abrieb) der einzelnen Turbinen zwar gesenkt wird, aber nur so weit, dass beide Turbinen zusammen immer noch mehr Leistung erzeugen, als zuvor eine einzelne. Somit hat man sowohl eine höhere Leistung als auch einen geringeren Abrieb. Die Effizienz der Triebwerke erhöht sich zusätzlich dadurch, dass Treibstoff und Sauerstoff gasförmig, statt wie bei herkömmlichen Triebwerken flüssig, in die Brennkammer geleitet werden, was die Reaktionszeit der beiden Stoffe verringert.
Das Raptor-Triebwerk ist das erste Vollstromvorverbrennungstriebwerk, das die Testphase verlassen und den Weltraum erreicht hat. Dass zuvor kein solches Verfahren bis zur Einsatzreife gebracht wurde, lag unter anderem an dem hohen technischen Aufwand für den gleichzeitigen Betrieb zweier Vorbrenner und Turbopumpen. Zudem beherrschten bislang nur russische Ingenieure die nötige Metallurgie, um die Vorbrennkammer und die abgehenden Leitungen vor sauerstoffreichem und damit sehr reaktivem heißem Gas zu schützen (siehe RD-270-Triebwerk). SpaceX löste dieses Problem durch die Entwicklung der neuen Superlegierungen SX300 und SX500. Laut Musk ist SX500 dazu in der Lage, heißes sauerstoffreiches Gas bei ungefähr 825 bar zu handhaben. Da sich nicht jeder Treibstoff (wie z. B. Kerosin) nach einer treibstoffreichen Verarbeitung im Vorbrenner weiterverwenden lässt, verwendet SpaceX (neben weiteren Gründen) Methan statt Kerosin als Treibstoff.
Drosselung Nachdem im Frühjahr 2021 bereits mehrere Starship-Raketen bei der Landung aufgrund von Triebwerksausfällen explodiert waren, kündigte SpaceX an, die Drosselung der Triebwerke zu verstärken. Hierdurch soll erreicht werden, dass die Triebwerke ihre Leistung so weit drosseln können, dass es bei der Landung möglich ist, gleich mehrere Triebwerke zu zünden und somit eine Triebwerks-Redundanz bei Ausfällen besteht. Das Drosseln ist für das Verwenden mehrerer Triebwerke bei der retropropulsiven Landung nötig, da die Triebwerke sonst zu viel Schub erzeugen und die Rakete so wieder aufwärts beschleunigt, anstatt die Rakete nur für die Landung abzubremsen.
Die Leistung soll hierbei um ungefähr 50 % gedrosselt werden, falls nötig maximal auf 25 %, was aufgrund des hohen Aufwands der technischen Umsetzung allerdings möglichst vermieden werden soll. Einschränkende Gesichtspunkte sind hierbei nach eigenen Angaben der Vorbrenner sowie ein möglicher Flammabriss.
Varianten RVac Das Raumschiff, die Zweitstufe der BFR-Rakete, sollte über zwei verschiedene Raptor-Triebwerke verfügen: Zwei Landetriebwerke mit einem Durchmesser von 1,3 m und einem Schub von je 1700 kN auf Meereshöhe. Der spezifische Impuls sollte 330 s auf Meereshöhe und 356 s im Vakuum betragen. Die vier Vakuum-Triebwerke (Raptor Vacuum oder auch RVac) sollten einen Schub von je 1900 kN haben. Spezifischer Impuls: 375 s. Der Durchmesser der Austrittsdüse hätte 2,4 m betragen.
In der zweiten Jahreshälfte 2018 wurden das Design des Raumschiffs geändert und das Triebwerk „grundlegend überarbeitet“ (radically redesigned). Es soll zunächst nur noch eine Raptor-Variante mit 2000 kN Schub für die gesamte BFR verwendet werden. Später soll der Schub der Erststufentriebwerke auf 2500 kN gesteigert werden, während im Raumschiff eine Vakuum-Variante mit mindestens 380s spezifischem Impuls zum Einsatz kommen soll.
Im Mai 2019 ging SpaceX zum ursprünglichen Entwurf zurück, in dem das Raumschiff von Anfang an eine für das Vakuum und eine für die Meereshöhe optimierte Triebwerksvariante erhalten soll. Diesmal sollen von beiden Varianten jeweils 3 Triebwerke benutzt werden. Im Dezember 2021 wurde diese Entscheidung erneut überarbeitet und bekannt gegeben, dass die obere Stufe von nun an mit 6 RVac-Triebwerken und 3 für die Meereshöhe optimierten Triebwerken konzipiert sei.