Το Raptor Engine του SpaceX Vs. Το BE-4 της Blue Origin

Η Γη είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι πιστεύουν οι περισσότεροι άνθρωποι. Πρέπει να χρησιμοποιήσετε κινητήρες εάν θέλετε να πλοηγηθείτε αποτελεσματικά σε μεγάλα τμήματα του πλανήτη. Τα πάντα, από αυτοκίνητα μέχρι αεροπλάνα, βασίζονται σε κινητήρες, αλλά χρησιμοποιούν διαφορετικούς τύπους καυσίμων. Ορισμένα λειτουργούν με φυσικό αέριο ενώ άλλα χρησιμοποιούν καθαρό ηλεκτρικό ρεύμα. Ωστόσο, οι περισσότεροι από αυτούς τους κινητήρες είναι εντελώς άχρηστοι όταν πρέπει να ταξιδέψετε (και στη συνέχεια να πλοηγηθείτε στο) το διάστημα.

Το μεγαλύτερο εμπόδιο που πρέπει να ξεπεράσουν οι αστροναύτες προτού τολμήσουν στο διάστημα είναι να ξεφύγουν από τη βαρυτική έλξη της Γης. Μόνο οι πιο ισχυροί κινητήρες που εκτοξεύουν ουρές φλόγας μπορούν να εκτελέσουν αυτήν την εργασία. Και ακόμη και όταν τελειώσει αυτή η δουλειά, τα πυραυλικά πλοία και τα διαστημικά λεωφορεία χρειάζονται ένα διαφορετικό σύνολο κινητήρων που μπορούν να λειτουργήσουν στο κρύο, κενό χώρο χωρίς οξυγόνο για να φτάσουν στον προορισμό τους. Οι μηχανικοί έχουν τελειοποιήσει αυτούς τους κινητήρες διαστημόπλοιων για να τους κάνουν πιο ισχυρούς και αποτελεσματικούς από τα μέσα της δεκαετίας του 1950.

Οι επιστήμονες έχουν κάνει μερικά εντυπωσιακά άλματα στην τεχνολογία, αλλά οι κινητήρες που είναι στα χείλη όλων σήμερα είναι οι SpaceX Raptor και Blue Origin BE-4. Αυτοί είναι μερικοί από τους ισχυρότερους κινητήρες πυραύλων που διατίθενται αυτήν τη στιγμή και κατασκευάστηκαν από εταιρείες που ιδρύθηκαν από δύο από τους πιο ισχυρούς άνδρες στον κόσμο – το εικονίδιο της βιομηχανίας Έλον Μασκ και τον δισεκατομμυριούχο της Amazon, Τζεφ Μπέζος. Αυτές οι ιδιωτικές εταιρείες μεταφέρουν την ανθρωπότητα στο διάστημα με τα φτερά ισχυρών κινητήρων επόμενης γενιάς, αλλά είναι ένας πύραυλος απλώς ένας πύραυλος; Οι διαφορές μεταξύ του Raptor και του BE-4 είναι τεράστιες και λεπτές.

Το Raptor της SpaceX και το BE-4 της Blue Origin είναι βασικά δύο εκδόσεις του ίδιου σχεδίου πυρήνα: του πυραυλοκινητήρα. Οι κινητήρες Raptor του SpaceX βρίσκονται σε ανάπτυξη από τα τέλη της δεκαετίας του 2000 και σχεδιάζονται να τροφοδοτήσουν το εύστοχα ονομαζόμενο Starship του SpaceX, καθώς και το σύστημα εκτόξευσης του, που ονομάζεται Super Heavy. Όχι μόνο οι κινητήρες Raptor είναι σχεδιασμένοι για επαναχρησιμοποίηση, αλλά ο Έλον Μασκ σκοπεύει αυτά τα μηχανήματα να ταξιδεύουν τόσο κοντά όσο η Σελήνη και μέχρι τον Άρη. Με την τεχνολογία να εξελίσσεται, μόνο ο χρόνος θα δείξει εάν το Raptor μπορεί να ανταγωνιστεί τους πιο πρόσφατους κινητήρες που βγαίνουν από τη Ρωσία.

Το BE-4 της Blue Origin γεμίζει την ίδια θέση με το Raptor. Όπως ο κινητήρας πυραύλων, ο BE-4 έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί τόσο με οχήματα εκτόξευσης όσο και με ενισχυτές και προορίζεται να είναι χαμηλού κόστους και να χρησιμεύει ως επαναχρησιμοποιήσιμος πύραυλος. Ο Τζεφ Μπέζος ισχυρίζεται ότι κάθε BE-4 θα μπορεί να εκτοξεύσει έως και 100 αποστολές. Η πρώτη βασική διαφορά μεταξύ του Raptor και του BE-4 είναι η προγραμματισμένη διαθεσιμότητα. Ενώ ο Μασκ θέλει οι κινητήρες του να παραμείνουν ιδιόκτητοι και να υπηρετούν σε οχήματα SpaceX, ο Μπέζος σχεδιάζει το BE-4 να είναι εμπορικά διαθέσιμο. Αρκετά BE-4 τροφοδοτούν τον ενισχυτή New Glenn της Blue Origin και την United Launch Alliance – μια συνεργασία μεταξύ της Lockheed Martin και της Boeing – χρησιμοποιούν επίσης το BE-4 για το όχημα εκτόξευσης Vulcan.

Όταν πυροβολούν, οι πυραυλοκινητήρες χτυπούν τους επιβάτες στις θέσεις τους με τόσο συντριπτική δύναμη που οι περισσότεροι άνθρωποι λιποθυμούν από την πίεση. Ωστόσο, δεν κατασκευάζονται όλοι οι πύραυλοι με τον ίδιο τρόπο, επομένως η ώθηση – ή η ποσότητα της παραγόμενης ισχύος – είναι ελαφρώς διαφορετική, όπως σε κάθε δύο κινητήρες αυτοκινήτων διαφορετικού σχεδίου αλλά παρόμοιου σκοπού. Ο κινητήρας Raptor έχει σχεδιαστεί για να δημιουργεί ώθηση 507.000 pound-force (lbf). Εν τω μεταξύ, το Blue Origin BE-4 παράγει 550.000 lbf.

Σύμφωνα με τα ακατέργαστα δεδομένα παραγωγής (όπως ισχυρίζονται οι κατασκευαστές), ο BE-4 είναι ο ισχυρότερος από τους δύο κινητήρες, αλλά όχι με σημαντική διαφορά. Κάθε διαστημόπλοιο χρησιμοποιεί διαφορετικό αριθμό κινητήρων. Ενώ ένας μεμονωμένος κινητήρας BE-4 έχει καλύτερη απόδοση από έναν μεμονωμένο κινητήρα Raptor, ο ενισχυτής πρώτης φάσης SpaceX Super Heavy έχει μεγαλύτερη συνολική ώθηση επειδή χρησιμοποιεί 33 κινητήρες Raptor για να παρέχει εκρηκτική ώθηση 16,7 εκατομμυρίων λιβρών. Αντίθετα, το σχετικά περιορισμένο σύνολο επτά κινητήρων BE-4 του New Glenn παράγει 3,85 εκατομμύρια λίβρες ώθησης για τον ενισχυτή του.

Φυσικά, οι ακατέργαστοι αριθμοί δεν είναι το παν. Για να είναι επαναχρησιμοποιήσιμοι, και οι δύο κινητήρες πρέπει να έχουν την ικανότητα να προσγειώνονται σε ασυνήθιστες επιφάνειες. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως «βαθύ γκάζι» και είναι ζωτικής σημασίας για ομαλή προσγείωση. Η παροιμία “κάθε προσγείωση από την οποία μπορείτε να απομακρυνθείτε είναι καλή” δεν ισχύει ακριβώς όταν ελπίζετε να επαναχρησιμοποιήσετε διαστημόπλοιο.

Τα καύσιμα είναι τέτοια που πολλοί άνθρωποι μεταβαίνουν σε ηλεκτρικά οχήματα (ελέγοντας παράλληλα την αξιοπιστία τους). Ωστόσο, οι πυραυλοκινητήρες απαιτούν πολύ διαφορετική πηγή καυσίμου και στυλ καύσης από τους τυπικούς κινητήρες.

Ο κινητήρας SpaceX Raptor λειτουργεί με ένα υπόψυκτο μείγμα υγρού μεθανίου (CH4) και υγρού οξυγόνου, το οποίο έχει υψηλό σημείο βρασμού και δεν είναι ούτε τοξικό ούτε διαβρωτικό, καθιστώντας το ασφαλέστερο και πιο απλό στην αποθήκευση από τα συμβατικά καύσιμα. Οι φοιτητές μηχανικών σχεδίασαν και κατασκεύασαν ακόμη και ένα έργο πυραύλων μεταπτυχιακού επιπέδου που τροφοδοτείται από το θαυματουργό methalox. Το Blue Origin BE-4, αντίθετα, χρησιμοποιεί συνδυασμό υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) και υγρού οξυγόνου.

Οι κινητήρες Raptor χρησιμοποιούν σταδιακή καύση πλήρους ροής και ο BE-4 μια σταδιακή καύση πλούσια σε οξυγόνο. Και οι δύο είναι μορφές «σταδιακής καύσης», όπου το προωθητικό κυκλοφορεί μέσα από πολλούς θαλάμους και καίγεται σταδιακά. Αυτή η μέθοδος είναι μηχανικά πολύπλοκη, μετατρέποντας το διαστημικό καύσιμο σε εκπληκτικά επίπεδα ώσης, μαζί με υψηλή πίεση και καύση καυσαερίων. Οι πλούσιοι σε οξυγόνο κύκλοι καύσης καίνε μια μικρή ποσότητα καυσίμου μαζί με μια μεγάλη ποσότητα οξειδωτικού στον προκαυστήρα. Αντίθετα, ένας κινητήρας πλήρους ροής έχει πολλαπλούς προκαυστήρες: έναν για τον πλούσιο σε οξυγόνο κύκλο καύσης και έναν άλλο για την καύση μικρής ποσότητας οξειδωτικού με πολύ καύσιμο. Ενώ είναι πιο περίπλοκοι από τους κινητήρες κλιμακωτής καύσης πλούσιους σε οξυγόνο, οι κινητήρες σταδιακής καύσης πλήρους ροής λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και χαμηλότερες πιέσεις, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Καθώς οι πυραυλοκινητήρες είναι, λοιπόν, πύραυλοι, κινούνται εκτοξεύοντας αναμμένο καύσιμο. Οι υψηλότερες πιέσεις εντός του θαλάμου καύσης αποδίδουν πιο αποτελεσματική απόδοση. Ο κινητήρας Raptor έχει πιθανώς την υψηλότερη πίεση θαλάμου από οποιονδήποτε κινητήρα πυραύλων. Το 2019, οι κινητήρες πέτυχαν πίεση θαλάμου 257 bar, που ισοδυναμεί με πάνω από 3.700 λίβρες δύναμης ανά τετραγωνική ίντσα (psi). Το 2023, αυτό το ρεκόρ εξαλείφθηκε από το Raptor V3, το οποίο πέτυχε 350 bar (πάνω από 5.000 psi). Συγκριτικά, το BE-4 υστερεί με ένα ολοένα διευρυνόμενο περιθώριο. Το 2016, το BE-4 πέτυχε πίεση 134 bar (1.950 psi).

Σχεδόν όλοι οι πύραυλοι χρησιμοποιούν αυτό που είναι γνωστό ως ακροφύσιο συγκλίνουσας-απόκλισης (CD — εναλλακτικά ονομάζεται ακροφύσιο de Laval), μέσω του οποίου η πίεση εξόδου της εξάτμισης του πυραύλου βοηθά στον προσδιορισμό της ώθησης του πυραύλου. Όσο μεγαλύτερη είναι η πίεση του θαλάμου, τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση εξόδου, οπότε οι κινητήρες Raptor είναι πιο αποδοτικοί, σωστά; Ισως. Στην πραγματικότητα, η απόδοση ποικίλλει ανάλογα με την ατμοσφαιρική πίεση του περιβάλλοντος και τη διαφορά μεταξύ αυτής και της πίεσης εξόδου των καυσαερίων, η οποία με τη σειρά της καθορίζεται από την πίεση του θαλάμου. Ενώ η τέλεια απόδοση είναι αδύνατη, είναι γενικά προτιμότερο η πίεση εξόδου να είναι ελαφρώς χαμηλότερη από την πίεση περιβάλλοντος παρά υψηλότερη. Οι διακυμάνσεις της πίεσης τόσο μέσα όσο και έξω από το σκάφος είναι κρίσιμες για την απόδοση του πυραυλοκινητήρα.

Συζητήσαμε για την ώθηση των κινητήρων Raptor και BE-4, καθώς και για το πώς οι πιέσεις του θαλάμου συμβάλλουν στην ώθηση και την απόδοση. Ένα άλλο στοιχείο για τον προσδιορισμό της απόδοσης είναι η «ειδική ώθηση», η οποία επηρεάζεται όχι μόνο από την ταχύτητα αλλά και από τη μάζα και το βάρος του προωθητικού. Όλο το καύσιμο στον κόσμο δεν μπορεί να σας βοηθήσει εάν δεν έχει αρκετή διάτρηση για να σπάσει το κράτημα της βαρύτητας στη μάζα του διαστημικού σκάφους ή να ελίσσεται αποτελεσματικά σε τροχιά.

Η συγκεκριμένη ώθηση είναι, στην ουσία, η ποσότητα ώσης που παράγει κάθε μονάδα καυσίμου με την πάροδο του χρόνου. Η συγκεκριμένη ώθηση μπορεί να μετρηθεί στην ταχύτητα που παρέχεται στο όχημα ή στο χρονικό διάστημα που μια προωθητική μονάδα μπορεί να δώσει μια μονάδα ώσης. Το τελευταίο είναι το πιο κοινό σημείο αναφοράς, καθώς είναι καθολικό ανεξάρτητα από τα συστήματα μέτρησης. Το 2019, ο Elon Musk ισχυρίστηκε ότι η ειδική ώθηση του κινητήρα Raptor ήταν 350 ή 380 δευτερόλεπτα, ανάλογα με το ακροφύσιο, ενώ ο Jeff Bezos δήλωσε ότι η ειδική ώθηση του BE-4 ήταν περίπου 340 δευτερόλεπτα.

Εδώ είναι που μπαίνουν στο παιχνίδι τα μαθηματικά. Η ειδική ώθηση είναι επίσης ο λόγος της ώσης που παράγει ο πυραυλοκινητήρας προς τη ροή βάρους των προωθητικών του κινητήρα (δηλ. πόσο γρήγορα καίγεται ο κινητήρας μέσω του αερίου του). Υψηλότερη ειδική ώθηση σημαίνει ότι ένας κινητήρας έχει περισσότερη ώθηση για το ποσό του ή περισσότερη ώθηση για λιγότερα καύσιμα. Δεδομένου ότι το Raptor έχει υψηλότερη συγκεκριμένη ώθηση ανεξάρτητα από το μοντέλο, είναι ο ξεκάθαρος νικητής σε αυτό το matchup.

Η ποσότητα του προωθητικού, η πίεση του θαλάμου και η ώθηση συνδέονται με το πόσο αποτελεσματικά ένας πυραυλοκινητήρας καίει το καύσιμο του, αλλά ένα τελευταίο μέρος της εξίσωσης παραμένει: ο χρόνος καύσης. Όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος καύσης, τόσο περισσότερος χρειάζεται για να τελειώσει το καύσιμο πυραύλων. Ενώ μπορείτε να στοχεύσετε να επιτύχετε μεγάλο χρόνο καύσης, ένα τέτοιο κατόρθωμα είναι άχρηστο εάν ο κινητήρας δεν είναι αποδοτικός και δεν προσφέρει μέγιστη ώση.

Ο χρόνος καύσης ενός κινητήρα Raptor ποικίλλει ανάλογα με το μοντέλο. Για παράδειγμα, το Raptor 3 πέτυχε ρεκόρ χρόνου καύσης 354 δευτερολέπτων (σχεδόν έξι λεπτά) κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής. Το BE-4, εν τω μεταξύ, έχει καταγεγραμμένο χρόνο καύσης μόνο 299 δευτερολέπτων (απλά πέντε λεπτά). Επιφανειακά, οι κινητήρες Raptor φαινομενικά καίγονται περισσότερο πριν τελειώσουν το καύσιμο, αλλά υπάρχει ένας όχι και τόσο μικρός αστερίσκος που τοποθετείται δίπλα σε κάθε ρεκόρ καύσης κινητήρα Raptor: Όλοι τους έγιναν δοκιμές σε ελεγχόμενα περιβάλλοντα. Οι πύραυλοι SpaceX έχουν συνεχώς βλάβες στον κινητήρα ή δεν έχουν καλύψει το υποτιθέμενο ρεκόρ χρόνου καύσης. Επί του παρόντος, τα οχήματα της SpaceX όπως το Crew Dragon χρησιμοποιούν κινητήρες SuperDraco και όχι κινητήρες Raptor.

Εν τω μεταξύ, το BE-4 του Bezos έχει δει πολλά υποσχόμενη δράση στον πραγματικό κόσμο. Αυτός ο κινητήρας τροφοδότησε την επιτυχημένη εκτόξευση ενός οχήματος Vulcan τον Ιανουάριο του 2024 σε γεωστατική τροχιά. Η αποστολή δεν ήταν τίποτα άλλο από μια πιστοποίηση, αλλά χρειάστηκε ένας πραγματικός πύραυλος σε τροχιά με πραγματικό ωφέλιμο φορτίο. Συγκριτικά, οι χρόνοι καύσης του κινητήρα Raptor ισοδυναμούν με θεωρητικούς.