Motores Raptor

Los motores de un cohete son esencialmente su corazón y en el caso de Starship son los Raptor. Se trata de un desarrollo propio de SpaceX, ligado al objetivo de propulsar el vehículo espacial con el que sueñan transportar gente al ‘planeta rojo.’ Dada la magnitud de la tarea, debe cumplir con una serie de requisitos en extremo exigentes. A tal punto es esto cierto que sólo se intentó otras dos veces desarrollar motores similares… ¡y jamás pasaron la etapa de prueba! A continuación se hablará, entonces, de ejemplares únicos entre los motores cohete.

Motores Cohete

Estos generan empuje –una fuerza– acelerando material en una dirección, lo que causará la reacción deseada en el sentido opuesto. Es la tercera ley de Newton: acción y reacción. Los motores a chorro de los aviones siguen ese mismo principio, pero tienen una gran diferencia: funcionan en la atmósfera, por lo que el aire les provee el oxidante –oxígeno. En el espacio esto no es posible y, así, ambos propelentes, combustible y oxidante, deben estar a bordo del vehículo.

Actualmente, en la mayoría de los motores que propulsen naves fuera o para salir de la atmósfera, la mencionada fuerza se obtiene mediante un proceso químico de combustión. De ese modo se libera energía que se manifiesta principalmente como temperatura y presión, que luego son convertidas en velocidad de escape al acelerar los gases de salida por medio de una tobera. Las sustancias combustionadas pueden encontrarse con mayor frecuencia como propelentes sólidos o líquidos. Dentro de este último subgrupo existen diversas formas en que estas máquinas trabajan: se habla del ciclo de funcionamiento del motor.
Esquema de cohete por Lanzamientos Espaciales
Diagrama elemental del interior de un cohete.
Motor Raptor para Lanzamientos Espaciales
Vista lateral de un motor Raptor.

El Motor Raptor: las Bases

En vista de las misiones para las que se los usará, estos motores deben responder a los siguientes criterios:

  • Utilización de propelentes obtenibles en Marte.
  • Gran cantidad de usos.
  • Eficiencia extrema. 

Propelentes

Su elección, en gran medida, está conectada con la posibilidad de producirlos con los recursos naturales marcianos. La atmósfera es mucho más tenue que la terrestre, pero contiene un 95 % de dióxido de carbono, lo cual aporta el carbono, para el combustible. Por otro lado, la abundante presencia de agua en el planeta –congelada en los polos, pero también en otras formas– permite obtener oxígeno, que es el oxidante, e hidrógeno, para el combustible. Así, con procesos respondiendo a las siguientes ecuaciones, puede repostarse una Starship:
Electrólisis del agua: 2 H2O → 2 H2 + O2
Reacción de Sabatier: CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
Otra ventaja de esta combinación de propelentes –otras muy empleadas son queroseno (RP-1) y oxígeno: querolox, o hidrógeno y oxígeno: hidrolox– es que se encuentran en estado líquido a temperaturas muy similares. Para su uso criogénico, es beneficioso no tener grandes saltos térmicos dentro del cohete. Lo que es más, comparado con el hidrógeno líquido, el metano tiene menos dificultades de almacenaje y cabe en un menor espacio al ser más denso, resultando en tanques más pequeños.
Actualmente, no se utiliza el concepto de propelentes sobreenfriados aplicado a Starship, pero se está trabajando en ello. La idea detrás de esto es que al enfriar más los líquidos utilizados, se vuelven más densos. Es decir, cabe más en el mismo espacio, causando en última instancia un incremento en las capacidades de la nave.

Reutilización

Es algo esencial de la filosofía de diseño del vehículo y, por extensión, de sus motores. Debido a ello, su operación en general no puede requerir fluido adicional alguno, como pudiera ser el TEA-TEB –elemental para la ignición de los motores Merlin– o el helio –de aplicación en la presurización de los tanques del Falcon 9. En cambio, un motor Raptor tiene bujías eléctricas para iniciar la combustión y, a su vez, gasifica los propelentes para retroalimentarlos en este estado a los tanques, otorgándoles la presión necesaria de manera autógena.

Paralelamente, la combustión de metalox genera mucho menos hollín que la del querolox. Así, el motor corre menor riesgo de empaste o puntos calientes, ambos perjudiciales para su vida útil. De este modo, puede operar mayor cantidad de veces antes de necesitar mantenimiento, requiriendo un trabajo menor, en ese caso.

Eficiencia

Dentro del ámbito de la cohetería existe un parámetro llamado impulso específico, representado usualmente por el símbolo ISP. Lo que nos muestra es cuán eficientemente se usan los propelentes para generar empuje: mientras más elevado el valor, más eficiencia. Entonces, según se indicó antes, los motores que está desarrollando SpaceX deberán contar con un valor alto del mismo, implicando que para igual cantidad de empuje entregado, se consumirá menos combustible y oxidante. Esto es de máxima importancia ya que el peso del cohete y todo lo que cargue es un limitante gigantesco sobre las tareas que pueda realizar.
Siguiendo este criterio, al llegar a la selección del ciclo bajo el cual funcionará el motor, se elige el de combustión escalonada de flujo completo. Se trata de un ciclo cerrado tal que, en esencia, utiliza la totalidad de la masa de propelentes en la producción de empuje. Por contraste, un ciclo abierto desviaría una fracción de aquella y la implementaría en el accionamiento de las turbobombas. Estos motores Raptor también deben hacer girar dichas bombas, pero no descartan lo que utilizan a tal fin. De este modo, evitando desperdicios, se incrementa la eficiencia.
Otra faceta muy importante a considerar es la huella de tobera, que es su área de salida. Específicamente, es de relevancia saber, no sólo el tamaño, sino si el motor queda totalmente contenido dentro de ella en una vista en planta. De ser así, favorece a que quepan más motores en un espacio dado. Para poner cualitativamente en perspectiva, el motor Raptor queda esencialmente contenido en su huella de tobera, mientras que el Merlin no debido al generador de gas. Por ende, la huella efectiva del segundo es mayor que la de tobera, y en consecuencia la relación de empuje a área de huella efectiva tiende a decrecer. Es decir, se dispone de menos empuje por metro cuadrado.
Existe también la relación de empuje a peso. Ésta, como la anterior, también da una idea de cuán grande es el motor, para el empuje que produce. Desde ya, sabiendo que en el vuelo espacial se busca que las naves sean lo más livianas que sea posible, uno quiere que el motor también lo sea. En esta métrica el Merlin supera al Raptor –de hecho, el Merlin es el mejor del mundo en este particular–, aunque Elon Musk considera que esto podría revertirse a lo largo del desarrollo del Raptor.
Esquema de un Raptor para Lanzamientos Espaciales
Diagrama esquemático de un motor que opera bajo el ciclo de combustión escalonada de flujo completo. La «L» es por «líquido».
Comparación de huellas entre Raptor y Merlin
Comparación entre motores y cómo caben en sus huellas de tobera.

Fisionomía

Considerando el aspecto práctico, existen entonces dos motores más pequeños llamados prequemadores: uno con mezcla de propelentes rica en metano y en el otro, rica en oxígeno. Se les inyecta algo de oxígeno y metano, respectivamente, en cada una de sus cámaras de combustión. Así tiene lugar un quemado parcial, pero suficiente para impulsar las turbinas. Cada una de ellas es independiente y está encargada de transmitir movimiento a una sola turbobomba, contrariamente a otros motores que usan una sola turbina para ambas. Esta última configuración requiere un sello separando los flujos de propelentes, el cual puede convertirse en un punto de falla.
Es de notar que el prequemador ‘de oxígeno’ –con mezcla rica en éste– tiene aparejada una de las mayores exigencias a los materiales: una combustión en dichas condiciones eleva más la temperatura, además de llevarse a cabo en un ambiente más corrosivo. Superar esta dificultad requiere ingeniería de materiales extrema. Adicionalmente, existen ciertas bifurcaciones en la cañería que conduce dicha sustancia. Una porción de oxígeno no ingresa al prequemador, pero es calentada por él, gasificada y devuelta así a su tanque para presurizarlo autógenamente.
Asimismo, previo a ingresar al prequemador ‘de metano,’ el mismo transita por las paredes de la tobera, refrigerándola a la vez que toma temperatura. En este estado es enviado al prequemador. Paralelamente y de forma similar al caso del oxígeno, una fracción del combustible es evaporada y enviada al tanque cumpliendo con la presurización autógena.
Habiendo pasado por las dos precombustiones, ambos flujos son vertidos a la cámara de combustión principal. Allí arriban como gases calientes, permitiendo que en el proceso que tenga lugar allí se incremente la cantidad de moléculas efectivamente combinadas. Por consiguiente, el quemado de propelentes libera una mayor cantidad de energía, incrementando la presión y la temperatura de los gases resultantes. Resta transformar tanto como sea posible de ambas magnitudes en velocidad de escape de los gases de combustión. Ésta es la función de la tobera.
Esquema de Circuitos de Propelente del Raptor
Circuitos principales del metano (CH4) y del oxígeno (Ox); La «L» es por «líquido».

Asimismo, previo a ingresar al prequemador ‘de metano,’ el mismo transita por las paredes de la tobera, refrigerándola a la vez que toma temperatura. En este estado es enviado al prequemador. Paralelamente y de forma similar al caso del oxígeno, una fracción del combustible es evaporada y enviada al tanque cumpliendo con la presurización autógena.

Habiendo pasado por las dos precombustiones, ambos flujos son vertidos a la cámara de combustión principal. Allí arriban como gases calientes, permitiendo que en el proceso que tenga lugar allí se incremente la cantidad de moléculas efectivamente combinadas.

Por consiguiente, el quemado de propelentes libera una mayor cantidad de energía, incrementando la presión y la temperatura de los gases resultantes.

Resta transformar tanto como sea posible de ambas magnitudes en velocidad de escape de los gases de combustión. Ésta es la función de la tobera.

Distintas Variantes

Al momento de escribir este texto, se sabe con certeza que hay dos versiones del Raptor: una adaptada a nivel del mar (NdM) y otra, a vacío (Vac).
La primera se refiere a la que se ha visto instalada en Starhopper y en los SN del 5 al 15. Dentro de esta variante se han ido observando cambios a medida que el diseño avanza a través del programa de desarrollo. Sin embargo, puede decirse que es un motor a utilizar en ambas etapas de Starship, que tiene una gran capacidad de regular su potencia y que puede pivotar para realizar control vectorial del empuje.
La segunda no ha sido utilizada aún, y sólo se la ha avistado en las instalaciones que SpaceX tiene en McGregor, Texas. En esencia, esta variante, a utilizar sólo en la segunda etapa, es idéntica a la anterior, con la excepción de contar con una tobera extendida. La mencionada es una característica típica de motores de vacío, ya que deben continuar expandiendo los gases de combustión para adaptarlos lo mejor posible al ‘vacío espacial.’ Así son capaces de extraer más empuje que sus pares de nivel del mar.
Finalmente, se ha hablado de una tercera configuración (Bst, por «booster», como los menciona Elon), que se instalaría únicamente en la primera etapa, por lo que son motores de nivel del mar. Se colocarían en el anillo más exterior de la bahía de motores, contarían con un empuje en un ~50 % más elevado, pero serían incapaces de regular su potencia o pivotar.
Esquema de cohete por Lanzamientos Espaciales