Raptor - SpaceXs Methantriebwerk

Auf Wunsch und weil überraschenderweise schon in ein paar Monaten die Tests beginnen sollen hier nun ein eigener Thread für Raptor, das neue Riesentriebwerk von SpaceX.

Raptor wird mit Methan betrieben und soll mit MCT Menschen zum Mars befördern. Der Schub liegt bei etwa 3000kN, damit sind zwei Stück etwa so leistungsfähig wie die Erststufe der Falcon 9.

Quellen:

http://www.sunherald.com/2013/10/23/5053390/stennis-lands-spacex-another-rocket.html
://www.seattlepi.com/news/article/SpaceX-to-test-methane-rocket-engine-in-Miss-4919628.php

Nur mal eine laienhafte Schätzung von mir:

Bei 3.000kN und Methan 380s schätze ich bei 9 Triebwerken in der Erststufe, quasi also eine upgescaled Variante der Falcon 9, wenn ich vergleiche mit anderen grossen Trägerraketen, eine maxiamle Nutzlast von ~90t in den LEO.

SpaceX peilt aber viel mehr Nutzlast an. Ob man das nun mit mehreren Cores oder mehr Triebwerken pro Core erreichen will ist schwer zu sagen. Eines ist aber wohl klar, die Wiederverwendung erfordert wie bei der Falcon 9 mindestens 9 Triebwerke oder die Möglichkeit einer deutlich stärkeren Drosselung, ansonsten dürfte eine Landung der Startstufe schwierig werden.

Vorschlag: Könnte man das ganze Thema eventuell auslagern in einen neuen eigenen Thread "SpaceX Methan-Triebwerke" oder so änlich bei z.B. Konzepte und Perspektiven? Denn jetzt scheints ja damit endlich los zu gehen und s wird in den nächsten Monaten sicher noch mehr Nachrichten dazu kommen.

Schon erledigt: https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=12030.0

Zitat von: Atlan am 24. Oktober 2013, 01:40:21

Sollte man auf Grundlage dieses Triebwers eine F9-abgeleitete Rakete bauen und einen Impuls von 380s haben, über welche Nutzlast LEO sprechen wir dann? Wäre toll wenn jemand der fit mit den Rechnungen ist mir da aushelfen könnte

Schwer zu sagen, ob für MCT wieder 9+1 Triebwerke verwendet werden. Eine Nutzlast von etwa 200t +-50t wirds wohl werden, wenn 50t den Mars erreichen sollen. Neben sowas wäre SLS geradezu mickrig. 

Ähm, echt ? zwischen 150 und 250 Tonnen Nutzlast in den LEO ? Das ist jetzt doch ein schlechter Scherz. Ernsthaft, wie groß müsste die Rakete werden, um so viel zu transportieren ? 150 Meter ?
Wenn dann mal das Triebwerk entwickelt ist, wie hoch ist dann noch der Restaufwand für die Struktur, Tanks und ggf. weitere Triebwerke/ Oberstufe ?

Ähm, echt ? zwischen 150 und 250 Tonnen Nutzlast in den LEO ? Das ist jetzt doch ein schlechter Scherz. Ernsthaft, wie groß müsste die Rakete werden, um so viel zu transportieren ? 150 Meter ?
Wenn dann mal das Triebwerk entwickelt ist, wie hoch ist dann noch der Restaufwand für die Struktur, Tanks und ggf. weitere Triebwerke/ Oberstufe ?

Nö, das ist kein Scherz. Eine Nutzlast von an die 200t hat SpaceX selbst genannt, bin gerade erst wieder in einem Artikel darüber gestolpert.

"Shotwell said a possible payload range of the new rocket is 150-200t to low Earth orbit (LEO). A vehicle of that size would easily eclipse NASA's proposed Space Launch System..."

Shotwell nannte 150-200t in den LEO als mögliche Nutzlast der neuen Rakete. Ein System solcher Größe würde SLS der NASA locker übertrumpfen.
Siehe http://www.flightglobal.com/news/articles/spacex-aims-big-with-massive-new-rocket-377687

150m wird die Rakete sicher nicht erreichen. Bei einem Durchmesser von 7-10m düften aber locker 100m drin sein.

Hallo,

ich hab mich mal ein wenig mit der Raketengrundgleichung (besonders hier: http://www.bernd-leitenberger.de/raketengrundgleichung.shtml ) beschäftigt und ein wenig herumgerechnet:

Ausgehend von einem Raptor 3.000kN Methantriebwerk mit 3.400Ns/kg (Vakuum 3.700Ns/kg) und einer Rakete die quasi ein upscale einer Falcon 9 ist, also neun Triebwerke in Stufe 1 und einem Triebwerk  Stufe 2, Voll/Leermassenverhältnisse von je 10:1 (Das schien mir die plausibelste Annahme) komme ich auf 70t LEO Nutzlast, GTO oder Fluchtbahn wird dramatisch schlechter, zu diesem Zweck würde eine zusätzliche Oberstufe mit viel ISP ziemlich viel bringen.

Eine Rakete mit so einem 3.000kN Methantriebwerk und 200t +- LEO-Nutzlast ist nicht so ohne weiteres zu verwircklichen, das ginge höchstens z.B. in so einer Heavy-Variante mit zwei Erststufen zusätzlich als Booster wie die Falcon Heavy.

Mit den Ausmaßen einer solchen Rakete hab ich mich noch nicht beschäftigt, Methan hat ja weniger Dichte als Kerosin aber eine höhere als Wasserstoff, schätze aber mal vorsichtig 6 bis 7 Meter Durchmesser müsste so ein Teil minimum haben, Höhe dann entsprechend 80 bis 100 Meter. Eine entsprechnde Heavyvariante wäre sehr breit (~20m) und würde einen völlig neuen Startpad erfordern, ich glaube kaum das sich Pad 39A am Cape so weit umrüsten liesse.

Mit zusätzlichen kleinen Feststoff oder z.B. wiederverwendbare Kerosinbooster (ein paar Merlin 1D zum Beispiel ) könnte so eine normale Variante eine etwas schwerere Zweitstufe oder eine zusätzliche dritte Stufe vom Pad heben und so ginge dann am Ende auch eine etwas höhere Nutzlast in hochenergetische Bahnen.

Leider ist Methan halt kein Zauberbrennstoff, würde man die Oberstufe mit H2 statt Methan betreiben steigt die Nutzlast signifikant an....


Gruß, Gerry

EDIT: Habe weiter gerechnet:

Eine Heavyvariante, bestehend also aus drei Cores zu je neun 3.000kN-Raptortreibwerken in der Erststufe, mit einer Zweitstufe und einer dritten Stufe jeweils mit einer oder mehreren Vakuumversionen des Raptor mit Isp 380s könnte tatsächlich ziemlich genau 200 t in den LEO bringen, und ratet mal, ziemlich genau 50 t auf eine Fluchtbahn zum Mars 

Noch zum Isp von Methan/LOX: Es ist ja zu lesen, SpaceX möchte mit Staged Combustion in der Vakuumversion mit langer Düse einem spezifischen Impuls von 380s erreichen, das sind etwa 3.700Ns/kg. Das ist sehr ambitioniert, bisher wurde wohl eher mit maximal 3.200Ns/kg bis 3.400Ns/kg  im Vakuum experimentiert bzw. gerechnet. Auf Wikipedia findet man gar nur ~3.000Ns/kg als Angabe für CH4/LOX. Nun, mit Staged Combustion und hohem Brennkammerdruck mag es wohl möglich sein auf einen derart hohen ISP zu kommen, das wird aber alles andere als einfach sein. Und nur mit einem so hohem ISP sind wircklich nennenswerte Nutzlasten auf Fluchtbahnen zu bekommen.

EDIT2: Mehr zu meinen Rechnerein hier: https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=11322.msg268690#msg268690

Hallo,

SpaceX hat via Twitter bestätigt, dass es sich bei dem Triebwerk um das angekündigte Raptor handelt.

Hier eine offizielle Pressemitteilung:
http://www.mississippi.org/press-room/spacex-10-23-2013.html

Another engine rocket testing program is coming to NASA’s Stennis Space Center in south Mississippi, Gov. Phil Bryant announced. SpaceX, a commercial spaceflight company, will bring initial testing of their Raptor methane rocket engines—the latest in propulsion technology, capable of generating nearly 300 tons of thrust in vacuum—to NASA’s Stennis Space Center.

Also erste Tests vom Raptor-Triebwerk und 300 Tonnen Schub (=3000kN) im Vakuum soll es mal haben.

Under a future engine testing agreement, SpaceX will upgrade the E-2 test stand at Stennis with methane capability. 

Teststand E-2 und Methan!

Infrastructure improvements will begin upon execution of the agreement, with testing expected to start in early 2014. Once complete, the upgraded stand will be one of the most sophisticated high-pressure testing facilities in the world capable of supporting many potential users, and will remain the property of Stennis Space Center for future use as needed.

Erste Tests Anfang 2014 und es handelt es sich um eine Hochdruckanlage!

Bei NSF heißt es außerdem, dass der E-2 Teststand für kleinere Triebwerke bis ca. 445 kN verwendet wird. Worum es sich hier handeln dürfte, sind (meiner persönlichen Meinung nach) Preburner Tests für das Staged Combustion Triebwerk.

Europa killt SCORE-D und jetzt baut SpaceX ein Staged Combustion Triebwerk...

Es könnte sich bei dem 445 kN Triebwerk aber auch um ein hochenergetisches Oberstufentriebwerk mit Methan für die Falcon 9 handeln. Wurde ja schon mehrfach besprochen hier das das ein guter Schritt wäre um die Nutzlast in hochenergetische Bahnen zu steigern, gleichzeitig könnte man Erfahrung mit Methan und eventuell auch Stage Combustion sammeln bevor man sich an den grossen Raptor wagt

Wenn man vor hat, ein Triebwerk mit 3 MN zu entwickeln, würde man dann nicht gleich einen Teststand umbauen, der diese Kräfte auch auffangen kann? Zwei Umbauten kosten auch doppelt.

Ein Methan-betriebenes Zweitstufentriebwerk macht natürlich auch als Zwischenstufe Sinn.

Also wenn das so weiter geht, kriegen wir eher den Start eines 40t Staged Combustion Methan Oberstufentriebwerks zu sehen, als ein Vinci im Einsatz... Meinjanur(tm)

-ZiLi-

SpaceNews mit weiteren exklusiven Infos:
http://www.spacenews.com/article/launch-report/37859spacex-could-begin-testing-methane-fueled-engine-at-stennis-next-year

“We are looking to test the whole engine at Stennis, but the first phase starts with the components,” SpaceX spokeswoman Emily Shanklin said in an Oct. 25 email. “The E-2 stand at Stennis is big enough for components, but we would need a bigger stand for the whole Raptor.”

Es sollen erstmal Komponenten getestet werden. Für das ganze Raptor muss man noch an einen anderen Prüfstand.

The current Raptor concept “is a highly reusable methane staged-combustion engine that will power the next generation of SpaceX launch vehicles designed for the exploration and colonization of Mars,” Shanklin said. “The Raptor engine currently in development is the first in what we expect to be a family of engines.”

Also staged combustion wie vermutet. Und Fokus auf Wiederverwendbarkeit. Raptor ist ein erstes Triebwerk einer Familie von Triebwerken, was soll das denn genau heißen? Sicher gibts noch RaptorVac oder macht man Kammerbündelung wie die Russen?

Spannend, spannend.

Hallo,

ich verstehe die Ankündigung so, dass man versucht in einem ersten Schritt die Technik erst einmal kennenzulernen und zum laufen zu bekommen. Sobald das dann im "kleinen" Maßstab beherrscht wird, kann man an die richtig "dicken" Triebwerke ran.

Es sollen erstmal Komponenten getestet werden. Für das ganze Raptor muss man noch an einen anderen Prüfstand.

Komponenten... Wahrscheinlich neue Turbopumpen. Für Raptor dürften das ganz schön große Brummer werden.

Also staged combustion wie vermutet. Und Fokus auf Wiederverwendbarkeit. Raptor ist ein erstes Triebwerk einer Familie von Triebwerken, was soll das denn genau heißen? Sicher gibts noch RaptorVac oder macht man Kammerbündelung wie die Russen?

Spannend, spannend.

Superspannend. 
An Kammerbündelung glaube ich aber nicht. Es würde die Triebwerksanordnung einschränken und vermutlich eine zusätzliche Einzelkammervariante für die Landung erfordern. Es sei denn, SpaceX schafft eine extreme Drosselung der Triebwerke bei einem vertretbaren Kostenaufwand.

Also Nee!

Da hat man mal drei Tage kein Internet dank Störung. Und dann verpasst man sowas!

Ich bin sehr gespannt, wie der damit gebaute Träger oder die Trägerfamilie aussieht. Volle Wiederverwendbarkeit auch der Oberstufe setze ich mal voraus, und zwar von Anfang an. Ich frage mich, wie wird es bei einer Heayv-Variante aussehen, falls sie eine bauen. Da muß eine Lösung her, die einen extremen Nutzlastverlust vermeidet. Bei der Falcon Heavy ist das ja wohl ziemlich heftig bei der Zentralstufe.
Falcon 9 1.1 ist zwar auch von Anfang an mit der Möglichkeit der Wiederverwendbarkeit ausgestattet. Aber man kann sicher vieles dabei lernen und beim nächsten Anlauf mit MCT besser machen.

Die Methode, bei besonders schwerer Last auf Wiederverwendbarkeit verzichten geht hier meiner Meinung nach nicht. Die höchsten Nutzlasten werden gebraucht, wenn man zum Mars will, emannt oder Landung schwerer Nutzlasten wie Habitat oder ISRU-Gerätschaften. Und gerade die sollen ja preisgünstiger werden, also voll wiederverwendbar.

Mal eine ketzerische Frage: Wer braucht denn so eine große Rakete? Die Satellitenbetreiber sicherlich nicht, und von der NASA ist mir auch nichts von einer entsprechenden Absicht zu Ohren gekommen. Woher soll dann aber das Geld für die Entwicklung kommen, wenn niemand den MCT benötigen wird?

Mal eine ketzerische Frage: Wer braucht denn so eine große Rakete? Die Satellitenbetreiber sicherlich nicht, und von der NASA ist mir auch nichts von einer entsprechenden Absicht zu Ohren gekommen. Woher soll dann aber das Geld für die Entwicklung kommen, wenn niemand den MCT benötigen wird?

Jemand, der sehr große Objekte in den Orbit bringen will? Jemand, der bemannt zum Mond will? Jemand, der bemannt zum Mars will? Jemand, der einen Orbiter zu einem der äußeren Planeten schicken will?

Warum sollten Satellitenbetreiber MCT nicht buchen, wenn der Preis stimmt?

Die NASA baut gerade mit SLS eine ähnlich große Rakete, also warum sollen sie MCT nicht brauchen können? Müssen sie nicht sogar günstigere kommerzielle Anbieter nutzen?

Im Endeffekt kommt es nur auf Startkosten und Zuverlässigkeit an. Ein voll wiederverwendbares System hat das Potential den Markt richtig aufzumischen.

Zitat von: Ruhri am 27. Oktober 2013, 01:35:37

Mal eine ketzerische Frage: Wer braucht denn so eine große Rakete? Die Satellitenbetreiber sicherlich nicht, und von der NASA ist mir auch nichts von einer entsprechenden Absicht zu Ohren gekommen. Woher soll dann aber das Geld für die Entwicklung kommen, wenn niemand den MCT benötigen wird?

Jemand, der sehr große Objekte in den Orbit bringen will? Jemand, der bemannt zum Mond will? Jemand, der bemannt zum Mars will? Jemand, der einen Orbiter zu einem der äußeren Planeten schicken will?

Warum sollten Satellitenbetreiber MCT nicht buchen, wenn der Preis stimmt?

Die NASA baut gerade mit SLS eine ähnlich große Rakete, also warum sollen sie MCT nicht brauchen können? Müssen sie nicht sogar günstigere kommerzielle Anbieter nutzen?

Im Endeffekt kommt es nur auf Startkosten und Zuverlässigkeit an. Ein voll wiederverwendbares System hat das Potential den Markt richtig aufzumischen.

Ja, Mars One würde sich freuen, wenn sie sich eine Menge Geld bei der Errichtung des Aussenpostens der Menschheit sparen würde, die haben noch immer weniger als eine Million auf dem Spendenkonto, Stand Ende September... und Österreich hat sogar mehr gespendet als China mit seinen 1,4 Mrd. Einwohnern! Liegt wohl auch an mir...

Woher soll dann aber das Geld für die Entwicklung kommen, wenn niemand den MCT benötigen wird?

Es ist meinem Eindruck nach viel mehr eine Frage verfügbarer Konstruktions- oder auch anderer Kapazitäten. Ich kann mir z.B. gut vorstellen, daß die Konstruktion bei SpaceX nicht immer gleichmäßig ausgelastet ist - wenn z.B. auf die Ergebnisse irgendwelcher praktischer Tests gewartet wird. Die erfahrenen Leute will man natürlich behalten, also kann man schon mal die weiter in die Zukunft gerichteten Aufgaben angehen.

Es stellt sich bei dem SpaceX - Geschäftsmodell nicht immer/nur die Frage "wer gibt uns einen Auftrag", sondern mehr "was machen wir wann mit den verfügbaren Mitteln". Das ist zumindest mein Eindruck und gleichzeitig die Erklärung für das hohe Tempo.

Mal eine ketzerische Frage: Wer braucht denn so eine große Rakete? Die Satellitenbetreiber sicherlich nicht, und von der NASA ist mir auch nichts von einer entsprechenden Absicht zu Ohren gekommen. Woher soll dann aber das Geld für die Entwicklung kommen, wenn niemand den MCT benötigen wird?

Man braucht Leistung, wenn man vollständige Wiederverwendung haben will, denn das kostet Nutzlast. Wenn man dann eine Rakete hat, die vielleicht 100-200mal fliegt, ohne riesige Kosten für die Wartung, dann kann man große Satelliten in den GTO, vielleicht sogar GEO bringen mit Kosten, die noch unter denen von Falcon Heavy liegen. Man kann Nutzlasten in die L-Punkte des Erde-Mond-Systems bringen und die Oberstufe zurückholen. Wenn die Rakete so ihr Geld hier verdient, kann man ein Habitat, einen Rover, ein Solarkraftwerk, Anlagen zur Gewinnung von Wasser, Sauerstoff und Methan zum Mars schicken. Mit Kosten, die in etwa dem ersten bemannten Testflug von SLS Block I entsprechen.

Ja, ist optimistisch gerechnet, aber nicht unrealistisch. Bisher hat SpaceX zwar im Detail mehrfach Pläne geändert. Am Ende steht aber ein leistungsfähiges kostengünstiges System. Alternativ könnte man natürlich auch Pläne weiterverfolgen, wenn man schon lange weiß, daß es so nicht funktionieren kann.

Ja, ist optimistisch gerechnet, aber nicht unrealistisch. Bisher hat SpaceX zwar im Detail mehrfach Pläne geändert. Am Ende steht aber ein leistungsfähiges kostengünstiges System. Alternativ könnte man natürlich auch Pläne weiterverfolgen, wenn man schon lange weiß, daß es so nicht funktionieren kann.

Die NASA hat keine Pläne, die nicht funktionieren können. Nur leider solche, die nicht finanziert werden wollen.


Apropos:

Wenn die Kosten pro Kilogramm dramatisch sinken, und es kostet das selbe, ob ich einen 1 Tonnen ode 10 Tonnen Satellit starte, dann werde ich als Satellitenbetreiber gerne mehr fürs selbe Geld bekommen.

Jemand, der sehr große Objekte in den Orbit bringen will? Jemand, der bemannt zum Mond will? Jemand, der bemannt zum Mars will? Jemand, der einen Orbiter zu einem der äußeren Planeten schicken will?

Und wer sollte das sein? Die NASA vielleicht?

Warum sollten Satellitenbetreiber MCT nicht buchen, wenn der Preis stimmt?

Eine Rakete, die einen Orbiter zum Neptun schaffen kann, wäre für einen Satelliten sicherlich etwas überdimensioniert und somit auch zu teuer.

Die NASA baut gerade mit SLS eine ähnlich große Rakete, also warum sollen sie MCT nicht brauchen können? Müssen sie nicht sogar günstigere kommerzielle Anbieter nutzen?

Ja und nein. Die NASA arbeitet als staatliche Agentur mit Steuermitteln, und der US-Kongress hat in seiner unendlichen Weisheit entschieden, SLS zu bauen. Ob der Kongress nun am Ende der NASA das Geld geben wird, um die SLS für derartige Missionen auch tatsächlich zu bauen, stattdessen den MCT zu kaufen oder gar nichts zu tun, erschließt sich uns einfachen Sterblichen natürlich nicht.

Spaß beiseite: MCT mag dasselbe leisten können wie SLS zu einem geringeren Preis, aber die Entwicklungskosten für SLS werden dann ausgegeben sein. Sparen werden die USA damit nicht allzuviel, wenn man SLS niemals fliegen lassen wird.

Im Endeffekt kommt es nur auf Startkosten und Zuverlässigkeit an. Ein voll wiederverwendbares System hat das Potential den Markt richtig aufzumischen.

Naja, in Punkto Zuverlässigkeit hat SpaceX ja noch nicht den allerbesten Ruf, aber vielleicht steigert man sich ja noch. Zum Thema Wiederverwendbarkeit gilt selbstverständlich: "Quod esset demonstrandum!"

Die NASA hat keine Pläne, die nicht funktionieren können. Nur leider solche, die nicht finanziert werden wollen.

Und das ist das Problem: Wenn tolle Missionen der NASA vom Kongress nicht finanziert werden, dann sieht auch SpaceX als Zulieferer ganz alt aus, abgesehen davon, dass die NASA gerade die Entwicklung einer anderen Großrakete für Flüge tief ins Sonnensystem finanziert.

Wenn die Kosten pro Kilogramm dramatisch sinken, und es kostet das selbe, ob ich einen 1 Tonnen ode 10 Tonnen Satellit starte, dann werde ich als Satellitenbetreiber gerne mehr fürs selbe Geld bekommen.

Sicher, aber neben "Quod esset demonstrandum" gilt zu bedenken, dass es wohl zurzeit keine Entwicklung solch großer Satelliten gibt, um einen MCT auszulasten. Steht SpaceX am Ende etwa mit einer einsatzfähigen Rakete da, die kein Mensch braucht, wird es richtig teuer.

Und was wäre, wenn Elon wirklich ein zwar gut rechnender, aber dennoch fanatischer Träumer wäre? Ich hab mal seine Biografie gelesen - es scheint, man darf ihn nicht mit einer XYZ Organisation gleichsetzen. Und wenn er diesen großen Brocken hat, der auch mal gezeigt hat, was er kann - da wird der in der Ecke stehn bleiben ?

Mal eine ketzerische Frage: Wer braucht denn so eine große Rakete? Die Satellitenbetreiber sicherlich nicht, und von der NASA ist mir auch nichts von einer entsprechenden Absicht zu Ohren gekommen. Woher soll dann aber das Geld für die Entwicklung kommen, wenn niemand den MCT benötigen wird?

MCT = Mars Colonial Transporter. Was könnte da vielleicht die Nutzlast sein? Vielleicht Kolonisten, die zum Mars fliegen wollen?

Das Geld für die Entwicklung kommt natürlich aus den ganzen kommerziellen und NASA/DOD Starts. Die neuste F9 v1.1 Version, Grasshopper, Wiederverwendbarkeit und die F9 Heavy werden auch mit internen Mitteln bzw. Profite aus anderen Programmen entwickelt.

Die Chance auf Erfolg ist natürlich unklar, vielleicht auch sehr gering. Aber wer es nicht versucht ( wie Europa z.B.) hat 0% Erfolgswahrscheinlichkeit. 

Und was wäre, wenn Elon wirklich ein zwar gut rechnender, aber dennoch fanatischer Träumer wäre? Ich hab mal seine Biografie gelesen - es scheint, man darf ihn nicht mit einer XYZ Organisation gleichsetzen. Und wenn er diesen großen Brocken hat, der auch mal gezeigt hat, was er kann - da wird der in der Ecke stehn bleiben ?

Kaufst du dir einen Porsche oder Ferrari, wenn dir eigentlich ein Smart reicht und das Geld dazu mühsam verdient werden muss?