Raptor (moteur-fusée)

Le Raptor est un moteur-fusée à air comprimé alimenté par du méthane liquide[1] et de l'oxygène liquide (LOX)[2], développé et fabriqué par SpaceX. Il équipe les étages inférieurs et supérieurs du lanceur super-lourd Starship construit par SpaceX. Le concept général du moteur Raptor « est un moteur à combustion étagée, fonctionnant avec du méthane et hautement réutilisable, qui alimentera la prochaine génération de lanceurs de SpaceX conçus pour l'exploration et la colonisation de Mars »[3]. Selon Elon Musk, cette conception sera en mesure d'atteindre la pleine réutilisabilité (tous les étages de la fusée) et, par conséquent, permettra en cas de succès « une réduction des coûts des vols spatiaux de deux ordres de grandeur » (soit 100 fois moins coûteux)[4].

Pour les articles homonymes, voir Raptor.

Raptor

Raptor sur le site d'Hawthorne de SpaceX.
Caractéristiques
Type moteur Combustion étagée
Ergols Oxygène et méthane liquides
Poussée +2 200 kN (niveau de la mer)
Pression chambre combustion 330 Bars
Impulsion spécifique

380 s (vide)

330 s (niveau de la mer)
Rallumage Oui
Poussée modulable Oui (40-100%)
Moteur orientable Oui
Moteur réutilisable Oui
Utilisation
Utilisation Propulsion multi-étages et espace lointain
Lanceur Super Heavy, Starship
Premier vol Juillet 2019 (Starhopper)
Statut En développement
Constructeur
Pays États-Unis
Constructeur SpaceX

Les Raptors sont meilleurs que les Merlins de nombreuses manières, et l’une des plus grandes différences est qu’ils brûlent du méthane au lieu de RP-1. Le méthane peut être brûlé comme le RP-1, mais ses molécules sont beaucoup plus simples que le kérosène. Lorsque qu’une molécule de méthane brûle (CH4) avec deux molécules d’oxygène (O2), le moteur produit uniquement du dioxyde de carbone et de l’eau dans l’échappement, sans aucun des autres contaminants, notamment du noir de carbone ou carbone suie.

En capturant le dioxyde de carbone de l’atmosphère, la fusée pourra utiliser la réaction de Sabatier pour reconstituer le méthane et alimenter la prochaine fusée avec zéro émission nette.

Le développement du moteur a commencé en 2009 grâce à des investissements exclusivement privés de SpaceX[5],[6]. En janvier 2016, SpaceX et l'US Air Force US se sont mis d’accord pour un financement à hauteur de 33,6 millions de dollars du développement d’un prototype d'une nouvelle variante du moteur Raptor conçue pour une utilisation potentielle sur l’étage supérieur du Falcon 9 et du Falcon Heavy. SpaceX s’engageant à financer au moins 67,3 M $ du projet soit un ratio de financement privé-gouvernement de 2 pour 1[7].

Des premiers concepts réalisés pour le moteur Raptor envisageaient d’utiliser de l'hydrogène liquide (LH2) plutôt que du méthane[8].

Historique

Le projet de développement du moteur de fusée Raptor a été pour la première fois évoqué publiquement par Max Vozoff de SpaceX au symposium Commercial Crew / Cargo de l'Institut américain d'aéronautique et d'astronautique en 2009[9]. En avril 2011, SpaceX avait un nombre réduit d’ingénieurs sur le projet, le concept avait alors un faible niveau de priorité[10] et prévoyait alors un moteur alimenté par du LH2 / LOX. Le programme fut de nouveau évoqué en 2011[11] et en mars 2012, la presse se fit le relais d’affirmations sur le programme de développement du moteur de l'étage supérieur Raptor sans que des détails supplémentaires ne soient rendu publics[12].

En octobre 2012, SpaceX rend public son concept de moteur de fusée Raptor. Le projet vise à créer un moteur qui serait « plusieurs fois plus puissant que la série de moteurs Merlin 1 et qui n’utilisera plus le carburant RP-1 des moteurs Merlin ». SpaceX refuse cependant de préciser le combustible utilisé[13]. Ils indiquent que plus de détails seraient donnés d’ici « un à trois ans » et que le nouveau moteur est destiné à équiper une nouvelle fusée de SpaceX qui utilisera plusieurs de ces puissants moteurs et sera théoriquement capable de lancer des masses de charge utile de l'ordre de 150 à 200 tonnes en orbite terrestre basse, dépassant la capacité de charge utile du système de lancement de la NASA (SLS)[13].

En novembre 2012, le PDG Elon Musk annonce un nouvel objectif pour le département propulsion de SpaceX : le développement de moteurs de fusée fonctionnant au méthane[2]. Il indique en outre que le concept de moteur au nom de code Raptor sera maintenant basé sur la combustion de méthane. Le méthane étant un carburant de choix pour la colonisation de Mars[14].

Sources potentielles et puits de méthane (CH4) sur Mars.

En raison de la présence d'eau dans le sous-sol martien et de dioxyde de carbone dans l'atmosphère de la planète Mars, le méthane, qui est un hydrocarbure simple, peut être facilement synthétisé sur la planète rouge en utilisant la réaction de Sabatier[15]. La production in-situ de ressources sur Mars a notamment été examinée par la NASA et jugée viable pour l'oxygène, l'eau et la production de méthane[16]. Selon une étude publiée par des chercheurs de la Colorado School of Mines, l'utilisation in-situ des ressources telles que le méthane de Mars rend les missions spatiales techniquement et économiquement plus réalisables et rendrait une réutilisation du matériel possible[17]. Du méthane a notamment été découvert dans des météorites de Mars[18].

Lors de la première évocation du projet par SpaceX en 2009 ainsi que lors de déclarations ultérieures en 2012, le terme « Raptor » désignait exclusivement le concept d’un moteur d'étage supérieur[9],[19]. Début 2014 SpaceX a déclaré que le Raptor serait utilisé à la fois pour le nouveau deuxième étage et pour le premier étage principal (de 10 mètres de diamètre) du Transporteur Colonial Martien (de l’anglais : Mars Colonial Transporter). Chaque propulseur utilisera neuf moteurs Raptor, similaire à l'utilisation des neuf Merlin 1s sur chaque propulseur de la fusée Falcon 9[14].

De premiers indices avaient laissé entendre qu'un moteur à combustion étagée de méthane était à l'étude chez SpaceX dès mai 2011. SpaceX avait alors demandé à l'Armée de l'Air américaine si un moteur alimenté au méthane était envisageable dans le cadre de l’appel d’offres de l’USAF pour le développement d’un moteur au kérosène (appel d’offres pour un lanceur haute performance réutilisable : Reusable Booster System High Thrust Main Engine)[14].

De nouvelles informations publiées en novembre 2012 indiquent que SpaceX pourrait avoir en développement non pas un moteur mais une famille de moteurs de fusée Raptor[20]. Cette présomption a été confirmée par SpaceX en octobre 2013[3]. Cependant, la directrice de l’exploitation (COO) Gwynne Shotwell a précisé en mars 2014 que le nouveau programme de développement du moteur est exclusivement destiné à produire un moteur Raptor de pleine puissance. Des moteurs plus petits ne sont donc pas prévus dans le développement[21].

En octobre 2013, SpaceX a annoncé qu'ils allaient commencer à effectuer une série de tests du moteur fusée Raptor au Centre spatial John C. Stennis dans le comté de Hancock, Mississippi. Pour cela, SpaceX devait équiper l'infrastructure existante de bancs d'essais capables d’effectuer des essais avec du méthane liquide[22]. En avril 2014, SpaceX avait fini de préparer ses installations de test et prévoyait alors de commencer les essais avant la fin du mois de mai 2014[23].

En octobre 2013 SpaceX a également révélé la poussée nominale prévue pour le moteur Raptor à 2940 kN[3]. En 2014, les performances fixées ont été revues à la hausse puis à la baisse en 2015 avec une poussée inférieure pour optimiser le ratio poids/poussée.

En février 2014, Tom Mueller, le directeur du développement des moteurs-fusées à SpaceX, a révélé dans un discours que les moteurs « Raptor » étaient conçus pour être utilisés sur un véhicule équipé de neuf moteurs qui devrait permettre d’acheminer « plus de 100 tonnes de fret jusqu'à la surface de Mars » et que la fusée serait plus puissante que précédemment annoncé. Elle produirait plus de 4400 kN de poussée[14],[24]. En juin 2014 Mueller a fourni plus de spécifications au cours d’une conférence. Les objectifs de performance sont de 6 900 kN de poussée au niveau de la mer (équivalent à 705 tonnes de poussée en gravité standard) et 8200 kN de poussée à vide (840 tonnes de poussée) ainsi qu'une impulsion spécifique de 380 s dans le vide[25]. Des informations antérieures avaient estimé la conception Isp sous vide à seulement 363 s[14]. Jeff Thornburg, qui a dirigé le développement du moteur Raptor chez SpaceX entre 2011 et 2015, a noté que les moteurs de fusée au méthane ont des performances plus élevées que ceux fonctionnant au mélange kérosène / RP-1 et inférieures à ceux à l'hydrogène. D’après lui ces moteurs ont également beaucoup moins de problèmes à long terme que les moteurs à multi-démarrage au kérosène. Le méthane brûle notamment plus proprement que le kérosène et a un coût nettement inférieur à celui de l'hydrogène. À cela s’ajoute la possibilité de produire du méthane directement à partir de sources extra-terrestres[25],[26].

En janvier 2015, Elon Musk a fait une nouvelle déclaration à propos de la poussée alors ciblée. Le nouveau concept devait développer environ 2300 kN de poussée (230 tonnes-force) c’est-à-dire une poussée beaucoup plus faible qu’annoncée préalablement. Cette déclaration a remis en cause une grande partie des spéculations autour de la configuration des moteurs qui voyaient majoritairement 9 moteurs sur le modèle des Falcon 9. De plus, Elon Musk a déclaré qu’« il y aurait un grand nombre de [moteurs] »[27]. En août 2015, dans une déclaration, Elon Musk indiquait que le ratio oxydant - combustible pour alimenter le moteur serait d'environ 3,8 pour 1[28].

SpaceX a commencé avec succès les tests des injecteurs en 2014 et a réalisé un test à pleine puissance d'un pré-brûleur d'oxygène en 2015. 76 essais du pré-brûleur totalisant quelque 400 secondes de temps de test ont été exécutés d'avril à août 2015[6]. SpaceX a terminé ses essais comme prévu à la NASA Stennis en 2014 et 2015. En février 2016, le centre Stennis avait bon espoir d'établir des accords pour des tests supplémentaires[29].

En janvier 2016, l'US Air Force a accordé un contrat de développement de 33,6 millions $ US à SpaceX pour le développement d’une version prototype de son moteur Raptor réutilisable au méthane pour une utilisation sur l'étage supérieur des Falcon 9 et des Falcon heavy. SpaceX a de son côté investi environ le double soit 67,3 millions US $. Les travaux dans le cadre du contrat devraient être achevés en 2018 et les tests de performance du moteur se feront au Centre spatial John C. Stennis de la NASA dans le Mississippi[7],[30].

Le 9 décembre 2020, le prototype du Starship SN8, équipé de trois moteurs raptor, effectue un vol à 12,5 km d'altitude. C'est la première fois que trois de ces moteurs fonctionnent simultanément.[31]

Conception
Comparaison des noyaux de fusée de SpaceX : (de gauche à droite) Falcon 9 v1.0 (2010), Falcon 9 v1.1 (2013), et une ébauche d’avril 2014 du lanceur du MCT d'un diamètre de 10 mètres avec ses 9 moteurs Raptor sur la base des informations de début 2014.

Le moteur Raptor est alimenté par du méthane liquide et de l'oxygène liquide en utilisant un cycle à combustion étagée plus efficace[19]. Le concept se distingue du cycle « ouvert » générateur de gaz et du mélange de propergols LOX / kérosène des moteurs actuels Merlin[19]. Les moteurs principaux de la navette spatiale (SSME) utilisaient également un procédé de combustion étagée[32] de même que plusieurs moteurs de fusées russes (tels que le RD-180)[19].

Le moteur Raptor est conçu pour être en mesure de fournir « une longue durée de vie [...] et des environnements de turbines moins hostiles »[5].

Plus spécifiquement, le Raptor utilisera un cycle de combustion étagée à flux complet, où 100 % du comburant avec un faible ratio de méthane va alimenter la turbine de la pompe à oxygène et 100 % du carburant avec un faible ratio d’oxygène alimentera la turbine de la pompe à méthane. Les deux flux carburant-comburant seront introduits intégralement en phase gazeuse dans la chambre de combustion. Avant 2014, seuls deux moteurs de fusée à cycle de combustion étagée à flux complet avaient suffisamment progressé pour être testés sur des bancs d'essai : le projet soviétique RD-270 dans les années 1960 et le projet de démonstration Aerojet Rocketdyne integrated powerhead au milieu des années 2000[14].

Cycle à combustion étagée full-flow.

Le moteur Raptor est conçu pour fonctionner avec des propergols methalox super cryogénisés refroidis à la limite de leur point de congélation plutôt que de leur point d'ébullition comme c’est le plus courant pour les moteurs de fusée cryogéniques[14].

La turbopompe et la plupart des parties critiques des injecteurs sont fabriqués en utilisant l'impression 3D, ce qui permet d’augmenter également la vitesse de développement et de test itératif[14].

Les performances visées pour le moteur Raptor ont largement variées au fur et à mesure de l’avancement du projet : de 8200 kN de poussée dans le vide à une valeur plus récente beaucoup plus faible de 2300 kN (230 tonnes de poussée)[33]. Les estimations ciblent maintenant une impulsion spécifique Isp de 363 secondes dans le vide[14] et de 321 secondes au niveau de la mer[14],[24]. La poussée finale et l’impulsion spécifique Isp est toujours susceptible de changer tant que le programme de développement ne sera pas achevé[34].

Les caractéristiques suivantes sont envisagées pour augmenter les performances et la fiabilité du moteur[14] :

  • Éliminer le joint de la turbine carburant-comburant qui est une cause potentielle d'échec dans les conceptions plus traditionnelles de moteur-fusée
  • Obtenir des pressions plus faibles à travers le système de pompage pour augmenter la durée de vie et réduire le risque d'une défaillance catastrophique
  • Créer la capacité d'augmenter la pression dans la chambre de combustion pour augmenter la performance globale, ou « à l'aide de gaz froids fournissant les mêmes performances qu’un moteur à combustion interne standard avec beaucoup moins de tension sur les matériaux, ce qui réduit considérablement la fatigue des matériaux ou le poids [du moteur] »[14]

Version pour le vide spatial

Comme le moteur SpaceX Merlin, une version du moteur de fusée Raptor dédiée à fonctionner dans le vide spatial est prévue. Elle cible une impulsion spécifique de 380 s[25] grâce à l’utilisation d’une tuyère plus grande permettant une plus grande expansion des gaz d'échappement.

Comparaison avec d'autres modèles de moteurs
Moteur Poussée dans le vide

[kilonewtons]

 Impulsion spécifique dans le vide

[secondes]

 Ratio

poussée/poids

 Type de moteur
SpaceX Raptor (tel que prévu en septembre 2016[27]) 1900 380[35]
Méthane/LOX Combustion étagée à flux complet
Blue Origin BE-4 2400[36]
Méthane/LOX Combustion étagée enrichie en oxygène
ArianeGroup Vulcain 2 1340[37] 431[37] LH/LOX Cycle à générateur de gaz.
SpaceX Merlin 1D 825[38] 309[39] 180[40] RP-1/LOX Cycle générateur de gaz
SpaceX Merlin 1C 610 304[41] 96
NK-33 1638[42] 331[42] 136.66[42] RP-1/LOX Combustion étagée
RD-180 4152[43] 338[43] 78.44[43]
RD-191 2090[44] 337.5[44] 89[44]
Moteurs principaux de la navette spatiale RS-25 2280 453[45] 73[46] LH/LOX Combustion étagée
Rocketdyne F-1 (Saturn V) 7740 304[47] 83 RP-1/LOX Cycle générateur de gaz
TR-107 4900[48] [48] [48] RP-1/LOX Combustion étagée enrichie en oxygène

Les essais moteurs
Premier tir d'essai d'un moteur Raptor le 25 septembre 2016 à McGregor, Texas
Test des pré-brûleurs d'oxygène du Raptor au Stennis en 2015

Les tests de développement initiaux [6] des composants du moteur Raptor au méthane ont été réalisés au centre spatial Stennis dans le comté de Hancock au Mississippi où SpaceX a adapté l'infrastructure existante afin de pouvoir effectuer les essais moteur au méthane liquide[3],[22]. Ces tests ont été limités à des composants du moteur Raptor. Les bancs d'essai du complexe E-2 de Stennis n’étaient pas capables de soutenir des essais à pleine puissance (maximum testable de 440 kN de poussée). Le moteur Raptor en développement tel que prévu en octobre 2013 au moment de l’équipement de la plateforme de Stennis était conçu pour générer plus de 2 940 kN de poussée dans le vide[3].

Les modifications apportées aux bancs d'essai par SpaceX font maintenant partie de l'infrastructure de test de Stennis et seront disponibles aux autres utilisateurs de l'installation après que SpaceX ait terminé son programme[3].

SpaceX a complété avec succès une « série de tests d'injection principale à la fin 2014 » et un « test à pleine puissance du pré-brûleur d'oxygène » du Raptor en juin 2015. Les tests se poursuivent sur les pré-brûleurs composants le Raptor à partir de septembre 2015[6].

SpaceX devra construire un nouveau banc d'essai pour pouvoir tester le moteur Raptor à pleine puissance[3]. Le B-2 banc d'essai au Stennis Space Center est déjà en cours de mise à niveau pour accueillir des essais du SLS de la NASA à 7 440 kN[49].

En février 2019, Elon Musk a indiqué sur Twitter la mise à feu du Raptor, qui a pu fournir une poussée de 1 687 kN (172 tonnes) pour une pression de 268,9 bar dans la chambre de combustion[50].

Le , un moteur Raptor SN6 a été testé avec succès dans le cadre de l'essai du démonstrateur StarHopper. Ce moteur a permis un vol de 57 s, consistant en l'élévation du démonstrateur jusqu'à une hauteur de plus de 150 mètres, ainsi qu'un atterrissage sur une autre plateforme éloignée d'une centaine de mètres de celle de départ. Ce moteur a réalisé des modulations de puissance, mais a montré une défaillance vers la fin de la phase d'atterrissage, cela se manifestant par une combustion très "riche" en méthane d'où une flamme très orangée[51].

En Août 2020, Elon Musk a indiqué sur Twitter la mise à feu d'un Raptor, qui a pu fournir une poussée de 225 tonnes pour une pression de 330 bar dans la chambre de combustion[52].

Articles connexes

Références
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  3. (en) Dan Leone, « SpaceX Could Begin Testing Methane-fueled Engine at Stennis Next Year », Space News,‎ (lire en ligne, consulté le )
  4. https://www.youtube.com/watch?v=hJD0MMP4nkM
  5. Gwynne Shotwell, « STATEMENT OF GWYNNE SHOTWELL, PRESIDENT & CHIEF OPERATING OFFICER, SPACE EXPLORATION TECHNOLOGIES CORP. (SPACEX) », Congressional testimony, US House of Representatives, COMMITTEE ON ARMED SERVICES SUBCOMMITTEE ON STRATEGIC FORCES, (consulté le ) : « SpaceX has already begun self-funded development and testing on our next-generation Raptor engine. ... Raptor development ... will not require external development funds related to this engine. », p. 14–15
  6. « NASA-SpaceX testing partnership going strong », Lagniappe, John C. Stennis Space Center, NASA, (consulté le ) : « this project is strictly private industry development for commercial use »
  7. "Contracts: Air Force".
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    « The new Raptor upper stage engine is likely to be only the first engine in a series of lox/methane engines. »
  21. Broadcast 2212: Special Edition, interview with Gwynne Shotwell, (mp3) [audio file], Gwynne Shotwell () The Space Show. Consulté le . La scène se produit à 21:25–22:10. “our focus is the full Raptor size”
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