BE-3

1. 개요

BE-3는 블루 오리진이 개발한 액체 수소/액체 산소 극저온 로켓 엔진이다. 2013년 개발이 발표되었으며, 뉴 셰퍼드 준궤도 차량의 시험 비행에 사용되었다. BE-3는 BE-3PM과 BE-3U의 두 가지 주요 변형이 있으며, BE-3PM은 펌프 공급 방식과 연소 탭오프 사이클을 사용하고, BE-3U는 익스팬더 사이클 방식을 채택한다. BE-3U는 뉴 글렌 로켓의 2단계 추진에 사용될 예정이다.

2. 역사

BE-3 엔진 개발은 블루 오리진의 초기 로켓 엔진 개발 노력의 일환으로 시작되었다. 2012년 프랫 & 휘트니 로켓다인이 에어로젯에 인수된 후, 블루 오리진은 BE-4 개발에 ULA(United Launch Alliance)와 협력하고 액체 로켓 엔진 사업에 진출했다.

2013년 1월, 블루 오리진은 새로운 액체 수소/액체 산소(LH2/LOX) 극저온 로켓 엔진인 BE-3 개발을 발표했다. 초기 추력은 100000lbf로 발표되었으며, NASA 스테니스에서 초기 추력실 테스트가 계획되었다. 2013년 말, BE-3는 단일 테스트 시퀀스에서 깊은 스로틀, 최대 출력, 장시간 및 신뢰할 수 있는 재시동을 시연하며 성공적으로 테스트되었다. NASA는 테스트 비디오를 공개했다.

2013년 12월, 엔진은 해수면 근처 지상 테스트 스탠드에서 수행된 테스트를 통해 최대 출력 110000lbf, 최소 추력 25000lbf까지 스로틀 다운이 가능함을 보여주었다. 2015년 4월, 엔진의 테스트 스탠드 테스트가 완료되었으며, 450회 이상의 엔진 점화와 500분 이상의 누적 엔진 테스트 시간이 기록되었다.

2015년 4월 29일, BE-3PM 엔진을 탑재한 뉴 셰퍼드 준궤도 차량의 첫 시험 비행이 실시되어 고도 93500m에 도달했다. 2015년 4월, 유나이티드 런치 얼라이언스(ULA)는 2020년대 ULA 벌컨 궤도 발사체의 주요 상단이 될 예정인 새로운 2단 로켓 첨단 극저온 진화형 스테이지(ACES)에 BE-3 사용을 고려하고 있었다.

2016년 1월, 미국 공군은 오비탈 ATK에 블루 오리진 BE-3U용 확장 가능한 로켓 엔진 노즐 개발에 대한 부분적인 개발 자금을 지원했다.

2021년 7월 20일, 이 엔진 설계는 뉴 셰퍼드의 첫 유인 비행에 사용되었다.

2022년 9월 12일, 뉴 셰퍼드 3 발사 중단 및 차량 손실 발생 (제어되지 않은 엔진 고장).

3. 엔진 설계

BE-3 엔진은 블루 오리진이 2000년대 초반부터 개발해 온 로켓 엔진이다. 초기에는 고농도 과산화수소를 추진제로 사용하는 BE-1 (추력 2000lbf), 케로신과 과산화수소를 사용하는 BE-2 (추력 31000lbf) 엔진을 개발했다.

2013년, 블루 오리진은 액체 수소/액체 산소(LH₂/LOX)를 사용하는 극저온 로켓 엔진인 BE-3를 개발한다고 발표했다. 초기에는 100000lbf의 추력을 낼 것으로 예상되었으나, 이후 해수면 근처 지상 테스트 결과 최대 110000lbf의 추력을 낼 수 있으며, 25000lbf까지 추력 조절(스로틀 다운)이 가능한 것으로 확인되었다. 2015년에는 최소 추력 20000lbf로 스로틀링 범위가 더 넓어진 최종 사양이 발표되었다.

2013년 말까지 텍사스 주 반 혼 근처의 블루 오리진 테스트 시설에서 160회 이상의 시동과 9100s의 작동 시간을 기록했으며, 2015년 4월까지 450회 이상의 엔진 점화와 500분 이상의 누적 엔진 테스트를 완료했다.

2015년에는 유나이티드 런치 얼라이언스(ULA)가 개발 중인 벌컨 로켓의 상단에 BE-3 엔진 사용을 고려하기도 했다.

BE-3는 뉴 셰퍼드 2단과 3단에 사용될 예정인 BE-3U와 같이 다양한 파생형으로 개발되었다. BE-3U는 익스팬더 브리드 사이클 방식을 채택하고 있다.

3.1. BE-3PM

BE-3PM은 BE-3의 1단 변형으로, 펌프 공급 엔진 설계를 사용하며, 연소 탭오프 사이클 방식을 사용한다. 연소 탭오프 사이클은 주 연소실에서 소량의 연소 가스를 추출하여 엔진 터보펌프에 동력을 공급하는 방식이다.

2013년 1월, 블루 오리진은 새로운 액체 수소/액체 산소(LH2/LOX) 극저온 로켓 엔진인 BE-3 개발을 발표했다. 초기에는 100000lbf의 추력을 낼 것으로 예상되었으며, 2013년 2월 중순에 NASA 스테니스에서 초기 추력실 테스트가 계획되었다. 추력실 테스트는 2013년 중에 실시되었다.

2013년 말, BE-3는 "단일 테스트 시퀀스에서 깊은 스로틀, 최대 출력, 장시간 및 신뢰할 수 있는 재시동을 시연"하여 성공적으로 테스트되었다. NASA는 테스트 비디오를 공개했다.

2013년 12월까지, 블루 오리진은 해수면 근처 지상 테스트 스탠드에서 수행된 엔진 테스트를 통해 엔진 사양을 업데이트했다. 엔진은 최대 출력에서 110000lbf의 추력을 생성할 수 있었고, 특정 발사체에서 필요한 경우 제어된 수직 착륙에 사용하기 위해 25000lbf까지 스로틀 다운할 수 있었다. 2015년 4월에 출시된 최종 엔진 사양에는 최소 추력 20000lbf가 포함되었으며, 이전 발표된 최대 출력 추력 사양을 유지하면서 예비 수치보다 20% 더 넓은 스로틀링 기능을 유지했다.

2013년 12월 기준으로, 이 엔진은 "텍사스주 반 혼 근처 블루 오리진의 테스트 시설에서 160회 이상의 시동과 의 작동을 시연했다." BE-3의 추가 테스트는 2014년에 완료되었으며, 엔진은 "축소형 부스터 준궤도 임무 사이클을 시뮬레이션했다."

2015년 4월까지 엔진의 테스트 스탠드 테스트가 완료되었으며, 450회 이상의 엔진 점화와 500분 이상의 누적 엔진 테스트 시간이 기록되었다. 블루 오리진은 2015년 후반에 BE-3PM 엔진을 탑재한 뉴 셰퍼드 차량의 첫 번째 테스트 비행을 실시할 것이라고 밝혔다.

2015년 4월 29일, 블루 오리진은 93500m 고도까지 부스트 프로파일을 비행하면서, BE-3PM 엔진의 첫 번째 시험 비행을 뉴 셰퍼드 준궤도 차량으로 실시했다.

3.2. BE-3U

블루 오리진은 BE-3의 개방형 익스팬더 사이클 변형인 BE-3U를 개발했다. 이 엔진 2기가 뉴 글렌 2단계 추진에 사용될 것이다.

2015년 11월, BE-3U는 150000lbf의 진공 추력을 가질 것으로 예상되었다. 2019년 2월, 블루 오리진은 뉴 글렌에 사용된 BE-3U의 추력을 160000lbf로 업데이트했다. 2024년 8월, 제프 베이조스는 BE-3U의 추력이 172000lbf로 상향 조정되었으며, 비추력은 445초라고 밝혔다. 이후 보도 자료에서 추력은 173000lbf로 수정되었다.

4. 기술 사양

BE-3는 2000년대 블루 오리진의 초기 로켓 엔진 개발 노력을 따르는 엔진이다. 2013년 1월, 회사는 새로운 액체 수소/액체 산소(LH₂/LOX) 극저온 로켓 엔진인 BE-3 (Blue Engine 3)의 개발을 발표했다. 이 엔진은 원래 100000lbf의 추력을 생산할 것으로 발표되었다.

2013년 말, BE-3는 "단일 테스트 시퀀스에서 깊은 스로틀, 최대 출력, 장시간 및 신뢰할 수 있는 재시동을 시연"하여 성공적으로 테스트되었다.

2013년 12월까지 블루 오리진은 해수면 근처 지상 테스트 스탠드에서 수행된 엔진 테스트를 통해 엔진 사양을 업데이트했다. 이는 엔진이 최대 출력에서 110000lbf의 추력을 생성할 수 있으며, 25000lbf까지 성공적으로 스로틀 다운할 수 있음을 보여주었다. 2015년 4월에 출시된 최종 엔진 사양에는 최소 추력 20000lbf가 포함되었으며, 이전에 발표된 최대 출력 추력 사양을 유지했다.

기준, 이 엔진은 "텍사스주 반 혼 근처 블루 오리진의 테스트 시설에서 160회 이상의 시동과 의 작동을 시연했다."

2015년 4월까지 엔진의 테스트 스탠드 테스트가 완료되었으며, 450회 이상의 엔진 점화와 500분 이상의 누적 엔진 테스트 시간이 기록되었다.

결과적으로, 블루 오리진은 4월 29일에 고도까지 비행하면서, BE-3PM 엔진의 첫 번째 시험 비행을 뉴 셰퍼드 준궤도 차량으로 실시했다.

해수면 버전의 엔진인 BE-3PM 개발이 완료되어 2015년 초에 완전히 인증되었다.

BE-3PM (해수면 버전)의 성능은 다음과 같다.