Илон Маск присоединился к обсуждению ракетного топлива в Твиттере несколько недель назад. И во время последовавших за этим дебатов он объяснил, почему новое поколение носителей SpaceX изменило топливо и почему в его машинах не использовалось самое лучшее из «бумаги».
Если бы неспециалисту пришлось выбрать идеальное топливо для ракеты-носителя, он, вероятно, выбрал бы водородно-кислородную комбинацию. Зачем? Кислород, конечно, нужен, без него в вакууме ничего не горит. И водород на бумаге кажется явно лучшим выбором, потому что он легкий (что может быть легче), чисто горит и имеет самый высокий так называемый удельный импульс.
Удельный импульс - это малоизвестная, но относительно простая единица измерения: он выражает отношение тяги к количеству топлива, потребляемого в секунду. Например, если удельный импульс равен 1000 Нс / кг, это означает, что один килограмм рабочего вещества может произвести тягу в 1000 Ньютонов за одну секунду. Это также означает, что за 1000 секунд он даст ход на один Ньютон.
В действительности, однако, водорода используется меньше, чем можно было бы ожидать. Например, двигатели Raptor 2-го поколения, оснащенные двигателями SpaceX, изначально были разработаны для сжигания водорода и кислорода, как недавно объяснил инженер Том Мюллер . Однако в конце концов SpaceX переработала двигатели и заменила водород на метан.
Некоторые причины, которые мы знали, недавно объяснил другой Илон Маск в Твиттере во время долгой дискуссии о (не) преимуществах различных видов топлива. По сути, это было развитие аргументов, выдвинутых компанией, когда она публично представила гигантскую марсианскую ракету ITS в 2016 году (с годами эта концепция была переработана в немного меньший Starship ).
Что на Марсе и другие вопросы
Водород легкий, но часто забывают, что водород требует значительно больших резервуаров, чем другие виды топлива, из-за его низкой плотности. А большие баки означают, что двигатели имеют больший вес для ускорения на пути к орбите.
Плотность сжиженного метана составляет 422 кг на кубический метр, тогда как в случае сжиженного водорода она составляет всего 71 кг. Из-за этого жидкий водород в некоторой степени непрактичен, что хорошо видно на примере шаттла, главные двигатели которого сжигали водород и кислород. Хотя внешний резервуар содержал в шесть раз больше кислорода, чем водород, резервуар с водородом по-прежнему составлял 75% от общего объема. Другими словами, из-за низкой плотности водорода требовался непропорционально большой бак для относительно небольшого количества топлива.
Илон Маск пояснил, что, несмотря на меньший удельный импульс, ступень ракеты с метановыми двигателями Raptor де-факто работает лучше, чем водородная ступень. И метан, и кислород будут сильно переохлаждаться на Starship, плотность увеличится еще больше, а в баках будет немного больше топлива.
Дополнительный вес можно сэкономить, установив одинаковую температуру для Starship и метана, поэтому нет необходимости в теплоизоляции между резервуарами для двух веществ, и будет достаточно простой общей перегородки. В качестве еще одного серьезного недостатка водорода Маск назвал необходимость чрезмерного переохлаждения (-253 ° C в случае космического челнока), что требует прочной изоляции, которая склонна к утечке тепла. «Водород - это ад», - добавил он .
Маск аналогичным образом сравнил метан и топливо RP-1, которое SpaceX использует в ракетах Falcon. РП-1 - это керосин высокой степени очистки. Хотя RP-1 имеет более высокую плотность (800 кг / м3), чем жидкий метан (422 кг / м3), в действительности эта разница будет немного меньше, потому что SpaceX будет переохлаждать метан значительно ниже точки кипения, поэтому его результирующая плотность будет выше.
Кроме того, потребление второго компонента каждого ракетного топлива, то есть кислорода, также играет роль. Жидкий кислород имеет даже более высокую плотность, чем оба этих топлива (более 1141 кг / м3). Поэтому логично, что чем выше кислородное соотношение, необходимое ракете, тем лучше будет размер баллона.
Raptor сжигает кислород и метан в соотношении 3,6: 1, в то время как в случае двигателя Merlin на Falcons это только 2,3: 1. Таким образом, в Starship кислород будет составлять 75% веса топлива перед стартом, поэтому резервуары могут быть еще меньше.
У РП-1 тоже есть одна температурная проблема. SpaceX использует RP-1 при -7 ° C, а кислород - -206 ° C. Эта большая разница означает, что между баками должна быть теплоизоляция, чтобы топлива не нагревались / охлаждались друг друга. В случае метана разница небольшая, поэтому можно использовать общую перегородку, чтобы отделить кислородный баллон от метанового и сэкономить вес.
Маск также заявляет, что криогенная температура метана в Starship увеличивает прочность стальных резервуаров, поэтому в результате они могут быть не такими прочными и тяжелыми. С учетом всех этих преимуществ вес баков метановой ракеты, по словам Маска, сопоставим с массой ракеты, использующей РП-1.
Мы не упомянули еще об одном большом преимуществе метана, о котором Маск и SpaceX неоднократно говорят. Они думают, что он знает, как сделать это на Марсе. В SpaceX, согласно презентации Маска от 2016 года, первоначально они работали с идеей, что водород и кислород могут быть произведены из водяного льда Марса на красной планете.
В конечном итоге она была отклонена из-за технических трудностей, связанных с хранением водорода. Как мы уже упоминали, его можно хранить только в жидком состоянии при температурах, близких к абсолютному нулю, что, в свою очередь, требует сложной инфраструктуры.
Метан (т.е. CH 4 ) гипотетически можно будет снова производить на Марсе из водяного льда, а затем из двуокиси углерода в атмосфере. Производство должно происходить на основе относительно известных сегодня реакций (электролиз и так называемая реакция Сабатье для получения метана), источником энергии должны быть фотоэлектрические панели.
Что это значит для двигателя
Конечно, тип топлива также влияет на конструкцию ракетного двигателя. Илон Маск показал, что советские и российские достижения в разработке ракетных двигателей в 1980-х годах сыграли важную роль в решении SpaceX перейти с водорода на метан. С их помощью Советы достигли удельного импульса в 380 секунд.
Маск также объяснил, что метан имеет более высокую максимальную теоретическую эффективность сгорания, чем RP-1, поэтому импульс в 380 секунд не может быть достигнут с RP-1. Говорят, что с метаном можно достичь максимальной теоретической эффективности сгорания более 99%, в то время как с RP-1 она составляет максимум 97%, и, кроме того, турбины забиты сажей, которую необходимо удалять между запусками. Напротив, метан горит чисто, поэтому повторное использование Raptors должно быть проще, чем с Merlins.
Говоря о двигателях SpaceX, Маск недавно заявил в Твиттере, что SpaceX уже произвела 30-й двигатель Raptor с серийным номером SN30 . Это интересно главным образом потому, что, по словам Мусека, в двигатели были внесены сотни улучшений.
В первую очередь якобы в производственной зоне, однако, также произошло снижение веса и увеличение тяги и удельного импульса. В другом твите Маск добавил, что компания также дополнительно улучшает значение давления в камере сгорания и приближается к значению 300 бар (30 МПа), что является ключевым параметром для достижения высокой производительности. По словам Мусека, постоянные модификации Raptors будут продолжаться как минимум до 50-го экземпляра , только тогда внешний вид двигателя будет более или менее исправлен.
Больше информации о науке и космосе в нашем телеграмм канале: Dark Science | Наука, подписывайся и прокачивай свои мозги.
