Приветствую вас мои космические друзья.
Следующий испытательный полет космической системы "Старшип" назначен на 28 февраля. Как многим из вас известно, двигатели этой огромной ракеты используют в качестве топлива жидкий метан. Сегодня я предлагаю поговорить о преимуществах и недостатках жидкого метана как ракетного топлива.
На протяжении длительного времени керосин, жидкий водород, твердое ракетное и гиперголическое топливо были основными видами ракетного топлива. Однако в последние годы жидкий метан стал привлекательной альтернативой для использования в ракетных двигателях.
С созданием частных космических компаний, и активными усилиями по организации межпланетных путешествий и достижению Марса в течение следующих десятилетий, жидкий метан приобретает все большую популярность в качестве основного топлива для достижения этой цели.
Частные компании, такие как SpaceX и Blue Origin, уже разработали ракетные двигатели, работающие исключительно на этом типе топлива. Компания SpaceX разработала ракетный двигатель Raptor, а компания Blue Origin двигатель BE-4.
Что такое жидкий метан?
В своем обычном состоянии метан (CH4) является природным газом. Большая его часть образуется в результате распада и разложения органического вещества под поверхностью Земли при высоких температурах.
Как и керосин, метан является углеводородом, то есть органическим соединением, состоящим из водорода и углерода. Метан состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Жидкий метан — это криогенное топливо, то есть, чтобы превратиться в жидкость, газ необходимо охладить до температуры -162° по Цельсию или ниже.
В ракетном двигателе жидкий метан используется в качестве топлива для ракет-носителей. Его высокий удельный импульс, низкий углеродный след и возможность производства на других небесных телах делают его привлекательной альтернативой различным видам ракетного топлива.
Как и все другие виды топлива, используемые в ракетах, жидкий метан нуждается в окислителе для своего сгорания. Им является жидкий кислород. Топливо и окислитель смешиваются в камере сгорания двигателя, где они и сгорают, образуя горячие газы, которые приводят в движение ракету-носитель.
Как производится жидкий метан
Хотя природный газ можно найти вблизи подземных месторождений нефти или угля, более глубинные месторождения часто содержат гораздо более чистую форму метана, которая не требует тщательной очистки для удаления нежелательных соединений. Газ, который добывается под землей, на месторождениях природного газа добывается путем бурения вертикальных и горизонтальных скважин, после чего он откачивается на поверхность. Из скважин газ транспортируется по сети трубопроводов на перерабатывающие заводы, где из него удаляются водяной пар и неуглеводородные соединения, такие как гелий, азот и углекислый газ, в результате чего получается чистая форма природного газа -метан. Чтобы превратить его в жидкость, газ охлаждают до температуры ниже -162° по Цельсию. Эта температура является точкой кипения метана.
Преимущества использования жидкого метана
По сравнению с более традиционными видами ракетного топлива, жидкий метан имеет ряд преимуществ.
Некоторые из основных преимуществ использования жидкого метана:
- Он проще и дешевле в производстве
- Практически полное отсутствие коксования
- Он экологически чистый
- Более высокий удельный импульс, чем у керосина
- Может быть произведен на других небесных телах
- Требуются меньшие топливные баки по сравнению с баками с жидким водородом
- Для поддержания давления в топливных баках не требуется дополнительных систем
- Позволяет ракетному двигателю работать при более высоких давлениях
Рассмотрим эти пункты более подробно.
Как было сказано выше, жидкий метан требует определенной степени очистки для удаления нежелательных соединений и его охлаждения. Однако этот процесс намного проще и дешевле, чем многочисленные сложные этапы, необходимые для производства керосина или жидкого водорода, производство которых обходится дороже. Не менее 85% массы ракеты-носителя приходится на топливо. Снижение стоимости топлива имеет решающее значение и всегда должно приниматься во внимание.
Метан является простейшим углеводородом, состоящим всего из одного атома углерода, и четырех атомов водорода. Это резко контрастирует с длинными цепочками углерода и водорода, которые входят в состав керосина. Одна молекула керосина может состоять из 20 атомов углерода. Эти сложные длинные цепочки молекул означают, что керосин никогда не сгорает полностью. Вместо этого он распадается и производит при сгорании сажу и другие отложения. Такой процесс называется коксованием ракетного двигателя. Он имеет ряд неблагоприятных последствий. Накопление остатков в ракетном двигателе, может засорить и снизить его производительность и надежность. Это также значительно затрудняет повторное использование ракеты-носителя, поскольку коксование и вызванные им повреждения приводят к более сложному и дорогостоящему процессу ремонта ракетного двигателя. Простой химический состав метана означает, что он сгорает полностью и не оставляет никаких продуктов сгорания в ракетном двигателе. Это не только делает двигатель более эффективным и надежным, но и делает его ремонт более простым и менее дорогостоящим.
Керосин не только вызывает коксование и накопления не сгоревших остатков. Его выхлоп также содержит большое количество углекислого газа, сажи, оксидов азота, соединений серы и оксида углерода. Все это способствует загрязнению атмосферы. Напротив, благодаря своей способности сгорать почти полностью и высокому содержанию водорода, выхлопные газы, образующиеся при сгорании жидкого метана, в основном состоят из воды, некоторого количества углекислого газа и небольшого количества оксидов азота. Это делает метан одним из самых экологически чистых видов ракетного топлива, доступных в настоящее время, и только при сгорании водорода образуется более чистый выхлоп.
Более 85% массы ракеты составляет топливо, поскольку для создания достаточной тяги, позволяющей ракете-носителю преодолеть земное притяжение и выйти на орбиту, требуется невероятное количество топлива.
Самый главный показатель — насколько эффективно ракета может сжигать свое топливо. Удельный импульс — это термин, используемый для описания этой эффективности; обычно этот показатель измеряется в секундах. По сути, это ракетный эквивалент автомобильного термина расхода топлива - «литров на 100 километров». Удельный импульс любого ракетного двигателя во многом определяется типом используемого топлива. На сегодняшний день жидкий водород оказался наиболее экономичным топливом для ракет-носителей, и широко используется в ступенях многих ракет. Однако его низкая плотность означает, что водород требует гораздо больших топливных баков, чем другие виды жидкого топлива. Это увеличивает массу и размер ракеты. Метан не имеет такой же эффективности (удельного импульса), как водород, но он имеет большую плотность, требуя меньших топливных баков для того же количества топлива. Кроме того жидкий метан имеет более высокий удельный импульс, чем керосин.
В 2017 году космическое агентство НАСА запустило программу «Артемида» с целью возвращения людей на Луну и создания базы для дальнейшего исследования Солнечной системы, включая Марс. Этот проект также находится в центре внимания частных космических компаний, таких как SpaceX. Взять с собой все необходимое топливо, для длительного путешествия на Марс, будет невозможно ни для одной ракеты. Вместо этого ученые стремятся к разработке технологии производства необходимого для космического корабля топлива, непосредственно в запланированных пунктах назначения, и именно здесь проявляется реальное преимущество жидкого метана. Теоретически, метан может быть произведен на Марсе. Атмосфера планеты на 95% состоит из углекислого газа, а на его полюсах имеется значительное количества воды. С помощью процесса, называемого реакцией Сабатье, на Марсе может быть произведен метан. Если на Марсе удастся создать производственный объект, производящий метан, это не только поможет сделать межпланетные путешествия более реалистичными, но и сделает их постоянными. В случае успешной реализации Марс также может быть использован в качестве базы для дальнейших исследований Солнечной системы. Для этого двигатели космических кораблей должны работать на жидком метане, поэтому такие компании, как SpaceX и Blue Origin, вкладывают так много ресурсов в разработку ракет на метане, которые могут использовать возможность производства топлива за пределами Земли.
Как упоминалось выше - жидкий метан не обладает таким высоким удельным импульсом, как водород, и поэтому он не столь энергоэффективен. Однако он также гораздо плотнее, а это значит, что для того же количества топлива ему требуются меньшие топливные баки, чем водороду, что не только снижает общую массу ракеты-носителя, но и позволяет сделать ее меньше.
Все топливные баки ракет должны находиться под давлением и должны оставаться под давлением, чтобы обеспечить непрерывный и равномерный поток топлива и сохранить структурную целостность баков. Обычно для этого используется легкий газ, например гелий, который подается в топливные баки для поддержания правильного давления. Однако это усложняет конструкцию топливного бака и это, опять же, увеличивает массу ракеты. Но давление в метановых баках можно создавать и поддерживать с помощью газообразного метана с помощью процесса, называемого автогенным наддувом. Это значительно упрощает процесс наддува топливных баков ракет, работающих на метане, что снижает общую массу носителя.
Жидкий метан имеет более высокий удельный импульс чем керосин, из-за его меньшей плотности. Поэтому при том же давлении внутри камеры сгорания, метан обеспечивает примерно пятипроцентное увеличение производительности по сравнению с использованием керосина. Но жидкий метан можно сжигать при гораздо более высоких давлениях, чем керосин. Повышенное давление может привести к увеличению производительности двигателя примерно на двадцать процентов.
Недостатки использования жидкого метана
Несмотря на многочисленные преимущества жидкого метана как ракетного топлива, у него есть и ряд недостатков. Наиболее заметными недостатками использования метана являются:
- Использование метана не создает такую же величину тяги, как использование керосина
- Требуются топливные баки большего размера, из-за более низкой плотности, чем у керосина
- Меньший удельный импульс, чем у водорода
Метан имеет меньшую плотность, чем керосин, что позволяет ракетным двигателям достигать более высоких скоростей истечения, что увеличивает их удельный импульс. Однако из-за меньшей молекулярной массы метана он не создает такой же тяги, как при использовании керосина. Более высокая тяга ракеты при использовании керосина имеет решающее значение для ускорителей первых ступеней, что позволяет ракете преодолеть плотные слои атмосферы и выйти на орбиту Земли.
Одним из преимуществ метана перед водородом является то, что он намного плотнее, а значит, для того же количества топлива ему требуются меньшие топливные баки, что снижает общую массу ракеты-носителя и позволяет сделать ее компактнее.
Однако метан не такой плотный, как керосин, что означает, что керосин все еще имеет явное преимущество, когда дело касается размера бака, и может использовать меньшие топливные баки для того же количества топлива (по массе). Это важно, когда масса ракеты имеет решающее значение.
Когда дело доходит до топливной эффективности, ни одно жидкое топливо не может сравниться или даже приблизиться к жидкому водороду. Удельный импульс жидкого метана составляет 330–350 секунд, тогда как у водорода он составляет 366–452 секунды, что наглядно демонстрирует превосходство водорода в этом отношении.
Поэтому большинство ракет-носителей, таких как "Сатурн-5", "Атлас", "Дельта" и "Ариан", использовали и используют жидкий водород в своих верхних ступенях. Жидкий метан не обеспечивает явного преимущества с точки зрения топливной эффективности.
Заключение
До недавнего времени жидкий метан не давал явных преимуществ перед жидким водородом или керосином в качестве ракетного топлива. Он более энергоэффективен, чем керосин, но не так эффективен как водород. Он требует меньших топливных баков, чем водород, но все равно больше тех, которые необходимы при использовании керосина.
Однако с тех пор, как такие частные космические компании, заявили о своем намерении объединить усилия для достижения Марса в течение следующих десятилетий, метан стал весьма привлекательным вариантом в качестве топлива для достижения этой цели. В сочетании с другими преимуществами этого топлива становится ясно, почему жидкому метану уделяется столько внимания и почему разработано несколько новых ракетных двигателей, работающих на этом типе топлива.
Спасибо за внимание!