Данная статья является ответом на вопрос читателя. Мы попытаемся разобраться, какие факторы стали причиной использования метана в двигателе Raptor от SpaceX.
По теме:
Собака Лайка - первое живое существо, которое полетело в космос. Как это произошло? Об этом в нашей статье:
В 1964 году стартовала советская космическая программа "Зонд". В ходе программы, к Луне было запущено четыре автоматических станции с черепахами. За 6 дней полета они потеряли 10% веса, а органы пришли в негодность! Подробнее:
Наблюдение за обезьянами в космосе на низкой околоземной орбите: Космическая программа Бион. Подробнее...
На общем вялом фоне космического двигателестроения, двигатель Raptor от SpaceX представляет собой революционный шаг в ракетной технике, и его уникальность заключается в использовании метана (CH4) в качестве топлива.
Этот выбор не случаен и обусловлен несколькими стратегическими и техническими преимуществами, которые метан предоставляет по сравнению с другим традиционным ракетным топливом.
Вот, на наш взгляд, некоторые из них:
Производство на других планетах
Одной из главных целей SpaceX является колонизация Марса.
На Марсе метан можно производить на месте, используя местные ресурсы. Это возможно благодаря реакции Сабатье, которая позволяет преобразовывать углекислый газ (CO2) из атмосферы Марса и водород (H2) из воды (H2O) в метан и воду:
Возможность производства метана на Марсе значительно снижает зависимость от поставок топлива с Земли, делая космические миссии более устойчивыми и экономичными.
Также в 2016 году космический аппарат ESA «Trace Gas Orbiter» был отправлен для изучения марсианских газов и зафиксировал метан. Однако его измерения показали, что метан в атмосфере Марса присутствует в очень низких концентрациях и распределён неравномерно.
Экономичность и доступность топлива
Также метан (CH4) более доступен и дешев в производстве по сравнению с жидким водородом (LH2) и керосином (RP-1). Метан можно производить из природного газа, который широко доступен и дешев.
Высокий удельный импульс
Метановые двигатели обеспечивают высокий удельный импульс, что означает более эффективное использование топлива. Удельный импульс двигателя Raptor в вакууме составляет около 380 секунд, что значительно выше, чем у двигателей на керосине, таких как Merlin, используемый в ракете Falcon 9.
Температурные и криогенные свойства
Метан остается жидким при более высоких температурах по сравнению с жидким водородом, что упрощает его хранение и транспортировку. Метан менее криогенный и требует меньших затрат на изоляцию и охлаждение.
Высокая плотность энергии
Метан обладает высокой плотностью энергии, что позволяет использовать меньший объем топлива для достижения тех же результатов. Это важно для увеличения полезной нагрузки ракеты.
Также необходимо особо отметить технические аспекты и инновации:
Использование полного потокового цикла (full-flow staged combustion cycle)
В двигателе Raptor происходит полное сгорание как топлива, так и окислителя в турбонасосах. Это повышает эффективность двигателя и его надежность. Как это происходит:
Метан и жидкий кислород (LOX) хранятся в отдельных резервуарах при экстремально низких температурах, чтобы оставаться жидкими. Метан и жидкий кислород подаются в соответствующие турбонасосы. В начале топливо и окислитель подаются в турбонасосы: метан поступает в турбонасос метана, а жидкий кислород – в турбонасос кислорода. Затем в турбонасосе метана небольшое количество метана смешивается с жидким кислородом и сгорает, создавая горячий газ, который приводит в движение турбину. А вВ турбонасосе кислорода небольшое количество жидкого кислорода смешивается с метаном и также сгорает, создавая горячий газ для привода другой турбины. Горячие газы, образованные при частичном сгорании, содержат остатки не полностью сгоревшего топлива и окислителя. Эти газы направляются в основную камеру сгорания. В камере сгорания горячие газы, содержащие метан и кислород, смешиваются и полностью сгорают. Это обеспечивает максимальную эффективность и выделение энергии. Горячие газы из камеры сгорания направляются в сопло. В сопле давление газов преобразуется в кинетическую энергию, ускоряя газы до сверхзвуковых скоростей и создавая мощную тягу, необходимую для подъема ракеты.
Сгорание метана гораздо чище, чем сгорание керосина, что приводит к меньшему количеству осадков сажи и других загрязнений. Это облегчает техническое обслуживание двигателей и увеличивает их срок службы.
Модульность и масштабируемость
Двигатели Raptor спроектированы таким образом, чтобы быть модульными и масштабируемыми. Он построены из стандартизированных компонентов, имеют унифицированную конструкцию и гибкость конфигурации. Это позволяет использовать их на разных ракетах, таких как Starship и Super Heavy.
Прочность материалов и технологий
В двигателях Raptor используются передовые материалы и технологии 3D-печати, что снижает вес и затраты на производство, а также повышает прочность и долговечность компонентов.
Титановые сплавы используются в конструктивных элементах, таких как стенки сопел и компоненты турбонасосов. Они обеспечивают высокую прочность при низком весе, отличную стойкость к коррозии и высокой температуре. Это критично для выдерживания экстремальных условий работы и температуры в камере сгорания.
Никелевые сплавы, такие как Inconel, используются в высокотемпературных частях двигателя, таких как сопло и камера сгорания. Они обеспечивают отличную устойчивость к высоким температурам и коррозии, сохраняют свои механические свойства при экстремальных температурах, что делает их идеальными для работы в камере сгорания.
Керамические покрытия используются для защиты внутренних компонентов от высокой температуры и окисления, т.к. керамика обладает отличными теплоизоляционными свойствами и устойчивостью к высоким температурам.
Легкие алюминиевые сплавы используются в конструкциях, где требуется снижение веса без ущерба для прочности. Это снижает общий вес ракеты и повышает её эффективность.
Композитные материалы используются в конструкциях, таких как топливные баки и внешние обшивки, т.к. обладают высокой прочностью при низком весе.
Части двигателя, включая детали турбонасосов и камеры сгорания, изготавливаются с использованием 3D-печати, что позволяет создавать сложные геометрические формы, которые были бы трудны или невозможны при традиционном производстве. Считается, что это также снижает затраты и время на производство, а также упрощает процессы ремонта и замены деталей.
Мы собрали все материалы, касающиеся «Лунной аферы», в отдельную подборку:
