Вопрос снижения стоимости запусков ракет-носителей стоял всегда. Во времена космической гонки СССР и США мало задумывались о затратах — престиж страны стоил неизмеримо дороже. Сегодня сокращение расходов «по всем фронтам» стало общемировым трендом. Топливо составляет всего 0,2…0,3% от стоимости всей ракеты-носителя, но кроме стоимости топлива важен еще такой параметр, как его доступность. А здесь уже есть вопросы. За последние 50 лет список жидких горючих, широко использующихся в ракетно-космической отрасли мало изменился. Давайте же их перечислим: керосин, водород и гептил. Каждое из них имеет свои особенности и по-своему интересно, но у всех есть хотя бы один серьёзный недостаток. Вкратце рассмотрим каждое из них.

Керосин

Начал применяться ещё в 50-х годах и остаётся востребован и по сей день — именно на нём летают наша Ангара и Falcon 9 от SpaceX. Обладает множеством преимуществ, среди которых: высокая плотность, низкая токсичность, обеспечивает высокий удельный импульс, пока что приемлемая цена. Но производство керосина сегодня сопряжено с большими трудностями. Например, ракеты Союз, которые делают в Самаре, сейчас летают на искусственно созданном горючем, потому что изначально для создания керосина для этих ракет использовались только определенные сорта нефти из конкретных скважин. В основном это нефть Анастасиевско-Троицкого месторождения в Краснодарском крае. Но нефтяные скважины истощаются, и ныне используемый керосин является смешением композиций, которые добываются из нескольких скважин. Заветную марку РГ-1 получают с помощью дорогостоящей перегонки. По оценкам экспертов, проблема дефицита керосина будет только усугубляться.

«Ангара 1.1» на керосиновом двигателе РД-193

Водород

Сегодня водород, наряду с метаном, является одним из самых перспективных ракетных горючих. На нём летает сразу несколько современных ракет и разгонных блоков. В паре с кислородом он (после фтора) выдаёт самый высокий удельный импульс и для использования в верхних ступенях ракеты (или разгонных блоках) подходит идеально. Но чрезвычайно низкая плотность не позволяет в полной мере использовать его для первых ступеней ракет. Есть у него ещё один недостаток — высокая криогенность. Если ракета заправлена водородом, то он находится при температуре около 15 кельвинов (-258 по Цельсию). Это приводит к дополнительным затратам. Если сравнивать в керосином, то доступность водорода достаточно высока и его получение не является проблемой.

«Delta-IV Heavy» на водородных двигателях RS-68A

Гептил

Он же НДМГ или несимметричный диметилгидразин. У этого горючего всё ещё остаются сферы применения, но оно постепенно отходит на задний план. И причиной тому его высокая токсичность. Он обладает почти такими же, как керосин энергетическими показателями и является высококипящим компонентом (хранение при комнатной температуре) и, поэтому, в советское время использовался достаточно активно. Например, ракета Протон летает на высокотоксичной паре гептил+амил, каждый из которых способен убить человека, вдохнувшего по неосторожности их пары. Использование таких топлив в современное время неоправдано и является неприемлемым. Горючее находит применение в спутниках и межпланетных зондах, где оно, к сожалению, незаменимо.

«Протон-М» на гептиловых двигателях РД-253

Метан как альтернатива

Но есть ли топливо, которое удовлетворит всех и будет стоить дешевле всех? Возможно, это метан. Тот самый голубой газ, на котором некоторые из вас сегодня готовили пищу. Предлагаемое горючее является перспективным, активно осваивается другими отраслями промышленности, обладает более широкой сырьевой базой по сравнению с керосином и низкой стоимостью — это является важным моментом, учитывая прогнозируемые проблемы производства керосина. Метан как по плотности, так и по эффективности находится между керосином и водородом.  Способы получения метана многочисленны. Главный источник метана природный газ, который состоит на 80..96% из метана. Остальное — это пропан, бутан и другие газы того же ряда, которые можно вообще не удалять, они очень схожи по свойствам с метаном. Другими словами, можно просто сжижать природный газ и использовать его как ракетное топливо. Метан можно получать и из других источников, например, переработкой отходов животноводства. Возможность использования метана в качестве ракетного топлива рассматривается уже на протяжении десятков лет, однако сейчас есть только стендовые варианты и  экспериментальные образцы таких двигателей. Например, в химкинском  НПО «Энергомаш» исследования в части использования сжиженного газа в двигателях велись с 1981 года. Прорабатываемая сейчас в «Энергомаше» концепция предусматривает разработку однокамерного двигателя тягой в 200 т на топливе «жидкий кислород — сжиженный метан» для первой ступени перспективного носителя легкого класса.  Космическая техника ближайшего будущего обещает быть многоразовой. И тут открывается ещё одно преимущество метана. Он криогенный, а, значит, достаточно нагреть двигатель хотя бы до температуры -160 по Цельсию (а лучше выше) и двигатель сам освободится от компонентов топлива. По мнению специалистов он более всего подходит для создания многоразовых ракет-носителей. Вот что о метане думает главный конструктор НПО «Энергомаш»Владимир Чванов:

— Удельный импульс у двигателя на СПГ высокий, но это преимущество нивелируется тем, что у метанового топлива меньшая плотность, поэтому в сумме получается незначительное энергетическое преимущество. С конструкционной точки зрения метан привлекателен. Чтобы освободить полости двигателя, нужно только пройти цикл испарения — то есть двигатель легче освобождается от остатков продуктов. За счет этого метановое топливо более приемлемо с точки зрения создания двигателя многоразового использования и летательного аппарата многоразового применения.

Ещё один довод в пользу использования метана — возможность добывать его на астероидах, планетах и их спутниках, обеспечивая возвращаемые миссии топливом. Там намного легче добывать метан, чем керосин. Естественно, о возможности привозить топливо с собой не может быть и речи. Перспектива таких дальних миссий, весьма отдалённая, но некоторые работы уже ведутся.

Будущее, которое так и не наступило

Так почему же метан в России так и не стал практически используемым горючим? Ответ достаточно прост. С начала 80-х в СССР, а потом и в России не было создано ни одного нового ракетного двигателя. Все российские «новинки» — это модернизация и переименование советского наследия. Единственный честно созданный комплекс — «Ангара» — с самого начала планировался как керосиновый транспорт. Его переделка обойдётся в копеечку. Вообще, Роскосмос постоянно отклоняет метановые проекты потому, что там связывают «добро» на хотя бы один подобный проект с «добром» на полную перестройку отрасли с керосина и гептила на метан, что считается долгим и дорогостоящим мероприятием.

Двигатели

На данный момент есть несколько компаний, заявляющих о скором использовании метана в своих ракетах. Двигатели, которые создаются :

FRE-1 / Firefly Space Systems
Blue Engine 4 (BE-4) / Blue Origin
С5.86 / КБХМ им. Исаева
Раптор / SpaceX
РД-196 ? / НПО «Энергомаш»
РД0162 / Конструкторске бюро химавтоматики

Ракетные комплексы

Верный путь к применению метана это создание нового ракетного комплекса (то есть новой ракеты), в котором просто не найдётся применения «старым» двигателям. На данный момент существуют такие комплексы на метановом топливе, но пока только в стадии эскизных проектов.

Вулкан / Vulcan

Как ожидается, новая ракета придет на смену тяжелым ракетам-носителям Atlas V и Delta IV, производимым ULA. Сообщается, что Vulcan станет более дешевым в эксплуатации, чем его предшественники. Кроме того, на нем будут установлены исключительно американские двигатели, а не российские РД-180, как в ракете Atlas V. В новой ракете ULA собирается использовать на первой ступени агрегаты Blue Engine 4 компании Blue Origin. Также ожидается, что эти двигатели могут быть повторно использованы после их приземления при помощи защитных щитов (для предотвращения перегрева от трения при падении в атмосфере) и парашютов. Vulcan будет собираться по модульному принципу и будет включать в себя 12 ракет среднего и тяжелого классов с различными возможностями по выводу полезной нагрузки на орбиту.

Первый пуск нового носителя запланирован на 2019 год.

Vulcan Heavy / ULA

Рикша

Ракетно-космический комплекс «Рикша» был разработан в КБ имени академика В.П.Макеева в 90-е годы, когда все бывшие советские КБ выживали как могли. Для данной ракеты-носителя предлагается три вида старта: стационарный (основной вариант), мобильный, морского базирования. Комплекс «Рикша» включает в себя семейство двухступенчатых ракет-носителей легкого класса на криогенных компонентах топлива. Ракетные блоки оснащаются двигателями (по одному на каждом блоке) РД-182 (модификация двигателя РД-120, дорабатываемого под горючее — СПГ). Вторая ступень с двигателем РД-185 многократного включения унифицирована для всех ракет.

На данный момент проект фактически забыт.

«Рикша» / КБ имени академика В.П.Макеева

Сверхтяжёлая ракета-носитель

В настоящее время ходят слухи о скором начале разработки новой российской ракеты сверхтяжёлого класса, которая будет работать на метане. Соответствующие проекты представили сразу несколько предприятий, среди которых РКК «Энергия», разработавшая в своё время ракету «Энергия» и ЦСКБ «Прогресс», разработчики ракеты «Союз-2».

«Вулкан» на базе ракеты-носителя «Энергия» / РКК «Энергия»

Анива

Ракета компании Лин Индастриал. Разработку ракеты-носителя, которая сможет выводить на низкую околоземную орбиту груз около 90 кг, и использующую в качестве топлива сжиженный природный газ, Лин Индастриал начал по просьбе КБХМ им. А.М.Исаева. Кроме того, компания заинтересована в создании более грузоподъёмного варианта, способного вывести на низкую околоземную орбиту 710-715 кг. Таким образом, у ракеты, названной в честь залива и города на Сахалине, где построен первый российский завод по производству СПГ, есть большие перспективы постепенно развиться из сверхлегкой в легкую и тем самым закрыть значительную часть рынка запусков лёгких спутников.

Анива / Лин Индастриал

Falcon X / Falcon XX

Компания SpaceX, образованная немногим более 10 лет назад, готовит новый транспорт для осуществления своих марсианских амбиций. Никто не утверждает, что это произойдёт в ближайшие годы, но лет через 10 компания Илона Маска точно представит публике что-то подобное. Что бы не готовилось в недрах SpaceX, оно будет работать на метане. Проблема этого проекта в том, что ещё не исчерпана возможность модернизации главной ракеты компании — Falcon 9. Очевидно, что боковых ускорителей может быть не два, как в Falcon Heavy, а шесть. Тогда грузоподъёмность носителя возрастает с 53 тонн как у Falcon Heavy, до 130, а этого более чем достаточно для осуществления амбиций компании.

Falcon X / Falcon XX / SpaceX
Фан-арт приземления Falcon X (R) / SpaceX

XCOR Aerospace

В 2007 году при поддержке Alliant Techsystems компания XCOR Aerospace произвела испытания метанового двигателя на основе двигателя для лунного корабля Crew Exploration Vehicle из ныне закрытого проекта Orion.

Methane Rocket
Испытания 16 января 2007 в пустыне Мохаве / XCOR Aerospace
Есть ещё множество проектов метановых двигателей и ракет на этапах эскизных проектов или экспериментальных отработок.

Заключение

Метан на данный момент — одно из самых перспективных горючих для ракетной техники. Есть все основания полагать, что будущее у него будет безоблачным, но его мировая экспансия произойдёт не сразу, а только через некоторое время.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.


7 Comments

  • виктор игоревич 05.10.2016 at 14:01

    жаль у нас росскосмос душит всех кто сам без их хочет и может летать в космос.а у нас достаточно разработак которые позволят дешевли вывести 1 тонну груза на орбиту.

    • Слово дешевле пишется с буквой е в конце слова. Научитесь для начала писать окончания слов, а уж потом раскатывайте губу о дешевых полетах ракет.

  • геннадий якунин 13.01.2017 at 10:13

    для использования криогенного топлива необходимо выполнение баков ракеты из композиционных материалов. Мы несколько раз обращались в Роскосмос снашими предложениями по такой технологии, но нам отказали и мы были вынуждены передать технологию и рецептуру американской фирме в Калифорнии

    • А почему сами не пробовали, в сотрудничестве с другими компаниями из России, построить сверхлегкую ракету? Хотел бы ознакомиться, если вы не против, с вашими работами. usmanov-timur@mail.ru

  • Николай 10.02.2018 at 17:14

    Falcon X / Falcon XX они ведь отменены

  • Юрий В. 24.08.2018 at 18:44

    Я не специалист в области ракетных двигателей, но тем не менее. Каких-то больших преимуществ метана по сравнению с жидкими углеводородами (бензин, керосин, диз. топливо) я так и не увидел. Исключение, весьма отдаленная перспектива использования метана внеземного происхождения для межпланетных перелетов. А так одни проблемы. Ожижение и хранение жидкого метана влетает в копеечку, да и меры безопасности при этом будут по более чем на бензозаправках. Малая плотность жидкого метана — в два раза меньшая чем у керосина и диз. топлива. А значит топливный бак в два раза больше. Больше топливный бак, больше масса ракеты, меньше полезная нагрузка. Другое дело сжиженный ацетилен. Плотность почти как у керосина, но существенно большая энергоемкость. Ацетилен сам содержит в себе энергию, а потому сам по себе может взрываться. В этом его огромный недостаток — заправлять ракету динамитом никто не хочет. Однако пару лет назад мелькнуло сообщение, что российские ученые создали безопасное криогенное топливо на смеси ацетилена и аммиака. Безусловно, оно будет по-дороже метанового, тем более производства Ямал -СПГ. Но все это окупится исключительной энергоемкостью топлива.

    • Реррик 08.11.2018 at 23:45

      Для межпланетных полетов химическое топливо бессмысленное и бесперспективное, потому, что
      1. чрезмерный расход химического топлива и его гарантировано не хватит
      2. в невесомости остаток топлива в баке будет летать в виде капли (капель), его нужно каким-то способом притянуть к топливной системе, а это целая технологическое решение и чем больше бак, тем больше проблема. Не решив эту проблему, второй раз двигатель по объективным причинам, может никогда и не запуститься.
      3. нагрев двигателя и соответственно отказ в работе, по причине, вакуум самый лучший изолятор и охлаждение в нем может быть только излучением, поэтому существует очень ограниченное время работы двигателя и ограниченное количество включений.
      4. скорость истечение химического топлива 3 км/сек, максимально теоретически возможное 7 км/сек, с таким истечением далеко не улетишь, даже для достижение ракеты 2 космической имеются серьезные проблемы, а еще по прибытии до места, нужно каким то образом тормозить (см. п. 2)
      Вывод:
      Для межпланетных полетов, нужны ракеты на новых принципах действия, например на ксеноне (ртути, аргоне)
      Например на ксеноне уже предположительно в России созданы двигатели со скоростью истечения топлива 70 км/сек, что позволяет слетать до Марса и обратно за несколько месяцев и потратить на это около 450 кг ксенона.
      А австралийцы создали такой двигатель с скоростью истечения 210 км/сек, но все засекретили, но как видим работы по этому направлению ведутся =)
      Поэтому, ждем, когда поступит в эксплуатацию транспортно-энергетический модуль (ТЭМ) с (ЯЭДУ) мегаваттного класса
      Только после этого можно серьезно обсуждать освоения нашей солнечной системы.
      вроде как на 19-20 год уже обещают показать прототип =)
      а если австралийцы не врут и установить их двигатель на наш ТЭМ, то полеты до Марса будут занимать недели =)
      поговаривают, что у нас ведется научные работы на перевод с топлива ксенона на аргон, пусть эффективность гораздо хуже, но стоимость нового топлива в 900 раз меньше.

  • Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

    Сообщить об опечатке

    Текст, который будет отправлен нашим редакторам: