Воронежское «Конструкторское бюро химавтоматики» (КБХА) разработало техническое предложение и эскизный проект на опытный образец кислородно-метанового ракетного двигателя тягой 85 тонн.
Разработка ведется в целях создания и отработки технологии использования метана в качестве компонента топлива в перспективных жидкостных ракетных двигателях (ЖРД). Главный конструктор - Горохов Виктор Дмитриевич.
Среди других задач, решаемых в рамках этого проекта - создание опытного образца системы аварийной защиты двигателя и отработка базовых элементов на основе перспективных конструктивных и схемных решений, с использованием прогрессивных технологий; проведение испытаний экспериментального двигателя с тягой 40 тонн (в пустоте) с системой диагностики и аварийной защиты; проведение испытаний двигателя-демонстратора (совместно с «КБ Химмаш им. Исаева» и Научно-испытательным центром ракетно-космической промышленности) тягой в 7,5 тонн (в пустоте), а также его дефектация с целью использования полученного научно-технического задела для разработки опытного ракетного двигателя, а также подтверждения характеристик СПГ, используемого в качестве ракетного топлива.
Борис Обносов: готовим базу для создания гиперзвуковых ракет >>
Также на первом этапе работ состоялись испытания экспериментального кислородно-метанового двигателя тягой 40 тонн. 22 декабря 2016 года во время стендовых тестов специалисты провели 10 включений двигателя-демонстратора РД0162Д2А . Особенностью конструктивной схемы двигателя является то, что впервые используется запатентованный предприятием двухконтурный газотурбинный привод топливных насосов. К настоящему времени специалисты КБХА завершили разборку и дефектацию этого двигателя и анализ результатов испытаний. Полученная информация будет использована в дальнейших работах над двигателем тягой 85 тонн.
Следующий этап предусматривает выпуск конструкторской документации на двигатель тягой 85 тонн, а также продолжение подготовки производства и изготовление энергетических установок для отработки отдельных систем двигателя.
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.
За последние 50 лет список жидких горючих, широко использующихся в ракетно-космической отрасли мало изменился: керосин, водород и гептил. Каждое из них имеет свои особенности и по-своему интересно, но у всех есть хотя бы один серьёзный недостаток.
Керосин
С керосина начиналась космическая отрасль в далеких 50-х годах. Он и сейчас является наиболее востребованным в космическом ракетостроении. Первые наши ракеты «Восток» использовали это горючие в паре с жидким кислородом, окислителем. Сейчас на керосине летают американские ракеты - как с нашими двигателями РД-180, так и собственной разработки Falcon. А также наша новая «Ангара» и совсем старый «Союз».
Керосин имеет высокий удельный импульс - это физическая величина, определяющая отношение количества движения, т.е. импульса (произведение массы на скорость) к скорости расходования топлива. Также у керосина высокая плотность, в связи с чем необходимое количество топлива можно размещать в баках со сравнительно небольшим объемом.
Рельсотрон: оружие будущего >>
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 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.
Он же НДМГ или несимметричный диметилгидразин, имеет практически ту же плотность, что и керосин. И при этом у него выше удельный импульс в паре с жидким кислородом (окислителем) - 344 с против 335 с (у жидкого водорода - 428 с). Гептил находится в жидком агрегатном состоянии при обычной температуре, то есть не требует криогенной аппаратуры. При соединении с окислителем воспламенение происходит автоматически.
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 не оправдано и является неприемлемым. Горючее находит применение в спутниках и межпланетных зондах, где оно, к сожалению, незаменимо.
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 (-258ºС). Это приводит к дополнительным затратам. Если сравнивать в керосином, то доступность водорода достаточно высока и его получение не является проблемой.
Существует лишь одна ракета-носитель, в которой в качестве топлива используется жидкий водород в двигателях всех ступеней. Это американская «Дельта-4». Ее маршевый двигатель развивает тягу, равную 300 тоннам силы.
Метан как альтернатива
Но есть ли топливо, которое удовлетворит всех и будет стоить дешевле всех? Возможно, это метан. Он как по плотности, так и по эффективности находится между керосином и водородом.
Использование его в качестве ракетного топлива обладает целым рядом достоинств. Он не ядовит. Дешев. В обозримом будущем не предвидится сокращения его добычи. Имеет более низкую взрывоопасность, чем водород и керосин. Топливная система ракеты, использующей метан, прекрасно приспособлена для многократного применения - остатки горючего легко испаряются при нормальной температуре.
По прочим параметрам он занимает промежуточное положение между жидким водородом и керосином. Плотность СПГ в 6 раз выше, чем у жидкого водорода. Но в 2 раза ниже, чем у керосина. Однако с учетом более высокого соотношения расходов окислителя и горючего, чем у жидкого кислорода (ЖК) и керосина, общий объем окислителя и горючего (ЖК + СПГ) лишь на 20% выше, чем у пары ЖК + керосин.
Есть ли за рубежом аналоги «Искандеру»? >>
Если же учитывать высокий удельный импульс СПГ, то по сумме характеристик двигатель на СПГ должен иметь энергетическое преимущество в сравнении с керосиновым порядка 3% - 5%.
С конструкционной точки зрения метан привлекателен, поскольку температура испарения СПГ значительно выше, чем у жидкого водорода, то существенно упрощается криогенное оборудование. 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.
И еще одно громадное достоинство пока еще не появившегося двигателя. Он не имеет существенных отличий, усложняющих процесс конструирования и испытаний, от водородных двигателей.
Что же касается зарубежных разработок двигателя на СПГ, то о них объявило более десятка компаний. Вот некоторые из них:
SpaiceX - для ракеты Falcon;
United Launch Alliance (ULA) - для ракеты Vulcan. Новый двигатель на СПГ должен использоваться взамен российского РД-180;
XCOR Aerospace;
FireFly Space Systems.
20 октября 2017 года компания Blue Origin провела первые огневые испытания двигателя BE-4 ,который работает на жидком кислороде и жидком метане в качестве окислителя и топлива. Американская компания ULA планирует ставить его на свои новые ракеты Vulcan, которыми США заменят ракеты Atlas V, оснащенные российскими РД-180.
Blue Origin планирует использовать силовую установку на своей новой тяжелой ракете New Glenn. Но двигатель может также использоваться совместным предприятием Boeing и Lockheed Martin United Launch Alliance, которое производит ракеты Altlas V и планирует производить Vulcan. ВЕ-4 может стать самым мощным американским ракетным двигателем на ближайшие десятилетия.
Д изельный двигатель полностью работающий на метане позволит сэкономить на топливе до 60% от суммы обычных затрат и конечно существенно сократить загрязнение окружающей среды.
Мы можем перевести практически любой дизельный двигатель на использование метана, как газомоторного топлива.
Не ждите завтра, начинайте экономить сегодня!
Как дизельный двигатель может работать на метане?
Дизельный двигатель является двигателем, воспламенение топлива в котором осуществляется при нагревании от сжатия. Стандартный дизельный двигатель не может работать на газовом топливе, потому что метан обладает существенно более высокой температурой воспламенения чем дизельное топливо (ДТ — 300-330 С, метан — 650 С) , которая не может быть достигнута при степенях сжатия, используемых в дизельных двигателях.
Второй причиной, по которой дизельный двигатель не сможет работать на газовом топливе является явление детонации, т.е. не штатного (взрывообразного горения топлива, которое возникает при избыточной степени сжатия. Для дизельных двигателей используются степень сжатия топливо-воздушной смеси в 14-22 раза, метановый двигатель может иметь степень сжатия до 12-16 раз.
Поэтому, для перевода дизельного двигателя в газомоторный режим потребуется сделать две основных вещи:
- Снизить степень сжатия двигателя
- Установить искровую систему зажигания
После этих доработок Ваш двигатель будет работать только на метане. Возврат в дизельный режим возможен, только после проведения специальных работ.
Подробнее о сути выполняемых работ смотрите в разделе «Как именно осуществляется перевод дизеля на метан»
Какую экономию я смогу получить?
Величина Вашей экономии высчитывается как разница между затратами на 100 км пробега на дизельное топливо до конвертации двигателя и затратами на затратами на приобретение газового топлива.
Например, для грузового автомобиля Freigtleiner Cascadia средний расход дизельного топлива составлял 35 литров на 100 км, а после конвертации для работы на метнане расход газового топлива составил 42 нм3. метана. Тогда при стоимости дизельного топлива в 31 рубль 100 км. пробега изначально стоило 1085 рублей, а после конвертации при стоимости метана 11 рублей за нормальный кубический метр (нм3) 100 км пробега стало стоить 462 рубля.
Экономия составила 623 рубль на 100 км пробега или 57%. С учетом годового пробега в 100.000 км, годовая экономия составили 623.000 рубль. Стоимость установки пропана на эту машину составила 600.000 рублей. Таким образом срок окупаемости системы составил — примерно 11 месяцев.
Так же дополнительным преимуществом метана как газомоторного топлива является то, что его крайне трудно украсть и практически не возможно «слить», так как при нормальных условиях это газ. По тем же соображениям, его не возможно продать.
Расход метана после переделки дизеля в газомоторный режим может колебаться в пределах от 1.05 до 1,25 нм3 метана на литр расхода дизельного топлива (зависит от конструкции дизеля, его изношенности и прочее).
Примеры из нашего опыта по потреблению метана, конвертированными нами дизелями, Вы сможете прочитать .
В среднем для предварительных расчетов дизельный двигатель при работе на метане будет потреблять газомоторное топлива из расчета 1 л потребления ДТ в дизельном режиме = 1,2 нм3 метана в газомоторном режиме.Конкретные значения экономии для Вашей машины Вы сможете получить заполнив заявку на конвертацию, нажав красную кнопку в конце этой страницы.
Где можно заправиться метаном?
В странах СНГ насчитывается свыше 500 АГНКС , причем на Россию приходится больше чем 240 АГНКС.
Вы сможете посмотреть актуальную информацию по расположению и часам работы АГНКС на интерактивной карте, расположенной ниже. Карта любезно предоставлена сайтом gazmap.ru
А если еще рядом с Вашим автохозяйством проходит газовая труба, то имеет смысл рассмотреть варианты строительства собственной АГНКС.
Просто позвоните нам и мы с удовольствием Вас проконсультируем по всем вариантам.
Какой пробег будет на одной заправке метаном?
Метан на борту автомашины хранится в газообразном состоянии под высоким давлением в 200 атмосфер в специальных баллонах. Большой вес и размер этих баллонов является существенным негативным фактором ограничивающим использование метана как газомоторного топлива.
ООО «РАГСК» используем в своей работе высококачественные металопластиковые композитные баллоны (Тип-2), сертифицированные для использования в РФ.
Внутренняя часть этих баллонов выполнена из высокопрочной хроммо-молибденовой стали, а внешняя обмотана стеклопластиком и залита эпоксидной смолой.
Для хранения 1 нм3 метана требуется 5 литров гидравлического объема баллона, т.е. например 100 литровый баллон позволяет хранить примерно 20 нм3 метана (на самом деле чуть больше, за счет того, что метан не является идеальным газом и лучше сжимается). Вес 1 литра гидравлического составляет примерно 0,85 кг, т.е. вес системы хранения 20 нм3 метана будет примерно 100 кг (85 кг это вес баллона и 15 кг вес собственно метана).
Баллоны Типа-2 для хранения метана выглядят так:
Система хранения метана в сборе выглядит так:
На практике, обычно удается, достигнуть следующих значений пробега:
- 200-250 км — для микроавтобусов. Вес системы хранения — 250 кг
- 250-300 км — для городских автобусов среднего размера. Вес системы хранения — 450 кг
- 500 км — для седельных тягачей. Вес системы хранения — 900 кг
Конкретные значения пробега на метане для Вашей машины Вы сможете получить заполнив заявку на конвертацию, нажав красную кнопку в конце этой страницы.
Как именно осуществляется перевод дизеля на метан?
Перевод дизельного двигателя в газовый режим потребует серьезного вмешательства в сам двигатель.
Сначала мы должны изменить степень сжатия (зачем? см. раздел » Как дизельный двигатель может работать на метане?») Мы используем различные методы для этого, подбирая лучший для Вашего двигателя:
- Фрезеровка поршня
- Прокладка под ГБЦ
- Установка новых поршней
- Укорочение шатуна
В большей части случаев мы применяем фрезерование поршней (см. иллюстрацию выше).
Примерно так будут выглядеть поршни после фрезерования:
Так же мы устанавливаем ряд дополнительных датчиков и устройств (электронную педаль газа, датчик положения коленвала, датчик количества кислорода, датчик детонации и т.п.).
Все компоненты системы управляются электронным блоком управления (ECU).
Примерно так будет выглядеть комплект компонентов для установки на двигатель:
Изменятся ли характеристики двигателя при работе на метане?
Мощность Есть расхожее мнение, что на метане двигатель теряет в мощности до 25%. Это мнение справедливо для двухтопливных «бензин-газ» двигателей и отчасти справедливо для дизельных безнадувных двигателей.Для современных двигателей, оснащенных надувом это мнение ошибочно.
Высокий прочностной ресурс исходного дизельного двигателя, предназначенный для работы с степенью сжатия 16-22 раза и высокое октановое число газового топлива позволяют нам использовать степень сжатия 12-14 раз. Такая высокая степень сжатия позволяет получать те же (и да же большие) удельные мощности , работая на стехеометрических топливных смесях.Однако выполнение при этом норм токсичности выше ЕВРО-3 не представляется возможным, так же вырастает тепловая напряженность конвертированного двигателя.
Современные надувные дизели (особенно с промежуточным охлаждением надувного воздуха) позволяют работать на существенно обедненным смесях с сохранением мощности исходного дизельного двигателя, удержав тепловой режим в прежних пределах и уложившись в нормы токсичности ЕВРО-4 .
Для безнадувных дизельных двигателей мы предлагаем 2 альтернативы: или снижение рабочей мощности на 10-15% или применение системы впрыска воды в впускной коллектор с целью поддержания приемлемой рабочей температуры и достижения норм токсичности выбросов ЕВРО-4
Вид типичной зависимостей мощности от оборотов двигателя, по типам топлива:
Радикальным решением проблемы смещения пика момента для газового двигателя является замена турбины на переразмеренную турбину специального типа с электромагнитным клапаном перепуска на высоких оборотах. Однако высокая стоимость такого решения не дает нам возможности применять его при индивидуальной конвертации.
Надежность Ресурс двигателя существенно увеличится. Так как горение газа происходит более равномерно чем дизельного топлива, степень сжатия газового двигателя меньше чем у дизельного и газ не содержит в отличие от дизельного топлива посторонних примесей. Масло Газовые двигателя более требовательны к качеству масла. Мы рекомендуем применять качественные всесезонные масла классов SAE 15W-40, 10W-40 и менять масло не реже 10.000 км.Если есть возможность, желательно использовать специальные масла, типа ЛУКОЙЛ ЭФФОРСЕ 4004 или Shell Mysella LA SAE 40. Это не обязательно, но с ними двигатель прослужит очень долго.
Вследствие большего содержания воды в продуктах сгорания газовоздушных смесей в газовых двигателях могут возникать проблемы водостойкости моторных масел, так же газовые двигатели более чувствительны к образованию зольных отложений в камере сгорания. Поэтому сульфатная зольность масел для газовых двигателей ограничивается более низкими значениями, а требования к гидрофобности масла повышаются.
Шум Вы будете очень удивленны! Газовый двигатель — очень тихая машина по сравнению с дизельным. Уровень шума снизится на 10-15 Дб по приборам, что соответствует в 2-3 более тихой работе по субъективным ощущениям.Конечно, всем плевать на экологию. Но все таки… ?
Метановый газовый двигатель существенно превосходит по всем экологическим характеристикам аналогичный по мощности двигатель, работающий на дизельном топливе и уступает по уровню выбросов только электрическим и водородным двигателям.
Особенно это заметно по такому важному для крупных городов показателю как дымность. Всех горажан изрядно раздражают дымные хвосты за ЛИАЗами На метане этого не будет, так при горение газа сажеобразование отсутствует!
Как правило экологический класс для метанового двигателя — это Евро-4 (без использования мочевины или системы рецеркуляции газов). Однако при установке дополнительного катализатора можно повысить экологический класс до уровня Евро-5.
Финансирование проекта предусмотрено новой Федеральной космической программой на 2016–2025 годы
Роскосмос планирует начать разработку ракетного двигателя на природном газе в ближайшее время. Финансирование соответствующей разработки заложено в проекте Федеральной космической программы на 2016–2025 годы (ФКП), направленном на согласование в министерства (копия есть в «Известиях»). Работы по созданию двигателя на метане предусмотрены опытно-конструкторской работой «ДУ СВ» («Двигательные установки средств выведения»). В рамках «ДУ СВ» планируется разработка базовых элементов маршевых двигательных установок на кислородно-углеводородном топливе. На ОКР «ДУ СВ» Роскосмос просит выделить 25,223 млрд рублей (с началом финансирования в этом году - в объеме 470,8 млн рублей), однако не все средства предназначены на создание метанового двигателя. В «ДУ СВ» включены работы по созданию опытных образцов жидкостных ракетных двигателей нового поколения, оснащенных системой диагностики и аварийной защиты, и базовых элементов двигателей на основе композитных материалов, а именно сопел, сопловых насадок радиационного охлаждения и донных экранов.
Мы планируем сделать демонстратор двигателя на метане даже с учетом того, что носителя с таким двигателем пока строить не планируется, - говорит один из составителей проекта ФКП. - Тем самым думаем обеспечить задел, чтобы не отстать в плане технологий от зарубежных конкурентов. Пока речь идет о создании двигателя средней тяги для второй ступени перспективной ракеты. Изначально задумывалось, что метановыми двигателями будет комплектоваться ракета «Феникс» (ее разработка также запланирована проектом ФКП), но позднее с учетом ситуации с бюджетом решили принципиально новую ракету не делать, а вернуться к идее воссоздания российского «Зенита» с модернизированным двигателем РД-171.
Возможность использования метана в качестве ракетного топлива изучалась еще в СССР. В России тема метановых двигателей прорабатывалась химкинским НПО «Энергомаш», воронежским Конструкторским бюро химавтоматики и самарским ЦСКБ «Прогресс». В 2012 году в НПО «Энергомаш» прошел научно-технический совет по созданию ракетного двигателя, работающего на природном газе, где было предложено начать разработку однокамерного двигателя тягой в 200 т на топливе «жидкий кислород – сжиженный метан».
В 2014 году ЦСКБ «Прогресс» представило свое видение ракеты будущего - перспективного носителя сверхтяжелого класса, все двигатели которого работают на сжиженном природном газе (СПГ). При этом самарцы обосновывали свой выбор метана в качестве топлива следующими аргументами: «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 срок создания и планируемый период эксплуатации комплекса, а также возможные (прогнозируемые) проблемы производства керосина через 30–50 лет».
В ЦСКБ уже ощущают проблемы производства ракетного керосина. Ракеты «Союз», которые делают в Самаре, сейчас летают на искусственно созданном топливе, 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. По оценкам экспертов, проблема дефицита здесь будет только усугубляться.
В ЦСКБ «Прогресс» посчитали, что использование двигателей на СПГ позволит «обеспечить относительно низкую стоимость пуска - в 1,5–2 раза ниже, чем на керосиновых двигателях, высокую экологичность, более высокие удельные характеристики, единый тип двигателя и топлива «СПГ + жидкий кислород», что значительно упростит наземную инфраструктуру».
Главный конструктор НПО «Энергомаш» Владимир Чванов ранее заявлял «Известиям», что с конструкционной точки зрения метан привлекателен при создании многоразовых носителей.
Чтобы освободить полости двигателя, нужно только пройти цикл испарения - то есть двигатель легче освобождается от остатков продуктов, - пояснял Чванов. - За счет этого метановое топливо более приемлемо с точки зрения создания двигателя многоразового использования и летательного аппарата многоразового применения. В то же время 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.
Метановый двигатель упоминают применительно к полетам на Марс: считается, что марсианскую ракету есть смысл комплектовать метановым двигателем, так как метан можно синтезировать из воды и двуокиси углерода из атмосферы Марса.
Иван Чеберко
Дальнейшее развитие ракетной техники и жидкостных ракетных двигателей связано со снижением затрат на выведение полезных нагрузок в космос и повышением безопасности полетов. Снижение стоимости выведения полезных нагрузок может быть достигнуто путем создания средств выведения многоразового использования.
Для повышения надежности конструкции ракет-носителей предлагается использовать двигательные установки первых ступеней носителя, состоящих из нескольких модульных двигателей, и в случае отказа одного из двигателей система аварийной защиты (САЗ) отключает отказавший двигатель, а оставшиеся работоспособные двигатели форсируются на величину тяги, компенсирующую потерю отказавшего двигателя. Тем самым обеспечивается выполнение задачи ракеты-носителя.
Разработка ЖРД на экологически чистых компонентах топлива: метан (сжиженный природный газ) в паре с жидким кислородом отвечает тенденциям развития современных ракет-носителей.
Во-первых, использование в двигателе двух криогенных компонентов во многом способствует решению задач по многоразовому использованию двигателя, так как после выключения кислородно-метанового ЖРД остатки топлива быстро испаряются из его магистралей.
Во-вторых, возможность реализации на данных компонентах топлива схем ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа позволяет повысить надежность конструкции ракет-носителей: последствия от неисправностей в газовом тракте с избытком метана от генератора до камеры развиваются значительно медленнее, чем в газовом тракте с избытком кислорода, что облегчает задачу САЗ вовремя отключить отказавший двигатель.
Изучение метановых ЖРД началось в Японии около 20 лет назад как возможность совершенствования ракеты H-II. Недавно в Японии было начато рассмотрение возможностей создания двухступенчатой ракеты среднего класса "J-l upgrade", как замены существующей ракеты J-1, с использованием метанового ЖРД на второй ступени . Проведены огневые испытания двигателя. Основной двигатель разработан специалистами компании XCOR Aerospace, и он пока не готов к использованию в космических полетах, но если технология себя оправдает, ракетные двигатели такого типа смогут стать ключом к межпланетным полетам и освоению дальнего космоса.
Видео: испытания метанового двигателя в пустыне Мохаве
Удивительно, но этот легковоспламеняющийся газ никогда раньше не использовался в качестве ракетного топлива. Только теперь группы ученых и инженеров из различных исследовательских центров разрабатывают жидко-кислородно-метановые двигатели будущего, чтобы облегчить процесс освоения космоса и сделать возможным межпланетные полеты.
У метана очень много преимуществ. Жидко-водородное топливо, используемое в космических аппаратах, должно храниться при температуре -252,9 градусов Цельсия - всего лишь на 20 градусов выше температуры абсолютного нуля! Жидкий метан, в свою очередь, можно хранить при более высоких температурах (-161,6 оС). Это означает, что баки с метаном не требуют мощной теплоизоляции, т.е. становятся легче и дешевле. Кроме того, баки могут быть меньше в размерах, т.к. жидкий метан плотнее жидкого водорода, что также может сэкономить много средств для запуска ракеты в космос. А еще метан безопасен для человека и экологически чист, в противоположность некоторым видам токсичного ракетного топлива, применяемым сейчас в космических аппаратах. Основным преимуществом метана, являются его значительные запасы, и относительно невысокая стоимость. Помимо этого, метан достаточно быстро испаряется, облегчая процесс очистки многоразовых топливных баков и двигателей. Кроме того, метановое топливо имеет более высокий удельный импульс, и по показателю тяги на один килограмм, превосходит керосин на семь-десять процентов.
Однако у нового топлива есть и недостатки. Метан обладает меньшей плотностью, а значит для его использования, потребуются более вместительные топливные баки.
Большой проблемой в разработке метановых двигателей остается вопрос о способности метана к воспламенению. Некоторые виды ракетного топлива воспламеняются спонтанно при применении окислителей, но метану требуется запал. Сделать такой запал очень тяжело на далеких планетах, где температура опускается на сотни градусов ниже нуля. Сейчас ведутся разработки такого запала, который надежно работал бы в любых условиях. У метана слегка хуже импульс, чем у водорода, однако это всё лучше, чем у керосина. При этом он намного дешевле, что важно при частых рейсах. Кроме того, его можно хранить при значительно более высоких температурах, а значит, он не будет подвергать охрупчиванию материал баков, как это происходит с жидким водородом.
Но все же самым важным является то, что метан есть на многих планетах и спутниках, которые NASA планирует посетить в будущем. Среди них - Марс. И хотя Марс не очень богат метаном, метан можно получить с помощью эффекта Сабатье: смешать немного углекислого газа (СО2)с водородом (Н), затем нагреть смесь для получения СН4 и Н2О - метана и воды. Атмосфера Марса содержит огромное количество углекислого газа, а небольшое количество водорода, требуемого для процесса, можно привезти с собой с Земли или добыть изо льда прямо на Марсе.
Роскосмос объявил о том, что в программе финансирования отрасли на период до 2025 года заложены средства на разработку новейшего ракетного двигателя. Сообщается, что речь идёт о двигателе, который сможет эффективно работать на метане. Опытно-конструкторские работы стартуют в наступившем году, и в наступившем же году финансирование проекта должно составить около 470 млн. рублей. В общей сложности стоимость разработки нового ракетного двигателя, способного осуществлять тягу на природном газе, Роскосмос оценивает в 25,2 млрд. рублей.
Как отмечают специалисты Роскосмоса, далеко не вся эта сумма пойдёт на разработку метанового ракетного двигателя (двигательной установки средств выведения) как такового. В программе значатся работы по созданию так называемых донных экранов, сопловых насадок охлаждения, опытных образцов жидкостных ракетных двигателей нового поколения с системами многоступенчатой защиты.
Испытания успешно проведены на специальном вакуумном стенде и подтвердили соответствие параметров двигателя характеристикам, заложенным в техническом задании.
Работы с двигателем продолжаются: запланировано проведение серии новых огневых испытаний для наработки ресурса и проверки стабильности подтвержденных характеристик при длительной эксплуатации.
В отличие от жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), разработкой которых специалисты КБХА занимаются уже более полувека, электроракетные двигатели в последние годы стали новым направлением работ на предприятии. Предназначенные для использования в составе космических аппаратов, они могут способствовать решению широкого круга задач: коррекции и стабилизации рабочей орбиты спутников, их выводу с низких на высокие орбиты, а также осуществлению полетов в дальний космос.
