Метан как перспективное горючее для ракетной техники

С момента запуска в эксплуатацию нового российского космодрома «Восточный» как никогда актуальной стала тема развития современного производства ракетной техники, а именно – ракет-носителей тяжелого класса.

Российская экономика позволяет выполнить эту задачу лишь при условии относительной дешевизны новых проектов, поскольку в последние годы отмечается тенденция снижения зависимости экономики России от «нефтяной иглы»; также финансовая проблема усугубляется тяжелой экономической конфронтацией с европейскими странами (в виде санкций и т.п.). В связи с таким положением российские деятели науки и руководители ведущих предприятий по производству ракетоносителей все чаще высказывают мнение о перспективах использования метана в качестве ракетного топлива, что позволит снизить затраты на производство космических аппаратов.

Безусловно, решение заменить стандартный набор используемого топлива в России – серьезный шаг, поскольку, во-первых, он требует разработки и внедрения метановых ракетных двигателей, а во-вторых, создание новой ракеты повлечет за собой необходимость разработки стартового комплекса, так как в России не эксплуатируются универсальные ракетные комплексы.

Несмотря на этот факт, затраты могут быть покрыты за счет дешевизны метана. Как известно, метан является главной составляющей природного газа (77–99%), запасы которого в России составляют около 40% мировых. Учитывая, что помимо метана природный газ содержит этан, пропан, бутан и другие газы, которые имеют схожие с метаном характеристики, отпадает необходимость проведения сложных технологических процессов получения метана, за исключением его очистки до получения требуемых характеристик. Вполне вероятно, что возможно использование «чистого» природного газа как нового топлива для ЖРД без дополнительных затрат, как того требует, к примеру, керосин, добываемый путем перегонки, а также вторичной переработки нефти.

Помимо доступности, метан также обладает сравнительно низкой стоимостью.

Рассматривая положительные топливные характеристики метана, можно выделить следующие положения:

·     более низкая взрывоопасность по сравнению с керосином и водородом за счет высокого октанового числа метана (110–125 единиц);

·     возможность упрощения криогенного оборудования, так как температура испарения сжиженного природного газа (СПГ) намного выше, чем у жидкого водорода;

·     по сравнению с ЖРД, работающими на кислороде-керосине, ЖРД на метане имеют более низкие напряженные параметры при одинаковых прочих характеристиках, т.е. топливная пара кислород-метан имеет существенно большую удельную тягу;

·     благодаря тому, что жидкий метан можно хранить при более высоких температурах, топливные баки ракеты могут уменьшить габаритные размеры за счет уменьшения необходимой теплоизоляции;

·     в трактах горючего метановых ЖРД при огневых испытаниях не остается твердой фазы, поэтому для повторных испытаний не требуется обработка полостей горючего; топливная система ракеты, использующей метан, прекрасно приспособлена для многократного применения — остатки горючего легко испаряются при нормальной температуре;

·     безопасность и экологичность; метан не оказывает физиологического действия на человека и не ядовит. Это позволит избежать пагубного воздействия на окружающую среду, а также обезопасить работников, непосредственно связанных с заправкой ракеты;

·     возможность заправки на других планетах и спутниках: метан в большом количестве содержится в космосе, это означает, что его не нужно брать с собой для совершения долговременных миссий; это значительно сократит стоимость космических полетов;

·     двигатели на метане не требуют разработки принципиально новой схемы производства, поскольку двигатели на водороде довольно близки им по конструкции; к тому же, не требуется и специальная подготовка кадров.

Сравним свойства топливной пары «СПГ – жидкий кислород» со свойствами других использующихся в России топливных пар.

Пара «кислород - керосин», которая является самой популярной в отечественном ракетостроении, имеет менее высокие удельные характеристики и в последнее время всё больше увеличивает свою стоимость. Дело в том, что для ракетного керосина требуется нефть особого качества, месторождений которой не так много, кроме того они постепенно опустошаются. Ныне используемый керосин является смешением композиций, добываемых на нескольких скважинах, а заветная марка получается способом дорогостоящей перегонки.

Пара «кислород-водород» также применяется как ракетное топливо и является одной из перспективных замен керосину. Водород имеет высокий удельный импульс, его производство не зависит от каких-либо невозобновляемых источников, однако и здесь есть ряд существенных недостатков. Во-первых, высокая криогенность. Содержание в баках ракеты водорода требует низкой температуры (около 250 градусов по Цельсию), а это приводит к дополнительным затратам на охлаждающие и изоляционные системы. Во-вторых, низкая плотность, гораздо меньше, чем у керосина. В связи с этим водород нельзя использовать на первой ступени ракеты, так как слишком большое его количество требуется на начальном этапе полёта.

Пара «НДМГ (несимметричный диметилгидразин) – тетраоксид азота» широко использовалась во время СССР, но, несмотря на преимущества гептила: высокая плотность, самовоспламеняемость при контакте топливных компонентов, возможность длительного хранения ракет в заправленном виде при нормальных температурах – в современном мире применение этого вида горючего неоправданно и неприемлемо. Причиной тому высокая токсичность.

Возможность использования метана в качестве ракетного топлива рассматривается уже на протяжении десятков лет, однако сейчас есть только стендовые варианты и экспериментальные образцы таких двигателей. К примеру, самарское ЦСКБ «Прогресс» представило свое видение ракеты будущего – перспективного носителя сверхтяжелого класса, все двигатели которого работают на сжиженном природном газе, призванного помочь РФ реализовать амбиции по колонизации Луны [2].

РНПЦ им. М.В.Хруничева разрабатывает многоразовую ракетно-космическую систему МРКС-1 на основе кислородно-метановых двигателей с 2011 г. РКК «Энергия» также ведет разработку конструкторской документации на ракету-носитель «Воздушный старт» и блок ракеты-носителя на жидком метане. ГРЦ им. Макеева занимался созданием комплекса «Рикша», использующего в качестве топлива жидкий метан и предназначавшегося для выведения полезной нагрузки на низкие и средние околоземные орбиты.

Среди преуспевающих предприятий особенно выделяется НПО «Энергомаш», поскольку оно имеет серьезную экспериментальную и производственную базу для создания метановых двигателей тягой 600 и более тонн [1]. «Энергомаш» занимается метановым направлением с 1981 года, уже созданы демонстраторы, которые успешно отработали на испытательных стендах. По информации от гендиректора предприятия, созданием нового ракетного двигателя, вероятно, займутся сразу два КБ – «Энергомаш» и «Химавтоматики» [3].

Что касается зарубежного опыта создания двигателей на «зелёном» топливе, на данный момент существует несколько компаний, заявляющих об использовании метана в своих проектах. Одной из таких компаний является “SpaceX” Илона Маска. Разрабатываемому двигателю “Raptor” ставятся следующие цели: удельный импульс 382 секунды и тяга в 310 тонн на 300 Бар (3 МН).

Таким образом, метан на данный момент является одним из самых перспективных горючих для космонавтики. Конечно, учёным и инженерам необходимо решить ещё множество вопросов и задач, связанных с введением в эксплуатацию метановых ракетных двигателей, но есть все основания полагать, что будущее космонавтики и межпланетных полётов, о которых так давно грезит человечество, будет основано на природном газе.