Несколько ракет, таких как Atlas V или Saturn V, использовали комбинацию нижней ступени керосина/жидкого кислорода (керолокс) для более высокой плотности и тяги в атмосфере и верхней ступени жидкого водорода/кислорода (гидролокс) для большей эффективности или удельный импульс в вакууме.
SpaceX решила избегать использования водорода в своей ракете Falcon 9, что, как говорят, является «оптимизацией затрат», поскольку жидкий водород очень холодный и, следовательно, более дорогой в обращении. Falcon 9 использует одно и то же топливо керолокс и в основном один и тот же двигатель на обеих ступенях, чтобы воспользоваться преимуществами унификации и массового производства. Однако более низкий удельный импульс делает его недостатком, если вы отправляете зонд по межпланетной траектории, но говорят, что сокращение систем, производственных и эксплуатационных расходов стоит того для большинства запусков.
( Почему Falcon 9 использует RP-1/LOx, а не LH2/LOx? )
Ракета SpaceX Starship, которая в настоящее время находится в разработке, планирует использовать метан на всех ступенях, поскольку он может храниться в течение длительного периода времени (жидкий водород может выкипать и вытекать), его легче производить на Марсе, и он хорош для многоразовых двигателей, поскольку он производит меньше углеродистых отложений (закоксовывания) по сравнению с керолоксом и меньше водородного охрупчивания по сравнению с гидролоксом.
Однако большинство других поставщиков пусковых услуг, которые уже разработали двигатели Hydrolox, все еще планируют их использовать, например Blue Origin. Если другая компания или космическое агентство уже разработало гидролоксовые двигатели, будет ли переход с гидролокса на металокс шагом назад, поскольку необходимо разработать новый двигатель (с меньшим удельным импульсом по сравнению с гидролоксом), или шагом вперед с точки зрения снижения общая стоимость в долгосрочной перспективе?
Это сложный вопрос, который, среди прочего, зависит от целей компании. Если намерение состоит в том, чтобы создать ракету с самым высоким удельным импульсом, то водород — это то, что нужно. Хотя почему это само по себе было бы целью, непонятно.
Двигатели Hydrolox имеют потенциальное преимущество в производительности на верхних ступенях. Однако преимущества не так велики, как может показаться. Жидкий водород проблематичен не только из-за сверхнизких криогенных температур хранения и охрупчивания; он также имеет сверхнизкую плотность, поэтому для хранения требуется очень большой резервуар, что увеличивает массу резервуара. Проблема только усугубляется необходимостью использовать богатую топливом смесь (как во всех ракетных двигателях). Также необходимо утеплить общую переборку, чтобы предотвратить замерзание локса.
Большинство компаний, в конечном счете, делают деньги своей главной целью. Но это не относится к SpaceX, их миссия — «сделать человечество многопланетным видом». Как бы фантастично это ни звучало, на самом деле это то, чем занимается SpaceX. Для SpaceX деньги — это просто жизненно важное средство для достижения цели, а не самоцель.
Превращение человечества в многопланетный вид потребует огромного количества космических кораблей, несущих огромный тоннаж груза, и это будет осуществимо лишь отдаленно, если эти ракеты будут доступны по цене. И единственный способ сделать это — сделать их многоразовыми и оптимизировать затраты. Вот почему Starship использует полнопоточные двигатели внутреннего сгорания, работающие на метане.
Будет ли шагом назад для других компаний переход с двигателя Hydrolox, который они уже разработали, на двигатель Metalox? Это зависит от целей компании, сколько они уже потратили и сколько еще нужно будет потратить. Но, на мой взгляд, во многих случаях это не было бы шагом назад.
Стремление к максимальной грузоподъемности любой ценой больше не является единственным путем вперед и в некотором смысле является возвратом назад. Преимущество удельного импульса водорода и дополнительной тяги, обеспечиваемой тем, что целые ступени ракеты врезаются в океан, можно свести на нет, используя металоксовую ступень большего размера и орбитальную перебазировку. И после определенного момента надо задаться вопросом, зачем нужно выводить на орбиту столько одной монолитной массой?
Кристофер Джеймс Хафф
микстура
Роберт ДиДжованни
Кристофер Джеймс Хафф