Почему SpaceX рассматривает метан в качестве топлива для своего следующего двигателя Raptor?

Преимущество метана в том, что его легче хранить, чем водород . В основном пассивного охлаждения может быть достаточно, чтобы поддерживать криогенность , тогда как водород нуждается в активном охлаждении и со временем все равно будет выходить. Что делает метан гораздо ближе к «хранимому», чем водород. Это сделало бы его полезным для миссий в дальний космос с большой продолжительностью полета.

Метан менее объемный, чем водород. Это означает, что бака меньше для той же миссии. (Внешний бак шаттла — это в основном водородные баки с небольшим кислородным баком (наверху?)).

Метан должен быть проще для использования в двигателе из-за его более высокой плотности, чем у водорода, меньше нужно прокачивать по объему.

Метан потенциально можно производить на Марсе . С импортированным водородом (или природной водой) CO2 (двуокись углерода) можно достаточно просто преобразовать в CH4.

Есть идеи для ISRU (In-Situ Resource Utilization) и демонстраций на Марсе. ( Модель Роберта Зубрина запускает возвращаемый аппарат, который использует ISRU для заполнения топливных баков, и не запускает пилотируемую миссию до тех пор, пока возвращаемая машина не будет полностью заправлена ​​топливом и не будет готова к работе. Затем вы запускаете пилотируемую миссию вместе со вторым возвращаемый автомобиль, который использует ISRU на протяжении всей наземной миссии для заправки).

SpaceX сосредоточена на разработке технологии повторного использования для своих ракетных линий. При сжигании традиционного ракетного керосина образуются остатки (процесс, известный как «коксование»). Метановое топливо сгорает чище, поэтому не образуются осадки, что означает, что двигатели можно использовать повторно без ремонта.

Метан (CH ₄ ) и RP-1 примерно эквивалентны по реализуемой производительности. Как упоминалось ранее другими плакатами, у CH ₄ импульс несколько выше — около 370 с в вакууме против 360 с — при том же давлении в камере 7 МПа. Но это уравновешивается более низкой объемной плотностью около 830 кг/м ³ по сравнению с около 1030 кг/м ³ . Объемная плотность — это плотность комбинированной загрузки топлива и окислителя в соответствующих соотношениях. Несмотря на то, что метан составляет «всего» 430 кг/м ³ , он сгорает с 3,5 частями кислорода по сравнению с 2,1 частями для RP-1, следовательно, ракета CH4 будет нести больше кислорода и меньше топлива по весу. Кислород довольно плотный, чуть более 1140 кг/м ^{3 .}фактически более плотный, чем РП-1 (около 810 кг/м ³ ). Если мы предположим, что давление в камере сгорания и эффективность цикла двигателя будут равны, RP-1 превосходит CH ₄ просто потому, что бак на 20% больше приведет к потерям веса, которые немного перевешивают увеличение удельного импульса на 3%. Однако преимущество RP-1 зависит от работы при одинаковом давлении в камере, что может быть не так. Кроме того, метан (CH ₄ ) имеет дополнительные преимущества, применимые в определенных сценариях.

Причины, по которым CH ₄ является лидером для SpaceX Raptor, вероятно, можно объяснить четырьмя факторами:

1. Метан не закоксовывается (полимеризуется) при рабочих температурах ракетного двигателя – его температура закоксовывания примерно в два раза выше. Это упрощает повторное использование двигателя, а повторное использование является ключевой целью SpaceX.

2. Поскольку метан не коксуется, также проще реализовать цикл полнопоточного ступенчатого сжигания (FFSC), когда весь поток топлива и окислителя проходит через предварительную горелку. По сравнению с современными российскими двигателями внутреннего сгорания с частичным потоком достигается более высокое давление в камере сгорания, что дает общее преимущество в импульсе около 30 секунд, или 9%. Это устраняет недостаток производительности СН ₄ по сравнению с РП-1.

3. Если SpaceX намеревается использовать одно и то же топливо на всех ступенях, CH ₄ можно считать лучшим топливом для верхней ступени и худшим стартовым топливом, даже без обеспечения более высоких рабочих давлений. Это связано с тем, что верхние ступени обычно составляют от 1/8 до 1/10 размера 1-й ступени, и здесь импульс более важен, чем плотность. Использование метана с вышеупомянутым циклом FFSC означает, что SpaceX потенциально может получить эквивалентную производительность 1-й ступени и лучшую производительность верхней ступени.

4. Хотя, ИМХО, несколько сомнительно, что ранняя марсианская миссия будет использовать производство топлива на месте. Если это когда-нибудь станет применимой практикой, метан можно будет производить из воды и CO ₂ , а RP-1 - нет.

Помимо этого, есть не фактор, который несколько благоприятствует метану, например, обычный природный газ достаточно хорош и не требует глубокой очистки топлива от обычного керосина до RP-1 для достижения низких характеристик коксования и постоянной плотности. Я говорю, что это не является фактором, потому что стоимость топлива является настолько незначительной частью затрат на запуск, что на самом деле не имеет значения, стоит ли топливо в несколько раз больше или меньше. Топливо обычно составляет всего около 0,3% от стоимости полета ракеты на орбиту, поэтому стоимость топлива на самом деле не имеет значения — даже если вы сравните очень дорогие комбинации топлива, такие как гидразин / тетроксид, с относительно дешевым керосином / кислородом.

Логистически с метаном работать легче, чем с водородом. Температура кипения метана составляет около 110К по сравнению с 20К у водорода. Это означает, что трубопроводы топлива и окислителя могут быть продуты газообразным азотом. Линии жидкого водорода можно продуть только гелием, так как температура кипения водорода ниже точки плавления других инертных газов.

Еще одним недостатком водорода является то, что он требует передовой металлургии для предотвращения водородного охрупчивания, когда более распространенные сплавы имеют тенденцию становиться склонными к разрушению и усталости в средах с высоким содержанием водорода.

Метан обеспечивает удельный импульс около 380 секунд (скорость выхлопа ~3,8 км/с), в зависимости от давления в камере, степени расширения и других конструктивных параметров двигателя, в то время как двигатели LH2/LOX продемонстрировали удельный импульс ~450 секунд (~ скорость выхлопа 4,5 км/с).

Однако, несмотря на более низкую эффективность, метан имеет несколько важных преимуществ. Его плотность в жидком состоянии значительно выше, чем у LH2 (0,42 г/куб. см против 0,07 у жидкого водорода), поэтому для него требуется гораздо меньший объем резервуара и меньшие трубопроводы для той же массы топлива. Его также не нужно хранить таким же холодным, как жидкий водород, что снижает требования к изоляции и охлаждению.

SpaceX традиционно отдавала предпочтение плотному, простому в обращении топливу (LOX/RP1) и простой конструкции двигателя (Merlin представляет собой простой цикл газогенератора, а не более эффективную [но более сложную] конструкцию ступенчатого сгорания, используемую в большинстве других современных ракет). Таким образом, вполне логично, что они выберут более легкое в обращении и более простое решение в виде метановой ракеты, а не высокоэффективный, но трудный и сложный двигатель на жидком водороде, при условии, что метан обеспечивает им требуемые характеристики (которые еще предстоит увидеть).

Хороший вопрос. В исследованиях, предшествующих EELV , НАСА и ВВС США рассматривали LOX/метан. Результатом EELV стали LOX/керосин Atlas V и LOX/водород Delta IV .

На 4-й Международной конференции по пусковым технологиям в 2002 г. Burkhardt et al. сравнил многоразовую ракету-носитель LOX/керосин с двигателем типа РД-180 от Atlas V с ракетой-носителем LOX/метан, использующей возможный двигатель с таким же эффективным циклом ступенчатого сгорания:

Двигатель LOX / метан имел удельный импульс примерно на 3% выше , но это преимущество перевешивалось более низкой плотностью жидкого метана по сравнению с керосином.

LOX / керосин в целом показал несколько лучшие характеристики с точки зрения полезной нагрузки и, как ожидается, будет дешевле в строительстве и эксплуатации, такой же результат, как и в исследованиях до EELV.

Причина, по которой LOX/водород сравнима или лучше, чем LOX/керосин, заключается в том, что удельный импульс намного выше, преодолевая проблему еще более низкой плотности. Для космического челнока главные двигатели работали с земли на орбиту, поэтому причиной его использования был более высокий удельный импульс водорода на большей высоте.

Для первой ступени, которая работает только на малой высоте, за которой следует вторая ступень LOX/водород, как в Atlas и Delta, керосин имеет сопоставимые характеристики полезной нагрузки и может быть более низкой стоимостью из-за размера транспортного средства . Для Delta IV еще одним преимуществом является унификация с топливом верхней ступени .

Метан в настоящее время не поставляется на стартовые площадки, поэтому потребуются крупные инвестиции в оборудование .

Отсутствие длительного опыта эксплуатации – еще один минус для метана.

Если Raptor будет использоваться в космосе, как в миссии на Марс, то тот факт, что и LOX, и жидкий метан относительно легко хранить в космосе по сравнению с водородом или керосином, будет преимуществом.

Использованная литература:

• Сравнительное исследование керосиновых и метановых двигателей для многоразовых ступеней ЖРД . Хольгер Буркхардт, Мартин Зиппель, Армин Хербертц, Йозеф Клевански. 4-я Международная конференция по ракетным технологиям "Жидкостные ракеты-носители" 3-6 декабря 2002 г. - Льеж (Бельгия).

SpaceX не стреляет по Луне, SpaceX стреляет по Марсу. С точки зрения логистики, я не уверен, что есть жизнеспособные варианты, кроме метана/LOX и гидразина/тетроксида. Для ответного выстрела требуется запас топлива на неизвестное время, а это означает, что на Марсе по умолчанию холодно. RP-1 представляет собой твердое вещество, требующее сложного нагрева для его превращения в жидкость, а LH2 представляет собой H2 высокого давления, требующий сложного охлаждения для его превращения в жидкость. Большинство видов топлива представляют собой твердые твердые вещества. Производительность важна, но вторична. Гидразин и тетроксид азота — это то, что я ожидал, с отличными свойствами при обращении и хранении. Метан и LOX, однако, являются материальными средствами с обильным запасом людей, имеющих опыт обращения с ними, поэтому с ними можно обращаться и хранить, просто это тяжелее, чем гидразин и четырехокись азота.

Почему не LH2 очевидно, вопрос почему не гидразин и четырехокись азота. Если бы вы были космонавтом, какое топливо вы бы доверили ждать по прибытии без утечек, чтобы вы могли вернуться домой? К черту поездку туда, верни меня, и я буду знать, что мы готовы идти.

Отличный вопрос. Но к этому также примыкает вопрос уровня тяги, который более чем в три раза превышает нынешний двигатель Merlin, используемый на второй ступени Falcon 9.

Я признаю, что это чистая спекуляция. Но, основываясь на предыдущем опыте SpaceX с двигателем Merlin, я считаю, что Raptor может быть предназначен для использования в более крупных ракетах-носителях, чем Falcon 9. Возможно, как обычный двигатель, используемый на нижней и верхней ступенях модернизированного Falcon Heavy, где Raptor заменяет двигатели Merlin.

Но я думаю, что наиболее вероятной возможностью является серьезное изменение конструкции Falcon 9 (и, возможно, Falcon Heavy тоже), вызванное недавними успехами с испытательным транспортным средством с вертикальной посадкой Grasshopper.

Raptor был бы хорошим двигателем для большой верхней ступени Falcon 9 или Falcon Heavy. Передавая больше усилий для выхода на орбиту на разгонный блок, первая ступень имеет больший запас производительности, а также ступени на меньшей высоте и скорости, что упрощает вывод первой ступени на стартовую площадку. Восстановление и повторное использование 1-й ступени сэкономит SpaceX много денег (особенно для Falcon Heavy) и позволит снизить цены.

Эта статья: http://www.nasaspaceflight.com/2014/03/spacex-advances-drive-mars-rocket-raptor-power/

также отмечает, что двигатели, работающие на метане/LOX, не подвержены закоксовыванию, как двигатели LOX/RP1, и могут работать с меньшим содержанием кислорода, что снижает нагрузку на насосы.

Еще один фактор, о котором никто не упоминал, — это стоимость. SpaceX — коммерческая компания, поэтому стоимость имеет большое значение. В последнее время метан стал намного дешевле: цена на природный газ довольно сильно снизилась из-за технологических достижений в производстве (т.е. гидроразрыва). Это сделало метан самым дешевым ракетным топливом. По состоянию на 2001 год НАСА платило 0,98 доллара за галлон за жидкий водород, что соответствует примерно 16 долларам за миллион БТЕ, что в настоящее время намного дороже, чем СПГ.