Почему SpaceX решила использовать гидразин, а не более новое «зеленое» топливо для Dragon 2?

Во-первых, я понимаю необходимость использования гиперголиков вместо криогеники как части прерывания и приземления Dragon 2 — они обеспечивают «мгновенную» тягу и могут регулироваться с очень широким диапазоном (сам SuperDraco может дросселировать до 20%).

Но зачем конкретно использовать тетроксид азота и монометилгидразин? Новые химикаты, такие как AF-M315E (который будет испытан в рамках миссии Green Propellant Infusion Mission ), предлагают несколько довольно крутых преимуществ. Рассмотрим многочисленные недостатки, которыми обладает гидразин:

  • Высокотоксичен . Защитные костюмы необходимы при работе с гидразином. Он токсичен в очень низких концентрациях, а также канцерогенен. Это замедляет время загрузки и выгрузки и значительно увеличивает стоимость и сложность, что диаметрально противоположно целям SpaceX.

  • Дорого . В 1990 году НАСА платило за гидразин 17 долларов за килограмм . Я очень сомневаюсь, что с тех пор он стал дешевле. Более строгие экологические нормы и правила обращения только увеличат стоимость, и когда Dragon 2 вмещает несколько сотен килограммов, эта стоимость увеличивается.

  • Низкий удельный импульс . У SuperDraco I sp 235 секунд, что ужасно. AF-M315E имеет «повышение производительности на 50%». Это может привести к ряду вариантов для SpaceX. Они могли бы значительно уменьшить вес Dragon 2, что могло бы облегчить восстановление Falcon 9, или, наоборот, это могло бы позволить им сохранить тот же вес и упаковать на борт больше научных приборов или груза. Другим вариантом является сохранение того же количества топлива и обеспечение более продолжительного и менее агрессивного горения при посадке или обеспечение большего запаса маневренности в ситуациях аварийного останова.

  • неудобный . Гидразин тоже нужно поддерживать в тепле, для чего нужны нагреватели, требующие энергии.

Теперь я понимаю...

что AF-M315E по-прежнему является относительно передовым, как и Dragon 2. НАСА требует, чтобы на данный момент посадки происходили с парашютами, что оставляет достаточно времени для исследований и разработок (что нравится SpaceX) для интеграции Dragon с этим новым химическим веществом.

Кто-нибудь может объяснить это решение отдать предпочтение гидразину? Есть ли в линейке обновлений более экологичное и эффективное топливо?

Что касается я сп 235 секунд, это число взято из документа, подготовленного для документа FAA консультантом. Кто знает происхождение этого числа? Судя по этому документу FAA, это значение, по-видимому, представляет собой Isp на уровне моря. Даже в этом случае он выглядит низким для N2O4/MMH. Это Isp монотопливного гидразина.
@David Hammen - Теоретический Isp для N2O4/MMH id 288 с на SL. Для сильно загазованного двигателя с радиационным охлаждением 235-й выглядит очень реалистично. Упомянутое «увеличение производительности на 50%» относится к объему Isp лебедки «гидразиновые монотопливные системы», теоретический Isp составляет ~ 200 с. В лучшем случае «зеленые ракетные топлива» могут приблизиться к характеристикам N2O4/MMH, но не превысить их.
"эта стоимость складывается" Судя по вашим собственным данным, поездка вряд ли превысит несколько тысяч долларов. Даже если предположить, что альтернатива была бесплатной, это не большая экономия, особенно с точки зрения инженерных часов.

Ответы (2)

TL;DR:

Низкая технологическая готовность, очень-очень низкая тяга и необходимость в слое катализатора означают, что эта технология была и остается неподходящей для предполагаемой цели системы прерывания запуска и маневрирования на низкой околоземной орбите.


Низкая технологическая готовность

SpaceX начала работу над Dragon V2 более пяти лет назад. На тот момент AF-M315E имел довольно низкий уровень технологической готовности. К 2013 году технологическая готовность была повышена до 5, но это не так уж хорошо, и было слишком поздно.

При проектировании нового космического корабля необходимо очень тщательно выбирать, какие элементы с низким TRL действительно необходимо использовать в конструкции космического корабля. Сам космический корабль по определению имеет довольно низкий TRL. На каждый элемент с низким TRL, используемый в космическом корабле, нужно смотреть с довольно скептической точки зрения. В случае с Dragon V2 у SpaceX были инженеры и операторы, которые уже были знакомы с опасными видами топлива.

Очень, очень низкая тяга

Миссия по вливанию зеленого топлива, о которой говорится в вопросе, направлена ​​​​на доведение 22-ньютонного AF-M315E до TRL 9. Это не имеет значения в отношении типов двигателей, необходимых для системы прерывания запуска для космического корабля, рассчитанного на человека. Каждый двигатель Super Draco обеспечивает 73 000 ньютонов тяги. Чтобы обеспечить тот же уровень тяги, кораблю потребуется 26 500 из этих 22-ньютонных двигателей — или потребуется увеличить тягу в 3300 раз. SpaceX пошла на огромный риск, увеличив тягу своих двигателей Draco в несколько раз. 200. Предложение увеличить тягу в 3300 раз слишком рискованно. Это территория TRL 1.

Необходимость в слое катализатора

В двигателях Draco и Super Draco используется тетроксид азота и монометилгидразин. Зажечь эту смесь легко: смешайте их, и они воспламенятся. Они гиперголы. Напротив, монотопливо, предложенное в вопросе, нуждается в слое катализатора, чтобы вызвать воспламенение. Здесь есть большая проблема: катализаторы не масштабируются до размера двигателя, необходимого для Dragon V2. Большие двигатели имеют раздражающую тенденцию проглатывать слои катализатора. Слои катализатора по самой своей природе немного хрупкие. Они должны быть; газ должен проходить через них. Они не так хорошо масштабируются, особенно в ракетных двигателях.

Отличный ответ, спасибо. Я подозревал, что проблема с катализатором может стать препятствием, и ваш ответ, кажется, подтверждает это. Есть ли вероятность того, что проблема слоя катализатора будет решена и достигнута зрелая TRL в ближайшие несколько десятилетий? (Да, извините, я прошу вас вглядеться в хрустальный шар). Если нет, то остается ли AF-M315E навсегда ограниченной областью приложений с малой тягой?
Были некоторые двигатели на перекиси водорода (для которых нужен катализатор) с довольно высокой тягой, так что это не кажется невозможным.
@Hobbes - Самый большой одновинтовой гидразиновый двигатель, который я могу найти, - это двигатель Aerojet MR-80B мощностью 800 фунтов силы (3560 Н). Это далеко от подруливающего устройства Super Draco мощностью 16 400 фунтов силы (73 000 Н).
Я имел в виду Armstrong Siddeley Stentor с тягой 24 кгс/106 кН. В нем использовался гидразин плюс керосин, и подобные двигатели нуждались в катализаторе для разложения ПВТ.
@Hobbes - Во-первых, в нем использовалось двухкомпонентное топливо перекись водорода + керосин. Никакого гидразина! Во-вторых, посеребренный сетчатый катализатор, необходимый для начала разложения перекиси водорода (особенно при использовании в качестве двухкомпонентного топлива), является довольно прочным и долговечным по сравнению с гранулированными слоями катализатора из иридия или рутения, необходимыми для начала разложения гидразина (и, по-видимому, AF-M315E). Иридий твердый и хрупкий и плохо осаждается на прочных материалах, таких как сталь или никель. Серебро пластично и ковко, и из него очень легко сделать посеребренные металлы.
@DavidHammen «Слои катализаторов не масштабируются до размера двигателя, необходимого для Dragon V2. Большие двигатели имеют раздражающую тенденцию проглатывать слои катализатора». Можете ли вы предоставить источник? Я хочу узнать больше о точной конструкции слоев катализатора, особенно о том, почему они называются «слоями». Я думал, что это просто металлические рамы с максимальной площадью поверхности, и я не вижу причин, почему вы не можете масштабировать их. Трудно получить прочнее металлического треугольного каркаса. Кроме того, почему более крупные двигатели имеют тенденцию проглатывать катализатор, когда из бака к отверстию двигателя поступает столько массы топлива?
Слои катализатора, используемые в шаттловых ВСУ, работающих на гидразине, представляли собой не металлические каркасы, а пористые цилиндры, заполненные гранулированным катализатором Shell 305. Я не знаком с гидразиновыми монотопливными двигателями, но могу предположить, что они используют аналогичную конструкцию.
  • Успех SpaceX основан главным образом на использовании лучших проверенных технологий, а не на смелых инновациях. Инновации есть в производственном процессе и бизнес-модели, но очень мало в конструкции ракет.
  • Высокоэнергетические монотопливы очень опасны. Нитрат гидроксиламмония (AF-M315E) классифицируется как взрывчатое вещество. Это, вероятно, неприемлемо для двигателей, рассчитанных на человека, и обычно не тестируется.
  • Монометилгидразин, диметилгидразин и N 2 O 4 являются опасными химическими веществами, но имеется солидный опыт обслуживания этих опасных жидкостей. На самом деле, они прекрасно работают как пропелленты.
  • Разработка нового двигателя на MMH/N 2 O 4 опирается на огромную базу данных и знания специалистов, поскольку были разработаны и используются сотни таких двигателей. Разработка нового двигателя на новом топливе может занять много времени, может быть, десятилетия. Например, ракетные топлива на основе метана исследуются уже много лет. Действующих метановых ракет нет, несмотря на преимущества метана как ракетного топлива.
  • Существуют и другие нетоксичные комбинации пропеллентов, упомянутые в комментариях. Все они двухкомпонентные.
Я бы не назвал то, как SpaceX использует перекрестную подачу в Falcon Heavy, «хорошо проверенной» технологией, не говоря уже о ее попытках приземлиться на баржу. SpaceX использует технологии с низким TRL, когда это имеет смысл. В случае с этим вопросом смысла нет.
Успех SpaceX не включает пока ни попытки приземлиться на баржу, ни кросс-кормление. Очень успешные космические корабли Falcon 9 и Dragon скорее консервативны, чем инновационны. Будущее покажет, повторят ли этот успех многоразовые ракеты ВТВЛ. Между прочим, теорию перекрестного кормления придумал Герман Оберт - наставник фон Брауна.
Ты упустил мою мысль, @Val. SpaceX готова пойти на разумный риск. В дополнение к двум, которые я упомянул, они также изучают метан/LOX, опять же, элемент с низким TRL. С другой стороны, «зеленое» топливо, упомянутое в вопросе, не представляет разумного риска.
(1) Любое новое топливо представляет собой разумный технологический риск. Развитие двигательных установок исторически показывает медленный прогресс. AF-M315E был обнаружен в 1970-х годах. С тех пор очень мало прогресса. (2) Я не уверен, что SpaceX готова пойти на разумный риск. Их клиенты не любят рисков. Публичный имидж компании как смелого новатора является результатом хорошо организованной пропаганды. В некотором отношении вопрос, на который мы пытаемся ответить, можно переформулировать так: почему моя любимая компания не соответствует образу, в который я верю?... Я не люблю продолжать этот спор, потому что он стал слишком личным.
Перекрестная подача Falcon Heavy была отложена.
Почему SpaceX решила использовать гидразин, а не более новое «зеленое» топливо для Dragon 2?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v