Почему потребовалось так много времени, чтобы метан стал использоваться в качестве ракетного топлива?

Или я ошибаюсь и были ли попытки построить метановую ракету в прошлом?

Ну, а если и были, я полагал, что знаменитая книга Джона Д. Кларка « Зажигание! » (1972 г., бесплатная онлайн-копия ) было бы тем местом, где его можно найти. И действительно, в указателе в конце книги есть удобная запись «метан, полезность», указывающая на страницы 8 и 191. На странице 8 Кларк описывает первые испытания ракетного двигателя LOX-метан в Германии в 1930 году ( !) таким образом:

«Изначально Оберт хотел использовать метан в качестве топлива, но, поскольку его было трудно найти в Берлине, их первая работа была с бензином и кислородом. Однако Йоханнес Винклер подхватил эту идею и, работая независимо от VfR, смог до конца 1930 г. запустить двигатель на жидком кислороде-жидком метане. Эта работа ни к чему особо не привела, поскольку метан имеет характеристики, лишь немного превосходящие характеристики бензина, и с ним гораздо труднее обращаться, поэтому никто не видел смысла в его использовании. вслед за этим».

Итак, если верить Кларку (а у меня лично нет причин думать иначе), основная причина, по которой после этих ранних экспериментов метан в основном игнорировался в качестве ракетного топлива, заключается просто в том, что из-за его низкой температуры кипения его труднее использовать. хранить и обрабатывать, чем более традиционные виды топлива на основе керосина.

FWIW, ссылка на страницу 191 гораздо менее полезна, поскольку эта страница относится к (к настоящему времени несколько устаревшей) главе 13 «Что происходит дальше» и просто упоминает метан как возможное низкотемпературное двухкомпонентное топливо для дальних космических зондов. Использование метана и дифторида кислорода в качестве двойного топлива для хранения в космосе также обсуждается в главе 6 «Галогены, политика и дальний космос» на страницах 83 и 86, где Кларк отмечает, резюмируя ряд исследований НАСА 1960-х годов:

«Все углеводороды были хорошим топливом, но метан сам по себе был классом в качестве хладагента, транспирации или регенерации, помимо того, что он обладал лучшими характеристиками. Комбинация OF ₂ - метан является чрезвычайно многообещающей. топливо 1930 года вступит в свои права!)"

Таким образом, кажется, что метан рассматривался в качестве ракетного топлива задолго до 21 века, но в основном для применения в дальнем космосе, где его высокая летучесть не является серьезной проблемой и даже может считаться особенностью.

Наконец, для полноты картины, страница 146 книги Кларка содержит довольно тревожное упоминание LOX + жидкий метан в качестве предлагаемого монотоплива :

«Если смеси Танненбаума были плохими, то предложения, предложенного на конференции по монотопливу в октябре 1957 года оптимистом из Air Products, Inc., было достаточно, чтобы поднять волосы на голову любому, кто занимается ракетным топливом. Он предположил, что смесь жидкого кислорода а жидкий метан должен был стать сверхвысокоэнергетическим монотопливом, и даже разработал фазовые диаграммы системы*. Как он избежал самоубийства (первое правило обращения с жидким кислородом — никогда, никогда не позволять ему вступать в контакт с потенциальное топливо) — интересный вопрос, особенно после того, как Лаборатория реактивного движения продемонстрировала, что можно вызвать детонацию смеси, просто посветив на нее ярким светом. Тем не менее, десять лет спустя я прочитал статью, в которой серьезно предлагалось кислородно-метановое монотопливо! аллергия на историю собственного бизнеса."

Я думаю, мы можем понять, почему этот фильм так и не взлетел.

На сегодняшний день тремя основными конкурентами в выборе жидкого топлива были:

• Гиперголики — проще всего начать
• Керосин/LOX - Хорошая тяга, низкая производительность, но плотность
• LH/LOX - Лучшая производительность, труднее всего

Так что, если вы начинаете новую космическую программу с чистого листа, LOX/LH не может быть и речи, это слишком сложно. Гиперголики хорошо изучены, пригодны для хранения, отлично подходят для ракет, ужасно агрессивны и опасны.

Ракеты, переделанные в пусковые установки, часто были гиперголическими или твердотопливными.

Керосин / LOX — хороший выбор для начала, если гиперголики не в ходу. LOX управляем, Керосин очень прост в управлении.

Золотым стандартом производительности является LH/LOX, особенно для верхних ступеней, где это имеет наибольшее значение. Но жидкий водород очень пушистый, для него нужны огромные резервуары, он охрупчивает металлы, очень легко протекает, и с ним просто сложно работать.

Большинство космических программ, кажется, хотят перейти на LH/LOX, когда это возможно, поскольку они часто оптимизированы для производительности, а не для стоимости. (Индийский GSLV, японский H-II, Space Shuttle).

SpaceX вошла с другой целью — стоимостью. Я хотел сказать, что SpaceX вышла на этот рынок, но на самом деле это был не настоящий рынок, пока на него не вышла SpaceX. Это была скорее серия престижных проектов национального правительства. Это изменило результаты исследования торговли. Конечно, LH/LOX будет иметь лучшую производительность, но если это не единственная ваша цель, то внезапно Метан начинает выглядеть действительно хорошо.

Основная цель SpaceX на Марсе, где метан потенциально доступен для дозаправки (с соответствующей инфраструктурой для преобразования CO2 и воды в метан), делает его вдвойне привлекательным для них.

Метан, хотя и является топливом с высоким ISP, с которым относительно легко работать, имеет свои трудности. Самое сложное в работе с метаном — это необходимость источника воспламенения, так как метан и кислород не сгорают самопроизвольно. На самом деле есть статья , в которой прямо сравниваются метан и РП-1 как ракетное топливо. Основные выводы включают:

• ISP метана примерно на 10 с выше, чем RP-1.
• Масса двигателя увеличена для метана.
• В целом полезная нагрузка у подобных ракет практически одинакова.

Таким образом, хотя у метана есть некоторые преимущества, он потребует исследований и разработок и в конечном итоге будет дороже, чем RP-1.

Конечно, дополнительные исследования помогут аргументам в пользу метана, и, что более важно, метан может быть получен или легко доступен во многих местах Солнечной системы, что делает его привлекательным для использования ресурсов на месте (ISRU). Кроме того, сегодня нет большого преимущества в использовании метана в качестве ракетного топлива.

В прошлом вариантами были оптимальный высокотехнологичный вариант (водород) или товарный вариант (RP1, в основном керосин).

С метаном, безусловно, намного легче обращаться, чем с водородом, его температура кипения немного выше, чем у кислорода, и далеко не около -259°C (всего 14K выше абсолютного нуля) водорода. Его энергия на единицу объема жидкости также лучше, чем у водорода.

Одним из факторов является то, что жидкий метан больше не является экзотическим топливом. Мировая торговля сжиженным природным газом увеличивалась примерно вдвое каждое десятилетие в течение последних нескольких десятилетий, как можно увидеть на странице https://en.wikipedia.org/wiki/Liquefied_natural_gas (50 млн т в год в 1990 г., 130 млн т в год в 2002 г., 246 млн т в год в 2014 г.). в результате навыки обращения с СПГ превратились из специальных в обычные, что снизит затраты на разработку. Возможно, что еще более важно, жидкий метан/СПГ больше не является специальным материалом: теперь вы можете заказать его как обычное топливо.

https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_rocket_propelant показывает, что удельный импульс смеси CH4/кислород всего на 3% лучше, чем у RP-1/кислород, тогда как существует большой скачок от CH4/кислород к H2/кислород. (И этилен, и, что удивительно, гидразин немного лучше, чем метан.) Поэтому я думаю, что другие ответы верны в том смысле, что основная причина использования CH4 заключается в том, что он, как сообщается, доступен в других местах Солнечной системы, и Маск хотел бы получить опыт с ним, чтобы иметь возможность заправляться в других мирах.

Помимо того, что это, по сути, СПГ, метан горит чисто. Керосин вызывает коксование и полимеризацию в двигателе. Это не имеет значения, если вы используете двигатель всего несколько раз. Если вы хотите повторно использовать его 40-50 раз или больше (например, Spacex), вам нужно чистить керосиновый двигатель каждые несколько применений, и это дорого обходится, если вам приходится его разбирать. Метан намного лучше с точки зрения «повторного использования». СПГ в наши дни также дешев, так что преимущество РП-1 здесь практически исчезло.

Один из аспектов этого вопроса, который, как мне кажется, упускается из виду в большинстве дискуссий, — это опыт и технический прогресс. Когда мы впервые пытались вывести людей на орбиту, а затем и на другую планету, нашим главным критерием было сделать все возможное, чтобы увеличить наши шансы на успех. Мы использовали H2/LOX, потому что нам нужен был каждый возможный бит интернет-провайдера, независимо от его стоимости. 50 лет назад мы делали то, что никто никогда не делал, и у нас было гораздо меньше технологического мастерства и инструментов для решения проблемы. Приходилось «грубить» и «угадывать» гораздо больше, чем сейчас.

Теперь добраться до LEO стало рутиной, а не большим экспериментом. Теперь мы знаем, что отношение тяги к массе значительно важнее для выхода на НОО, чем тогда. Мы знаем, что более низкий Isp того стоит, если мы получим достаточно большое улучшение отношения тяги к массе. У нас есть аналитические инструменты, достижения в области материаловедения и методы производства, которые намного лучше, чем те, что были 50 лет назад. Теперь мы можем хранить CH4 и LOX при температурах, близких к их точкам замерзания, гораздо более экономично. Мы можем проектировать и производить более простые и надежные полнопоточные двигатели внутреннего сгорания. Отношение тяги к массе у Raptor будет более чем в 2 раза больше, чем у двигателя Saturn V F1. Вероятно, это будет более чем в 3 раза больше, чем у SSME. И он будет гораздо более пригодным для повторного использования. Все эти преимущества более чем компенсируют более низкий ISP CH4/LOX по сравнению с H2/LOX.

Короче говоря, у нас больше опыта, а также больше материалов и инструментов, доступных нам, чтобы максимально использовать этот опыт.