Почему ракеты на метане — наше будущее? — Технологии на TJ
Перевод интересного материала о топливном разнообразии в сегодняшней ракетной индустрии.
Одна из самых интересных вещей в космических перелётах — это выбор ракетного топлива. У нас существует довольно много вариантов, так что выбирать есть из чего. В основном, когда речь заходит о выборе топлива, то большинство ракетостроителей сразу же обращаются к тому, в котором окислителем является кислород. А затем подбирают к нему горючее, пытаются получить правильные соотношения и так далее.
Выбор компонентов топлива напрямую зависит от ваших целей. Ракета-носитель Сатурн-5, которая доставила первых людей на Луну, использовала более двух миллионов литров керосина (также известного как RP-1) и жидкого кислорода (также известного как LOX) – этого почти что хватит для заполнения 50-метрового олимпийского бассейна.
И после сотни лет исследований в области ракетного топлива, в которых рассматривалось огромное количество вариантов – от водорода до парафина – мы пришли к кое-чему новому. Метан – одно из самых распространённых веществ на нашей планете – наконец-то находится в центре внимания ракетостроителей. И, возможно, что именно метан приведёт нас на Марс.
Более эффективный двигатель
Эффективность ракетного топлива измеряется понятием удельного импульса. Чем больше удельный импульс, тем меньше топлива вам придётся потратить для получения определённого количества движения. Это космическая версия литров на сотню километров.
Двигатель BE-4 компании Blue Origin
Джейк Тюферт, который работает в американской космической компании Tesseract Space, отмечает, что комбинация жидкого кислорода и жидкого метана даёт на 5% большую производительность, нежели комбинация жидкого кислорода и керосина. И это при одном и том же давлении в камере сгорания. Но:
Двигатели, работающие на метане, могут быть спроектированы для работы при более высоких давлениях. Если учитывать увеличение эффективности, которую даёт повышенное давление в камере сгорания, то метановый двигатель будет на 20% более производительным, чем керосиновый.
Такое увеличение эффективности означает значительную экономию средств, а значит потенциально может сделать космические перелёты дешевле. При увеличении удельного импульса уменьшается количество метана, необходимого для отрыва ракеты от стартового стола. Меньшее количество метана — меньшие топливные баки. Метан также облегчает процесс собственного хранения перед запуском и упрощает конструкцию топливных насосов.
Метановый двигатель «Raptor» побил рекорд РД-180 / Хабр
Час назад Илон Маск обьявил о новом рекорде среди ракетных двигателей. Полетный вариант нового двигателя Raptor достиг рекорных 268.9 бар давления в камере сгорания, что превышает текущий рекорд среди РД в 267 бар поставленный в далеких 90-х двигателем РД-180.
За последний месяц SpaceX начал строительство и настройку Starhopper, тестовой установки, которая будет является уменьшеным прототипом Starship. При том же диаметре в 9 метров, она примерно на 30-40% ниже и на ней будет установлено три новых двигателя Raptor. Starhopper будет отрабатывать новые двигатели, авионику, и предполагается что будет совершать небольшие прыжки уже в этом месяце (тут надо делать поправку на время Илона).
Первый экземпляр полетного Раптора прибыл в Бока Чика пару недель назад и прожиги начались всего через неделю (3-го февраля). 7-го февраля Маск уже обьявил о достижении минимально требуемой тяги в 170 тонн (172 тонны и 257 бар давления). По его словам, топливо (жидкий метан) и окислитель (жидкий кислород) не были глубоко охлаждены, поэтому он предполагает, что возможно еще выжать 10-20% тяги предварительно подвергнув компоненты крио-охлаждению. Со временем они планируют достичь давления в 300 бар. Маск говорит, что еще большее давление потребует порядка 700-800 бар в камерах предварительного сгорания и находится на грани дозволенного физикой.
Кстати, Илон говорит, что РД-170/180 являются образцами для подражания и биография Королева лежит у него на прикроватном столике.
В общем, прогресс Starship явно пошел быстрее, начиная от перехода с композитов на нержавеющую сталь с активным капельным охлаждением, до строительства Starhoppperа и прожигов готового Raptorа. 2019 обещает быть очень захватывающим годом для космической отрасли и человечества!
Россия создаст свой первый метановый ракетный двигатель и многоразовую ракету
Вслед за американскими Blue Origin и SpaceX «Роскосмос» заявил о создании метанового ракетного двигателя уже через три-четыре года, и это очень хорошая новость.
НПО «Энергомаш» приступило к разработке принципиально нового ракетного двигателя на метане — РД-169. На его основе в течение пяти-шести лет может быть создана первая российская ракета с многоразовой первой ступенью, утверждает глава НПО «Энергомаш» Игорь Арбузов.
Впрочем, на самом деле Арбузов, сообщивший журналистам о создании двигателя, вовсе не говорил ничего о «принципиально новом» движке — и это не просто так. РД-169 — это проект 1990-х годов, долгое время лежавший на полке и обретший актуальность лишь в новых условиях — благодаря сильной коммерческой конкуренции со стороны американских компаний. Почему двигатель из 90-х ждал своего часа так долго и за что его стоит любить и сегодня — попробуем разобраться ниже.
Новый двигатель или не совсем?
[object Object]
Всё началось с интервью главы «Энергомаша» Игоря Арбузова РИА «Новости». В нём он сообщил: «Двигатель получил название РД-169. Это фактически новый двигатель, создающийся на основе тех знаний, которые мы формировали с начала 2000-х годов… Нам нужно три-четыре года, и мы сможем приступить к испытаниям полноценного метанового двигателя».
Здесь очень важно слово «фактически». Дело в том, что на самом деле проект метанового ракетного двигателя получил название «РД-169» в далекие 90-е годы. Борис Каторгин, тогдашний глава «Энергомаша», двадцать лет назад, летом 1998 года, так описывал эту новинку: «В настоящее время для РН легкого класса «Рикша-1″ разработан эскизный проект двигательного модуля РД169… Тяга у Земли 15 тс, в пустоте 17 тс…» и так далее. По данным эскизного проекта 1998 года, это довольно простой, лёгкий и небольшой (диаметр — всего 50 сантиметров) однокамерный жидкостный ракетный двигатель, сжигающий смесь жидкого метана (или природного газа) и жидкого кислорода.
Тогда почему Арбузов говорил «фактически новый»? Всё просто: в 1998 году это был эскизный проект, и Каторгин отмечал, что на его отработку после начала финансирования потребуется четыре года. С тех пор, всё ещё не получая финансирования на этот проект от государства, НПО «Энергомаш» договорился с американской компанией Pratt & Whitney. Та заказала разработку и испытания РД-0146. Потом на базе этого двигателя энергомашевцы провели свои первые опыты по сжиганию метан-кислородной смеси в ракетном двигателе (о таких опытах и упомянул Арбузов). То есть то, что в 1998 было просто эскизом, сегодня опирается на опыты, хотя бы и проделанные на другом движке.
Зачем нам метановый ракетный двигатель?
Для космоса преимущества метана над керосином не в том, что он в разы дешевле. Более важно то, что метан не оставляет сажи при сгорании. Поэтому двигатели на нём можно много раз использовать повторно: как писал Каторгин ещё в 1998 году, без «…специальной обработки полостей…, что облегчает многократное их использование без переборки».
[object Object]
На сегодня российские «Протоны» с коммерческого рынка почти полностью вытеснены более дешёвыми американскими ракетами Falcоn 9 c многоразовой первой ступенью. Однако пока ракетные двигатели их первой ступени — так же, как и современные российские — работают на керосине и кислороде, отчего в них накапливается сажа. Реалистичные оценки многоразовости первых ступеней с «сажевыми» двигателями — порядка десятка раз, дальше нужна переборка. Если Россия выпустит на рынок ракету с метановыми двигателями первой ступени, то её можно будет использовать больше раз, чем ракету конкурента, Falcоn 9. То есть наши пуски могут оказаться дешевле.
Поэтому создание российского метанового движка для многоразовой ракеты можно только приветствовать. SpaceX и сама планирует перевести Falcоn 9 на метан, но получится это у неё или нет — ещё очень большой вопрос. А пока стоит отметить, что при «метановой» первой ступени будущая российская ракета сможет как минимум на равных побороться за зарубежные коммерческие заказы.
Метан не единственное ракетное топливо, пригодное для многоразовых первых ступеней. Водород при сгорании тоже сажи не даёт. Однако температура его сжижения — минус четверть тысячи градусов, куда ниже, чем у жидкого метана. Требующаяся для него криогенная инфраструктура много сложнее и дороже. Есть и другие проблемы — водород плохо удерживается даже в охлаждаемых ёмкостях, иной раз «утекая» из них за считаные месяцы. Метан и здесь лучше — хранить его сжиженным можно годами.
Почему такой маленький?
РД-169 — небольшой двигатель и по тяге, и по размерам. Может возникнуть вопрос: почему? Понятно, зачем такой «малыш» был нужен в 1998 году: на его основе планировали делать лёгкую ракету «Рикша-1», в такую совсем большой двигатель не поставишь. Но сейчас РД-169, по словам Арбузова, планируется использовать в «многоразовой ракете-носителе среднего класса для коммерческого использования». Зачем же средней ракете малый двигатель?
Всё дело в слове «многоразовой». Для многоразовой ракеты нужно много мелких двигателей на первой ступени (у Falcon-9 их девять штук). Один большой двигатель при посадке на хвост даст слишком большую тягу. И ракета не сможет сесть — она будет парить над площадкой, пока не кончится топливо, а потом упадет на неё, получая повреждения. Совсем другое дело, если взять сразу несколько РД-169 и поставить в первую ступень. В этом случае достаточно использовать при посадке только один из них и ракета «встанет на ноги» без проблем.
[object Object]
Чтобы понять, насколько несколько малых двигателей лучше одного большого, можно обратиться к опыту российского частного космоса. Отечественная S7 Space планирует для своего «Морского старта» применить ракеты со старинным советским двигателем НК-33, созданным ещё для лунной программы. Как и следует ожидать от двигателя для полётов к Луне, он довольно большой и мощный.
Как отметил Павел Пушкин, глава другой частной космической компании «Космокурс», «ракеты — это не лего-кубики. На одном НК-33 посадить ракету будет сложноватенько [из-за слишком большой тяги одного большого двигателя]… Проект получается очень проблематичным с точки зрения вероятности успешного осуществления. Я понимаю, что выхода другого вроде как и нет, но это тоже, по моему мнению, не выход, а самообманочка». Трудно не порадоваться за энергомашевцев, которые пока прошли мимо «самообманочки», выбрав малые метановые двигатели.
Перспективы модульности?
Интересно, что в эскизном проекте РД-169 от 1998 года учитывался и такой вариант: если нужна ракета с большой грузоподъёмностью, то берётся шесть двигательных модулей РД-169, объединяются в один блок, который получает название РД-190. Тогда, в отличие от ракеты типа «Рикша-1», можно будет вывести на низкую околоземную орбиту уже не 1,7 тонны, а сразу много тонн. Если использовать «пакет» из нескольких РД-190 (каждый из которых — шесть РД-169), то можно получить уже не среднюю ракету с многоразовой первой ступенью, а тяжёлую ракету с такой же ступенью.
Потенциально это очень важно. Дело в том, что Falcon 9, как и разрабатываемая другой американской компанией ракета New Glenn, — носитель тяжёлый. Поэтому он может вывести на орбиту даже тяжёлый спутник и всё равно посадить первую ступень самой ракеты. Грузоподъёмность тяжёлого носителя позволяет оставить достаточный запас топлива у первой ступени. Как отмечает Арбузов, российскую многоразовую ракету планируют средней. Это легко понять: первый опыт в области посадки ракет на хвост — дело довольно рискованное. Вдруг что-то пойдёт не так. Falcon 9 в начале своей карьеры тоже был средним и только после успешных полётов постепенно вырос до тяжёлого.
[object Object]
Но у средней ракеты с многоразовой первой ступенью будет проблема — она не сможет выводить в космос действительно тяжёлые спутники и при этом сажать первую ступень. Ей банально не хватит топлива. В случае использования двигательных модулей РД-169 перспективному среднему российскому носителю для коммерческих запусков будет проще стать тяжёлым. Тем самым он сможет оставаться многоразовым даже при запуске больших коммерческих спутников. Пойдёт ли «Роскосмос» по этому пути — вопрос пока открытый.
Немного осторожности
Следует понимать: далеко не все анонсированные в прессе проекты становятся реальностью — и у нас, и у NASA. В 1990-е энергомашевцы уже предлагали метановые двигатели. Вопрос не в том, могут ли они их создать или нет — определенно могут, а в том, доведут ли проект до фактического результата. То, что потенциал у НПО «Энергомаш» есть, — очевидно. В конце концов, именно оно недавно подписало контракт на поставку ещё шести ракетных двигателей РД-180 в США к 2020 году.
Для того чтобы РД-169 (и многоразовая ракета на нём) стали металлом — нужны деньги, которых «Роскосмосу» часто не хватает. Не случайно Игорь Арбузов, говоря о концепции метановой многоразовой ракеты, сказал: «Я думаю, что в течение пяти-шести лет можно выйти на создание такого носителя, если решение будет принято госкорпорацией Роскосмос». «Если» — для российской космонавтики очень могущественное слово. Только будущее покажет, будет ли такое решение принято на практике.
Метан как перспективное ракетное горючее — Будущее уже наступило…
Начал применяться ещё в 50-х годах и остаётся востребован и по сей день — именно на нём летают наша Ангара и Falcon 9 от SpaceX. Обладает множеством преимуществ, среди которых: высокая плотность, низкая токсичность, обеспечивает высокий удельный импульс, пока что приемлемая цена. Но производство керосина сегодня сопряжено с большими трудностями. Например, ракеты Союз, которые делают в Самаре, сейчас летают на искусственно созданном горючем, потому что изначально для создания керосина для этих ракет использовались только определенные сорта нефти из конкретных скважин. В основном это нефть Анастасиевско-Троицкого месторождения в Краснодарском крае. Но нефтяные скважины истощаются, и ныне используемый керосин является смешением композиций, которые добываются из нескольких скважин. Заветную марку РГ-1 получают с помощью дорогостоящей перегонки. По оценкам экспертов, проблема дефицита керосина будет только усугубляться.
Сегодня водород, наряду с метаном, является одним из самых перспективных ракетных горючих. На нём летает сразу несколько современных ракет и разгонных блоков. В паре с кислородом он (после фтора) выдаёт самый высокий удельный импульс и для использования в верхних ступенях ракеты (или разгонных блоках) подходит идеально. Но чрезвычайно низкая плотность не позволяет в полной мере использовать его для первых ступеней ракет. Есть у него ещё один недостаток — высокая криогенность. Если ракета заправлена водородом, то он находится при температуре около 15 кельвинов (-258 по Цельсию). Это приводит к дополнительным затратам. Если сравнивать в керосином, то доступность водорода достаточно высока и его получение не является проблемой.
Он же НДМГ или несимметричный диметилгидразин. У этого горючего всё ещё остаются сферы применения, но оно постепенно отходит на задний план. И причиной тому его высокая токсичность. Он обладает почти такими же, как керосин энергетическими показателями и является высококипящим компонентом (хранение при комнатной температуре) и, поэтому, в советское время использовался достаточно активно. Например, ракета Протон летает на высокотоксичной паре гептил+амил, каждый из которых способен убить человека, вдохнувшего по неосторожности их пары. Использование таких топлив в современное время неоправдано и является неприемлемым. Горючее находит применение в спутниках и межпланетных зондах, где оно, к сожалению, незаменимо.
Но есть ли топливо, которое удовлетворит всех и будет стоить дешевле всех? Возможно, это метан. Тот самый голубой газ, на котором некоторые из вас сегодня готовили пищу. Предлагаемое горючее является перспективным, активно осваивается другими отраслями промышленности, обладает более широкой сырьевой базой по сравнению с керосином и низкой стоимостью — это является важным моментом, учитывая прогнозируемые проблемы производства керосина. Метан как по плотности, так и по эффективности находится между керосином и водородом. Способы получения метана многочисленны. Главный источник метана природный газ, который состоит на 80..96% из метана. Остальное — это пропан, бутан и другие газы того же ряда, которые можно вообще не удалять, они очень схожи по свойствам с метаном. Другими словами, можно просто сжижать природный газ и использовать его как ракетное топливо. Метан можно получать и из других источников, например, переработкой отходов животноводства. Возможность использования метана в качестве ракетного топлива рассматривается уже на протяжении десятков лет, однако сейчас есть только стендовые варианты и экспериментальные образцы таких двигателей. Например, в химкинском НПО «Энергомаш» исследования в части использования сжиженного газа в двигателях велись с 1981 года. Прорабатываемая сейчас в «Энергомаше» концепция предусматривает разработку однокамерного двигателя тягой в 200 т на топливе «жидкий кислород — сжиженный метан» для первой ступени перспективного носителя легкого класса. Космическая техника ближайшего будущего обещает быть многоразовой. И тут открывается ещё одно преимущество метана. Он криогенный, а, значит, достаточно нагреть двигатель хотя бы до температуры -160 по Цельсию (а лучше выше) и двигатель сам освободится от компонентов топлива. По мнению специалистов он более всего подходит для создания многоразовых ракет-носителей. Вот что о метане думает главный конструктор НПО «Энергомаш»Владимир Чванов:
— Удельный импульс у двигателя на СПГ высокий, но это преимущество нивелируется тем, что у метанового топлива меньшая плотность, поэтому в сумме получается незначительное энергетическое преимущество. С конструкционной точки зрения метан привлекателен. Чтобы освободить полости двигателя, нужно только пройти цикл испарения — то есть двигатель легче освобождается от остатков продуктов. За счет этого метановое топливо более приемлемо с точки зрения создания двигателя многоразового использования и летательного аппарата многоразового применения.
Ещё один довод в пользу использования метана — возможность добывать его на астероидах, планетах и их спутниках, обеспечивая возвращаемые миссии топливом. Там намного легче добывать метан, чем керосин. Естественно, о возможности привозить топливо с собой не может быть и речи. Перспектива таких дальних миссий, весьма отдалённая, но некоторые работы уже ведутся.
Так почему же метан в России так и не стал практически используемым горючим? Ответ достаточно прост. С начала 80-х в СССР, а потом и в России не было создано ни одного нового ракетного двигателя. Все российские «новинки» — это модернизация и переименование советского наследия. Единственный честно созданный комплекс — «Ангара» — с самого начала планировался как керосиновый транспорт. Его переделка обойдётся в копеечку. Вообще, Роскосмос постоянно отклоняет метановые проекты потому, что там связывают «добро» на хотя бы один подобный проект с «добром» на полную перестройку отрасли с керосина и гептила на метан, что считается долгим и дорогостоящим мероприятием.
На данный момент есть несколько компаний, заявляющих о скором использовании метана в своих ракетах. Двигатели, которые создаются :
FRE-1 / Firefly Space SystemsBlue Engine 4 (BE-4) / Blue OriginС5.86 / КБХМ им. ИсаеваРаптор / SpaceXРД-196 ? / НПО «Энергомаш»РД0162 / Конструкторске бюро химавтоматикиВерный путь к применению метана это создание нового ракетного комплекса (то есть новой ракеты), в котором просто не найдётся применения «старым» двигателям. На данный момент существуют такие комплексы на метановом топливе, но пока только в стадии эскизных проектов.
Как ожидается, новая ракета придет на смену тяжелым ракетам-носителям Atlas V и Delta IV, производимым ULA. Сообщается, что Vulcan станет более дешевым в эксплуатации, чем его предшественники. Кроме того, на нем будут установлены исключительно американские двигатели, а не российские РД-180, как в ракете Atlas V. В новой ракете ULA собирается использовать на первой ступени агрегаты Blue Engine 4 компании Blue Origin. Также ожидается, что эти двигатели могут быть повторно использованы после их приземления при помощи защитных щитов (для предотвращения перегрева от трения при падении в атмосфере) и парашютов. Vulcan будет собираться по модульному принципу и будет включать в себя 12 ракет среднего и тяжелого классов с различными возможностями по выводу полезной нагрузки на орбиту.
Первый пуск нового носителя запланирован на 2019 год.
Vulcan Heavy / ULAРакетно-космический комплекс «Рикша» был разработан в КБ имени академика В.П.Макеева в 90-е годы, когда все бывшие советские КБ выживали как могли. Для данной ракеты-носителя предлагается три вида старта: стационарный (основной вариант), мобильный, морского базирования. Комплекс «Рикша» включает в себя семейство двухступенчатых ракет-носителей легкого класса на криогенных компонентах топлива. Ракетные блоки оснащаются двигателями (по одному на каждом блоке) РД-182 (модификация двигателя РД-120, дорабатываемого под горючее — СПГ). Вторая ступень с двигателем РД-185 многократного включения унифицирована для всех ракет.
На данный момент проект фактически забыт.
«Рикша» / КБ имени академика В.П.МакееваВ настоящее время ходят слухи о скором начале разработки новой российской ракеты сверхтяжёлого класса, которая будет работать на метане. Соответствующие проекты представили сразу несколько предприятий, среди которых РКК «Энергия», разработавшая в своё время ракету «Энергия» и ЦСКБ «Прогресс», разработчики ракеты «Союз-2».
«Вулкан» на базе ракеты-носителя «Энергия» / РКК «Энергия»Ракета компании Лин Индастриал. Разработку ракеты-носителя, которая сможет выводить на низкую околоземную орбиту груз около 90 кг, и использующую в качестве топлива сжиженный природный газ, Лин Индастриал начал по просьбе КБХМ им. А.М.Исаева. Кроме того, компания заинтересована в создании более грузоподъёмного варианта, способного вывести на низкую околоземную орбиту 710-715 кг. Таким образом, у ракеты, названной в честь залива и города на Сахалине, где построен первый российский завод по производству СПГ, есть большие перспективы постепенно развиться из сверхлегкой в легкую и тем самым закрыть значительную часть рынка запусков лёгких спутников.
Анива / Лин ИндастриалКомпания SpaceX, образованная немногим более 10 лет назад, готовит новый транспорт для осуществления своих марсианских амбиций. Никто не утверждает, что это произойдёт в ближайшие годы, но лет через 10 компания Илона Маска точно представит публике что-то подобное. Что бы не готовилось в недрах SpaceX, оно будет работать на метане. Проблема этого проекта в том, что ещё не исчерпана возможность модернизации главной ракеты компании — Falcon 9. Очевидно, что боковых ускорителей может быть не два, как в Falcon Heavy, а шесть. Тогда грузоподъёмность носителя возрастает с 53 тонн как у Falcon Heavy, до 130, а этого более чем достаточно для осуществления амбиций компании.
Falcon X / Falcon XX / SpaceXФан-арт приземления Falcon X (R) / SpaceXВ 2007 году при поддержке Alliant Techsystems компания XCOR Aerospace произвела испытания метанового двигателя на основе двигателя для лунного корабля Crew Exploration Vehicle из ныне закрытого проекта Orion.
Испытания 16 января 2007 в пустыне Мохаве / XCOR AerospaceЕсть ещё множество проектов метановых двигателей и ракет на этапах эскизных проектов или экспериментальных отработок.Метан на данный момент — одно из самых перспективных горючих для ракетной техники. Есть все основания полагать, что будущее у него будет безоблачным, но его мировая экспансия произойдёт не сразу, а только через некоторое время.
Источник
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Метановый ракетный двигатель Raptor от SpaceX
Raptor (Раптор) — криогенный метановый ракетный двигатель, разрабатываемый американской компанией SpaceX. Двигатель предназначается для установки на нижние и верхние ступени будущих сверхтяжелых ракет-носителей, служащих для межпланетных перелётов. Двигатель работает на жидком кислороде и сжиженном метане (lox/methane). Предшественники Раптора, двигатели Merlin, используемые в ракетах Falcon 9, работали на керосине RP-1 и жидком кислороде. Ранние концепции Раптора использовали вместо метана жидкий водород.
Испытания ракетного двигателя Raptor на стенде в сентябре 2016
Двигатель Раптор работает на жидком метане и жидком кислороде, используя эффективную схему с полнопоточным закрытым циклом с дожиганием предварительно газифицированных окислительного и топливного компонентов вместо открытого цикла, ранее использовавшегося на двигателях Merlin. Закрытый цикл использовался на главных двигателях Шаттла (SSME) и в нескольких российских ракетных двигателях (РД-180), однако полнопоточный закрытый цикл до настоящего времени оставался для ракетно-космической отрасли недостижимым “граалем”, оставаясь уделом тестовых демонстраторов практически полувековой давности (РД-270) или закрытыми частными разработками с неизвестным исходом.
Подобная замкнутая схема с полной газификацией компонентов, помимо общего увеличения удельного импульса жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), также положительно сказывается на его общей надёжности, устраняя потенциальные точки отказа, имеющие место в ЖРД с частичной газификацией компонентов топлива.
В августе 2016 года двигатель Raptor, изготовленный в лабораториях SpaceX в Хоторне, штат Калифорния, был перевезен в городок МакГрегор, штат Техас, где 25 сентября 2016 года были проведены успешные стендовые испытания Раптора.
Планируется также разработка вакуумной версии Раптора с удельным импульсом в 382 секунды, использующей сопло большего размера, чем у атмосферной версии – чтобы увеличить степень расширения сгоревших газов.
Двигатель Raptor в “марсианской” презентации SpaceX
Компанию SpaceX в 2002 году создал Илон Маск, ранее прославившийся как создатель платежной системы Paypal. В 2012 году Илон Маск анонсировал свое намерение покорить Марс, используя метан в ракетах с астронавтами на борту:
“Мы переходим на метан. Его стоимость как энергоносителя минимальная и у него есть небольшое преимущество над керосином в плане удельного импульса (Isp). И метан не является такой занозой в заднице, как водород”.
У водорода есть трудности с его хранением и транспортировкой, также есть проблема водородной хрупкости. А если в качестве топлива использовать метан, то такие двигатели можно эксплуатировать и на Марсе, т.к. метан можно получить из марсианской атмосферы. Метан также лучшее топливо для двигателей многократного использования, т.к. он не коксуется, не образует углеродных отложений, то чем грешит керосин, хотя это и не главная причина, почему Маск выбрал метан.
Государственный космический научно-производственный центр им. Хруничева уже разрабатывает двигатели на смеси кислорода и метана для криогенных обратноходовых ракетоносителей, Маск заявил, что не ищет путей сотрудничества с российскими ракетостроителями, несмотря на их лидерство в этой технологии, однако заметил, что “нам следует нанять нескольких из них”.
Запуск компанией SpaceX спутника JC SAT 16 на ракете Falcon 9 в августе 2016
Источник:
http://ru.wikipedia.org
http://spacex.com
http://seradata.com
Смотрите также
Метановые автомобили — ближайшее будущее? — журнал За рулем
С развитием технологий и появлением новых современных двигателей тема газомоторного топлива становится все актуальнее. Однако полного понимания того, что дает использование метана в автомобиле, до сих пор нет. Попробуем разобраться в теории вопроса и понять, какими реальными преимуществами обладает этот вид топлива.
no copyright
В качестве моторного топлива используют два вида газа — пропан-бутан и метан. Пропан-бутан — это сжиженный углеводородный газ. Метан — это чистый природный газ, хорошо знакомый нам в быту. Метан попадает на заправки через газораспределительную систему и в баллоне находится в сжатом состоянии.
Пропан-бутан и метан отличаются друг от друга не только по физическим и химическим свойствам, но и эксплуатационным характеристикам. В последние десять лет мировой парк автомобилей на метане растет гораздо быстрее парка машин на пропане. Метан дешевле, безопаснее и удобнее в применении, поэтому он становится все более привлекательной альтернативой не только пропану, но и бензину и дизельному топливу.
В мае этого года Правительство России поддержало мировой тренд: вышло распоряжение о переводе на метан половины общественного транспорта в крупных городах. Для выполнения этого плана по всей стране будет создана сеть АГНКС — станций для заправки автомобилей природным газом. Переход транспорта на метан приобретает массовый характер. Предлагаем разобраться в основных особенностях и выгодах использования метана в качестве моторного топлива.
Метан — это безопасно
Существует миф, что природный газ якобы «взрывоопасен». На самом деле его безопасность подтверждена давно и многократно. Метан официально имеет наивысший класс безопасности среди горючих веществ. Это означает, что он воспламеняется гораздо тяжелее, чем бензин или пропан.
Современные баллоны для метана производят таким образом, чтобы емкости могли выдерживать удары любой силы без повреждений. Даже в случае ДТП или пожара баллоны, наполненные метаном, не взрываются. Газ стравливается через специальные вставки, которыми оснащены емкости. Метан легче воздуха, поэтому не успевает осесть и образовать взрывоопасную концентрацию. Именно поэтому во многих странах разрешено строить АГНКС в жилых кварталах.
— Природный газ — наиболее безопасный вид топлива. Баллоны для метана обладают высокой надежностью и многократным запасом прочности, — поясняет начальник отдела по работе с производителями газоиспользующей и газозаправочной техники управления развития ООО «Газпром газомоторное топливо» Дмитрий Самсонов. — Это подтверждено различными испытаниями: на устойчивость к разрушению при падении с высоты, воздействием экстремальных температур, кислоты и т.д. Если оценить статистику взрывов и пожаров на обычном транспорте и сопоставить эти показатели с данными по метановым автомобилям — преимущество метана станет очевидным.
Автомобиль на метане мощнее
15–20 лет назад, в эпоху автомобилей с карбюраторными двигателями, транспорт на газе действительно терял в мощности, но эти времена давно в прошлом. Для современных двигателей с электронным зажиганием метан является идеальным топливом. Он легко перемешивается с воздухом в камере сгорания и обеспечивает оптимальное распределение смеси воздуха и топлива. Метан обладает высокими антидетонационными свойствами. Это позволяет применять высокую степень сжатия (12:1) и значительно повышать мощность двигателя.
no copyright 2
Ведущие автопроизводители: Volkswagen, Volvo, Opel, Audi и многие другие, уже наладили массовый выпуск метановых автомобилей. Эти модели ни в чем не уступают бензиновым аналогам. Стараются не отставать от прогрессивных тенденций и российские производители. АВТОВАЗ выпустил газовый легковой автомобиль Lada Priora и уже представил проект двухтопливной Lada Granta.
Метан гарантирует долговечность двигателю
Слухам о том, что газ портит двигатель, метан обязан пропан-бутану. Состав этой смеси непостоянен, поэтому существует риск заправить автомобиль некачественным газом или топливом, не соответствующим сезону. В случае с метаном, состав которого однороден, это невозможно. Это чистое топливо, которое не подвергается никакой обработке, кроме очистки, осушки и сжатия в компрессоре.
Volkswagen Passat Variant EcoFuel
Доказано, что использование метана в качестве моторного топлива позволяет увеличить срок службы двигателя в 1,5–2 раза. Во-первых, при работе двигателя не возникает детонации в цилиндрах, что снижает нагрузку на элементы и узлы цилиндро-поршневой группы. Во-вторых, при использовании метана масляная пленка с цилиндров не смывается, как в случае с бензином или дизелем, что обеспечивает оптимальный режим работы и смазки двигателя, значительно снижая его износ.
Сегодня метан остается наиболее современным, экологичным и безопасным видом топлива. Очевидно, что с увеличением количества метановых заправочных станций его популярность будет быстро расти. Уже сегодня эксперты автомобильного рынка с нетерпением ждут, когда мировые автопроизводители в массовом порядке начнут поставки метановых автомобилей на российский рынок.
Метановые автомобили — ближайшее будущее?С развитием технологий и появлением новых современных двигателей тема газомоторного топлива становится все актуальнее. Однако полного понимания того, что дает использование метана в автомобиле, до сих пор нет. Попробуем разобраться в теории вопроса и понять, какими реальными преимуществами обладает этот вид топлива.
Метановые автомобили — ближайшее будущее?В Роскосмосе заявили о разработке кислородно-метанового ракетного двигателя
Воронежское «Конструкторское бюро химавтоматики» (КБХА, входит в интегрированную структуру НПО Энергомаш, РОСКОСМОС) завершило разработку технического предложения и эскизного проекта на опытный образец кислородно-метанового ракетного двигателя тягой 85 тонн. Также предприятие начало работы по подготовке опытного производства для изготовления узлов и агрегатов нового двигателя. сообщается на сайте «Роскосмоса»
Разработка ведется в целях создания и отработки технологии использования метана в качестве компонента топлива в перспективных жидкостных ракетных двигателях (ЖРД). Среди других задач, решаемых в рамках этого проекта — создание опытного образца системы аварийной защиты двигателя и отработка передовых методов проектирования на основе современных цифровых технологий. Кроме того, специалисты КБХА прорабатывают вопросы оптимизации параметров перспективных «метановых» ЖРД с учетом требований по минимизации стоимости производства и эксплуатации.
Также на первом этапе работ состоялись испытания экспериментального кислородно-метанового двигателя тягой 40 тонн. К настоящему времени специалисты КБХА завершили разборку и дефектацию этого двигателя и анализ результатов испытаний. Полученная информация будет использована в дальнейших работах над двигателем тягой 85 тонн.
В КБХА заявили, что следующий этап предусматривает выпуск конструкторской документации на двигатель тягой 85 тонн, а также продолжение подготовки производства и изготовление энергетических установок для отработки отдельных систем двигателя.
Метан (природный газ) рассматривается как один из перспективных видов горючего для ракетной техники. Метан обладает широкой сырьевой базой и низкой стоимостью по сравнению с керосином. Как по плотности, так и по эффективности природный газ находится между керосином и водородом. Удельный импульс у двигателя на метане высокий, но это преимущество нивелируется тем, что у природного газа меньшая плотность, поэтому в сумме получается незначительное энергетическое преимущество. Однако с конструкционной точки зрения метан привлекателен. Благодаря своим качествам метановое топливо более приемлемо для применения в двигателях многоразовых космических летательных аппаратов.
— отметили в КБХА Разработка двигателя на жидком кислороде / метане— Бен Манро
Чтобы удовлетворить требованиям этого проекта, воспламенитель должен быть одновременно надежным, простым и дешевым, подходящим для полноразмерной камеры тяги, но легко адаптируемым для установки на небольших -масштабные камеры. Принимая во внимание эти требования, был сделан выбор в пользу создания запального устройства. Обратите внимание, что многие современные перезапускаемые ракетные двигатели используют либо воспламенитель факела, либо воспламенитель гиперголика.
Основная работа запальных горелок — это сжигание двухкомпонентной топливной смеси, получаемой из основных топливных баков или из отдельной системы подачи.Здесь газообразный метан и кислород при температуре окружающей среды вводятся в камеру сгорания горелки через два отверстия и воспламеняются с помощью свечи зажигания. Пламя факела вызвало ожоги при температуре около 3000 К, которые испаряют и воспламеняют топливо основной камеры. Большим преимуществом факельного воспламенителя является предоставление опыта, который будет актуален на протяжении всего проекта (например, проектирование камеры, строительство испытательного стенда, сбор данных и т. Д.), Поскольку факельный воспламенитель в своей основной форме представляет собой небольшой ракетный двигатель. ,
Сложность конструкции воспламенителя заключается в понимании точных требований к зажиганию ракетного двигателя. Когда воспламенитель воспламеняется, он должен обеспечивать достаточную тепловую мощность для воспламенения жидкого кислорода и метана в камере сгорания. Один из подходов к определению требуемой энергии зажигания состоит в вычислении энергии, необходимой для повышения температуры топлива до Tig, температуры самовоспламенения (самовоспламенения) топливной смеси.
Требование минимальной энергии воспламенения
При расчете минимальной энергии воспламенения с использованием метода температуры самовоспламенения обычно не учитывается полный поток топлива в камеру, а скорее часть этого потока (например, поток через внутреннее кольцо инжектора ).В этом случае оценивается 10% от начального расхода. Чтобы найти требуемую энергию, мы рассматриваем изменение энтальпии при повышении температуры топлива. Также необходимо учитывать фазовый переход топлива, поскольку кислород и метан попадают в камеру сгорания в жидкой форме. Таким образом, энтальпия испарения должна быть включена в расчет (Δhvap). У нас есть следующее уравнение для энергии, необходимой для повышения температуры топлива:
.метана | Определение, свойства, использование и факты
Метан , бесцветный газ без запаха, который широко встречается в природе и является продуктом определенной деятельности человека. Метан — простейший член парафинового ряда углеводородов и один из самых сильных парниковых газов. Его химическая формула — CH 4 .
метановый цикл Encyclopdia Britannica, Inc.Британская викторина
Ветер и воздух: факт или вымысел?
Воздух наиболее тяжел на уровне моря.
Химические свойства метана
Метан легче воздуха, его удельный вес составляет 0,554. Он слабо растворяется в воде. Легко горит на воздухе, образуя углекислый газ и водяной пар; пламя бледное, слегка яркое и очень горячее. Точка кипения метана составляет -162 ° C (-259,6 ° F), а точка плавления -182,5 ° C (-296,5 ° F). Метан в целом очень стабилен, но смеси метана и воздуха с содержанием метана от 5 до 14 процентов по объему взрывоопасны.Взрывы таких смесей часто случаются на угольных шахтах и угольных шахтах и являются причиной многих аварий на шахтах.
структура метана Тетраэдрическая структура метана (CH 4 ) объясняется в теории VSEPR (валентная оболочка-электронная пара отталкивания) молекулярной формы, предполагая, что четыре пары связывающих электронов (представленные серыми облаками) ) занимают позиции, минимизирующие их взаимное отталкивание. Encyclopædia Britannica, Inc.Источники метана
В природе метан образуется в результате анаэробного бактериального разложения растительных веществ под водой (где его иногда называют болотным газом или болотным газом).Водно-болотные угодья являются основным естественным источником производимого таким образом метана. Другие важные природные источники метана включают термитов (в результате процессов пищеварения), вулканы, жерла на дне океана и отложения гидрата метана, которые встречаются вдоль окраин континентов и под антарктическими льдами и арктической вечной мерзлотой. Метан также является основным компонентом природного газа, который содержит от 50 до 90 процентов метана (в зависимости от источника) и встречается как компонент горючего газа (горючего газа) вдоль угольных пластов.
химическая структура метана Тетраэдрическая геометрия метана: (A) модель стержня и шарика и (B) диаграмма, показывающая валентные углы и расстояния. (Простые связи обозначают связи в плоскости изображения; клин и пунктир обозначают связи, направленные к зрителю и от него, соответственно.) Encyclopædia Britannica, Inc.Производство и сжигание природного газа и угля являются основными антропогенными факторами. (связанные с человеком) источники метана. Такие виды деятельности, как добыча и переработка природного газа и деструктивная перегонка битуминозного угля при производстве угольного газа и коксового газа, приводят к выбросу значительных количеств метана в атмосферу.Другая деятельность человека, связанная с производством метана, включает сжигание биомассы, животноводство и управление отходами (где бактерии производят метан, разлагая отстой в очистных сооружениях и разлагающиеся вещества на свалках).
Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодняИспользование метана
Метан — важный источник водорода и некоторых органических химикатов. Метан реагирует с паром при высоких температурах с образованием окиси углерода и водорода; последний используется при производстве аммиака для удобрений и взрывчатых веществ.Другие ценные химические вещества, полученные из метана, включают метанол, хлороформ, четыреххлористый углерод и нитрометан. При неполном сгорании метана образуется технический углерод, который широко используется в качестве армирующего агента в резине, используемой для автомобильных шин.
Роль как парниковый газ
Метан, который производится и выбрасывается в атмосферу, поглощается стоками метана, которые включают почву и процесс окисления метана в тропосфере (самый низкий уровень атмосферы).Большая часть метана, производимого естественным путем, компенсируется его поглощением в естественных стоках. Однако антропогенное производство метана может вызвать более быстрое увеличение концентраций метана, чем они компенсируются поглотителями. С 2007 года концентрация метана в атмосфере Земли увеличивалась на 6,8–10 частей на миллиард (ppb) в год. К 2020 году содержание метана в атмосфере достигло 1873,5 частей на миллиард, что примерно в два-три раза выше, чем доиндустриальные уровни, которые колебались на уровне 600-700 частей на миллиард.
Повышенная концентрация метана в атмосфере способствует парниковому эффекту, в результате чего парниковые газы (особенно углекислый газ, метан и водяной пар) поглощают инфракрасное излучение (чистую тепловую энергию) и повторно излучают его на поверхность Земли, потенциально задерживая тепло и производя существенные изменения климата.Повышенное содержание метана в атмосфере также косвенно увеличивает парниковый эффект. Например, при окислении метана гидроксильные радикалы (OH —) удаляют метан, вступая с ним в реакцию с образованием диоксида углерода и водяного пара, а по мере увеличения концентрации атмосферного метана концентрации гидроксильных радикалов уменьшаются, эффективно продлевая время жизни метана в атмосфере. ,
The Editors of Encyclopaedia Britannica Эта статья была недавно отредактирована и обновлена редактором Джоном П. Рафферти.Узнайте больше в этих связанных статьях Britannica:
глобальное потепление: метан
Метан (CH 4 ) — второй по значимости парниковый газ. CH 4 более мощный, чем CO 2 , потому что радиационное воздействие, производимое на одну молекулу, больше.Кроме того, инфракрасное окно менее насыщено в диапазоне длин волн излучения, поглощаемого CH 4 , поэтому больше…
парниковый газ: метан
Метан (CH 4 ) — второй по значимости парниковый газ.CH 4 более мощный, чем CO 2 , потому что радиационное воздействие, производимое на одну молекулу, больше. Кроме того, инфракрасное окно менее насыщено в диапазоне длин волн излучения, поглощаемого CH 4 , поэтому больше…
Климат: Климат и жизнь
… пар, двуокись углерода, окись углерода, метан, озон, двуокись азота, азотная кислота, аммиак и ионы аммония, закись азота, двуокись серы, сероводород, карбонилсульфид, диметилсульфид и сложный набор неметановых углеводородов.Из них…
Метановый взрыв | Управление научной миссии
| | + Присоединиться к списку рассылки4 мая 2007 г .: 16 января 2007 г. ослепительное голубое пламя взорвалось над песками пустыни Мохаве. Во многом это было похоже на обычное испытание ракетного двигателя, но это было другое. В то время как большинство ракет НАСА приводится в действие жидким кислородом и водородом или твердыми химическими веществами, «мы тестировали двигатель на метане», — говорит менеджер проекта Терри Трамел из Центра космических полетов им. Маршалла НАСА (MSFC).
Щелкните изображение, чтобы воспроизвести фильм:
Вверху: Испытательный пуск двигателя LOX / метана тягой 7500 фунтов. Изображение предоставлено: Майк Мэсси / XCOR Aerospace. [Пресс-релиз] [
]Главный двигатель, построенный и запущенный группой подрядчиков НАСА Alliant Techsystems / XCOR Aerospace, все еще находится на ранней стадии разработки и не готов к запуску в космос. Но если технология оправдает себя, такие двигатели на метане в конечном итоге могут стать ключом к исследованию дальнего космоса.
Метан (CH 4 ), основной компонент природного газа, широко распространен за пределами Солнечной системы. Его можно собирать с Марса, Титана, Юпитера и многих других планет и лун. Когда топливо ожидает в пункте назначения, ракете, покидающей Землю, не придется нести такое количество топлива, что снизит стоимость миссии.
Удивительно, но этот горючий газ никогда раньше не приводил в действие космические корабли. Но теперь ученые и инженеры из Маршалла, Исследовательского центра Гленна и Космического центра Джонсона разрабатывают двигатели LOX / метан в качестве варианта на будущее.«В настоящее время предпринимаются некоторые попытки, включая разработку конкурирующего проекта главного двигателя LOX / метана от KT Engineering», — отмечает Трамел.
|
«У метана так много преимуществ, — продолжает Трамел. «Вопрос в том, почему мы не сделали этого раньше?»
Учтите следующее: жидкое водородное топливо, используемое в космических кораблях, должно храниться при температуре -252,9 ° C — всего около 20 градусов выше абсолютного нуля! С другой стороны, жидкий метан можно хранить при гораздо более высокой и удобной температуре -161,6 ° C.Это означает, что топливным бакам для метана не потребуется такая изоляция, что сделает их легче и, следовательно, дешевле в запуске. Резервуары также могут быть меньше, потому что жидкий метан плотнее жидкого водорода, что опять же экономит деньги и вес.
Метан также получает высокие оценки за безопасность человека. Хотя некоторые виды ракетного топлива потенциально токсичны, «метан — это то, что мы называем экологически чистым топливом», — говорит Трамел. «Вам не нужно надевать костюм HAZMAT, чтобы обращаться с ним, как с топливом, используемым на многих космических аппаратах».
Но главная привлекательность метана заключается в том, что он существует или может быть создан во многих мирах, которые НАСА может захотеть когда-нибудь посетить, включая Марс.
Хотя Марс не богат метаном, метан можно получить там с помощью процесса Сабатье: смешайте некоторое количество диоксида углерода (CO 2 ) с водородом (H), затем нагрейте смесь, чтобы получить CH 4 и H 2 0 — метан и вода. Атмосфера Марса является обильным источником углекислого газа, и относительно небольшое количество водорода, необходимое для этого процесса, может быть доставлено с Земли или собрано in situ из марсианского льда.
По мере того, как мы путешествуем дальше по Солнечной системе, добывать метан становится еще проще.На Титане, спутнике Сатурна, идет дождь из жидкого метана. Титан усеян озерами и реками метана и других углеводородов, которые однажды могут служить топливными складами. Представьте себе, что ракета, работающая на метане, может позволить роботу-зонду приземлиться на поверхность Титана, собрать геологические образцы, наполнить резервуары и взлететь, чтобы вернуть эти образцы на Землю. Такая миссия по возврату образцов из внешней Солнечной системы никогда не предпринималась.Вверху: Это радарное изображение в искусственных цветах показывает, что исследователи считают озерами жидкого метана на Титане.Предоставлено: НАСА / ЕКА / Кассини. [Подробнее]
Атмосфера Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна содержит метан, а Плутон имеет замороженный метановый лед на своей поверхности. Новые виды миссий в эти миры могут стать возможными с метановыми ракетами.
Эта первая серия испытательных запусков главного двигателя с тягой 7500 фунтов в пустыне была успешной, но еще остаются проблемы, прежде чем метановые ракеты будут готовы к использованию в реальной миссии. «Один из больших вопросов, связанных с метаном, — это его способность воспламеняться», — говорит Трамел.Некоторые виды ракетного топлива самовоспламеняются при смешивании с окислителем, но для метана требуется источник воспламенения. Источники воспламенения могут быть трудными во внешней части Солнечной системы, где планетарные температуры падают до сотен градусов ниже нуля. Трамел и ее коллеги из Маршалла и Гленна в настоящее время работают над тем, чтобы обеспечить надежное зажигание ракеты в любых условиях.
Такие проблемы можно будет преодолеть благодаря постоянным усилиям НАСА, говорит Трамел, и она полагает, что метановые двигатели LOX будут использоваться в ракетах будущего.Голубое пламя в пустыне было прекрасным первым шагом.
Автор: Патрик Бэрри | Главный редактор: доктор Тони Филлипс | Предоставлено: Science @ NASA
.| Дополнительная информация |
Будущее НАСА: видение космических исследований |
Продажа генератора на метановом газе
газовый генератор на метане на продажу
С двигателем и генератором известного бренда
Высококачественный контроллер
Электрическая система управления скоростью и зажигания
30GFT Газогенератор на метане | |||
Конструкция | встроенный | ||
Метод возбуждения | AVR Мощность 0 (кВА / кВт) | 37.5/30 | |
Номинальный ток (A) | 54 | ||
Номинальное напряжение (В) | 400/230 | ||
Номинальная частота (Гц) | 50 | ||
Номинальный коэффициент мощности | 0,8 LAG | ||
Габаритные размеры (Д x Ш x В) (мм) | 1650X720X1300 | ||
Вес нетто кг) | 680 | ||
Газовый двигатель | Модель | NQ35D3.6 | |
Тип | 4-тактный рядный, электрическое управление зажиганием, предварительно смешанное стехиометрическое горение | ||
Номер цилиндра | 4 | ||
Ход поршня x мм | 98×100 | ||
Общий рабочий объем (л) | 3,5 | ||
Номинальная мощность (кВт) | 36 | ||
Номинальная скорость (об / мин) | 1500 | ||
Тип топлива | Природный газ | ||
Панель управления | NPT Brand10 KZY | ЖК-дисплей | Цепной выключатель | ATS |
Модуль управления | 9002 9|||
Рабочий язык | Английский | ||
Генератор | Модель | XN184H | |
82 MB | Германия | ||
Вал | Один подшипник | ||
Номинальная мощность (кВт) | 30 | ||
Номинальная мощность (кВА) | 37.5 | ||
Защита корпуса | IP23 | ||
КПД (%) | 86,6 | ||
У нас есть партии по газовый генератор на метане 9000 генератора на метановом газе имеет хорошее качество и хорошую цену, добро пожаловать на запрос нашего газового генератора , спасибо!
,