Перспективное горючее

И.Афанасьев, Д.Воронцов
Журнал «Аэрокосмическое обозрение» №5, 2014

 

Домохозяйке, включающей газовую плиту, вряд ли приходит в голову мысль о том, что в конфорках вспыхивает… перспективное горючее для ракет и космических кораблей. Тем не менее, это так: природный газ рассматривается как один из компонентов ракетного топлива и будущая замена ныне используемому керосину. Впервые в такой роли его оценивали еще до начала космической эры, а последние четверть века прикладные исследования в этом направлении шли активно и целенаправленно. Однако пока дальше экспериментов дело не пошло. Почему?

 

Экологически чистый компонент

 

Итак… Природный газ на 90% и более состоит из метана (из-за чего зачастую их просто отождествляют). В оставшуюся долю входят этан, пропан, бутан, другие углеводороды и азот. Он образуется естественным путем в ходе разложения органики без присутствия кислорода и залегает в недрах в виде отдельных скоплений (газовых залежей), газовой шапки нефтегазовых месторождений или в растворённом состоянии в нефти или воде.

При нормальном атмосферном давлении – это газ без цвета и запаха, в сжиженном состоянии – легкая прозрачная жидкость, по плотности вдвое меньше воды, не токсичная, но очень холодная – кипит при температуре примерно минус 160 градусов по Цельсию. В промышленных масштабах получают путем ступенчатого сжатия природного газа с последующим охлаждением. При этом газ уменьшается в объёме примерно в 600 раз и превращается в жидкость.

Процесс сжижения требует значительного расхода энергии, но, не смотря на это, цена сжиженного природного газа (СПГ) составляет примерно полдоллара за килограмм, тогда как цена за «кило» авиационного керосина приходится платить двое больше: затраты на перегонку нефти гораздо выше, чем на ожижение природного газа.

Низкая стоимость – не единственное и не первое достоинство СПГ при использовании в качестве компонента ракетного топлива. С развитием техники появляются все новые и новые типы двигателей (например, ядерные, плазменные или ионных), но широкое распространение доныне имеют лишь те, что работают на химическом топливе, состоящем, как правило, из двух компонентов – окислителя и горючего. Если топливо жидкое, то его компоненты в соответствующем состоянии хранятся в разных баках и при смешивании в камере сгорания двигателя сгорают, образуя горячие газы, истекающие из специально спрофилированного сопла и создающие тягу. Топливо в камеру нагнетается либо турбонасосами, либо вытесняется из баков давлением сжатых газов. Один из компонентов, как правило, еще и охлаждает камеру и сопло двигателя.

Лет тридцать-сорок тому назад особого внимания на метан никто не обращал: «ну, есть он и есть, керосин как-то привычнее». Считалось, что в случае необходимости никаких особых проблем с освоением метана не будет, но и выигрыш в энергетике по сравнению с керосином невелик. А энергетические характеристики двигателей в те времена были на первом месте: проектанты знали, что лозунг «быстрее, выше, дальше» – не пустой звук. Поэтому для увеличения параметров ракеты старались сразу же перейти на компоненты с исключительно высокой энергетикой: из горючих на первом месте был водород, из окислителей – фтор и какая-нибудь другая ядовитая дрянь, типа пентафторида хлора… Об экологии тогда старались не думать, поскольку главным было выполнение задачи любой ценой.

Но время шло, и ранее не замечаемые достоинства метана вышли на передний план.

Во-первых, к концу XX века промышленность освоила получение СПГ в любых необходимых количествах, благодаря чему это горючее стало обходиться дешевле керосина. В настоящее только Россия ежегодно выдает «на гора» около десяти миллионов тонн СПГ, а то время как ракетный керосин, производимый далеко не из любых сортов нефти, постепенно становится дорогим дефицитом. Ведь это не простая «соляра» – к горючему предъявляются жесткие требования к стабильности состава и характеристик. А добиться этого, учитывая, что керосин – смесь веществ, довольно непросто.

Во-вторых, вопросы энергетики ракетных топлив, хотя и остались главными, во многом были нивелированы требованиями, которых двадцать лет назад никто и не замечал: удобством использования, дешевизной и экологической чистотой. В последнем случае выяснилось, что и сам керосин, и продукты его сгорания «экологически чисты» лишь в первом приближении, а современные более энергоемкие синтетические заменители зачастую вообще токсичны. Метан гораздо более «экологически дружелюбен» сам по себе, при работе выхлоп двигателя на СПГ практически не содержит олефиновых углеводородов, которые под действием солнечного света соединяются с окислами азота и образуют наиболее неприятную по запаху и вредную для здоровья часть выхлопных газов. А при полном сгорании в кислороде СПГ оставляет после себя лишь углекислый газ и водяной пар, при проливе горючее быстро испаряется (напомним – это криогенная жидкость), тогда как лужа керосина не только портит пейзаж, но и надолго впитывается в почву.

В-третьих, интересными оказались и чисто «ракетные» качества СПГ, такие как химические свойства. Молекулярная масса метана существенно меньше, чем у керосина, а относительное содержание водорода в нем выше. По энергетическим характеристикам он вообще занимает промежуточное положение между керосином и водородом: при сжигании СПГ выделяется на 15% больше тепла в расчете на 1 кг веса горючего, и при идентичном типе двигателя и том же тепловом кпд, используя сжиженный метан, можно уменьшить удельный расход топлива. Отсюда метановые двигатели чуть-чуть экономичнее керосиновых. Кроме того, метан может с большим коэффициентом полезного действия крутить турбонасос, нагнетающий компоненты топлива в ракетный двигатель. К тому же, температура его сгорания в жидком кислороде ниже, чем у керосина, а сам метан начинает разлагаться с выделением углерода – банальной «сажи», забивающей узкие полости – при более высокой температуре, чем керосин. А по способности поглощать тепло, выделяемое работающим двигателем, метан стоит на ступеньку выше (в шесть раз лучше!) керосина и ближе к водороду – самому лучшему охладителю из всех известных. Отсюда метановый двигатель проще охлаждать.

Обладая столь выдающимися свойствами, метан «развязывает» руки современным проектантам. В принципе он позволяет выбрать для каждого средства выведения в космос оптимальную схему с более высокими характеристиками, чем при использовании керосина. В частности, свойства метана позволяют существенно повысить надежность и долговечность многоразовых ракетных двигателей: такой «движок», работающий на жидком кислороде и СПГ, не надо тщательно очищать после каждого полета – остатки компонентов испарятся сами собой, да и сам ресурс изделия (при совокупности описанных выше факторов) оказывается выше, чем у керосинового.

Итак, метан (или СПГ – по сути эти два понятия почти синонимы) – доступное, недорогое горючее, позволяющее создавать эффективные экологически чистые ракетные системы. Это его плюсы, которые уже оценены специалистами. Однако метан имеет и недостатки, которые, как известно, являются продолжение достоинств.

Поскольку сжиженный газ – криогенная жидкость, для его хранения надо принимать специальные меры по предотвращению выкипания. Для этого емкости для хранения СПГ (а также трубопроводы и всю запорно-контролирующую арматуру) обкладывают мощной теплоизоляцией. В смеси с воздухом метан взрывоопасен – кто из нас в сводках новостей не слышал о нередких случаях бытовых взрывов? Плотность жидкого метана, конечно вшестеро выше, чем у водорода, но вдвое ниже, чем у керосина. Это значит, что баки ракеты, заправляемые метановым горючим, будут больше и тяжелее керосиновых. Есть и некоторые особенности с зажиганием метана в камере ракетного двигателя. На этом, пожалуй, перечень недостатков метана исчерпывается. Да и с ними конструкторы научились бороться.

Например, утечки СПГ опасны лишь в замкнутых помещениях. На открытом воздухе газ быстро улетучивается. Соблюдая довольно несложные меры безопасности, можно значительно снизить риск взрыва. Даже низкую температуру жидкого метана можно обратить в плюс – при криогенных температурах алюминиевые сплавы упрочняются, и топливные баки можно сделать несколько легче. А небольшая разница в температурах жидких метана и кислорода позволяет упростить конструкцию ракеты.

С учетом других достоинств вывод очевиден: надо как можно скорее внедрять СПГ в ракетно-космическую технику!

 

Переходя от слов к делу

 

Осознав преимущества и выяснив пути нейтрализации недостатков использования метана, инженеры и ученые из разных стран приступили к созданию ракетных двигателей, работающих на этом компоненте. Теоретические и экспериментальные исследования к настоящему моменту вылились в разработки разного масштаба в России, Соединенных Штатах, Европе, Японии и Южной Корее.

У нас метановыми двигателями начали вплотную заниматься примерно четверть века назад. Первый прототип изделия, потребляющего СПГ, был испытан на стенде в самом конце 1990-х годов. Поначалу двигатель работал всего по двадцать секунд, но позволил получить обнадеживающие результаты. В мае 2007 года длительность работы превысила минуту, спустя три года достигла двадцати минут, а еще через год – рекордных трех четвертей часа! На данный момент – это наивысшее достижение непрерывного функционирования мощного двигателя, не использующего при работе жидкий водород. Не без гордости признаем, что лидерство и ряд приоритетов в данном направлении принадлежат нашей стране.

Успешные стендовые испытания метановых двигателей-демонстраторов позволили приступить к проектированию полноразмерных изделий. Сейчас в России ведется работа над двигателями большой (в две-три сотни тонн) тяги, которые считаются оптимальным выбором для установки на нижние ступени перспективных многоразовых ракетно-космических систем.

В середине 1980-х годов, когда американские аэрокосмические фирмы прорабатывали концепцию перспективной многоразовой транспортной системы второго поколения, они тоже оценивали СПГ. Предполагалось, что применение этого компонента ракетного топлива позволит существенно повысить энергетику и улучшить эксплуатационные характеристики системы. Но тогда этот шаг посчитали слишком смелым: от своих двигателей на углеводородном топливе Национальное агентство аэрокосмических исследований NASA на тот момент отказалось, предпочтя закупки готовых российских двигателей РД-180, но, увы – для одноразовых ракет-носителей Atlas-5. К работам по метану вернулись гораздо позднее, в первую очередь, применительно к межпланетным миссиям, например, в современных программах пилотируемых полетов на Луну и Марс.

Исследования планет Солнечной системы показали, что метан можно найти (или добыть) практически повсюду – на Марсе, Титане, Юпитере, многих других планетах и спутниках. В соответствии с этой концепцией ракетам будущего, покидающим Землю, не придется нести с собой весь необходимый запас топлива – «подзаправиться» можно будет и по прибытии.

«Разработку таких двигателей спонсирует программа развития технологий NASA. Результаты показывают, насколько важным может быть поиск новых технологий для будущих научных космических миссий – говорит Марк Клем, управляющий из Исследовательского центра имени Гленна. – У метана много преимуществ. Вопрос в том, почему мы до сих пор до этого не додумывались?»

Наиболее энергетически выгодное ракетное горючее – жидкий водород – должно храниться при температуре -253 градусов Цельсия – всего лишь на 20 градусов выше абсолютного нуля! Жидкий метан, в свою очередь, требует для хранения не столь потрясающих температур – всего -162 градуса Цельсия. Это значит, что топливным бакам не нужна мощная теплоизоляция, и они могут быть легче и дешевле. Кроме того, размеры баков можно уменьшить – метан плотнее водорода.

Что касается добычи компонентов топлива, что называется, «на месте прилета», то космонавты будущего смогут получать метан прямо из атмосферы Марса или Венеры, содержащей большой процент углекислого газа. В химическом реакторе Сабатье углекислый газ при взаимодействии с водородом (некоторое количество жидкого водорода придется привезти с собой или получить электролизом из воды или льда) в присутствии тепла и катализаторов образуют газообразные метан и воду (водяной пар), которые идут в дальнейшую переработку или на хранение.

В дальних уголках Солнечной системы метана значительно больше. Некоторые планетологи считают, что на спутнике Сатурна Титане в прямом смысле слова идут метановые дожди. Озера и реки из метана и других углеводородов на этой луне могут стать в один прекрасный день заправочными станциями для кораблей землян.

Представьте: ракета с метановым двигателем приземляется на Титане, и пока робот отбирает пробы грунта и воздуха, она заправляется горючим, затем стартует и доставляет на Землю собранные образцы. Без дозаправки «на месте» трудно представить столь далекую вылазку с возвратом на Землю.

В атмосфере Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна также есть метан, а на поверхности Плутона – даже метановый лет. Конечно, сейчас трудно представить ракетную систему, способную совершать полет (а если нужно, и забор атмосферного воздуха для получения компонентов топлива) в атмосфере планет-гигантов, однако очень может быть, что именно с помощью метановых ракетных двигателей миссии к этим пока недосягаемым мирам станут реальностью…

Что касается ближнего будущего, то европейские (прежде всего, итальянские и французские) фирмы также проявляют интерес к СПГ. До недавнего времени изучалась возможность создания многоразового носителя, который должен прийти на смену ныне используемому Ariane-5. В его составе могли быть блоки с кислородно-метановыми двигателями довольно большой тяги, которые предполагалось разработать совместно с российскими партнерами по программе «Волга». Увы, европейцы посчитали такой подход преждевременным, и сместили акцент на развитие того, что у них уже есть: носитель следующего поколения станет у них одноразовым, и будет состоять из комбинации двигателей на твердом и криогенном (кислородно-водородном) топливе. Однако метан не забыт: при технической помощи из России итальянцы проектируют новую верхнюю ступень с небольшим метановым двигателем для современного легкого носителя Vega. По их мнению, это позволит упростить ракету и одновременно повысить ее энергетические возможности.

Некоторых успехов на «метановом направлении» добилась Южная Корея. Ее инженеры спроектировали и испытали небольшой ракетный двигатель на СПГ. Увы, он до сих пор не имеет применения. Японцы сделали примерно то же самое: полностью спроектировали и испытали двигатель для установки на вторую ступень ракеты среднего класса «Galaxy Express». Но проект не нашел места в нынешней структуре сложно построенной ракетно-космической программы Страны восходящего солнца, а перспективный мотор остался не у дел.

В целом надо отметить, что какого-то заметного ажиотажа в отношении применения СПГ на Западе не наблюдается. Объяснение этому довольно банальное – сейчас в нем нет острой необходимости. В Соединенных Штатах, Японии и Европе с успехом используют твердое топливо и жидкий водород. Даже керосин применяют (довольно ограниченно) лишь американцы и собираются использовать китайцы.

На западноевропейском космодроме Куру во Французской Гвиане создана инфраструктура по заправке керосином баков… российских ракет «Союз», которые стартуют с экватора. Ни в перспективных двигателях на СПГ или метане в частности, ни в новых ракетно-космических системах в общем на Западе острой нужды нет. Космическая активность остальных стран – Индии, Ирана, Израиля – слишком низка, чтобы задумываться о замене уже используемого ракетного топлива на что-то новое. Да и ресурсов на такой скачок у них нет.

Для России же СПГ может стать по-настоящему перспективным и востребованным ракетным горючим. Пристальное и длительное внимание, оказываемое российскими ракетчиками метану, на наш взгляд, не случайно. На то есть вполне весомые резоны. Как известно, страна наша – «энергетическая сверхдержава», и метана в ней – «ну, просто, завались». Тогда как с доступностью качественного ракетного керосина, как мы помним, проблемы будут лишь нарастать.

Анализ мировых энергетических проблем показывает, что в ближайшем будущем природный газ способен оттеснить на второй план наиболее популярные ныне энергоносители – нефть и уголь. Как считают аналитики, к 2020 году доля природного газа в общем энергопотреблении достигнет примерно половины. «Нефтяная эпоха» будет заменена «эпохой метана». Если промышленных запасов нефти, по различным прогнозам, хватит еще примерно на двадцать-тридцать лет, то газа – более чем на полстолетия. В настоящее время сектор СПГ является одним из самых динамично развивающихся в энергетической отрасли: мировое потребление его растет на десять процентов в год.

Еще одна причина, не столь явная для добывающих отраслей, но вполне очевидная для ракетчиков: при прочих равных условиях для проектируемых ныне систем метан для нас гораздо перспективнее керосина – это некий «заменитель» жидкого водорода. А на освоение последнего у современной России постоянно не хватает ресурсов и средств. Кто-то считает этот случай отсутствием нормального планирования, а кто-то – просто халатным отношением к работе, однако это факт. Пока все остальные космические державы – даже, с нашей точки зрения, не слишком «продвинутые» – широко и постоянно используют жидкий водород, мы может позволить себе лишь разработку сравнительно небольших верхних ступеней и космических разгонных блоков, отнеся появление готовых к эксплуатации изделий на несколько лет вперед. В данных условиях метан при гораздо меньших затратах позволит в полной мере освоить криогенные технологии, которые затем можно будет относительно просто «транслировать» на жидкий водород. При этом технологическое и инновационное развитие будет ничуть не меньше, чем при «лобовом штурме» самого энергетически емкого компонента ракетного топлива. К слову сказать, самый дешевый способ получения водорода в промышленных масштабах – это тепловая конверсия… все того же метана!

Есть для углеводородной сверхдержавы возможна и другая альтернатива – синтетические углеводороды. Существует точка зрения о том, что не следует разрабатывать ничего нового, надо лишь грамотно использовать задел, созданный тридцать, сорок, а то и пятьдесят лет назад нашими отцами (или даже дедами). Насколько правомерны такие утверждения – сказать сложно, но в их рамках время от времени применительно к существующим ракетным системам звучат такие экзотические названия, как «циклин», «омар» или «боктан». Эти углеводороды обладают энергетикой не хуже метана, однако их производство обходится очень дорого, дороже жидкого водорода. К тому же, как мы уже отмечали, «синтетика» зачастую не дружит с экологией.

Сейчас в нашей стране ведутся работы по применению метана, как в одноразовых ракетах-носителях, так и в системах многократного использования. Первые проекты появились еще в конце XX века, но тогда с «наскока» одолеть метан не получилось, ведь отечественная ракетно-космическая отрасль занималась в первую очередь выживанием. Поэтому все проекты метановых ракет-носителей тех лет так и остались «на бумаге».

Но сейчас в России работы по метановым ракетам продолжаются и даже набирают темп. Летом 2014 г. самарский центр «ЦСКБ-Прогресс» представил на аэрокосмических салонах Le Bopurget и МАКС макет перспективной ракеты-носителя «Союз-5» с метановыми двигателями, которая сможет заменить всю линейку изделий, созданных на базе знаменитой королёвской «семерки», появившейся на свет… более 55 лет назад! По замыслу проектантов, новая ракета будет технологичнее, проще и, вероятно, дешевле своего именитого предшественника. Впрочем, проект находится в самой начальной стадии «бумажного» проектирования. Его еще предстоит его одобрение в вышестоящих структурах, определяющих политику отрасли. В случае положительного решения и при выделении достаточного финансирования первый полет «Союза-5» может состояться где-то в 2020-22 году.

Также ведутся проектные изыскания в области сверхтяжелых носителей, работающих на СПГ, которые смогут отправить экспедиции на Луну или Марс ближе к середине нынешнего века.

 

 


Поделиться в социальных сетях:
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Яндекс
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Мой Мир


При использовании опубликованных здесь материалов с пометкой «предоставлено автором/редакцией» и «специально для "Отваги"», гиперссылка на сайт www.otvaga2004.ru обязательна!


Первый сайт «Отвага» был создан в 2002 году по адресу otvaga.narod.ru, затем через два года он был перенесен на otvaga2004.narod.ru и проработал в этом виде в течение 8 лет. Сейчас, спустя 10 лет с момента основания, сайт переехал с бесплатного хостинга на новый адрес otvaga2004.ru