Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Перед миром ракетостроения стоят не лёгкие задачи, которые требуют современных решений. Существующие ракеты-носители по тем или иным причинам не удовлетворяют современным требованиям экономичности и экологичности. Необходимо снизить издержки и повысить природную сохранность космических сервисов. Таким образом, существует необходимость разработки современных ракеты-носителей, особенностью которого является использование жидкостных ракетных двигателей на экологически чистых видах топлива, к которым можно отнести сжиженный природный газ, содержащий метан 90...98 %. Эта горючая смесь в сочетании с жидким кислородом позволяет создать новые высокоэффективные и недорогие двигатели, максимально используя уже существующие элементы конструктора, материала, технологии и производства [1].
Водородное топливо является самым экологически чистым и эффективным горючим. В ракетно-космических комплексах он применяется в паре с жидким кислородом. По теплопроизводительности он почти в 2,5 раза эффективнее СПГ. Однако в чистом виде водород в природе не существует и должен извлекаться из других соединений при помощи разнообразных химических методов. Получение водорода, в промышленных объемах, производится с использованием различного сырья, затем водород очищают от примесей, осушают и ожижают. Этот процесс весьма энергоемкий, требующий технологически сложного оборудования [2].
На развитие и изучение космического пространства влияет успешное выведение космических аппаратов, которое в свою очередь сдерживается высокой стоимостью. Внедрение сжиженного природного газа (СПГ) в ракетно-космическую технику поможет серьезно улучшить ситуацию. Во-первых: создание топливной пары жидкий кислород — СПГ обеспечивает возможность разработки высокоэффективного жидкостно-реактивного двигателя (ЖРД); во-вторых: создание двигателей для многоразового использования с минимальным циклом послеполетного обслуживания; в-третьих: существенное снижение затрат на разработку двигательной установки и носителя по сравнению с использованием топливной пары кислород — водород [1].
Основными преимуществами использования в качестве топлива СПГ является его физические характеристики: не ядовит, при его сгорании образуются в воздухе — водяной пар и углекислый газ. По сравнению с керосином, широко применяемым в ракетных технологиях, проливы СПГ быстро испаряются, не причиняя никакого вреда окружающей среде, и делают его неоспоримым лидером среди топлив. Температура возгорания природного газа в воздухе и его нижняя концентрация взрывоопасных веществ выше керосина и водорода, поэтому, по сравнению с другими углеводородными горючими, он менее взрывоопасен [3].
Плотность СПГ в 6 раз выше жидкого водорода, но в 2 раза ниже керосина. Меньшая плотность приводит к соответствующим увеличению размера СПГ бака в сравнении с керосиновым баком. Однако при более высоком соотношении расходов на окисление и горение составляет около 3,5 к 1 для жидкого кислорода ЖК + СПГ и 2,7 к 1 для жидкого кислорода + керосина, общий объём заправляемого жидкого кислорода + СПГ увеличивается лишь на 20 %. В зависимости от эффекта гидроизоляции материала и возможности объединения шлангов ЖК и СПГ топливные емкости будут относительно маленькими. И, наконец, уже давно освоено производство СПГ и его транспортировка [3]. При этом метановая ступень при любом раскладе будет дороже, так как использует криогенные компоненты и иметь больший объем баков, так как метан имеет меньшую плотность нежели керосин. Кроме того, применение метана усложняет требования к хранению и транспортировке топлива. Однако метан — наиболее перспективное топливо для многоразовых носителей, он оставляет в камере горения куда меньше сажи чем керосин, что особенно важно для многоразового применения [4].
Существенного различия между ракетными двигателями на керосине и на СПГ нет. Керосиновые ракетные двигателимогут быть переоборудованы в двигатели для работы на метане. При этом улучшится удельный импульс. Но из-за того что плотность СПГ (0,41 кг/л) ниже, чем у керосина (0,8 кг/л), необходимо увеличивать размер бака для топлива. По итогу СПГ более эффективное, но менее плотное ракетноегорючее. Другим преимуществом метана является возможность использования газообразного метана для наддува хранящегося в баке горючего жидкого метана — эта схема дешевле, чем применяемый наддув гелием. Близость температур кипения жидкого метана и кислорода 109К и 77К помогает в организации оптимального хранения топлива [2].
Еще одно преимущество СПГ состоит в том, что его, как и кислород, возможно добывать на многих планетах солнечной системы, т. е. при полете ракеты работающей на СПГ на другие планеты, топливо можно брать только в один конец, а для возврата на Землю использовать уже добытый СПГ (конечно, при наличии соответствующего оборудования, которое должно быть доставлено туда заблаговременно). Это снижает в несколько раз массу космического аппарата [6].
Применение СПГ вместо керосина рассматривалось еще в 70-е годы прошлого века, но было принято решение, что особых преимуществ у СПГ перед используемыми уже топливами нет. Однако в начале 2000-х годов ситуация кардинально изменилась в связи с принятым решением проектировать многоразовые ракеты [5].
В настоящее время специалисты ракетостроения завершают производство новой партии для тестирования на максимально возможное количество ресурсов в зависимости от времени и количества включенных. Он должен быть прототипом настоящего двигателя с компонентами топлива ЖК + СПГ, который сможет выдать новую мощность верхних ступеней ракетных носителей, вдохнуть жизнь многоразовым транспортным системам. Характеристики новой ракеты таковы: стартовая масса 360 т, масса выводимой нагрузки — 12 т в одноразовом варианте и 10,5 т в случае реализации многоразового варианта. На базе метановой ракеты можно создать более тяжелую версию, способную выводить на орбиту полезную нагрузку массой до 17 т [6].
В области развития ракетных двигателей стоит еще много нерешенных задач. Совершенствование методов оценки экологичных топлив позволит решить практические задачи создания и запуска ракет. С помощью таких ракет космос будет доступен не только ученым и исследователям, но и, возможно, просто путешественникам.
