Чтобы вывести на орбиту полезную нагрузку, преодолев земное притяжение, нужно развить очень большую тягу. А для этого нужно очень много топлива, а также сложные схемы двигателей, построенных из материалов, способных выдержать высокие температуры. Поэтому космические запуски стоят очень-очень дорого, что фактически закрывает путь для освоения и земной орбиты, и Луны, и других планет. Строительство масштабных объектов, будь то космическая станция или поселение на другом небесном теле, потребует доставки с Земли сотен тысяч тонн грузов. По нынешним временам стоимость такой операции выйдет астрономическая.
Поэтому инженеры пытаются сократить затраты на доставку в космос грузов. Один из путей — создание многоразовых ракет, и в этом уже преуспела, например, SpaceX. Другой — поиск нового топлива, которое будет дешевле существующего. И здесь наиболее перспективным считается метан.
Ключ на старт
Текущие виды топлива и материалы для постройки ракет позволяют достичь соотношения стартовой массы и массы, выведенной на орбиту, не превышающее 24:1. Из-за этого вес носителя на момент запуска может достигать сотен или даже тысяч тонн. Для отрыва такой массы от стартовой площадки необходима мощная реактивная тяга двигателей. Следовательно, ключевым требованием к топливу первой ступени ракеты является способность генерировать значительную тягу при приемлемых размерах двигателя и запасах топлива.
Тяга напрямую связана с удельным импульсом и расходом топлива, поэтому для выведения полезной нагрузки на орбиту потребуется меньше топлива, если его удельный импульс высок. Удельный импульс в свою очередь обратно пропорционален молекулярному весу продуктов сгорания, что указывает на низкую плотность эффективного топлива и, следовательно, на большой объем и вес двигательной и топливной системы.
Поэтому при выборе топлива стремятся найти баланс между весом самой конструкции и весом используемого топлива. С одной стороны, есть топливная пара жидкий водород + жидкий кислород, обладающая высоким удельным импульсом и низкой плотностью. С другой стороны — твердое топливо на основе перхлората аммония, характеризующееся низким удельным импульсом, но высокой плотностью.
Кроме энергетического потенциала топлива, также принимаются во внимание и другие аспекты. Нестабильность процесса горения может вызывать сбои или взрывы двигателей. Высокие температуры горения и характеристики продуктов сгорания ставят перед конструкторами сложные задачи и требует разработки особых материалов и технологий.
Холодное хорошо горит
Топлива на основе криогенных компонентов (то есть таких, которые должны находится при температуре не выше –150 градусов) добавляют вес ракете из-за необходимости использования теплоизоляции, ограничивают выбор материалов для конструкции, требуя хладостойкие варианты, и усложняют процесс проектирования и тестирования.
В начале космической эры в связи с этим стали широко использоваться топлива, где хотя бы один из компонентов не был криогенным. Примерами таких топлив являются керосин + жидкий кислород и так называемые «вонючие» топлива, где в качестве горючего использовали гидразин и его производные, а в качестве окислителя — тетраоксид азота или азотную кислоту. Благодаря своим приемлемым характеристикам, эти топлива все еще активно используются.
Почему метан?
Во-первых, использование метана значительно снижает стоимость топлива. Ракеты используют сжиженный газ, который производится из природного газа. После добычи из скважины он содержит различные примеси, однако газ легко очищают от них на газоперерабатывающих заводах, обрабатывая сотни миллиардов кубометров.
Во-вторых, двигатель, использующий сжиженные газы в качестве топлива и окислителя, оказывается более простым и надежным по сравнению с традиционным «керосиновым». Для выталкивания керосина из бака необходима дополнительная емкость с сжатым азотом и система его подачи в топливный бак. В случае со сжиженным газом, он сам выталкивает себя. Достаточно лишь немного подогреть (учитывая, что СПГ охлажден до –160 градусов), и он начинает частично превращаться в газ. В баке образуется избыточное давление, и сжиженный газ самостоятельно подается к турбонасосу.
Перед вводом в камеру сгорания керосин должен быть испарен и преобразован в газообразное состояние. Однако даже после нагрева в специально разработанной системе, которая проходит снаружи горячего сопла и камеры сгорания двигателя, керосин не испаряется полностью. Часть его распыляется в форсунке камеры сгорания, что приводит к сложному и трудно управляемому процессу сгорания смеси пара и мелких капель керосина. В отличие от этого сжиженный метан и сжиженный кислород превращаются в газы, которые равномерно смешиваются в любых пропорциях, делая процесс сгорания газовой смеси более простым и предсказуемым.
В-третьих, метановый двигатель обладает регулируемостью. Контроль над ним можно осуществлять через дросселирование, то есть ограничение подачи топлива и окислителя с помощью специальной заслонки. Кроме того, можно регулировать соотношение метана и кислорода, создавая смеси с различными характеристиками. Это также можно проделать с помощью управляемых клапанов на основных трубопроводах подачи.
Регулирование означает способность доставить полезную нагрузку — спутник или космический корабль — без использования разгонного блока. Разгонный блок — это дополнительная ступень ракеты, оснащенная запасом топлива, маршевыми двигателями и двигателями для ориентации, которая отвечает за доставку полезной нагрузки на нужную орбиту, выполняя все необходимые маневры.
Использование сжиженного метана в качестве топлива значительно упрощает структуру ракеты, исключая множество громоздких и тяжелых систем, которые ранее уменьшали полезную нагрузку «керосиновых» ракет.
Наконец, кислород и метан присутствуют в космосе и на многих небесных телах. Это означает, что ракету можно заправить для возвращения или продолжения полета. В то же время, нефть, из которой можно было бы получить керосин, вряд ли найдется на планетах, лунах и астероидах. Поэтому метановые ракеты — лучший вариант для освоения других небесных тел, если мы хотим вернуть первых исследований обратно на Землю.
Первая ракета, работающая на метановом топливе, «Чжуцюэ-2» уже успешно вывела тестовый грузна орбиту. Аналогичные технологии разрабатывает SpaceX для двигателей Raptor, которые устанавливаются на Starship, и Blue Origin для своих BE-4. Если все пройдет успешно, то стоимость выведения полезной нагрузки на орбиту снизится в разы. А значит, космос станет еще чуточку ближе.