Метанът като ракетно гориво на бъдещето

1

На 28-ми август множество журналисти и любители наблюдаваха опита на СпейсЕкс за изстрелването на „Стархопър“, прототипа на гигантския космически кораб „Старшип“. Някои от тези зрители присъстваха на самия космически център в Бока Чика, Тексас, където историята се случваше пред очите им. Част от тях осигуряваха излъчвания на живо през интернет, за да може и останалите да се чувстваме съпричастни към събитието. Дали СпейсЕкс щеше да успее? Предният опит за излитане, един ден по-рано, не се увенча с желания резултат – обратното броене достигна до нулата, но двигателят „Раптор“ отказа да се запали.

Този път обаче всичко беше наред.

Три, две, едно, нула… „Стархопър“ бе обгърнат от пламъци, а миг по-късно станахме свидетели как той отлита от стартовата площадка. Полетът сам по себе си не бе особено забележителен. Прототипът се издигна на височина едва  150 метра, след което извърши кацане на съседна площадка. Реално погледнато „Старшип“ е все още далеч от полет в космоса, макар че вечният оптимист Илон Мъск обещава изстрелване до височина от 20 километра през октомври и орбитална мисия в края на 2019-та или началото на 2020-та.

Революционният аспект от постижението бе друг – това бе първият в историята на човечеството полет на голяма ракета с двигател, който работи на течен кислород и метан. Нещо повече – скромният успех на Стархопър може да бележи началото на най-съществения напредък в ракетостроенето през последните няколко десетилетия! Метанът често пъти е описван от Илон Мъск и сподвижниците му като горивото на бъдещето, а метановият двигател – като критично важен за усвояването на Слънчевата система. Но подобни изказвания са клишета. Дори и да има голяма истина в тях, това не ги прави по-малко клишета. Повечето хора не са наясно защо се влагат толкова усилия в създаването на ракетни двигатели на метан и не разбират стремежа на Илон Мъск и неговия конкурент Джеф Безос в тази посока. Написах тази статия с надеждата ви разясня как стоят нещата на ясен и достъпен език, с възможно най-малко терминология.

В световен мащаб съществуват множество ракети и ракетни двигатели – и всички от тях използват различен тип гориво и окислители. Твърдогоривните ракети няма да бъдат разглеждани в този анализ, защото ще стане много обширен. Течногоривните ракети могат да използват за гориво хидразин, етанол, керосин, течен водород и др., а за окислители – диазотен тетроксид, течен кислород, димяща червена азотна киселина и др. Комбинацията от хидразин и диазотен тетроксид е много удачна, защото, когато тези два компонента влязат в контакт, те се самозапалват спонтанно – т.е. не е нужно да се използва сложна система за запалване на ракетния двигател. Самозапалващото се гориво се нарича „хиперголично“. Тежкотоварната руска ракета „Протон“ използва именно такъв тип гориво. Най-големият недостатък на хиперголичното гориво е, че то е силно токсично, което налага използването на защитно облекло при зареждането на резервоарите. По времето на Нацистка Германия ракетите „Фау 2“ използват комбинация от етилов алкохол и течен кислород, но с развитието на ракетната технология през 50-те години етанолът постепенно бива изместван от висококачествен керосин, обозначаван като RP-1. Пилотираните руски ракети „Союз“ и американските „Фолкън 9“ използват RP-1 – при тях вече е необходима специфична технология за запалване и вече може да сте чули по телевизията или прочели в медиите, че руснаците си запалват двигателите посредством гигантски кибрит. Това не е много далече от истината. Важен недостатък на керосина е, че при горенето му се отделят сажди – проблемът е много по-сериозен, отколкото вероятно предполагате, но за това ще стане въпрос след малко. Следват криогенните двигатели с течен водород и кислород– лунната ракета „Сатурн 5“ е имала такива на горните си степени,  главните двигатели на космическите совалки също са използвали течен водород и кислород.

Но за да схванем как се вписва метанът сред ракетните горива и какви са неговите предимства, трябва да разгледаме най-общо как работи един ракетен двигател.

Училищното образование ни дава най-обща представа за устройството на ракетния двигател: той притежава резервоари, които да помещават окислителя и горивото, както и горивна камера и сопло. Но това е най-повърхностният поглед. Ефективността на един ракетен двигател се определя най-вече от това колко бързо могат да бъдат прехвърлени горивото и окислителят от резервоарите в горивната камера. Най-простичкият начин, по който това може да стане, е като горивото бъде натоварено в резервоарите под много високо налягане. Единственото, което е нужно, е да се отвори клапан и то ще нахлуе в горивната камера. Този вариант е чудесен за ракетомоделисти, които искат да си създадат мъничка течногоривна ракета. За нуждите на ракетомоделизма съществува и още по-простичък вариант – не е необходимо гориво, можете просто да използвате вода под налягане – има такива „водни ракети“, които могат да бъдат изстреляни на няколкостотин метра височина. Ако обаче искаме да изведем спътник или астронавт в орбита, тази стратегия не е достатъчно ефективна – резервоарите трябва да бъдат много здрави и с удебелени стени. Но така ракетата ще стане прекалено тежка, за да бъде полезна.

Затова ракетните специалисти са решили, че най-подходящият начин, по който може да работи един космически двигател, е вместо да се внедряват удебелени резервоари, позволяващи поддържането на много високо налягане, по-добре да се използват помпи, които да изпомпват горивото от резервоара и да го подават към горивната камера. Но оттук тръгват по-голямата част от проблемите на двигателостроенето.

Ето какъв е най-простият дизайн на работещ ракетен двигател с помпа: част от горивото (напр. керосин) и окислителя (напр. кислород) се пренасочват към специален газогенератор. Горивото изгаря в газогенератора и турбината се задвижва, а тя съответно задейства горивната помпа (затова системата се нарича с общото название „турбопомпа“). Отходните газове от този процес се изхвърлят странично от двигателя посредством отделна тръба. Този двигател е работещ, с него вече може да се изведе спътник или космонавт в орбита. Но той има основен недостатък: част от горивото никога не достига до главната горивна камера и не се използва за придвижването на ракетата, тъй като служи за работата на турбопомпата. Двигателите от такъв тип се наричат „двигатели с отворен цикъл“.

Ако ми следите мисълта, вероятно вече си задавате въпроса: добре де, а защо тоя „ауспух“ от турбопомпата не го вкараме направо в горивната камера, за да не се губи гориво? Ами не е толкова просто. За да може изобщо да работи турбината, не бива да се поддържа много висока температура, иначе турбината ще се стопи. Поради това в газогенератора се вкарва смес, която не е с оптимална пропорция – обикновено в полза на горивото, отколкото на окислителя. Но това означава, че част от горивото няма да изгори напълно и тези неизгорени въглеводороди ще се превърнат в сажди. Сами разбирате какъв е проблемът – не можем просто да вземем „ауспуха“ и да го вържем към главната горивна камера, саждите ще задръстят горивните инжектори!

Създаването на двигател с т.нар. „затворен цикъл“ е може би един от най-големите успехи на съветското ракетостроене.

В България споровете между космическите привърженици се водят на първобитно ниво и обикновено стигат до темата защо американците ползват руски двигатели на техните си ракети. Ами защото руснаците сполучват да усъвършенстват керосиновите двигатели! За да затворят цикъла, те използват горивна смес с неоптимална пропорция – но при нея имаме повече окислител, отколкото гориво. Това създава сериозен проблем – към турбината се подава твърде горещ газ. Съответно турбината трябва да е създадена от сплав, която издържа на свръхвисоки температури. Руснаците в това отношение успяват. Те постигат страхотен напредък в материалознанието, който позволява създаването на двигателя „НК-33“, стоящ в основата на злополучната лунна ракета „Н1“. Тази ракета не успява да изпрати хора към Луната, но руснаците съхраняват технологията за създаване на двигатели със затворен цикъл. От тази технология се ражда съвременният двигател „РД-180“, който е най-добрият керосинов двигател в световен мащаб. За съжаление през студената война САЩ изобщо не полагат усилия в тази област – те смятат, че задачата е невъзможна и чак до 2000-та година, когато е иницииран проектът Integrated Powerhead Demonstrator, пренебрегват керосиновите двигатели със затворен цикъл и богата на кислород горивна смес.

Това не значи, че по време на космическата надпревара американците бездействат. Те също успяват да създадат система със затворен цикъл, но тя използва друг тип гориво: водород. Водородът има огромното предимство, че при неговото горене не се образуват сажди. Но ако керосинът и кислородът има що годе близка плътност, тази на водорода е в порядък по-ниска. Освен това водородът е скъп, трудно се съхранява и пренася – ако не се внимава, може дори да експлодира. Но американците му намират цаката. Вярно е – поради малката плътност на водорода би се наложило да се използва по-голяма турбопомпа. Какво правят американските специалисти? Те създават двигател, който притежвава две турбопомпи – едната за кислорода и другата за водорода. Понеже турбопомпите са съвършено различни, са създадени два газогенератора за всяка една от тях. Големият принос на американците в космонавтиката е, че те усъвършенстват криогенните двигатели, работещи с течен водород и кислород и това им позволява да създадат ракетата „Сатурн 5“ и да спечелят надпреварата до Луната, а после да конструират космическата совалка.  Тук правя важна сметка – при „Сатурн 5“ криогенните двигатели „J-2” още са с отворен цикъл, докато совалковите „RS-25” са със затворен.

До ден днешен руснаците произвеждат най-добрите двигатели, работещи на керосин и течен кислород – „РД-180“. Поради това американците все още ги използват за първите степени на ракетите „Атлас 5“. Но горните степени на „Атлас“-ите са оборудвани с произведени в САЩ криогенни ракетни двигатели. Затова американците могат бързо и ефективно да изпратят космически апарат в междупланетното пространство. Руснаците са много добри в създаването на керосинови двигатели за първите степени, но те и до ден днешен не разполагат с качествен криогенен двигател за горните степени. Ето защо през 2016-та година, когато Русия трябваше да изстреля към Червената планета съвместната руско-европейска мисия „ЕкзоМарс“, бе използвана ракета „Протон“ с горна степен „Бриз-М“, която обаче работи с хиперголично гориво. За точното извеждане на мисията по посока към Марс бяха нужни няколко дълги обиколки около Земята и неколкократни запалвания на двигателя. 

Как се вмества проектът „Старшип“ на Илон Мъск сред цялата тази картина?

Новите ракети на предприемача ще са оборудвани с двигатели „Раптор“, които работят с течен метан и кислород. „Раптор“-ите отново използват малка част от горивото и окислителя за работата на турбопомпите, към газогенератора отново се подава смес с неоптимална пропорция, но този път сместа е богата повече на гориво, отколкото на кислород. При керосиновия двигател подобна пропорция би довела до образуването на сажди, но тук този проблем не съществува – продуктите от горенето на метана са вода и въглероден диоксид. Няма пречка към затварянето на цикъла и използването на всичкото гориво за придвижването на ракетата - просто не съществува риск двигателят да се задръсти от сажди и да се повреди. Чистото изгаряне на метана позволява цялостното рециклиране на двигателите „Раптор“, при това със съвсем минимална поддръжка. А за съвременната космонавтика възвръщаемостта е основен ключ към снижаването на цените по изстрелванията, към масовизацията на близкия космос и към по-нататъшното усвояване на Слънчевата система.

Криогенните двигатели на САЩ, работещи с течен водород и кислород, позволиха на НАСА да изпрати човек на Луната. Но водородните двигатели са неефективни за по-нататъшната експанзия на човечеството в космоса – водородът е силно летлив и той трудно би могъл да се съхранява в продължение на месеци. Метанът от своя страна е достатъчно плътен, така че могат да се използват по-малки и по-леки резервоари в сравнение с водородните, при това той не е летлив колкото водорода.

Стигнахме до последното голямо предимство на метана. Керосиновите ракетни двигатели няма да съществуват вечно, тъй като керосинът се извлича от петрол, който е невъзобновяем енергиен източник. Метанът обаче е възобновяем енергиен източник – той може да бъде произведен, стига да разполагаме със слънчева енергия, въглероден диоксид и вода. Поради това метановите двигатели са двигателите на бъдещето. Някой ден, ако човечеството заживее на Марс, то ще може да произвежда метан на място – марсианската атмосфера е достатъчно богата на въглероден диоксид, а под повърхността има вода под формата на лед.

Предстоят интересни времена пред проекта „Старшип“. На 28-ми септември Илон Мъск ще представи последните новини относно развитието му, а това ще позволи да разширим анализа по темата. Очаквайте подробности!

 

За да коментирате, е нужно да влезете в профила си или да се регистрирате.

Най-нови Най-четени Най-коментирани

Анкета

Ще гласувате ли на предстоящите избори?

Всички анкети

Моля, изберете един от посочените отговори

Резултати 226 гласа

Гласуването за дадена анкета е възможно веднъж на всеки 24 часа.