Что такое метановый двигатель

Содержание
  1. Метановый двигатель. Выгодно ли?
  2. Российские ракетные двигатели на метане
  3. Нужен ли России метановый ракетный двигатель?
  4. Тогда зачем нужен метан?
  5. Но что мы имеем в итоге в России?
  6. Метановые ракетные двигатели и многоразовые космолеты
  7. статья выходного дня
  8. Почему до сих пор не созданы многоразовые космические ракеты?
  9. Чем метановые ракеты отличаются от керосиновых?
  10. Массовое соотношение кислорода к горючему и объем ракетного топлива
  11. Российская программа создания метановых РД
  12. Перспективная ракета-носитель Союз-СПГ
  13. Американский метановый РД ВЕ-4
  14. Ракета-носитель Vulcan Centaur
  15. Ракета-носитель New Glenn
  16. Raptor для Super Heavy и Starship
  17. Сверхтяжелая ракета Super Heavy и орбитальный космолет Starship
  18. Луна, Марс и далее везде
  19. О надежности Starship
  20. Видео по марсианской программе SpaceX (на англ. языке)
  21. От космолетов к космическим автомобилям
  22. Метановые РД
  23. Метановые РН

Метановый двигатель. Выгодно ли?

Всё больше и больше в наших городах покупают автобусы с двигателями, работающем на метане.

Все из-за того, что государство всячески поддерживает покупку техники на газе.

За метановый ДВС дотация будет больше, чем за дизельный, и соответственно цена на первый будет меньше.

Также цена метана почти в 2 раза ниже дизеля.

А если в городе есть возможность заправлять такой автобус, то почему бы не сэкономить?

Но на деле метановый двигатель не на столько уж и прост, как думают некоторые.

1. Очень часто газовые автобусы страдают «масложорством».

А масло это стоит весьма не копейки.

То есть по-сути вы будете тратить на масло те деньги, которые экономите на заправке такого автобуса.

Хотя такому автобусу в принципе надо больше масла, чем дизельному.

2. Все запчасти на газовый автобус стоят в разы больше, чем на обычный дизельный ДВС.

3. За этими автобусами надо следить и ухаживать.

Не стоит забывать, что метан может взорваться от неправильного ухода, как это было в Москве 9 мая 2013 года.

Газовым автобусам необходимо проводить переосвидетельствование баллонов.

За таким ДВС надо следить, чтобы не произошло ещё одно ЧП.

4. Долгая заправка.

Примерное время заправки газового автобуса составляет 20-25 минут.

А представьте, что в вашем городе только 1 заправка и 100 автобусов на метане.

Такая ситуация сейчас происходит в моём городе.

Все покупают автобусы на газу, а как их заправлять не думают.

Но все же у метанового автобуса есть свои плюсы.

Такой двигатель очень экологичен.

Выброс выхлопных газов в атмосферу очень маленький.

Как по мне, будущее в нашей стране именно за газовыми автобусами, а не за модными электробусами.

Источник

Российские ракетные двигатели на метане

Сегодня метановый двигатель — самый перспективный вид ракетного двигателя. Природный газ (более 80% которого составляет метан) гораздо дешевле, экологичнее и проще в эксплуатации, нежели керосин или гептил, а также имеет более высокий удельный импульс.

Кроме этого, метановые двигатели лучше подходят под возможность возвращения отработавшей ступени на Землю, как это реализовано у американской компании SpaceX (двигатели после использования гораздо легче очищаются от остатков топлива). Еще одним плюсом является теоретическая возможность добычи метана для дозаправки на других планетах и спутниках.

Работы в этой сфере велись в СССР с 1981 года. Сейчас в России в разработке находятся два двигателя, работающих на паре метан+кислород. Первый — РД-0162 создаётся на воронежском КБХА.

Тяга двигателя будет составлять около 200 тонн, что на 30 тонн выше нового американского метанового двигателя «Raptor». Экспериментальная модель отечественного двигателя была испытана два года назад, а полноценный экземпляр планируется сконструировать к 2020 году.

С 1998 года в НПО «Энергомаш» велись работы по созданию РД-169 — метанового двигателя, обладающего тягой в 17 тонн. Он должен был использоваться в связке, состоящей из шести агрегатов — в этом случае тяга составила бы около 100 тонн.

Однако проект был свёрнут по причине недостаточного финансирования. Сейчас НПО «Энергомаш» возобновило работы по теме и готовит новый двигатель РД-196 с тягой около 50 тонн, что оптимально для использования в ракетах лёгкого и среднего классов.

Источник

Нужен ли России метановый ракетный двигатель?

Всё чаще можно услышать обсуждения о необходимости перехода на метановые ракетные двигатели. В качестве основных аргументов приводятся такие, как простота в получении, экологичность и высокий удельный импульс. Но так ли всё на самом деле?

Давайте начнём с самого массового топлива, применяемого в ракетно-космической отрасли – керосина. Наши РН «Союз» и «Ангара», Falcon 9 и некоторые другие (самые массовые) сейчас используют керосин, который отлично зарекомендовал себя в качестве ракетного топлива. Он достаточно экологичен (далеко не идеал, конечно, но всё же), имеет высокий удельный импульс и достаточно высокую плотность. Так в чём же проблема? Вот тут самое интересное. На одном из русскоязычных сайтов я нашёл довольно своеобразное высказывание, которое активно разлетелось по сети:

«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».

Что, простите? Керосин – это продукт, который получают путём ректификации нефти, то есть нагрева жидкой смеси с последующей конденсацией испаряющихся летучих компонентов. Процесс один и тот же, но, в зависимости от температуры кипения, получают различные фракции: бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, мазут. Да, у нефти действительно есть сорта , но различаются они составом (содержанием серы, плотность), из-за чего, для получения одного и того же продукта нужно при определённой температуре нагревать их разное количество времени. Вот и вся разница. Если уж на то пошло, то проблемы производства РГ-1 – это сильно преувеличенные проблемы исключительно локального российского производства. Старое предприятие, которое никто не собирается модернизировать, со старым оборудованием, привязанным к строго определенному сырью.

Проблем с керосином в общем-то нет – объёмы добычи нефти регулярно растут, производство максимально отлажено. А если говорить об экологичности, то на фоне использования керосина авиацией (а авиакеросин менее экологичен, чем ракетный) потребление космической отраслью просто ничтожно. Так, к примеру, Боинг-747 , для дальнего перелёта берёт на борт порядка 200 тонн топлива, а для пуска таких РН, как «Союз» или «Зенит-2», необходимо около 100 тонн.

Тогда зачем нужен метан?

Возможность применения метана в ракетно-космической отрасли далеко не новость. Всерьёз её рассматривали ещё пол века назад. Рассмотрели, посчитали и отложили в сторону. С точки зрения важнейшего параметра, удельного импульса, метан лишь незначительно обходит керосин, имея, при этом, в разы меньшую плотность, что требует включения в конструкцию ракет-носителей криогенных агрегатов для охлаждения, из-за чего условный выигрыш по массе практически полностью нивелируется.

С точки зрения экологичности, да, метан на голову выше керосина, а современные тренды направлены именно на заботу о природе, ну или хотя бы на работу не в ущерб ей. Но, как и любая другая отрасль, ракетно-космическая – это бизнес. Экологичность экологичностью, но переплачивать за неё не готовы даже арабские шейхи. Тогда в чём преимущество? Дело в том, что технологии редко развиваются по одной, чаще – в купе с другими. С метановыми двигателями та же ситуация. Полноценно проявить свой потенциал они могут лишь в многоразовых ракетах-носителях и/или их ступенях, ведь двигатели на метане, как, собственно, и вся топливная система, потребуют меньшего межпускового обслуживания, а само это обслуживание сильно упростится. Приземлилась ступень, продули её азотом, а она сразу сухая и чистая – вези на стартовую площадку. То есть в перспективе возвращаемые ступени Space X могут стать ещё дешевле.

Но что мы имеем в итоге в России?

«Вон, американцы с китайцами метановые двигатели разрабатывают, а они не дураки, так что и мы будем делать » , – говорят нам бестолочи, в лучшем случае, с купленным техническим образованием.

Но когда речь заходит о том, что и в Америке, и в Китае разрабатывают многоразовые РН , то каждый, кто собрался делать метановый движок, говорит о том, что все они шарлатаны. Более того, под отечественный метановый двигатель запрашиваются огромные средства с пометкой: «Создаваться будет демонстратор двигателя на метане даже с учётом того, что носителя с таким двигателем пока создавать не планируется. Тем самым будет обеспечен задел, чтобы не отстать в плане технологий от зарубежных конкурентов».

То есть деньги, которые так необходимы для разработки действительно важных проектов, включая новые РН и корабли, предполагается израсходовать на демонстрацию того, что «мы тоже сможем, если надо».

Всё вышесказанное мной совершенно не означает, что надо откладывать перспективные проекты, чтобы доделать хотя бы начатые. Необходимо пересмотреть текущие проекты, исключить бессмысленные на данном этапе или дополнить их так, чтобы смысл появился. Сейчас отечественная ракетно-космическая отрасль выглядит так, будто бьётся в конвульсиях, в попытках сделать вид, что всё в порядке, но почти всем очевидно, что это не так. И первыми, конечно, должны задуматься руководители.

Читайте также:  Двигатель набирает обороты с задержкой

Подписывайтесь на канал, чтобы первыми узнавать новости из мира технологий, и делитесь ссылкой на него с друзьями в социальных сетях. За футболками и худи с крутейшими принтами вот в этот магазин . Ещё у меня есть канал в Telegram и уютный чатик для дискуссий на научные темы. Не забывайте делиться ссылкой на канал с друзьями. Спасибо, что читаете.

Источник

Метановые ракетные двигатели и многоразовые космолеты

статья выходного дня

Сейчас ведется много разговоров о многоразовых космических ракетах, но при этом из внимания часто упускается главное — то, что такие ракеты пока еще только создаются. Потому что слово «многократный» подразумевает «много раз», а не «несколько раз», как это достигнуто на данный момент. В настоящее время можно говорить только о возвращении отдельных ракетных блоков для их повторного использования, как в американской ракете Falcon 9. По существу, ракетная техника находится в начале пути, который приведет ее сначала к частичной, а затем — к полноценной многоразовости и, наконец, она уподобится в этом плане авиационной технике и даже автомобильному транспорту. Именно тогда мы сможем создавать не ракеты, но автомобили, летающие в космос. Как это происходит и будет происходить — в статье на Автомалиновке.

Почему до сих пор не созданы многоразовые космические ракеты?

Ответ следует искать в технологиях ракетных двигателей 60-х годов. К этому времени в США были созданы ракеты, использующие высокоэффективное кислородно-водородное топливо. Не без оснований считалось, что водородные ракетные двигатели (РД) могут быть усовершенствованы для многократного использования — поэтому их выбрали в качестве основных маршевых РД для системы Space Shuttle. Но у жидкого водорода есть существенный недостаток — низкая плотность, из-за чего водородные ракетные ступени получаются громоздкими. Поэтому водород обычно применяется только на верхних ступенях. Чтобы решить проблему габаритов, «шаттл» оборудовали тяжелыми твердотопливными ускорителями, которые тоже полагались многоразовыми — но на практике их восстановление стоило не намного меньше повторного изготовления. С водородной частью «шаттла» тоже не все получилось хорошо — в орбитальный самолет поместились только ракетные двигатели RS-25, а громоздкий топливный бак пришлось сделать внешним и одноразовым. При этом подготовка ракетных двигателей к повторному полету занимала два месяца вместо первоначально ожидаемых двух недель. И многократность их использования оказалась меньше, чем обещалось — примерно 10 раз вместо ожидаемых 25 раз.

В итоге многоразовой оказалась только орбитальная ступень. И это было большое достижение! Хотя ее приходилось слишком долго готовить к повторному полету, восстанавливая ракетные двигатели и теплозащитное покрытие. В целом шаттл оказался экономически неэффективным по сравнению с одноразовыми ракетами-носителями — подробный анализ опыта этой программы содержится в нашей статье:
Время крылатых гигантов

Следующая итерация оказалась более удачной, поскольку при создании частично возвращаемой ракеты удалось добиться ее экономической рентабельности. Для создания ракеты Falcon 9 в SpaceХ использовали практичные кислородно-керосиновые РД, отказавшись и от водорода, и от твердотопливных ускорителей. Об этом подробно рассказано в нашей статье
Частный космос Илона Маска

Falcon 9 стал успехом, который сейчас намереваются использовать в других керосиновых ракетах — например, в сверхмалой РН «Электрон». Есть только одно но — при работе керосиновых РД образуется сажа, которая не позволят использовать их большое число раз. Пределом для керосиновых РД считается их 10-кратное использование, а реально достигнуто только 5-кратное (причем в рекордном полете 18 марта 2020 года произошел отказ одного РД). Этого маловато для того, чтобы считать керосиновые РД многоразовыми. Поэтому в проектах новых многоразовых ракет планируется заменить керосин на СПГ — сжиженный природный газ, метан.

Чем метановые ракеты отличаются от керосиновых?

Если вкратце, то перевод керосиновой ракеты на метан походит на перевод автомобиля с бензина на природный газ. Керосиновые ракетные двигатели могут быть модернизированы для работы для метане, при этом прекращается выделение сажи и улучшается основная характеристика РД — его удельный импульс (УИ), соотношение тяги к массовому расходу ракетного топлива. Правда, при этом приходится увеличивать размер бака горючего, поскольку СПГ менее плотен, чем керосин (0.41 кг/литр против 0.8 кг/литр). В итоге более эффективное, но менее плотное ракетное горючее дает примерно такие же характеристики ракеты, как и керосин.

Массовое соотношение кислорода к горючему и объем ракетного топлива

Горючее O2
гор
плот ность объем на ед. массы УИ вак объем на ед. тяги
Водород 6 0.07 2.754 455 0.00780
Метан 3.5 0.415 1.214 356 0.00378
Керосин 2.6 0.798 0.981 337 0.00317

Плотность жидкого кислорода — 1.14

Применение метана вместо керосина рассматривалось на заре космонавтики — но было решено, что особых преимуществ у СПГ нет. Ситуация изменилась именно с появлением многоразовых ракет, благодаря упомянутому отсутствию сажи при сгорании метана. А еще одно преимущество метана состоит в том, что его, как и кислород, можно добывать на многих планетах солнечной системы, например, на Марсе. Т.е. при полете метановой ракеты на Марс топливо надо брать только на путь туда, а для возврата на Землю организовать ее «заправку» на Марсе — конечно, при наличии на Марсе соответствующего оборудования, которое должно быть доставлено туда заблаговременно. Это в несколько раз снижает массу марсианского космолета.

Других 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.

Благодаря своим вновь открывшимся преимуществам метан был объявлен топливом будущего, а исторически сложившееся применение керосина стало считаться неперспективным. Даже возникло такое выражение — «керосиновый тупик», которым характеризуется нынешнее состояние ракетной техники, когда в космос все еще летают «ракетные поезда» образца 60-годов прошлого века.

Российская программа создания метановых РД

Разработка российских метановых РД выполняется в КБХА (Конструкторское бюро химавтоматики, Воронеж) под руководством профессора Виктора Дмитриевича Горохова. Двигатель с 200-тонной тягой начал создаваться в 2002 году для ЕКА (Европейского космического агентства) по проекту «Волга». В 2006 году он получил российское название РД-0162.

Ракетный двигатель
РД-0162, топливо
кислород-метан (КБХА)

Двигатель РД-0162 строится по замкнутой схеме газ-газ с дожиганием окислительного генераторного газа (ДОГГ) и восстановительным безгенераторным контуром (жидкий метан испаряется в рубашке охлаждения камеры сгорания и подается на вход турбины). Давление в камере сгорания намного ниже, чем у энергомашевских РД-191 — всего 169 атм, но по проекту обеспечиваются более высокие характеристики — земной УИ 321 с, высотный УИ 356 с, масса РД 2100 кг, земная тяга 2000 кН (

204 тс). Метановый ракетный двигатель рассчитан на 25, по другим данным — на 50 или даже 100 полетов. Для обеспечения отказоустойчивости в составе 4-двигательной установки он форсируется по тяге до 133%.

К настоящему времени испытан 40-тонный демонстратор РД-0162Д2А и ведется разработка 85-тонного метанового демонстратора РД-0177. По этому перспективному РД проведены испытания модельного газогенератора с форсуночными головками многократного использования. Это демонстратор создается для проекта «Крыло-СВ», предусматривающем создание многоразовой ракеты легкого класса с крылатой первой ступенью. А серийный РД-0169 с тягой 100 тонн планируется применить в многоразовой РН среднего класса Союз-СПГ.

Что касается 200-тонного РД-0162, то он продолжает оставаться конечной целью работ и предназначается для более мощных ракет-носителей тяжелого и сверхтяжелого класса.

Перспективная ракета-носитель Союз-СПГ

Работы по РН Союз-СПГ начинаются сейчас и для нее пока еще даже не определен окончательный облик. Поэтому мы даем ее условное изображение. Известно, что ракета будет двухступенчатым тандемом. На ее первую ступень будут установлены пять метановых РД-0169 суммарной тягой 500 тонн. Она будет садиться «по Маску» — вертикально на центральном РД. Вторая ступень оснащается одним РД-0169 с высотным соплом и тягой 95 тонн.

Стартовая масса РН Союз-СПГ запланирована около 360 тонн, а предполагаемая максимальная полезная нагрузка составит 12.5 тонн — очевидно, без учета затрат топлива на возвращение первой ступени, которые оцениваются в 6% от ее общей заправки в 220 тонн. Вторая ступень невозвращаемая, но ее предложено сделать с очень высоким конструктивным совершенством КС=14 (5.5 тонн при заправке 77 тонн).

Скорее всего, реальная ПН Союз-СПГ будет ближе к 10 тоннам, что тоже вполне достаточно — т.к. данная РН предназначена для замены устаревших средних РН Союз-2, ПН которых составляет около 8-9 тонн. Первый полет этой средней ракеты намечен на 2025 год. По своим габаритам и стартовой массе РН Союз-СПГ подходит для применения c «морского старта». В пользу инновационной ракеты говорит малое число ракетных блоков (2 против 6 у Союза-2) и высокий коэффициент повторного использования первой ступени. Поэтому она выглядит очень перспективной в плане снижения стоимости выведения даже в сравнении c Falcon 9.

Американский метановый РД ВЕ-4

Ракетный двигатель ВЕ-4 (Blue Engine-4) начали создавать в 2012 году в компании Blue Origin, принадлежащей хозяину Amazon мультимиллиардеру Джеффу Безосу. В нем также применяется популярная замкнутая схема ДОГГ, а проектные параметры таковы — земная тяга 250 тс и давление в камере сгорания 132 атм. УИ не разглашается, поскольку они у данного РД сравнительно невысокие, а основная цель разработки состоит в обеспечении высокой надежности работы. Заявленная кратность использования РД ВЕ-4 — 25.

Двигатель BE-4 предназначен для применения на первой ступени собственной тяжелой ракеты Безоса New Glenn 45-тонного класса (вторая ступень — водородная) и для применения на первой ступени РН Vulcan Centaur, создаваемой на замену РН Atlas-5 с российским РД-180. Поэтому этот будущий РД играет ключевую роль в американской программа «импортозамещения» — с одной стороны, он обеспечивает независимость от поставок российских РД-180, а с другой — участвует в некой альтернативе керосиновым ракетам SpaceX. В 2019 году были построены стенды для испытаний данного РД при тяге 2200 кН, т.е. по факту это самый мощный на данный момент метановый РД.

Ракетный двигатель BE4, топливо кислород-метан

Только что первый демонстратор BE-4 поставлен в ULA (United Launch Alliance) для проведения намеченных на 2021 год испытаний в составе РН Vulcan Centaur. Еще один РД BE-4, необходимый для первой ступени этой ракеты будет поставлен в июле. Полезной нагрузкой для дебютного старта ракеты Vulcan Centaur выступит лунный посадочный модуль Peregrine от компании Astrobotic.

Ракета-носитель Vulcan Centaur

Ракета Vulcan Centaur создается американскими ракетчиками по традиционному для них принципу «сборной солянки». Она имеет метановую первую и водородную вторую ступень, а также может использовать до 6 твердотопливных ускорителей (ТТУ). Диаметр ракеты составляет 5.4 метра, высота с обтекателем 61.2 метра, стартовая масса — от 226.3 до до 546.7 тонн. Полезная РН Vulcan Centaur в зависимости от наличия и числа ТТУ составляет 10.6-27.2 тонны на низкой околоземной орбите (НОО) и 2.9-13.6 тонн на геопереходной орбите (ГПО).

Ракета-носитель Vulcan Centaur, топливо кислород-метан-водород после отделения ТТУ

На первой метановой ступени ракеты Vulcan Centaur применяется пара новых РД BE-4, а на второй водородной ступени трудится пара ветеранов американского ракетостроения — РД RL-10. Каждый ТТУ GEM-63XL от Northrop Grumman имеет массу 53.4 тонны и тягу 206.6 тонн.

Надо сказать, что создание ракет и ракетных двигателей пока не приносит доход мультимиллиардеру. Его многоразовая суборбитальная ракета Blue Shepard создавалась для туристических суборбитальных полетов и была испытана — но не совершает рейсы с пассажирами. Почему-то желающих слетать на Гавайи оказывается неизмеримо больше, чем желающих побывать на высоте 100 км в космосе. И у орбитальной программы перспективы тоже непонятно какие, поскольку ракетные проекты Безоса пока выглядят, как частное приложение к американской государственной космической программе.

10 тонн Vulcan Centaur аналогична будущей российской метановой РН Союз-СПГ, а с навесными ТТУ будет конкурировать с тяжелой Ангарой-А5. Создатели обещают, что их детище будет дешевле «Ангары», но все дело в том, что «Ангара» сама по себе является самой дорогой в своем классе. Тем не менее, именно Vulcan Centaur собирается стать первой ракетой, которая улетит в космос на метане.

Ракета-носитель New Glenn

А также Vulcan Centaur проложит путь к созданию тяжелой частной ракеты New Glenn, в первой ступени которой будут установлены уже 7 РД BE-4 и будет реализована полноценная многоразовость. На второй водородной ступени применяется ваккумная версия РД BE-3, разработанного ранее для суборбитальной ракеты New Shepard. Ввиду большой тяговооруженности первой ступени ТТУ ускорители ракете New Glenn не потребуются. Высота ракеты составит 98 метров, диаметр — 7 метров, полезная нагрузка на НОО — 45 тонн, на ГПО — 13 тонн.

Raptor для Super Heavy и Starship

Метановый РД Raptor и ракета, для которой он предназначен — это самый амбициозный проект, который во многом напоминает лунную ракету H-1 Л3 С.П.Королева, но, конечно, на более высоком техническом уровне. Как в свое время НК-15, Raptor создается для получения предельных характеристик по эффективности. Это связано с необходимостью создать двухступенчатую сверхтяжелую ракету с обеими возвращаемыми ступенями — разгонной ступени Super Heavy и орбитального космолета Starship. А цель создания системы Super Heavy/Starship состоит — ни много ни мало — в колонизации Марса! Конечно, для более близких лунных дел и на околоземных орбитах она тоже должна пригодиться.

РД замкнутой схемы с ДОГГ РД с полной газификацией

Raptor — это ракетный двигатель с предельными характеристиками, построенный по самой сложной схеме с полной газификацией компонент. У этого РД два газогенератора и две турбины, первая из которых работает на окислительном газе c избытком кислорода, а вторая — на восстановительном газе с избытком метана. Такая схема позволяет поднять надежность по сравнению с схемой ДОГГ за счет исключения протечки газа вдоль общего вала турбины, на котором расположены насосы окислителя и горючего.

Давление в камере сгорания планируется поднять до рекордных 296 атмосфер. Целевой земной УИ составляет 330 с, УИ с высотным соплом — 380 с, что весьма близко к параметрам, обеспечиваемым водородным РД J-2 ракеты Сатурн-5. Проектная масса РД «Раптор» составляет 1500 кг, земная тяга — 2000 кН (

204 тс). В 2019 году было достигнуто давление 254 атм — это чуть выше, чем у знаменитых российских ракетных двигателях РД-180, что стало предметом особой гордости инженеров SpaceX. Тяга «Раптора» составила 172 тонны.

Для «Раптора» заявлен высокий коэффициент повторного использования — 50 и фантастические показатели экономической эффективности. Новый ракетный двигатель SpaceX должен быть в 12.5 раза дешевле вдвое более мощного и более простого по конструкции РД-180 и за счет многоразовости быть в 330 раз дешевле в эксплуатации.

Оценивая представленные SpaceX данные по цене Raptor, надо учитывать, что все ее ракетные двигатели «торгуются» только внутри самой компании — поэтому Маск может назначать им любую цену, которую считает подходящей для пиара своей космической программы и деморализации своих конкурентов.

Заметим также, что методы работы SpaceX в корне отличаются от принятой в космической отрасли широкой кооперации c переговорами о ценах. Маск ни с кем не кооперируется и, в том числе благодаря этому, может держать низкие цены на свои услуги. И раз SpaceX продает исключительно конечную услугу по полетам в космос, то «сведения» из ее внутренней бухгалтерии не имеют содержательного смысла.

Сверхтяжелая ракета Super Heavy и орбитальный космолет Starship

Сверхтяжелая ракета Super Heavy (прежде — Big Falcon Rocket, BFR), имеет длину 70 метров, диаметр 9 метров и стартовую массу 3680 тонн, из которых 3400 тонн приходится на топливо. На ней планировалось установить 37 двигателей Raptor, из которых 7 центральных оснащаются системой управления вектором и величиной тяги, а 30 периферийных РД закрепляются жестко. Но последнее обновление планов в мае 2020 года предусматривает только 31 РД, из которых 7 центральных сохранят исходную тягу в 204 тонны, а тягу каждого из 24 периферийных РД решено поднять до 250 тонн. Число РД может меняться и дальше — до тех пор, пока не будет принята окончательная конструкция ракетной ступени.

Космолет Starship имеет длину 50 метров и стартовую массу 1320 тонн, из которых 1200 тонн приходится на топливо. На нем установлены 3 РД Raptor с земными соплами и 3 РД Raptor с высотными соплами. Наличие РД c земными соплами существенно, потому что космолет садится на Землю в режиме вертикального торможения двигателями. Проектная полезная нагрузка на низкой околоземной орбите составляет 100 тонн, что в 4 раза превосходит возможности американской частично многоразовой системы Space Shuttle и всех ныне существующих ракет-носителей, за исключением созданной в той же компании SpaceX ракеты Falcon Heavy. Возращаемый на Землю груз может составлять до 50 тонн. Объем грузового отсека Starship составляет 1100 куб. метров — это в 3 раза больше чем у Боинга-747 и МКС.

Считается, что появление Starship сделает МКС рудиментом уходящей эпохи одноразовых носителей. Огромный космолет является сам себе носителем и полноценной орбитальной станцией. Как летающий космический дом, он будет находиться на орбите столько времени, сколько потребуется для работы продолжительной экспедиции — а по завершению ее работы доставит свой экипаж на Землю.

Суммарная стартовая масса системы Super Heavy/Starship составляет ровно 5000 тонн, без учета полезной нагрузки — в 2.5 раза больше, чем у Space Shuttle. Суммарная тяга всех РД на старте составляет 7428 тонн. А суммарная длина — 120 метров, что на 10 метров выше комплекса Сатурн-Аполлон. Естественно, что для столь грандиозной ракеты надо создавать специальные стартовые площадки. А для обеспечения возвращения всех ступеней на Землю принято беспрецедентное техническое решение — они делаются из тугоплавкой нержавеющей стали, поэтому блестят на Солнце, как огромные самовары и вообще походят на ракеты из наивных фантастических фильмов начала 20-го века. Теплоизоляция Starship во время входа в атмосферу будет делаться по новому методу с помощью газовой подушки из метана.

Строительство одной из стартовых площадок для Super Heavy

Луна, Марс и далее везде

Как мы уже упоминали, конструкция и параметры Super Heavy/Starhip заставляет вспомнить неудавшийся проект С.П.Королева — лунно-марсианскую ракету H1-Л3. Та же самая исходная марсианская цель, нестандартная конструкция и аномально большое число высоконапряженных РД с предельными характеристиками. Кажется, что для достижения оптимальной надежности лучше использовать ракету полегче, как, например, уже обсуждавшуюся выше New Glenn.

Скетч двигательной установки Super Heavy
(stanley creative)

Но есть и отличия в лучшую сторону, которые позволяют рассчитывать на успех столь амбициозного проекта. Создатели H1-Л3 работали в условия тотальной спешки и нехватки средств, не имея возможности протестировать первую ступень сверхтяжелой ракеты на стенде и даже сделать контрольный прожиг ее двигательной установки на стартовой площадке. В отличие от советских инженеров 60-х годов, Маск имеет возможность многократно испытать свою многоразовую технику перед первым полетом на орбиту, в том числе путем «подскоков» в беспилотном режиме с управляемой посадкой на Землю.

В 2019 году именно так испытали уменьшенный прототип Starship — т.н. Starhopper («звездный кузнечик»). Это смешной аппарат стал первым реактивным аппаратом, который оторвался от земли на метановом горючем! Вот так — давно уже ездим по Земле в автомобилях на метане, но в воздух поднялись — впервые!

Сейчас прототипы Starship проходят испытания, в ходе которых уже было разрушено пять аппаратов. В основном это были испытания на прочность путем накачки баков жидким азотом. В мае 2020 года была предпринята попытка первого испытательного полета Starship на высоту 150 метров, которая закончилась взрывом. Дальнейшие достижения должны быть следующими:

  • Полет в космос грузового беспилотного варианта Starship Cargo намечен на 2022 год. К этому времени должна быть готова и испытана ракета SuperHeavy, доставляющая Starship в верхние слои атмосферы и обеспечивающая его первоначальный разгон.
  • Уже в 2024 году пилотируемый Starship Crew планировалось задействовать в американской лунной программе Artemis.
  • Под эту же лунную программу создается специальный вариант Starship для полетов между поверхностью Луны и окололунной орбитой.
  • Впоследствии должен появиться Starship Tanker для дозаправки топливом на орбите — его дедвейт составит 150 тонн жидкого кислорода и метана, а до этого в роли заправщиков будет выступать остальные модификации Starship.

Но все эти сроки следует воспринимать с поправкой на последующую коррекцию — так, всего несколько лет назад Маск обещал полет на Марс уже в 2022 году, о чем сейчас не может быть и речи.

О надежности Starship

Орбитальная ступень Starship будет использоваться SpaceX для полетов к Луне и Марсу, а ее размеры и грузоподъемность позволяют разместить там экипаж до 100 человек. При этом, как и на «шаттле», не предусматривается система аварийного спасения, т.е. ставка снова делается на высокую надежность американской техники.

Да, американцы снова собирается наступить на те же самые шаттловские грабли! Space Shuttle, на котором в двух катастрофах погибло 14 человек, был опасной системой, но SuperHeavy/Starship выглядит не менее проблемно. Что стоит Маску сократить экипаж Starship Crew, скажем, до 50 человек, но оборудовать его катапультируемой капсулой с абляционным покрытием и парашютной системой? Неужели мы все уже переселяемся на Марс и надо отправлять туда по 100 человек за раз? На Марсе холодно, пыльно и маловоздушно, для жизни человечества надо проводить его длительное терраформирование — а до этого вполне хватит небольшой колонии.

Тем не менее, Маск намерен сделать полеты для колонизации Марса даже более дешевыми, чем полеты на околоземную орбиту. И он настаивает на том, что система аварийного спасения его будущему космолету не нужна. Наверное. его все-таки заставят пойти на попятную, поскольку допуск к космическим полетам человека выдается в НАСА. А вопрос о статистической надежности Starship будет проясняться во время его эксплуатации. В любом случае, надо дождаться его первых орбитальных полетов, которые могут состояться уже в середине 20-х годов.

Что касается летных испытаний «Старшипа» на Земле — то они начались в августе 2020 года. О них можно прочитать в нашем новом большом материале, который написан в завершение этой статьи:
Полеты зведных кораблей в Бока-Чика

Видео по марсианской программе SpaceX (на англ. языке)

От космолетов к космическим автомобилям

Мы рассмотрели три линии по созданию метановых космических ракет будущего, две из которых осуществляются уже сейчас, а третья — Союз-СПГ намечена для разработки в 20-е годы.

Будущее российского проекта зависит от многих факторов. Его размерность, выбранная по принципу «design to cost» попадает в наиболее востребованную нишу на рынке пусковых услуг, а полноценная многоразовость первой ступени придает суперконкурентные свойства. К сожалению, именно эта суперконкурентность делает Союз-СПГ весьма нежелательным гостем на мировом и внутреннем рынке. Судьба подобных проектов бывает очень непростой.

Не следует думать и о том, что у американских проектов все «долларом намазано». Свои специфические проблемы есть и в «системном» проекте Blue Origin, и во внесистемном проекте SpaceX. Тем не менее, ралли метановых проектов близится к своему завершению и неизбежному переформатированию работы космической отрасли — которое можно отсрочить в интересах отставших от жизни участников рынка, но нельзя отменить.

Заявленные характеристики метановых ракетных двигателей и будущих метановых ракет собраны нами в сводных таблицах.

Метановые РД

проектные
характеристики
РД- 0162 BE-4 Rap tor
масса 2100 кг 1500 кг
земная тяга 204 тс 250 тс 204- 250 тс
УИ земной 321 c 330 с
высотный 356 c 380 с
давление в КС 169 атм 132 атм 296 атм
кратность использования 25 25 50

Метановые РН

РН Союз-СПГ Vulcan
Centaur
New
Glenn
Super Heavy
Star ship
1 ступень
число и
тип РД
5 РД-
0169А
2
BE-4
7
BE-4
31
Raptor
тяга 500 тс 500 тс 1750 тс 7428 тс
масса констр укции 25.4 т 280 т
масса топлива 220 т 3400 т
КС 8.66 12.14
2 ступень
число и
тип РД
1 РД-
0169B
2
RL-10
2
BE-3U
3+3V
Raptor
тяга 95 тс 21.6 тс 144.8 тс 1225 тс
масса констр укции 5.5 т 120 т
масса топлива 77 т 1200 т
КС 14 10
характе ристики РH
стартовая масса 359.4 т 226.3 т 5000 т
длина 48.8 м 61.2 м 98 м 120 м
диаметр 4.1 м 5.4 м 7 м 9 м
ПН на НОО 12.5 т 10.6 т 45 т 100 т

В будущем автомобильная и космическая техника будут работать на одном и том же топливе — СПГ. Здесь сходятся воедино требования экологической чистоты и экономической эффективности. Вероятно, что многоразовые метановые ракеты проторят дорогу для создания частной космической техники. Например, Starship по своей грузоподъемности можно считать огромным космическим «БелАЗом», только без колес. Есть проекты куда меньшего масштабы, например, Крыло-СВ с крыльями и колесами для посадки на аэродром. Еще больше могут походить на автомобили лунные лэндеры-квадроциклы, о которых мы тоже напишем.

В общем, Маск недаром запустил свою «Теслу» к орбите Марсу. Шальная выхода миллиардера является намеком о том, куда движется мир. Вслед за нынешними летающими автомобилями когда-нибудь появятся — космические автомобили, как практичная техника для полетов в космос.

Сокращения:
РН — ракета-носитель
РД — ракетный двигатель
УИ – удельный импульс
ПН — полезная нагрузка
КС — конструктивное совершенство
ТНА — турбонасосный агрегат
ДОГГ — дожигание окислительного генераторного газа
ТТУ — твердотопливный ускоритель

Вы хотите иметь уникальное «Зеркало-бортовой компьютер» на своем авто?

Прямо с нашего сайта Вы можете заказать его! Что это за зеркало?

«Fugicar FC8 зеркало-бортовой компьютер» это супер-функциональный видеорегистратор для записи всего, что происходит на дороге. Обладает объединенной системой камеры и стандартного зеркала заднего вида.

Но это не только видеорегистратор, но еще и небольшой мультимедийный центр! При этом он совершенно не мешает обзору и позволяет удобно внедрить систему видеорегистрации в Ваше авто! Эту уникальную вещь можно

Источник