В космос на бытовом газе

Роскосмос объявил о намерении создать к 2025 году ракетный двигатель, работающий на метане. То есть на сжиженном природном газе. Для чего просит выделить из бюджета 25 млрд. рублей. Однако при внимательном изучении истории деятельности одного из самых неэффективных наших высокотехнологичных ведомств выясняется, что эта работа была уже, по сути, выполнена.

Достоинства и недостатки ракетного топлива

Метановая ракета — это сейчас общемировой тренд. Ее использование способно дать значительные выгоды. И не только экономические. В последнее время практически во всех «космических» странах в той или оной степени готовности разрабатываются двигатели, в которых в качестве горючего будет использоваться метан.

В настоящий момент для ракет-носителей используют жидкий водород, керосин и гептил.

С керосина начиналась космическая отрасль в далеких 50-х годах. Он и сейчас является наиболее востребованным в космическом ракетостроении. Первые наши ракеты «Восток» использовали это горючие в паре с жидким кислородом, окислителем. Сейчас на керосине летают американские ракеты — как с нашими двигателями РД-180, так и собственной разработки Falcon. А также наша новая «Ангара» и совсем старый «Союз».

Керосин имеет высокий удельный импульс — это физическая величина, определяющая отношение количества движения, т.е. импульса (произведение массы на скорость) к скорости расходования топлива. Также у керосина высокая плотность, в связи с чем необходимое количество топлива можно размещать в баках со сравнительно небольшим объемом.

Однако в последнее время ракетчики начали нервничать в связи с грядущим сокращением производства ракетного керосина. Дело в том, что для его получения подходит нефть определенного качества. И такого рода месторождений сравнительно немного. И они постепенно опустошаются. В России, как утверждают двигателисты самарского ЦСКБ «Прогресс», такая нефть добывается в основном на Анастасиевско-Троицком месторождении в Краснодарском крае.

Прекрасным топливом является жидкий водород. Он имеет самый высокий удельный импульс. И производство его не зависит от каких-либо невозобновляемых природных источников. Однако у водорода есть существенный недостаток — низкая плотность, в три раза меньшая, чем у керосина. В связи с чем его не используют на первых ступенях ракет, слишком большое количество требуется на начальном этапе полета. Так, первая ступень самой мощной ракеты — американской «Сатурн-5» — работала на керосине. Вторая и третья — на жидком водороде. В космическом челноке и вовсе на первом этапе полета использовался твердотопливный ускоритель.

Однако для разгонных блоков — ступеней, идущих после первой — это горючее подходит идеально. Но есть и еще один недостаток. Жидкий водород — низкокипящее топливо. В заправленной ракете его необходимо держать при температуре — 255 градусов, что требует использования мощной криогенной аппаратуры. Также в заправленном состоянии ракета может находиться недолго. В случае отмены старта ее приходится перезаправлять.

Существует лишь одна ракета-носитель, в которой в качестве топлива используется жидкий водород в двигателях всех ступеней. Это американская «Дельта-4». Ее маршевый двигатель развивает тягу, равную 300 тоннам силы.

В начале 60-х годов в качестве ракетного топлива и в Советском Союзе, и в США начали использовать гептил. Он имеет практически ту же плотность, что и керосин. И при этом у него выше удельный импульс в паре с жидким кислородом (окислителем) — 344 с против 335 с. (У жидкого водорода — 428 с). Гептил находится в жидком агрегатном состоянии при обычной температуре, то есть не требует криогенной аппаратуры. При соединении с окислителем воспламенение происходит автоматически.

Все это очень хорошо. Однако гептил — сильнодействующий яд. И претензии казахов к запуску на Байконуре гептиловых ракет более чем обоснованы. Даже отработанные топливные баки, падающие на землю, наносят природе ощутимый вред. Аварии же являются экологическими катастрофами. Гептил был хорош во время «холодной войны», когда на такие «мелочи» не обращали внимания. К «нервно-паралитическому» классу ракет относятся лишь наши «Протоны». Американцы, французы, японцы и даже китайцы к настоящему моменту отказались от использования в качестве топлива гептила.

Чем хорош метан

Использование метана в качестве ракетного топлива обладает целым рядом достоинств. Он не ядовит. Дешев. В обозримом будущем не предвидится сокращения его добычи. Имеет более низкую взрывоопасность, чем водород и керосин. Топливная система ракеты, использующей метан, прекрасно приспособлена для многократного применения — остатки горючего легко испаряются при нормальной температуре.

По прочим параметрам он занимает промежуточное положение между жидким водородом и керосином. Плотность СПГ в 6 раз выше, чем у жидкого водорода. Но в 2 раза ниже, чем у керосина. Однако с учетом более высокого соотношения расходов окислителя и горючего, чем у жидкого кислорода (ЖК) и керосина, общий объем окислителя и горючего (ЖК + СПГ) лишь на 20% выше, чем у пары ЖК + керосин.

Если же учитывать высокий удельный импульс СПГ, то по сумме характеристик двигатель на СПГ должен иметь энергетическое преимущество в сравнении с керосиновым порядка 3% - 5%.

Поскольку температура испарения СПГ значительно выше, чем у жидкого водорода, то существенно упрощается криогенное оборудование.

И еще одно громадное достоинство пока еще не появившегося двигателя. Он не имеет существенных отличий, усложняющих процесс конструирования и испытаний, от водородных двигателей.

Роскосмос борется за бюджет

Федеральная космическая программа 20015 — 2025 г. г. (ФКП) направлена в правительство для согласования и утверждения. Надо сказать, что 25 млрд., запрашиваемые на метановый двигатель, это сущие крохи. На все же грандиозные прожекты ФКП Роскосмос просит 1 521 млрд. Совсем недавно эта сумма составляла 2 300 млрд., но в связи с ухудшением экономической ситуации аппетиты пришлось умерить. Среди секвестированных проектов — создание к 2025 году ракеты с ядерным двигателем.

Что же касается непосредственно двигателя на СПГ, то планы его создания у Роскосмоса более чем странные. Предполагается создать демонстратор метанового двигателя средней тяги второй ступени и разгонных блоков, чтобы не отстать в плане технологий от зарубежных конкурентов. Но при этом разработка будет засунута в ящик, неизвестно насколько долго: выпуск двигателя к 2025 году не планируется. А о создание ракеты с метановым двигателем и вовсе не идет речи.

Во-первых, прекрасно известно, что разработки, не воплощенные в серийную продукцию, довольно скоро реализовать невозможно. В силу различных как объективных, так и субъективных причин. Прекрасное тому подтверждение — челнок «Буран».

Во-вторых, похоже, Роскосмос плохо ориентируется в том, что же происходит на предприятиях отрасли. ФКП предполагает, что метановый двигатель сможет разработать либо химкинское НПО «Энергомаш» им. В.П.Глушко, либо воронежское КБ Химавтоматики, либо самарское ЦСКБ «Прогресс». Но дело в том, что эти предприятия специализируются на использовании в качестве топлива керосина и гептила — высококипящих жидкостей. Лишь воронежцы много лет назад делали водородный двигатель.

А для создания метанового двигателя необходим, прежде всего, опыт в разработке водородных двигателей, наиболее близких к метановым по конструкции.

Такой опыт имеется у неупомянутого авторами ФКП королёвского КБ Химмаш им. А.М.Исаева. Более того, готов и двигатель на СПГ. К работе над новой темой исаевцы приступили в 1994 году. После проведения НИР было решено использовать в качестве прототипа кислородно-водородный двигатель КВД1 с тягой 7,5 тонны. После доработки двигателя были проведены огневые испытания всех его систем. А летом 1997 года модернизированный двигатель выдал полновесную тягу при использовании в качестве топлива СПГ.

Правда, это был еще не двигатель, а, по сути, стенд. Или, как значится в ФКП, «демонстратор». Двигатель, получивший название С5.86, был построен в количестве двух экземпляров. Его характеристики таковы:

Тяга в пустоте — 7500 кгс

Удельный импульс — 370 с

Суммарный расход топлива — 20,27 кг/с.

Следует обратить внимание на то, что удельный импульс этого двигателя существенно выше, чем у керосинового.

Понятно, что с такой тягой первая ступень ракеты быть не может. Но ФКП этого и не требует. С5.86 способен прекрасно работать при использовании его в разгонных блоках. Однако в арсенате КБ Химмаш есть и двигатели (водородные) с тягой в 50 тонн. В случае их модернизации под СПГ можно получить двигатель второй ступени.

Тем не менее, в ФКП КБ Химмаш не упоминается в качестве разработчика нового двигателя.

Справедливости ради следует сказать, что на втором месте по готовности нового двигателя находится воронежское КБ Химавтоматики. Здесь недавно был создан демонстрационный образец двигателя, получившего название РД0162. Он имеет солидную тягу в 200 тонн. Правда, удельный импульс пониже, чем у С5.86, — 350 с.

Также под большим вопросом находится утверждение авторов федеральной программы о том, что использование СПГ позволит снизить стоимость запусков в полтора-два раза. И это при том, что стоимость горючего не превышает 0,3% от стоимости ракеты. Какой-то эффект может быть получен в случае многоразового использования двигателя. То есть ракета должна быть многоразовой. Однако судьба такой ракеты в нашей стране покрыта мраком и неизвестностью. Так, согласно ФКП на 2006 — 2015 г. г., она должна быть уже готова. И новый пилотируемый космический корабль, созданный на основе новых технологий, также уже должен летать. Увы, наши космические программы в некоторых своих частях напоминают сочинения фантаста Роберта Желязны.

Что же касается зарубежных разработок двигателя на СПГ, то о них объявило более десятка компаний. Вот некоторые из них:

— SpaiceX — для ракеты Falcon;

— United Launch Alliance (ULA) — для ракеты Vulcan. Новый двигатель на СПГ должен использоваться взамен российского РД-180;

— XCOR Aerospace;

— FireFly Space Systems;

— Blue Origin.