Новая ракета Starship от SpaceX использует двигатель Raptor.Жидкий метан и кислород являются топливом этого двигателя.В Falcon 9 и Falcon Heavy в качестве топлива используется керосин (RP-1).Более того, водород уже давно используется в различных ракетах.Но SpaceX выбрала метан для своего Raptor.Ни одна другая ракета никогда не использовала метан в качестве ракетного топлива.
Это потому, что жидкий водород требует строгого контроля температуры, легко протекает, менее плотен, поэтому требует большего топливного бака, дорог по сравнению с метаном, не подходит для многоразовой ракеты и миссии на Марс, требует передовой металлургии;следовательно, это увеличивает сложность и стоимость ракеты.
Давайте уточним.
SpaceX разработала Raptor.Это полнопоточный двигатель со ступенчатым циклом сгорания, работающий на метане.Двигатель Raptor — первый в истории полнопоточный двигатель со ступенчатым циклом сгорания, когда-либо использовавшийся на ракете.Ни один ракетный двигатель, использующий метан, никогда не достигал орбиты, за исключением ракет SpaceX.
Starship компании SpaceX — это марсианская ракета быстрого повторного использования.Ракеты Falcon не являются полностью многоразовыми.Первая ступень этой ракеты многоразовая, а верхняя ступень — нет.
Еще одна проблема с ракетами Falcon 9 и Falcon Heavy заключается в том, что их невозможно быстро использовать повторно.После каждого полета эта ракета нуждается в капитальном ремонте, прежде чем SpaceX сможет использовать ее снова.Основная причина заключается в том, что топливом ракеты Falcon является керосин (РП-1).Сгоревшее топливо оставляет сажу в моторном отсеке Merlin, что затрудняет его повторное использование без тщательной очистки.
Марсианский план SpaceX:
Как мы упоминали ранее, Илон Маск хочет отправиться на Марс.Космическому кораблю потребуется более 6 месяцев, чтобы добраться до Марса с Земли.Путешествие туда и обратно составляет 12 месяцев.
Мы знаем, что атмосфера Марса содержит CO2 и замерзшую воду в земле.На Марсе мы можем создать метан (CH4), используя эти ресурсы.
Во-первых, с помощью электролиза мы можем разделить воду (H2O) на водород (H2) и кислород (O2).
2Н2О = О2 + 2Н2
Кислород и водород будут собираться в отдельные контейнеры.Люди будут использовать кислород, полученный на этом этапе.
На следующем этапе, посредством химического процесса, известного как процесс Сабатье, углекислый газ (CO2) и водород (H2) создадут метан (CH4).
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
Метан (CH4) и вода будут собираться в отдельные контейнеры.В качестве топлива Starship будет использовать метан (CH4) и кислород (O2).Марсиане могут пить воду (H2O), полученную на этом этапе, или использовать ее для производства кислорода и водорода.
Астронавты уже используют эти шаги для производства кислорода из воды и удаления углекислого газа на Международной космической станции (МКС).Поскольку этот процесс был протестирован;следовательно, мы также можем использовать его на Марсе.Разница лишь в том, что МКС выбрасывает метан (CH4) в космическое пространство, а на Марсе мы будем собирать его в контейнеры в качестве ракетного топлива.
В описанном выше процессе мы можем производить как метан (CH4), так и водород (H2).
| Керосин (РП-1) | Метан | Водород | |
| Плотность | 813 г/л | 422 г/л | 70 г/л |
| Соотношение окислителя и топлива | 2,7 : 1 | 3,7 : 1 | 6 : 1 |
| Эффективность | 370 с | 459 с | 532 с |
| Температура сгорания | 3670 К | 3550 К | 3070 К |
| Точка кипения | 490 К | 111 К | 20 К |
| Побочные продукты сгорания | CO2, H2O и черная сажа. | CO2 и H2O | H2O |
| Производство на Марсе | No | Да | Да |
В ракетной технике КПД двигателя измеряется в удельном импульсе (ISP).
Упрощенным сравнением будет расход топлива нашего автомобиля с бензиновым двигателем.Чем выше расход топлива автомобиля, тем больший пробег он может проехать на 1 галлоне бензина и тем эффективнее он будет.
Теперь предположим, что у нас есть 1 фунт ракетного топлива.Это может быть керосин (RP-1), метан (CH4) или водород (H2).
Интернет-провайдер измеряется в секундах.Это измерение того, сколько секунд двигатель может развивать силу 9,8 ньютона при фиксированном количестве топлива.Чем выше он может развивать силу 9,8 ньютонов при том же количестве топлива, тем выше эффективность или ISP.
Если у нас есть один ракетный двигатель с ISP 100 и другой с ISP 150, то второй двигатель с ISP 150 более эффективен, потому что он может выполнить больше работы с тем же количеством топлива.
Из приведенной выше таблицы мы видим, что водород более эффективен по сравнению с метаном.Однако у водорода есть несколько проблем.
SpaceX хочет, чтобы их ракета была простой, дешевой и надежной.По словам Илона Маска: «лучшая часть — это отсутствие роли;лучший процесс — это отсутствие процесса».
Хотя водород эффективен по сравнению с другими ракетными топливами, он усложняет ракетные двигатели и конструкцию ракет.
Водород – криогенная жидкость.Его температура плавления составляет -259°C или -435°F, а температура кипения - -252°C или -423°F.Водород необходимо хранить при чрезвычайно низких температурах, чтобы он оставался в жидкой форме.Из-за этого водородная ракета нуждается в изоляции баков, что увеличивает вес ракеты, сложность производства и стоимость.
Кроме того, возникают другие проблемы из-за низкой температуры кипения водорода.
Во время долгого путешествия на Луну и Марс водород выкипит и испарится.Более того, во время возвращения звездолета на Землю выделяющееся тепло создаст серьезную техническую проблему, связанную с сохранением сжиженного водорода в топливном баке.
Однако у Метана этих проблем нет.
Водородное охрупчивание является серьезной проблемой.Когда металл вступает в контакт с криогенным водородом, он становится хрупким.Поэтому конструкция многоразовой ракеты, использующей водород, очень сложна и трудна.Водородные двигатели нуждаются в передовой металлургии, чтобы предотвратить это охрупчивание.
Метан (CH4) не создает проблемы охрупчивания.
Плотность водорода 70 г/л.Напротив, плотность метана составляет 422 г/л.В результате топливный бак водородной ракеты должен быть значительно больше, чем у ракеты, работающей на метане.Большой танк – это более тяжелая ракета.
Следовательно, ракета на метане будет легче ракеты на водороде.
Водород – самая маленькая молекула на Земле.Легко протекает, в первую очередь через сварные соединения топливных баков.Поэтому требуется исключительная точность и забота о том, чтобы топливный бак был герметичным.
У метана такой проблемы с утечкой нет.
Водород также дорог по сравнению с метаном (CH4).
Как мы видим, хотя водород и более эффективен, у него есть много недостатков.
Поэтому SpaceX нужен ракетный двигатель, у которого нет этих проблем.
Когда компания SpaceX впервые приступила к проектированию двигателя, она не хотела рисковать созданием совершенно нового типа двигателя, который никто не разрабатывал.Поэтому для своих ракет семейства Falcon они решили использовать керосин (РП-1).Когда они добились успеха с двигателем Marlin, они начали исследования и разработки для Raptor, работающего на метане.
Суммируя,Жидкий метан (CH4) имеет ряд преимуществ перед жидким водородом.Легче хранить.Пассивной системы охлаждения достаточно, чтобы поддерживать криогенную температуру метана, который значительно плотнее водорода.Ракетный топливный бак на метане меньше и громоздче.Вот почему SpaceX использует метан и не использует водород.
Время публикации: 20 ноября 2023 г.