Вслед за американскими Blue Origin и SpaceX "Роскосмос" заявил о создании метанового ракетного двигателя уже через три-четыре года, и это очень хорошая новость.

НПО "Энергомаш" приступило к разработке принципиально нового ракетного двигателя на метане - РД-169. На его основе в течение пяти-шести лет может быть создана первая российская ракета с многоразовой первой ступенью, утверждает глава НПО "Энергомаш" Игорь Арбузов.

Впрочем, на самом деле Арбузов, сообщивший журналистам о создании двигателя, вовсе не говорил ничего о "принципиально новом" движке - и это не просто так. РД-169 - это проект 1990-х годов, долгое время лежавший на полке и обретший актуальность лишь в новых условиях - благодаря сильной коммерческой конкуренции со стороны американских компаний. Почему двигатель из 90-х ждал своего часа так долго и за что его стоит любить и сегодня - попробуем разобраться ниже.

Новый двигатель или не совсем?

Всё началось с интервью главы "Энергомаша" Игоря Арбузова РИА "Новости". В нём он сообщил: "Двигатель получил название РД-169. Это фактически новый двигатель, создающийся на основе тех знаний, которые мы формировали с начала 2000-х годов... Нам нужно три-четыре года, и мы сможем приступить к испытаниям полноценного метанового двигателя".

Здесь очень важно слово "фактически". Дело в том, что на самом деле проект метанового ракетного двигателя получил название "РД-169" в далекие 90-е годы. Борис Каторгин, тогдашний глава "Энергомаша", двадцать лет назад, летом 1998 года, так эту новинку: "В настоящее время для РН легкого класса "Рикша-1" разработан эскизный проект двигательного модуля РД169... Тяга у Земли 15 тс, в пустоте 17 тс..." и так далее. По данным эскизного проекта 1998 года, это довольно простой, лёгкий и небольшой (диаметр - всего 50 сантиметров) однокамерный жидкостный ракетный двигатель, сжигающий смесь жидкого метана (или природного газа) и жидкого кислорода.

Тогда почему Арбузов говорил "фактически новый"? Всё просто: в 1998 году это был эскизный проект, и Каторгин отмечал, что на его отработку после начала финансирования потребуется четыре года. С тех пор, всё ещё не получая финансирования на этот проект от государства, НПО "Энергомаш" с американской компанией Pratt & Whitney. Та заказала разработку и испытания РД-0146. Потом на базе этого двигателя энергомашевцы провели свои первые опыты по сжиганию метан-кислородной смеси в ракетном двигателе (о таких опытах и упомянул Арбузов). То есть то, что в 1998 было просто эскизом, сегодня опирается на опыты, хотя бы и проделанные на другом движке.

Зачем нам метановый ракетный двигатель?

Для космоса преимущества метана над керосином не в том, что он в разы дешевле. Более важно то, что метан не оставляет сажи при сгорании. Поэтому двигатели на нём можно много раз использовать повторно: как Каторгин ещё в 1998 году, без "...специальной обработки полостей..., что облегчает многократное их использование без переборки".

На сегодня российские "Протоны" с коммерческого рынка почти полностью вытеснены более дешёвыми американскими ракетами Falcоn 9 c многоразовой первой ступенью. Однако пока ракетные двигатели их первой ступени - так же, как и современные российские - работают на керосине и кислороде, отчего в них накапливается сажа. Реалистичные оценки многоразовости первых ступеней с "сажевыми" двигателями - порядка десятка раз, дальше нужна переборка. Если Россия выпустит на рынок ракету с метановыми двигателями первой ступени, то её можно будет использовать больше раз, чем ракету конкурента, Falcоn 9. То есть наши пуски могут оказаться дешевле.

Поэтому создание российского метанового движка для многоразовой ракеты можно только приветствовать. SpaceX и сама планирует перевести Falcоn 9 на метан, но получится это у неё или нет - ещё очень большой вопрос. А пока стоит отметить, что при "метановой" первой ступени будущая российская ракета сможет как минимум на равных побороться за зарубежные коммерческие заказы.

Метан не единственное ракетное топливо, пригодное для многоразовых первых ступеней. Водород при сгорании тоже сажи не даёт. Однако температура его сжижения - минус четверть тысячи градусов, куда ниже, чем у жидкого метана. Требующаяся для него криогенная инфраструктура много сложнее и дороже. Есть и другие проблемы - водород плохо удерживается даже в охлаждаемых ёмкостях, иной раз "утекая" из них за считаные месяцы. Метан и здесь лучше - хранить его сжиженным можно годами.

Почему такой маленький?

РД-169 - небольшой двигатель и по тяге, и по размерам. Может возникнуть вопрос: почему? Понятно, зачем такой "малыш" был нужен в 1998 году: на его основе планировали делать лёгкую ракету "Рикша-1", в такую совсем большой двигатель не поставишь. Но сейчас РД-169, по словам Арбузова, планируется использовать в "многоразовой ракете-носителе среднего класса для коммерческого использования". Зачем же средней ракете малый двигатель?

Всё дело в слове "многоразовой". Для многоразовой ракеты нужно много мелких двигателей на первой ступени (у Falcon-9 их девять штук). Один большой двигатель при посадке на хвост даст слишком большую тягу. И ракета не сможет сесть - она будет парить над площадкой, пока не кончится топливо, а потом упадет на неё, получая повреждения. Совсем другое дело, если взять сразу несколько РД-169 и поставить в первую ступень. В этом случае достаточно использовать при посадке только один из них и ракета "встанет на ноги" без проблем.

Чтобы понять, насколько несколько малых двигателей лучше одного большого, можно к опыту российского частного космоса. Отечественная S7 Space планирует для своего "Морского старта" применить ракеты со старинным советским двигателем НК-33, созданным ещё для лунной программы. Как и следует ожидать от двигателя для полётов к Луне, он довольно большой и мощный.

Как отметил Павел Пушкин, глава другой частной космической компании "Космокурс", "ракеты - это не лего-кубики. На одном НК-33 посадить ракету будет сложноватенько [из-за слишком большой тяги одного большого двигателя]... Проект получается очень проблематичным с точки зрения вероятности успешного осуществления. Я понимаю, что выхода другого вроде как и нет, но это тоже, по моему мнению, не выход, а самообманочка". Трудно не порадоваться за энергомашевцев, которые пока прошли мимо "самообманочки", выбрав малые метановые двигатели.

Перспективы модульности?

Интересно, что в эскизном проекте РД-169 от 1998 года учитывался и такой вариант: если нужна ракета с большой грузоподъёмностью, то берётся шесть двигательных модулей РД-169, объединяются в один блок, который получает название РД-190. Тогда, в отличие от ракеты типа "Рикша-1", можно будет вывести на низкую околоземную орбиту уже не 1,7 тонны, а сразу много тонн. Если использовать "пакет" из нескольких РД-190 (каждый из которых - шесть РД-169), то можно получить уже не среднюю ракету с многоразовой первой ступенью, а тяжёлую ракету с такой же ступенью.

Потенциально это очень важно. Дело в том, что Falcon 9, как и разрабатываемая другой американской компанией ракета New Glenn, - носитель тяжёлый. Поэтому он может вывести на орбиту даже тяжёлый спутник и всё равно посадить первую ступень самой ракеты. Грузоподъёмность тяжёлого носителя позволяет оставить достаточный запас топлива у первой ступени. Как отмечает Арбузов, российскую многоразовую ракету планируют средней. Это легко понять: первый опыт в области посадки ракет на хвост - дело довольно рискованное. Вдруг что-то пойдёт не так. Falcon 9 в начале своей карьеры тоже был средним и только после успешных полётов постепенно вырос до тяжёлого.

Но у средней ракеты с многоразовой первой ступенью будет проблема - она не сможет выводить в космос действительно тяжёлые спутники и при этом сажать первую ступень. Ей банально не хватит топлива. В случае использования двигательных модулей РД-169 перспективному среднему российскому носителю для коммерческих запусков будет проще стать тяжёлым. Тем самым он сможет оставаться многоразовым даже при запуске больших коммерческих спутников. Пойдёт ли "Роскосмос" по этому пути - вопрос пока открытый.

Немного осторожности

Следует понимать: далеко не все анонсированные в прессе проекты становятся реальностью - и у нас, и у NASA. В 1990-е энергомашевцы уже предлагали метановые двигатели. Вопрос не в том, могут ли они их создать или нет - определенно могут, а в том, доведут ли проект до фактического результата. То, что потенциал у НПО "Энергомаш" есть, - очевидно. В конце концов, именно оно недавно контракт на поставку ещё шести ракетных двигателей РД-180 в США к 2020 году.

Для того чтобы РД-169 (и многоразовая ракета на нём) стали металлом - нужны деньги, которых "Роскосмосу" часто не хватает. Не случайно Игорь Арбузов, говоря о концепции метановой многоразовой ракеты, : "Я думаю, что в течение пяти-шести лет можно выйти на создание такого носителя, если решение будет принято госкорпорацией Роскосмос". "Если" - для российской космонавтики очень могущественное слово. Только будущее покажет, будет ли такое решение принято на практике.

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;

Вопрос снижения стоимости запусков ракет-носителей стоял всегда. Во времена космической гонки СССР и США мало задумывались о затратах - престиж страны стоил неизмеримо дороже. Сегодня сокращение расходов «по всем фронтам» стало общемировым трендом. Топливо составляет всего 0,2…0,3% от стоимости всей ракеты-носителя, но кроме стоимости топлива важен еще такой параметр, как его доступность. А здесь уже есть вопросы. За последние 50 лет список жидких горючих, широко использующихся в ракетно-космической отрасли мало изменился. Давайте же их перечислим: керосин, водород и гептил. Каждое из них имеет свои особенности и по-своему интересно, но у всех есть хотя бы один серьёзный недостаток. Вкратце рассмотрим каждое из них.

Керосин

Начал применяться ещё в 50-х годах и остаётся востребован и по сей день - именно на нём летают наша Ангара и Falcon 9 от SpaceX . Обладает множеством преимуществ, среди которых: высокая плотность, низкая токсичность, обеспечивает высокий удельный импульс, пока что приемлемая цена. Но производство керосина сегодня сопряжено с большими трудностями. Например, 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.

«Ангара 1.1» на керосиновом двигателе РД-193

Водород

Сегодня водород, наряду с метаном, является одним из самых перспективных ракетных горючих. На нём летает сразу несколько современных ракет и разгонных блоков. В паре с кислородом он (после фтора) выдаёт самый высокий удельный импульс и для использования в верхних ступенях ракеты (или разгонных блоках) подходит идеально. Но чрезвычайно низкая плотность не позволяет в полной мере использовать его для первых ступеней ракет. Есть у него ещё один недостаток - высокая криогенность. Если ракета заправлена водородом, то он находится при температуре около 15 кельвинов (-258 по Цельсию). Это приводит к дополнительным затратам. Если сравнивать в керосином, то доступность водорода достаточно высока и его получение не является проблемой.

«Delta-IV Heavy» на водородных двигателях RS-68A

Гептил

Он же НДМГ или несимметричный диметилгидразин. У этого горючего всё ещё остаются сферы применения, но оно постепенно отходит на задний план. И причиной тому его высокая токсичность. Он обладает почти такими же, как керосин энергетическими показателями и является высококипящим компонентом (хранение при комнатной температуре) и, поэтому, в советское время использовался достаточно активно. Например, ракета Протон летает на высокотоксичной паре гептил+амил, каждый из которых способен убить человека, вдохнувшего по неосторожности их пары. Использование таких топлив в современное время неоправдано и является неприемлемым. Горючее находит применение в спутниках и межпланетных зондах, где оно, к сожалению, незаменимо.

«Протон-М» на гептиловых двигателях РД-253

Метан как альтернатива

Но есть ли топливо, которое удовлетворит всех и будет стоить дешевле всех? Возможно, это метан. Тот самый голубой газ, на котором некоторые из вас сегодня готовили пищу. Предлагаемое горючее является перспективным, активно осваивается другими отраслями промышленности, обладает более широкой сырьевой базой по сравнению с керосином и низкой стоимостью - это является важным моментом, учитывая прогнозируемые проблемы производства керосина. Метан как по плотности, так и по эффективности находится между керосином и водородом. Способы получения метана многочисленны. Главный источник метана природный газ, который состоит на 80..96% из метана. Остальное - это пропан, бутан и другие газы того же ряда, которые можно вообще не удалять, они очень схожи по свойствам с метаном. Другими словами, можно просто сжижать природный газ и использовать его как ракетное топливо. Метан можно получать и из других источников, например, переработкой отходов животноводства. Возможность использования метана в качестве ракетного топлива рассматривается уже на протяжении десятков лет, однако сейчас есть только стендовые варианты и экспериментальные образцы таких двигателей. Например, в химкинском НПО «Энергомаш» исследования в части использования сжиженного газа в двигателях велись с 1981 года. Прорабатываемая сейчас в «Энергомаше» концепция предусматривает разработку однокамерного двигателя тягой в 200 т на топливе «жидкий кислород - сжиженный метан» для первой ступени перспективного носителя легкого класса. Космическая техника ближайшего будущего обещает быть многоразовой. И тут открывается ещё одно преимущество метана. Он криогенный, а, значит, достаточно нагреть двигатель хотя бы до температуры -160 по Цельсию (а лучше выше) и двигатель сам освободится от компонентов топлива. По мнению специалистов он более всего подходит для создания многоразовых ракет-носителей. Вот что о метане думает главный конструктор НПО «Энергомаш» Владимир Чванов:

Удельный импульс у двигателя на СПГ высокий, но это преимущество нивелируется тем, что у метанового топлива меньшая плотность, поэтому в сумме получается незначительное энергетическое преимущество. С конструкционной точки зрения метан привлекателен. Чтобы освободить полости двигателя, нужно только пройти цикл испарения - то есть двигатель легче освобождается от остатков продуктов. За счет этого метановое топливо более приемлемо с точки зрения создания двигателя многоразового использования и летательного аппарата многоразового применения.

Ещё один довод в пользу использования метана - возможность добывать его на астероидах, планетах и их спутниках, обеспечивая возвращаемые миссии топливом. Там намного легче добывать метан, чем керосин. Естественно, о возможности привозить топливо с собой не может быть и речи. Перспектива таких дальних миссий, весьма отдалённая, но некоторые работы уже ведутся.

Будущее, которое так и не наступило

Так почему же метан в России так и не стал практически используемым горючим? Ответ достаточно прост. С начала 80-х в СССР, а потом и в России не было создано ни одного нового ракетного двигателя. Все российские «новинки» - это модернизация и переименование советского наследия. Единственный честно созданный комплекс - «Ангара» - с самого начала планировался как керосиновый транспорт. Его переделка обойдётся в копеечку. Вообще, Роскосмос постоянно отклоняет метановые проекты потому, что там связывают «добро» на хотя бы один подобный проект с «добром» на полную перестройку отрасли с керосина и гептила на метан, что считается долгим и дорогостоящим мероприятием.

Двигатели

На данный момент есть несколько компаний, заявляющих о скором использовании метана в своих ракетах. Двигатели, которые создаются:

• КВРД FRE-1 от Firefly Space Systems ;
• Blue Engine 4 (BE-4) от Blue Origin;
• С5.86 от КБХМ им. Исаева;
• Раптор (Merlin 2 ?) от SpaceX ;
• Пока безымянный двигатель от НПО «Энергомаш» на основе их универсальной ракетной камеры;
• РД0110МД, РД0162, созданные в Конструкторском бюро химавтоматики .

FRE-1 /

РЕУТОВ /Московская область/, 13 июля. /ТАСС/. Стендовые испытания опытного образца метанового ракетного двигателя запланированы на конец 2019 года - начало 2020 года. Испытания пройдут на территории КБ химавтоматики (КБХА, Воронеж), сообщил в пятницу ТАСС гендиректор НПО "Энергомаш" (предприятие - разработчик метанового двигателя) Игорь Арбузов.

"Сейчас пока идет стадия разработки конструкторской документации, но постепенно подходим к стендовым испытаниям. К концу 2019 года - началу 2020 года будет испытание опытного образца, в зависимости от финансирования. Испытания, скорее всего, пройдут в КБХА", - сказал он.

По его словам, метановый двигатель рассчитан на применение на многоразовых ракетах, если решение об их создании будет принято. "Сегодня это пока как научно-технический задел", - отметил Арбузов, уточнив, что новый двигатель можно также использовать в новых ракетах-носителях среднего класса, таких как "Союз-5".

"Вопрос в том, насколько мы готовы сегодня к применению этого двигателя, в том числе в пилотируемых системах. Нужна летная статистика, нужны серьезные гарантии надежности этих двигателей", - добавил Арбузов.

Ранее главный конструктор НПО "Энергомаш" Петр Левочкин сообщал в интервью ТАСС, что специалисты провели огневые испытания ракетных двигателей на кислородно-метановом топливе. В Роскосмосе отмечали, что метан рассматривается как один из перспективных видов горючего для ракетной техники. Этот природный газ обладает широкой сырьевой базой и низкой стоимостью по сравнению с керосином. Как по плотности, так и по эффективности метан находится между керосином и водородом.

Метановый двигатель

Ранее сообщалось, что Роскосмос выделил 809 млн рублей Конструкторскому бюро химавтоматики на разработку метанового ракетного двигателя. Соответствующая информация была опубликована на сайте госзакупок. Согласно документации, КБХА являлось единственным участником конкурса, проведенного госкорпорацией. Работы должны быть выполнены к 25 ноября 2018 года.

Исполнитель должен разработать опытный образец ракетного двигателя с тягой 85 тонн, провести испытания экспериментального двигателя тягой 40 тонн и двигателя-демонстратора с тягой 7,5 тонны. В качестве компонентов топлива планируется использовать жидкий кислород и сжиженный природный газ (на 95% состоит из метана). Двигатель должен иметь возможность многократного применения.

Дальнейшее развитие ракетной техники и жидкостных ракетных двигателей связано со снижением затрат на выведение полезных нагрузок в космос и повышением безопасности полетов. Снижение стоимости выведения полезных нагрузок может быть достигнуто путем создания средств выведения многоразового использования.

Для повышения надежности конструкции ракет-носителей предлагается использовать двигательные установки первых ступеней носителя, состоящих из нескольких модульных двигателей, и в случае отказа одного из двигателей система аварийной защиты (САЗ) отключает отказавший двигатель, а оставшиеся работоспособные двигатели форсируются на величину тяги, компенсирующую потерю отказавшего двигателя. Тем самым обеспечивается выполнение задачи ракеты-носителя.

Разработка ЖРД на экологически чистых компонентах топлива: метан (сжиженный природный газ) в паре с жидким кислородом отвечает тенденциям развития современных ракет-носителей.

Во-первых, использование в двигателе двух криогенных компонентов во многом способствует решению задач по многоразовому использованию двигателя, так как после выключения кислородно-метанового ЖРД остатки топлива быстро испаряются из его магистралей.

Во-вторых, возможность реализации на данных компонентах топлива схем ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа позволяет повысить надежность конструкции ракет-носителей: последствия от неисправностей в газовом тракте с избытком метана от генератора до камеры развиваются значительно медленнее, чем в газовом тракте с избытком кислорода, что облегчает задачу САЗ вовремя отключить отказавший двигатель.

Изучение метановых ЖРД началось в Японии около 20 лет назад как возможность совершенствования ракеты H-II. Недавно в Японии было начато рассмотрение возможностей создания двухступенчатой ракеты среднего класса "J-l upgrade", как замены существующей ракеты J-1, с использованием метанового ЖРД на второй ступени . Проведены огневые испытания двигателя. Основной двигатель разработан специалистами компании XCOR Aerospace, и он пока не готов к использованию в космических полетах, но если технология себя оправдает, ракетные двигатели такого типа смогут стать ключом к межпланетным полетам и освоению дальнего космоса.

Видео: испытания метанового двигателя в пустыне Мохаве

Удивительно, но этот легковоспламеняющийся газ никогда раньше не использовался в качестве ракетного топлива. Только теперь группы ученых и инженеров из различных исследовательских центров разрабатывают жидко-кислородно-метановые двигатели будущего, чтобы облегчить процесс освоения космоса и сделать возможным межпланетные полеты.

У метана очень много преимуществ. Жидко-водородное топливо, используемое в космических аппаратах, должно храниться при температуре -252,9 градусов Цельсия - всего лишь на 20 градусов выше температуры абсолютного нуля! Жидкий метан, в свою очередь, можно хранить при более высоких температурах (-161,6 оС). Это означает, что баки с метаном не требуют мощной теплоизоляции, т.е. становятся легче и дешевле. Кроме того, баки могут быть меньше в размерах, т.к. жидкий метан плотнее жидкого водорода, что также может сэкономить много средств для запуска ракеты в космос. А еще метан безопасен для человека и экологически чист, в противоположность некоторым видам токсичного ракетного топлива, применяемым сейчас в космических аппаратах. Основным преимуществом метана, являются его значительные запасы, и относительно невысокая стоимость. Помимо этого, метан достаточно быстро испаряется, облегчая процесс очистки многоразовых топливных баков и двигателей. Кроме того, метановое топливо имеет более высокий удельный импульс, и по показателю тяги на один килограмм, превосходит керосин на семь-десять процентов.

Однако у нового топлива есть и недостатки. Метан обладает меньшей плотностью, а значит для его использования, потребуются более вместительные топливные баки.

Большой проблемой в разработке метановых двигателей остается вопрос о способности метана к воспламенению. Некоторые виды ракетного топлива воспламеняются спонтанно при применении окислителей, но метану требуется запал. Сделать такой запал очень тяжело на далеких планетах, где температура опускается на сотни градусов ниже нуля. Сейчас ведутся разработки такого запала, который надежно работал бы в любых условиях. У метана слегка хуже импульс, чем у водорода, однако это всё лучше, чем у керосина. При этом он намного дешевле, что важно при частых рейсах. Кроме того, его можно хранить при значительно более высоких температурах, а значит, он не будет подвергать охрупчиванию материал баков, как это происходит с жидким водородом.

Но все же самым важным является то, что метан есть на многих планетах и спутниках, которые NASA планирует посетить в будущем. Среди них - Марс. И хотя Марс не очень богат метаном, метан можно получить с помощью эффекта Сабатье: смешать немного углекислого газа (СО2)с водородом (Н), затем нагреть смесь для получения СН4 и Н2О - метана и воды. Атмосфера Марса содержит огромное количество углекислого газа, а небольшое количество водорода, требуемого для процесса, можно привезти с собой с Земли или добыть изо льда прямо на Марсе.