В космос на бытовом газе. В россии разработан эскизный проект метанового ракетного двигателя

Финансирование проекта предусмотрено новой Федеральной космической программой на 2016–2025 годы

Роскосмос планирует начать разработку ракетного двигателя на природном газе в ближайшее время. Финансирование соответствующей разработки заложено в проекте Федеральной космической программы на 2016–2025 годы (ФКП), направленном на согласование в министерства (копия есть в «Известиях»). Работы по созданию двигателя на метане предусмотрены опытно-конструкторской работой «ДУ СВ» («Двигательные установки средств выведения»). В рамках «ДУ СВ» планируется разработка базовых элементов маршевых двигательных установок на кислородно-углеводородном топливе. На ОКР «ДУ СВ» Роскосмос просит выделить 25,223 млрд рублей (с началом финансирования в этом году - в объеме 470,8 млн рублей), однако не все средства предназначены на создание метанового двигателя. В «ДУ СВ» включены работы по созданию опытных образцов жидкостных ракетных двигателей нового поколения, оснащенных системой диагностики и аварийной защиты, и базовых элементов двигателей на основе композитных материалов, а именно сопел, сопловых насадок радиационного охлаждения и донных экранов.

Мы планируем сделать демонстратор двигателя на метане даже с учетом того, что носителя с таким двигателем пока строить не планируется, - говорит один из составителей проекта ФКП. - Тем самым думаем обеспечить задел, чтобы не отстать в плане технологий от зарубежных конкурентов. Пока речь идет о создании двигателя средней тяги для второй ступени перспективной ракеты. Изначально задумывалось, что метановыми двигателями будет комплектоваться ракета «Феникс» (ее разработка также запланирована проектом ФКП), но позднее с учетом ситуации с бюджетом решили принципиально новую ракету не делать, а вернуться к идее воссоздания российского «Зенита» с модернизированным двигателем РД-171.

Возможность использования метана в качестве ракетного топлива изучалась еще в СССР. В России тема метановых двигателей прорабатывалась химкинским НПО «Энергомаш», воронежским Конструкторским бюро химавтоматики и самарским ЦСКБ «Прогресс». В 2012 году в НПО «Энергомаш» прошел научно-технический совет по созданию ракетного двигателя, работающего на природном газе, где было предложено начать разработку однокамерного двигателя тягой в 200 т на топливе «жидкий кислород – сжиженный метан».

В 2014 году ЦСКБ «Прогресс» представило свое видение ракеты будущего - перспективного носителя сверхтяжелого класса, все двигатели которого работают на сжиженном природном газе (СПГ). При этом самарцы обосновывали свой выбор метана в качестве топлива следующими аргументами: «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 срок создания и планируемый период эксплуатации комплекса, а также возможные (прогнозируемые) проблемы производства керосина через 30–50 лет».

В ЦСКБ уже ощущают проблемы производства ракетного керосина. Ракеты «Союз», которые делают в Самаре, сейчас летают на искусственно созданном топливе, 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. По оценкам экспертов, проблема дефицита здесь будет только усугубляться.

В ЦСКБ «Прогресс» посчитали, что использование двигателей на СПГ позволит «обеспечить относительно низкую стоимость пуска - в 1,5–2 раза ниже, чем на керосиновых двигателях, высокую экологичность, более высокие удельные характеристики, единый тип двигателя и топлива «СПГ + жидкий кислород», что значительно упростит наземную инфраструктуру».

Главный конструктор НПО «Энергомаш» Владимир Чванов ранее заявлял «Известиям», что с конструкционной точки зрения метан привлекателен при создании многоразовых носителей.

Чтобы освободить полости двигателя, нужно только пройти цикл испарения - то есть двигатель легче освобождается от остатков продуктов, - пояснял Чванов. - За счет этого метановое топливо более приемлемо с точки зрения создания двигателя многоразового использования и летательного аппарата многоразового применения. В то же время 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.

Метановый двигатель упоминают применительно к полетам на Марс: считается, что марсианскую ракету есть смысл комплектовать метановым двигателем, так как метан можно синтезировать из воды и двуокиси углерода из атмосферы Марса.

Иван Чеберко

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.

XCOR Aerospace сделала ЖРД на метане, вспомним и про положение в России по этой теме February 27th, 2013

Метан используется с жидким окислителем, скорее всего с кислородом.
Двигатель предназначен для маневров спутников на орбитах.
http://www.xcor.com/press-releases/2005/05-08-30_XCOR_completes_methane_rocket_engine.html

Но лиха беда начало, если сделают для ракетоносителей такой двигатель, то стоимость вывода спутников может уменьшиться.

Информация к размышлению – о состоянии разработок ЖРД (метан)

Сжиженный природный газ на 90% и более состоит из метана. Он неядовит, коррозионно пассивен. По плотности метан в два раза легче керосина, но в шесть раз плотнее водорода. Теоретический удельный импульс топлива «жидкий кислород – жидкий метан» на 3.4% выше, чем топлива «жидкий кислород – керосин», но на 20.5% ниже, чем топлива «жидкий кислород – жидкий водород». По объемному удельному импульсу метан уступает керосину.
Средняя плотность топливной смеси также гораздо ниже: у пары керосин-кислород около 1,0т/м3 и у метан-кислород примерно 0,8т/м3
Выяснилось, что метан обладает хорошими охлаждающими свойствами в камерах сгорания с регенеративным охлаждением при температуре метана в рубашке охлаждения ЖРД до 760°С. После этого он разлагается с образованием отложений кокса

В России ЖРД на природном газе и метане разрабатывают ИЦ имени М.В.Келдыша, НПО «Энергомаш», КБХиммаш, ФПГ «Двигатели НК», НИИМаш и КБ Химавтоматики.

Разработки ИЦ им. М.В.Келдыша

Исследовательский центр им. М.В.Келдыша (бывший НИИ Тепловых процессов) разрабатывает принципиально новую концепцию «ЖРД XXI века».
Отличительными чертами двигателя являются открытая (незамкнутая) схема с газогенераторным циклом, работающая при достаточно высоком давлении (порядка 120– 150 кгс/см2). Применительно к метановым ЖРД такая схема кажется оправданной, поскольку тепловые потоки в стенку камеры существенно меньше, чем при горении керосина. Кроме того, отработанный на турбонасосе газ может сбрасываться в сопловой насадок основной камеры сгорания, используясь для его охлаждения

Разработки НПО «Энергомаш»

НПО Энергетического машиностроения имени академика В.П.Глушко (НПО «Энергомаш») разрабатывает целое семейство двигателей (РД-169, РД-182, РД-183, РД-190, РД-192) на топливе «жидкий кислород – природный газ». Разработчики избрали путь модификации уже имеющихся (т.е. разработанных или проектируемых) кислородно-керосиновых ЖРД. Все двигатели строятся по замкнутой схеме (за исключением, возможно, РД-183). НПО «Энергомаш» использует свой опыт разработки двигателей с окислительным ГГ, в котором сжигается газ с избытком кислорода.
Двигатели РД-190, РД-183, РД-169 и его высотная модификация РД-185 проектируются в большей степени заново, но с использованием имеющегося задела, в то время как РД-182 и РД-192 создаются на базе двигателей РД-120К/M и РД-190.

Разработки КБХиммаш

По мнению представителей КБХиммаш, метановые ЖРД отличаются в разработке от кислородно-керосиновых, поскольку стоят ближе к водородным. Следовательно, наиболее оптимальный путь создания двигателей на природном газе или метане – это модификация кислородно-водородных ЖРД.

КБХиммаш модифицирует под новое топливо кислородно-водородный КВД-1. В 1997–1998 гг. на стенде в Фаустово проведено два огневых испытания модернизированного КВД-1 длительностью по 20 с при изменении тяги и соотношения Ок/Гор в заданных пределах. Получен удельный импульс порядка 370 с, что на 15–20 с больше, чем у высотных кислородно-керосиновых двигателей. При работе с низким соотношением Ок/Гор выпадения кокса на турбине, деталях камеры сгорания и газогенератора не наблюдалось.

Руководство РКА поддерживает КБХиммаш, предполагая быстро и надежно получить заданные характеристики с использованием отработанного двигателя, не требующего длительной доводки агрегатов. Возможным применением «метанового» КВД-1 может быть модифицированный разгонный блок ДМ-SL для РН «Зенит-3SL» комплекса «Морской Старт» (увеличение массы ПГ по сравнению со штатным кислородно-керосиновым вариантом на 4–5%).

Разработки «Двигатели НК» и НИИМаш

На выставке «Двигатель-98» в июне 1998 г. представители ФПГ «Двигатели НК» (г.Самара) заявили, что прорабатывают варианты переделки кислородно-керосиновых двигателей НК-33 под природный газ.
«Двигатели НК» накопили большой опыт работы с природным газом применительно к авиации – там созданы модификации турбореактивных двигателей, прошедших летные испытания на самолете-лаборатории Ту-155 при работе на жидком водороде и/или природном газе. О конкретном заказчике и предполагаемом объеме финансирования, а также уровне модификации НК-33 сведений нет.
http://www.iraq-war.ru/article/106212

Странный и старый источник, но информация интересная.

О готовности предприятий ракетно-космической техники к работам с метаном.
1. РНПЦ им. М.В.Хруничева с 2011 г. ведет разработку многоразового ракетно-космического системы МРКС-1 на основе кислородно-метановых двигателей.
2. РКЦ им. В.П.Макеева разработан проект ракетно-космического комплекса «Рикша» с использованием двигателей на метане.
3. Волжское конструкторское бюро РКК «Энергия» ведет разработку конструкторской документации на ракету-носитель «Воздушный старт» и блок ракеты-носителя с применением в качестве топлива жидкого метана.
4. Руководство КБХА (В.С.Рачук) заявляет, что предприятие готово перейти к ОКР по метановым двигателям. В настоящее время по метановым двигателям проводится работа по МРКС-1 совместно с центром Хруничева, совместно с Францией работы по демонстратору ступеней многоразовой ракетно-космической системы, совместно с Италией идет разработка метанового двигателя для 3-й ступени модернизированной европейской ракеты легкого класса «Вега».
5. Руководство «Энергомаша» (В.К.Чванов) готово к разработке метановых двигателей. Это единственное в нашей стране предприятие, которое может создавать метановые двигатели тягой 600 и более тонн и где для этого имеется производственная и экспериментальная база.
6. КБХМ им. А.М.Исаева специализируется на разработке разгонных блоков. Впервые испытание полноразмерного двигателя КБХМ на метане было проведено еще в 1997 г. в НИИХИММАШ. При испытании метанового двигателя КБХМ С5.86 №2 тягой 7,5 т. в НИЦ РКП 28.07.2011 г. достигнута рекордная продолжительность разового включения в 2000 сек. Была продемонстрирована возможность повторного включения двигателя и отсутствие твердой фазы в трактах горючего при продолжительных включениях при самых неблагоприятных для этого соотношения компонентов.

1. Соблюдение требований экологии, как правило, требует дополнительных затрат. В нашем случаи, применение экологически чистой топливной пары кислород-метан приводит к уменьшению затрат на изготовление и эксплуатацию ракетно-космической техники.
2. Замена РН «Протон-М» на метановый вариант снимает все разногласия с Казахстаном по использованию космодрома Байконур. Открывает возможности по совместному сотрудничеству с Казахстаном на многие годы вперед, вне зависимости от создания российского космодрома «Восточный».
3. Создание нового пилотируемого комплекса повышенной надежности для полетов на орбиту земли и планеты Солнечной системы.
4. В дальнейшем (но до 2030 г.) могут быть созданы РН легкого и сверхтяжелого класса. Первые (в 2-х ступенчатом варианте) могут базироваться на старейшем российском полигоне Капустин Яр. РН сверхтяжелого класса будут стартовать с космодрома «Восточный».
5. Применение метана обеспечит нам конкурентную способность при выведении коммерческих полезных нагрузок, пока метан не будет освоен в других странах и снижение бюджетных затрат при разработке и эксплуатации средств выведения по государственным программам.
6. С переходом на метан меняется облик космодромов. Происходит газофикация производственных и жилых помещений космодромов. На газ переводится автомобильный и ж/д транспорт. Компоненты АТ и НДМГ остаются в ограниченном количестве только для космических аппаратов и апогейных двигательных установок. Возможно ограничение применения гелия для наддува топливных баков и замена его азотом из местных азотно-кислородных станций (АКС). Метан местный, из мини-заводов, подключенных к магистральным газопроводам.
7. Открываются широкие перспективы для привлечения частного капитала. Не только крупных компаний как «Газпром», «Роснефтегаз» и «Лукойл», но и мелкого и среднего бизнеса.

Raptor (Раптор) - криогенный метановый ракетный двигатель , разрабатываемый американской компанией SpaceX. Двигатель предназначается для установки на нижние и верхние ступени будущих сверхтяжелых ракет-носителей, служащих для межпланетных перелётов. Двигатель работает на жидком кислороде и сжиженном метане (lox/methane). Предшественники Раптора, двигатели Merlin, используемые в ракетах Falcon 9, работали на керосине RP-1 и жидком кислороде. Ранние концепции Раптора использовали вместо метана жидкий водород.

Двигатель Раптор работает на жидком метане и жидком кислороде, используя эффективную схему с полнопоточным закрытым циклом с дожиганием предварительно газифицированных окислительного и топливного компонентов вместо открытого цикла, ранее использовавшегося на двигателях Merlin. Закрытый цикл использовался на главных двигателях Шаттла (SSME) и в нескольких российских ракетных двигателях (РД-180), однако полнопоточный закрытый цикл до настоящего времени оставался для ракетно-космической отрасли недостижимым “граалем”, оставаясь уделом тестовых демонстраторов практически полувековой давности (РД-270) или закрытыми частными разработками с неизвестным исходом.

Подобная замкнутая схема с полной газификацией компонентов, помимо общего увеличения удельного импульса жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), также положительно сказывается на его общей надёжности, устраняя потенциальные точки отказа, имеющие место в ЖРД с частичной газификацией компонентов топлива.

В августе 2016 года двигатель Raptor, изготовленный в лабораториях SpaceX в Хоторне, штат Калифорния, был перевезен в городок МакГрегор, штат Техас, где 25 сентября 2016 года были проведены успешные стендовые испытания Раптора.

Планируется также разработка вакуумной версии Раптора с удельным импульсом в 382 секунды, использующей сопло большего размера, чем у атмосферной версии – чтобы увеличить степень расширения сгоревших газов.

Двигатель Raptor в “марсианской” презентации SpaceX

Компанию SpaceX в 2002 году создал Илон Маск, ранее прославившийся как создатель платежной системы Paypal. В 2012 году Илон Маск анонсировал свое намерение покорить Марс, используя метан в ракетах с астронавтами на борту:

“Мы переходим на метан. Его стоимость как энергоносителя минимальная и у него есть небольшое преимущество над керосином в плане удельного импульса (Isp). И метан не является такой занозой в заднице, как водород”.

У водорода есть трудности с его хранением и транспортировкой, также есть проблема водородной хрупкости. А если в качестве топлива использовать метан, то такие двигатели можно эксплуатировать и на Марсе, т.к. метан можно получить из марсианской атмосферы. Метан также лучшее топливо для двигателей многократного использования, т.к. он не коксуется, не образует углеродных отложений, то чем грешит керосин, хотя это и не главная причина, почему Маск выбрал метан.

Государственный космический научно-производственный центр им. Хруничева уже разрабатывает двигатели на смеси кислорода и метана для криогенных обратноходовых ракетоносителей, Маск заявил, что не ищет путей сотрудничества с российскими ракетостроителями, несмотря на их лидерство в этой технологии, однако заметил, что “нам следует нанять нескольких из них”.

Запуск компанией SpaceX спутника JC SAT 16 на ракете Falcon 9 в августе 2016

Роскосмос объявил о том, что в программе финансирования отрасли на период до 2025 года заложены средства на разработку новейшего ракетного двигателя. Сообщается, что речь идёт о двигателе, который сможет эффективно работать на метане. Опытно-конструкторские работы стартуют в наступившем году, и в наступившем же году финансирование проекта должно составить около 470 млн. рублей. В общей сложности стоимость разработки нового ракетного двигателя, способного осуществлять тягу на природном газе, Роскосмос оценивает в 25,2 млрд. рублей.

Как отмечают специалисты Роскосмоса, далеко не вся эта сумма пойдёт на разработку метанового ракетного двигателя (двигательной установки средств выведения) как такового. В программе значатся работы по созданию так называемых донных экранов, сопловых насадок охлаждения, опытных образцов жидкостных ракетных двигателей нового поколения с системами многоступенчатой защиты.

Испытания успешно проведены на специальном вакуумном стенде и подтвердили соответствие параметров двигателя характеристикам, заложенным в техническом задании.

Работы с двигателем продолжаются: запланировано проведение серии новых огневых испытаний для наработки ресурса и проверки стабильности подтвержденных характеристик при длительной эксплуатации.

В отличие от жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), разработкой которых специалисты КБХА занимаются уже более полувека, электроракетные двигатели в последние годы стали новым направлением работ на предприятии. Предназначенные для использования в составе космических аппаратов, они могут способствовать решению широкого круга задач: коррекции и стабилизации рабочей орбиты спутников, их выводу с низких на высокие орбиты, а также осуществлению полетов в дальний космос.