Двигатели ракет работают на водороде, керосине и в последнее время на метане. Есть ли лучшее топливо?
Современные ракетостроительные компании, такие как SpaceX, Rocket Lab, Blue Origin и Isar Aerospace, почти исключительно выбирают ракетное топливо, такое как метан, природный газ или пропан.
Означает ли это, что метан является лучшим ракетным топливом? И если это так, то почему метан полностью игнорировался в ракетной промышленности почти 70 лет? Было ли это технически невозможно раньше, или ракетные компании в прошлом были просто глупы или невежественны?
Нет, лучшего топлива не существует. Вместо этого у нас есть множество плюсов и минусов, которые можно сравнить друг с другом.
Причина, по которой в последнее время стали так популярны метан и пропан, заключается в том, что отрасль переходит на многоразовые ракеты. Чтобы лучше понять, почему это делает метан популярным, имеет смысл начать с двух видов топлива. Которые до сих пор доминируют: керосина и водорода.
Но прежде чем перейти к этому обсуждению, нам нужно уточнить некоторые важные термины.
При обсуждении ракетного топлива вы услышите такие термины, как топливо, окислитель, LOX, гидролокс, керолокс, металокс, монотопливо и бикомпонентное топливо. Что все это значит?
Разница между горючим и топливом
Специалисты по ракетам предпочитают говорить о ракетном топливе, а не о горючем. Потому что ракета, в отличие от самолета или автомобиля, нуждается в собственном кислороде, хранящемся в баках. Топливо – более практичный термин для ракет. Поскольку он лучше подходит для различных типов двигателей.
Комбинация топлива и кислорода называется битопливом. Если топливо состоит только из одного соединения, его называют монотопливом. Вы могли бы сделать простой ракетный двигатель, используя баллон со сжатым воздухом.
Космические ракеты имеют нечто, называемое системой управления. Которая обычно состоит из небольших ракетных двигателей, использующих монотопливо. Эти двигатели используются, когда вам требуется очень деликатное и точное управление. Например, при стыковке с другим космическим аппаратом.
Вы часто будете видеть, что эти двигатели называются холодными двигателями. Перекись водорода – один из популярных монотоплив. Поскольку она легко разлагается на пар при контакте с вольфрамовым катализатором.
Топливо и окислитель
Очень часто в качестве окислителя используется жидкий кислород, часто сокращаемый до LOX.
Однако кислород не единственный существующий окислитель. Гидразингидратное топливо, например, смешивают с перекисью водорода. Реакция между топливом, в химии называется окислительно-восстановительной реакцией.
Самые старые ракеты, известные человечеству, сделаны из черного пороха. Все видели пороховую ракету во время празднования Нового года. Эти ракеты, на самом деле, не используют кислород из атмосфере для сжигания топлива. На самом деле черный порох можно рассматривать как двухкомпонентное топливо. Состоящее из древесного угля, серы и нитрата калия, который действует как окислитель.
Хотя никто не использует черный порох для космических ракет, на самом деле все еще распространено использование твердого двухкомпонентного топлива в космических ракетах.
Поскольку топливо и окислитель можно комбинировать разными способами, обычно топливо обозначают как:
- Hydrolox – сокращение от LOX/водород. Помните, LOX – это сокращение от жидкого кислорода.
- Kerolox – сокращение от LOX/киросина.
- Металокс – сокращение от LOX/метанового топлива.
Теперь, когда вы знаете основную терминологию, давайте сравним различные ракетные топлива!
Керосин против водородного ракетного топлива
При выборе жидкого ракетного топлива двумя противоположными вариантами были очищенная форма керосина под названием RP-1 и жидкий водород. РП-1 дает максимальную тягу, а водород дает максимальную экономичность.
В ракетном двигателе, в отличие от автомобиля, речь идет не о расходе газа, а об удельном импульсе. Двигатель с высоким удельным импульсом будет расходовать топливо медленнее, сохраняя при этом определенную тягу.
С другой стороны, керосин в 18 раз плотнее водорода. А это означает, что каждую секунду через турбонасос в камеру сгорания может прокачиваться больше топлива. Это приводит к большой тяге. Но также означает, что вы быстрее сжигаете топливо.
Водород дает больше энергии по отношению к весу, поэтому вы можете работать дольше. Другими словами, это дает лучшую топливную экономичность.
По этой причине ракетные двигатели первой ступени, которым необходимо преодолеть гравитацию планеты, работают на керосине. Разгонные ступени, используемые в космосе, можно сделать меньшими по размеру и работающими на водороде для большей эффективности.
Почему метан хорошо подходит для многоразовых ракет
Метан – это топливо, которое находится между керосином и водородом. Более эффективное, чем керосин, но менее плотное. Таким образом, метан не является лучшим топливом для первой ступени, чем керосин. А на более поздних стадиях не лучше, чем водород.
Но вот в чем фишка: это отличное топливо для многоразовых ракет. В отличие от керосина, метан сгорает чисто, не оставляя в ракетном двигателе большого количества неприятной сажи. Это означает, что двигатели прослужат дольше и требуют меньше обслуживания.
Раньше метан не был так интересен, ведь за многоразовыми ракетами никто не гнался.
В заключении
Сочетание керосина и водорода в ракете может показаться оптимальным на первый взгляд. Прирост эффективности от использования водородного двигателя будет съеден более тяжелыми баками и более сложной системой в целом.
Наличие нескольких типов топлива и двигателей увеличивает стоимость и сложность. Вот почему ракета Falcon 9 от SpaceX использует топливо керолокс для всех ступеней. Хотя это и не оптимально, но намного дешевле.
