...
"Средства выведения сверхтяжелого класса предлагается создавать с использованием двигателей на компонентах топлива "СПГ + жидкий кислород", - говорится в материалах ЦСКБ, представленных в Роскосмос.
...
"Использование двигателей на СПГ позволит обеспечить относительно низкую стоимость пуска - в 1,5-2 раза ниже, чем на керосиновых двигателях, - говорится в обосновании концепции от ЦСКБ, - высокую экологичность, более высокие удельные характеристики, единый тип двигателя и топлива "СПГ+ жидкий кислород", что значительно упростит наземную инфраструктуру". ...
Прошу простить дилетанта, а в чем ирония? ... если стоимость пуска заявлена ниже в 1.5-2 раза, то возможно и имеет смысл.
На самом деле в этой истории есть 2 совершенно разных аспекта - научно-технический и технико-экономический. Попробую разобрать их по порядку, с попутным "ликбезом" по основным принципам ракет с ЖРД. Но для начала 3 элементарных замечания.
1) Жидкий метан и СПГ - это не совсем одно и то же: метан - основная часть природного газа (ПГ), но от всякого компонента ракетного топлива требуется сугубая воспроизводимость состава, а состав ПГ наверняка заметно различается у разных его источников. Так что в данном случае все-таки нужен достаточно чистый жидкий метан, а не СПГ.
2) Снижение стоимости пуска в 1,5...2 раза - это полнейшая чушь (мягко выражаясь). Стоимость одной заправки ракетного керосина Т-1 (он же - одна из марок авиационных керосинов) - малые доли % от полной стоимости запуска. И даже самые дорогие ракетные топлива стоят единицы % от полной стоимости запуска. Т.е., авторы такого "обоснования" считают всех остальных или полными дилетантами, или даже идиотами.
3) Я с детства (т.е., последние 50 лет) по-любительски интересуюсь ракетной техникой, а моя военная специальность - электрооборудование стратегических ракет. Так вот, все эти 50 лет я периодически натыкался на упоминания о перспективности топливной пары метан + кислород (подробнее см. ниже), и вроде даже десятки лет назад были экспериментальные ЖРД на таком топливе. Так что должны быть достаточно серьезные причины тому, что такое замечательное топливо до сих пор не применяется.
Теперь ближе к делу.
1. Массовая эффективность ракеты (отношение массы полезной нагрузки и стартовой массы ракеты) очень сильно зависит от выбора топлива. Конкретно, состав топлива влияет на эту массовую эффективность через следующие характеристики ракеты:
- скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя, по элементарной теории ракетных двигателей пропорциональная кв. корню из отношения эффективной температуры в камере сгорания к молекулярному весу продуктов сгорания на срезе сопла;
- масса пустых баков, зависящая от плотности компонентов топлива (чем плотнее компонент, тем компактнее и легче его бак) и от конструкции теплоизоляции бака (если компонент - низкокипящий).
Метан содержит почти вдвое больше связанного водорода, чем керосин. Это должно существенно увеличивать скорость истечения сразу по двум причинам - заметно выше калорийность топлива и существенно ниже средний молекулярный вес продуктов сгорания (18 у воды потив 44 у двуокиси углерода).
С другой стороны, плотность жидкого метана (415 кг/м3) почти вдвое меньше, чем у ракетного керосина (795 кг/м3), а температура кипения (-165 град С) лишь немного выше, чем у кислорода. Поэтому метановый бак значительно больше керосинового, и нужна серьезная теплоизоляция этого бака. Т.о., несомненный значительный выигрыш в скорости истечения при замене керосина жидким метаном отчасти компенсируется увеличением массы пустого бака горючего.
Пара метан+кислород и по скорости истечения, и по массе баков является промежуточной между парами керосин+кислород и водород+кислород, причем ближе к первой из этих пар. Для справки: типичная скорость истечения в пустоте (у Земли - заметно меньше из-за противодавления атмосферы на срезе сопла) у современных ЖРД на керосине с кислородом - до 3,5 км/сек, а у ЖРД на водороде с кислородом - около 4,5 км/сек. Я "нутром чую", что метан с кислородом могут дать до 3,8...3,9 км/сек, но значительная часть этого выигрыша в скорости будет "сьедена" утяжелением бака горючего. Т.е., я уверен, что в итоге будет заметный выигрыш в массовой эффективности ракеты, но не настолько сокрушительный, чтобы оправдать переход на совершенно другую систему.
На самом деле при выборе состава топлива есть еще масса тонкостей (потери энергии из-за неполной рекомбинации возбужденных состояний продуктов сгорания в сопле, образование сажи при термическом разложении избыточного горючего, вообще оптимизация избытка горючего в топливе и т.д.) - но не будем здесь умножать сущности, ибо это уже не любительские, а сугубо профессиональные вопросы.
2. Очевидные
технико-экономические проблемы перехода на существенно другую топливную пару, ИМХО, следующие.
1) Время - деньги. Разработка и отработка ЖРД на существенно новой топливной паре займет не менее 10...15 лет. Проектирование новой ракеты можно всерьез начинать только когда достигнута достаточная определенность с обликом и основными характеристиками ЖРД - а это дает задержку на значительную часть (порядка половины?) указанного срока. В общем, "срока огромные" (С).
2) Нужна новая инфраструктура горючего при испытательных стендах в КБ и на заводе-изготовителе, а также новый заправочный комплекс на стартовой позиции, причем все это - криогенное и с жесткими требованиями по взрывобезопасности (хотя и не столь "драконовскими", как для водорода).
Я подозреваю, что неприемлемые сроки разработки ЖРД и ракеты с существенно новой топливной парой - это основная причина того, что пара метан+кислород до сих пор не применяется. Вообще, при разработке космических ракет (в отличие от боевых ракет) массовое совершенство обычно далеко не на первом месте. Я об этом уже подробно писал, с примерами из жизни (
http://aviaforum.ru/showthread.php?p=1260077#post1260077 , см. также "ликбез" по разбиению ракеты на ступени в
http://aviaforum.ru/showthread.php?p=1257876#post1257876).
В общем, это предложение очередного "грандиозного проекта", цель которого - не решить существующие громадные проблемы отечественной космонавтики, а получить долгосрочное финансирование под "светлое будущее"
.