Д изельный двигатель полностью работающий на метане позволит сэкономить на топливе до 60% от суммы обычных затрат и конечно существенно сократить загрязнение окружающей среды.
Мы можем перевести практически любой дизельный двигатель на использование метана, как газомоторного топлива.
Не ждите завтра, начинайте экономить сегодня!
Как дизельный двигатель может работать на метане?
Дизельный двигатель является двигателем, воспламенение топлива в котором осуществляется при нагревании от сжатия. Стандартный дизельный двигатель не может работать на газовом топливе, потому что метан обладает существенно более высокой температурой воспламенения чем дизельное топливо (ДТ — 300-330 С, метан — 650 С) , которая не может быть достигнута при степенях сжатия, используемых в дизельных двигателях.
Второй причиной, по которой дизельный двигатель не сможет работать на газовом топливе является явление детонации, т.е. не штатного (взрывообразного горения топлива, которое возникает при избыточной степени сжатия. Для дизельных двигателей используются степень сжатия топливо-воздушной смеси в 14-22 раза, метановый двигатель может иметь степень сжатия до 12-16 раз.
Поэтому, для перевода дизельного двигателя в газомоторный режим потребуется сделать две основных вещи:
- Снизить степень сжатия двигателя
- Установить искровую систему зажигания
После этих доработок Ваш двигатель будет работать только на метане. Возврат в дизельный режим возможен, только после проведения специальных работ.
Подробнее о сути выполняемых работ смотрите в разделе «Как именно осуществляется перевод дизеля на метан»
Какую экономию я смогу получить?
Величина Вашей экономии высчитывается как разница между затратами на 100 км пробега на дизельное топливо до конвертации двигателя и затратами на затратами на приобретение газового топлива.
Например, для грузового автомобиля Freigtleiner Cascadia средний расход дизельного топлива составлял 35 литров на 100 км, а после конвертации для работы на метнане расход газового топлива составил 42 нм3. метана. Тогда при стоимости дизельного топлива в 31 рубль 100 км. пробега изначально стоило 1085 рублей, а после конвертации при стоимости метана 11 рублей за нормальный кубический метр (нм3) 100 км пробега стало стоить 462 рубля.
Экономия составила 623 рубль на 100 км пробега или 57%. С учетом годового пробега в 100.000 км, годовая экономия составили 623.000 рубль. Стоимость установки пропана на эту машину составила 600.000 рублей. Таким образом срок окупаемости системы составил — примерно 11 месяцев.
Так же дополнительным преимуществом метана как газомоторного топлива является то, что его крайне трудно украсть и практически не возможно «слить», так как при нормальных условиях это газ. По тем же соображениям, его не возможно продать.
Расход метана после переделки дизеля в газомоторный режим может колебаться в пределах от 1.05 до 1,25 нм3 метана на литр расхода дизельного топлива (зависит от конструкции дизеля, его изношенности и прочее).
Примеры из нашего опыта по потреблению метана, конвертированными нами дизелями, Вы сможете прочитать .
В среднем для предварительных расчетов дизельный двигатель при работе на метане будет потреблять газомоторное топлива из расчета 1 л потребления ДТ в дизельном режиме = 1,2 нм3 метана в газомоторном режиме.Конкретные значения экономии для Вашей машины Вы сможете получить заполнив заявку на конвертацию, нажав красную кнопку в конце этой страницы.
Где можно заправиться метаном?
В странах СНГ насчитывается свыше 500 АГНКС , причем на Россию приходится больше чем 240 АГНКС.
Вы сможете посмотреть актуальную информацию по расположению и часам работы АГНКС на интерактивной карте, расположенной ниже. Карта любезно предоставлена сайтом gazmap.ru
А если еще рядом с Вашим автохозяйством проходит газовая труба, то имеет смысл рассмотреть варианты строительства собственной АГНКС.
Просто позвоните нам и мы с удовольствием Вас проконсультируем по всем вариантам.
Какой пробег будет на одной заправке метаном?
Метан на борту автомашины хранится в газообразном состоянии под высоким давлением в 200 атмосфер в специальных баллонах. Большой вес и размер этих баллонов является существенным негативным фактором ограничивающим использование метана как газомоторного топлива.
ООО «РАГСК» используем в своей работе высококачественные металопластиковые композитные баллоны (Тип-2), сертифицированные для использования в РФ.
Внутренняя часть этих баллонов выполнена из высокопрочной хроммо-молибденовой стали, а внешняя обмотана стеклопластиком и залита эпоксидной смолой.
Для хранения 1 нм3 метана требуется 5 литров гидравлического объема баллона, т.е. например 100 литровый баллон позволяет хранить примерно 20 нм3 метана (на самом деле чуть больше, за счет того, что метан не является идеальным газом и лучше сжимается). Вес 1 литра гидравлического составляет примерно 0,85 кг, т.е. вес системы хранения 20 нм3 метана будет примерно 100 кг (85 кг это вес баллона и 15 кг вес собственно метана).
Баллоны Типа-2 для хранения метана выглядят так:
Система хранения метана в сборе выглядит так:
На практике, обычно удается, достигнуть следующих значений пробега:
- 200-250 км — для микроавтобусов. Вес системы хранения — 250 кг
- 250-300 км — для городских автобусов среднего размера. Вес системы хранения — 450 кг
- 500 км — для седельных тягачей. Вес системы хранения — 900 кг
Конкретные значения пробега на метане для Вашей машины Вы сможете получить заполнив заявку на конвертацию, нажав красную кнопку в конце этой страницы.
Как именно осуществляется перевод дизеля на метан?
Перевод дизельного двигателя в газовый режим потребует серьезного вмешательства в сам двигатель.
Сначала мы должны изменить степень сжатия (зачем? см. раздел » Как дизельный двигатель может работать на метане?») Мы используем различные методы для этого, подбирая лучший для Вашего двигателя:
- Фрезеровка поршня
- Прокладка под ГБЦ
- Установка новых поршней
- Укорочение шатуна
В большей части случаев мы применяем фрезерование поршней (см. иллюстрацию выше).
Примерно так будут выглядеть поршни после фрезерования:
Так же мы устанавливаем ряд дополнительных датчиков и устройств (электронную педаль газа, датчик положения коленвала, датчик количества кислорода, датчик детонации и т.п.).
Все компоненты системы управляются электронным блоком управления (ECU).
Примерно так будет выглядеть комплект компонентов для установки на двигатель:
Изменятся ли характеристики двигателя при работе на метане?
Мощность Есть расхожее мнение, что на метане двигатель теряет в мощности до 25%. Это мнение справедливо для двухтопливных «бензин-газ» двигателей и отчасти справедливо для дизельных безнадувных двигателей.Для современных двигателей, оснащенных надувом это мнение ошибочно.
Высокий прочностной ресурс исходного дизельного двигателя, предназначенный для работы с степенью сжатия 16-22 раза и высокое октановое число газового топлива позволяют нам использовать степень сжатия 12-14 раз. Такая высокая степень сжатия позволяет получать те же (и да же большие) удельные мощности , работая на стехеометрических топливных смесях.Однако выполнение при этом норм токсичности выше ЕВРО-3 не представляется возможным, так же вырастает тепловая напряженность конвертированного двигателя.
Современные надувные дизели (особенно с промежуточным охлаждением надувного воздуха) позволяют работать на существенно обедненным смесях с сохранением мощности исходного дизельного двигателя, удержав тепловой режим в прежних пределах и уложившись в нормы токсичности ЕВРО-4 .
Для безнадувных дизельных двигателей мы предлагаем 2 альтернативы: или снижение рабочей мощности на 10-15% или применение системы впрыска воды в впускной коллектор с целью поддержания приемлемой рабочей температуры и достижения норм токсичности выбросов ЕВРО-4
Вид типичной зависимостей мощности от оборотов двигателя, по типам топлива:
Радикальным решением проблемы смещения пика момента для газового двигателя является замена турбины на переразмеренную турбину специального типа с электромагнитным клапаном перепуска на высоких оборотах. Однако высокая стоимость такого решения не дает нам возможности применять его при индивидуальной конвертации.
Надежность Ресурс двигателя существенно увеличится. Так как горение газа происходит более равномерно чем дизельного топлива, степень сжатия газового двигателя меньше чем у дизельного и газ не содержит в отличие от дизельного топлива посторонних примесей. Масло Газовые двигателя более требовательны к качеству масла. Мы рекомендуем применять качественные всесезонные масла классов SAE 15W-40, 10W-40 и менять масло не реже 10.000 км.Если есть возможность, желательно использовать специальные масла, типа ЛУКОЙЛ ЭФФОРСЕ 4004 или Shell Mysella LA SAE 40. Это не обязательно, но с ними двигатель прослужит очень долго.
Вследствие большего содержания воды в продуктах сгорания газовоздушных смесей в газовых двигателях могут возникать проблемы водостойкости моторных масел, так же газовые двигатели более чувствительны к образованию зольных отложений в камере сгорания. Поэтому сульфатная зольность масел для газовых двигателей ограничивается более низкими значениями, а требования к гидрофобности масла повышаются.
Шум Вы будете очень удивленны! Газовый двигатель — очень тихая машина по сравнению с дизельным. Уровень шума снизится на 10-15 Дб по приборам, что соответствует в 2-3 более тихой работе по субъективным ощущениям.Конечно, всем плевать на экологию. Но все таки… ?
Метановый газовый двигатель существенно превосходит по всем экологическим характеристикам аналогичный по мощности двигатель, работающий на дизельном топливе и уступает по уровню выбросов только электрическим и водородным двигателям.
Особенно это заметно по такому важному для крупных городов показателю как дымность. Всех горажан изрядно раздражают дымные хвосты за ЛИАЗами На метане этого не будет, так при горение газа сажеобразование отсутствует!
Как правило экологический класс для метанового двигателя — это Евро-4 (без использования мочевины или системы рецеркуляции газов). Однако при установке дополнительного катализатора можно повысить экологический класс до уровня Евро-5.
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.
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 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.
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 /
