Metan jako paliwo rakietowe

Jako pierwsi rozpoczęli prace nad wykorzystaniem metanu jako paliwa w silnikach rakietowych Rosjanie pod koniec XX w. Prace prowadzono w Chemical Automatics Design Bureau (KBKhA) od 1995r. Głównym powodem wykorzystania metanu w silnikach rakietowych był niższy koszt tego paliwa w porównaniu do nafty (o 20-30%) i wyższy impuls właściwy Isp (o ok.5%). Rozwój technologii metanowej zasadniczo nie wymagał opracowania nowych rozwiązań technicznych i wykorzystywał już istniejąca infrastrukturę. Dosyć szybko dokonano konwersji istniejących silników rakietowych na metan i przeprowadzono pierwsze testy. Opracowano kilka wariantów nowych silników. Po roku 2000 prace prowadzone były z partnerami europejskimi w ramach projektu Wołga. W 2006 roku zaproponowano silnik na metan RD-0162 do boostera wielokrotnego użytku MRKS-1. Pierwszy stopień rakiety wyposażony w skrzydła miał wracać lotem ślizgowym na miejsce startu (piggyback). W roku 2013 planowano użycie silników metanowy do nowej rakiety nośnej, którą roboczo nazwano Sojuz-5. System ten miał zastąpić rakietę Sojuz-2. Projekt był aktywnie promowany i prezentowany zarówno na targach MAKS w Moskwie jak i na salonie lotniczym Le Bourget we Francji. Cięcia środków finansowych na programy kosmiczne uniemożliwiły kontynuowanie prac rozwojowych. W najnowszej odsłonie silniki metanowe powróciły w projekcie rakiety Amur (Sojuz-7) z odzyskiwanym I stopniem. Pierwszy testowy start przewidziany jest jednak dopiero na rok 2030.

Odmiennie potoczyły się losy tego paliwa w USA. Prace nad silnikami i systemami rakietowymi rozpoczęły się po 2010r. Ale duży wpływ na rozwój tej technologii miały wcześniejsze wydarzenia. W roku 1989 prezydent George Bush Senior ogłosił słynną Space Exploration Initiative (SEI). Program zakładał budowę nowej stacji okołoziemskiej Freedom, powrót ludzi na Księżyc i wyprawę misji załogowej na Marsa. Inicjatywa spotkała się ze sporą krytyką i szybko została porzucona, ale do dziś przetrwały w takiej bądź innej formie jej główne założenia czy pomysły. W kontrze do inicjatywy Busha zaproponowano alternatywne rozwiązania. Jednym z nich była misja Mars Direct autorstwa inżynierów z Martin Marietta R. Zubrina i D. Bakera z 1990r. Założeniem Mars Direct była produkcja paliwa potrzebnego do powrotu na Ziemię in situ w oparciu o reakcje chemiczne i elektrolizę. Tym paliwem miał być metan. Pomysł spotkał się z pozytywnym przyjęciem ze strony branży kosmicznej i stał się elementem referencyjnej misji na Marsa zaproponowanej później przez NASA. Do projektowania rakiet z napędem metanowym przystąpiły szybko firmy prywatne. Prace nad silnikami i rakietami ogłosiły firmy SpaceX (silnik Raptor i dwustopniowa ciężka rakieta Straship) oraz Blue Origin (silnik BE-4 i ciężka rakieta New Glenn). Także mniejsze przedsiębiorstwa jak Rocket Lab i Relativity Space  zaprezentowały swoje projekty. Do zawodów przystąpili również Chińczycy z rakietami Zhuque-2 i Zhuque-3 oraz Long March 12A i Long March 9. Na tę chwilę 5 rakiet napędzanych tym paliwem osiągnęło orbitę. Są to Zhuque 2, Zhuque-3, New Glenn, Vulcan Centaur oraz Long March 12A.

Wyścig metanowy trwa ale na razie żadna z tych rakiet nie jest wykorzystywana do wynoszenia ładunków na orbitę. Wszystkie projekty mają spore problemy z osiągnięciem zakładanych charakterystyk takich jak ładunek użyteczny. Czy metan jako paliwo rakietowe to był dobry wybór? Chyba nie. Paliwo ma sporo zalet ale są też dwie wady. Nie można skroplić metanu przez sprężanie w normalnej temperaturze. Trzeba dodatkowo obniżyć jego temperaturę i przechowywać paliwo w izolowanych zbiornikach jako ciecz kriogeniczną. Drugi problem dotyczy sprawności napędu. Silniki na metan mają niższy ciąg. Aby wynieść porównywalny ładunek na orbitę potrzeba więcej paliwa, większe muszą być rakiety, a co za tym idzie ich masa i koszt też muszą być wyższe.


Opublikowano

w

,

Komentarze

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *