Почему SpaceX рассматривает метан в качестве топлива для своего следующего двигателя Raptor?

В настоящее время SpaceX разработала семейство Merlin 1 (1B (Falcon 1), 1C (Falcon 9 v1.0), 1D (Falcon 9 v1.1 / F9-R / Falcon Heavy), вакуумные версии и версии на уровне моря), которые являются LOX. / RP1 на основе. (Тяга 75-205 кгс)

Они разработали (и отказались от него) двигатель Kestrel, который использовался на второй ступени Falcon 1, также LOX / RP1. (Тяга 6,9 кгс)

Они разработали двигатели Draco и SuperDraco с использованием гиперголиков (монометилгидразинового топлива и окислителя тетроксида азота). (Тяга 90 фунтов и 15 000 фунтов)

Следующим двигателем в их списке является Raptor , который, как ожидается, будет основан на метане (CH4) и LOX. (Тяга 660 кгс)

Знаем ли мы, почему они предпочли метан водороду? С точки зрения производительности LH2 обычно является топливом.

Kengineer Органический мрамор

Geoffc

Метан легче хранить, чем водород . В основном пассивного охлаждения может быть достаточно для сохранения криогенности , тогда как водород нуждается в активном охлаждении и со временем все равно будет выделяться. Это делает метан гораздо ближе к «хранимому», чем водород. Это сделало бы его полезным для миссий в дальний космос с большой продолжительностью полета.

Метан менее объемный, чем водород. Это означает, что бак для той же миссии меньше. (Внешний бак Shuttle - это в основном водородные баллоны с небольшим кислородным баллоном (вверху?)).

Метан должен быть проще в использовании в двигателе из-за его более высокой плотности, чем водород, меньше нужно перекачивать по объему.

Метан потенциально можно производить на Марсе . С импортированным водородом (или природной водой) CO2 (двуокись углерода) может быть легко преобразован в CH4.

Есть идеи для ISRU (In-situ Resource Utilization) и демонстрации на Марсе. ( Модель Роберта Зубрина запускает возвращающуюся машину, которая использует ISRU для заполнения своих топливных баков, и не запускает пилотируемую миссию до тех пор, пока возвращающаяся машина не будет полностью заправлена и готова к работе. Затем вы запускаете пилотируемую миссию вместе со второй возвратный автомобиль, который использует ISRU в течение всего наземного полета для заправки).

SpaceX сосредоточена на разработке технологий повторного использования для своих ракетных линий. Традиционный керосин ракетного качества при горении образует остатки (процесс, известный как «коксование»). Метановое топливо горит чище, поэтому не образуется остатков, что означает, что двигатели можно использовать повторно без ремонта.

Рассел Борогов Geoffc AlanSE ОуНельсон Мангела ОуНельсон Мангела

ДуайтЛой

Метан (CH 4 ) и RP-1 примерно эквивалентны по реализуемым характеристикам. Как ранее упоминалось в других плакатах, CH 4 имеет немного более высокий импульс - около 370 с в вакууме по сравнению с 360 с - при том же давлении в камере 7 МПа. Но это уравновешивается его более низкой насыпной плотностью около 830 кг / м 3 по сравнению с примерно 1030 кг / м 3 . Объемная плотность - это плотность комбинированной загрузки топлива и окислителя в их соответствующих соотношениях. Несмотря на то, что метан составляет «всего» 430 кг / м 3, он сжигается с 3,5 частями кислорода по сравнению с 2,1 частями для РП-1, следовательно, ракета CH4 будет нести больше кислорода и меньше топлива по массе. Кислород довольно плотный - немногим более 1140 кг / м 3. который фактически плотнее РП-1 (около 810 кг / м 3 ). Если предположить, что давление в камере и КПД цикла двигателя будут равны, RP-1 превосходит CH 4 просто потому, что резервуар большего размера на 20% приведет к снижению веса, которое немного перевешивает увеличение удельного импульса на 3%. Однако преимущество RP-1 зависит от работы при равном давлении в камере, что может не иметь места. Кроме того, метан (CH 4 ) имеет дополнительные преимущества, применимые в определенных сценариях.

Причины, по которым CH 4 является лидером SpaceX Raptor, вероятно, можно объяснить четырьмя факторами:

Метан не закоксовывается (полимеризуется) при рабочих температурах ракетного двигателя - его точка коксования примерно в два раза выше. Это упрощает повторное использование двигателя, а возможность повторного использования - ключевая цель SpaceX.

Поскольку метан не закоксовывается, также проще реализовать цикл полнопоточного сгорания (FFSC), когда весь поток топлива и окислителя проходит через предварительную горелку. По сравнению с современными российскими двигателями внутреннего сгорания с частичным потоком достигаются более высокие давления в камере, что дает общее импульсное преимущество около 30 секунд, или 9%. Это устраняет недостаток производительности CH 4 по сравнению с RP-1.

Если SpaceX намеревается использовать одно и то же топливо на всех ступенях, CH 4 можно считать лучшим топливом верхней ступени и худшим топливом для взлета, даже без обеспечения более высоких рабочих давлений. Это связано с тем, что верхние ступени обычно составляют от 1/8 до 1/10 размера первой ступени, и здесь импульс более важен, чем плотность. Использование метана с вышеупомянутым циклом FFSC означает, что SpaceX потенциально может получить эквивалентную производительность первой ступени и лучшую производительность верхней ступени.

Хотя, ИМХО, несколько сомнительно, что в начале миссии на Марс будет использоваться производство топлива на месте. Если это когда-нибудь станет применимой практикой, метан можно будет производить из воды и CO 2, в то время как RP-1 - нет.

Помимо этого, есть не фактор, который отчасти благоприятствует метану, например, природный газ обычного сорта, который достаточно хорош и не требует высокой степени очистки топлива от обычного керосина до RP-1 для достижения низких характеристик коксования и постоянной плотности. Я говорю, что это не фактор, потому что стоимость топлива является настолько незначительной частью затрат на запуск, что на самом деле не имеет значения, стоит ли топливо в несколько раз больше или меньше. Топливо обычно составляет всего около 0,3% от стоимости полета ракеты на орбиту, поэтому стоимость топлива действительно не имеет значения - даже если вы сравниваете очень дорогие комбинации ракетного топлива, такие как гидразин / тетроксид, с относительно дешевым керосином / кислородом.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎