Metanul lichid ca combustibil pentru rachete - blogul lui Bernd Leitenberger
În primul rând, care sunt beneficiile metanului? Metanul este de fapt doar o hidrocarbură, dar una specială. Hidrocarburile normale au lanțuri foarte lungi. Există doi atomi de hidrogen pe fiecare atom de carbon. Mai există încă unul la fiecare capăt. Dar, datorită conținutului de alchene și molecule în formă de inel, kerosenul, hidrocarbura obișnuită, are aproximativ compoziția CnH2n în total. Există doi atomi de hidrogen pentru fiecare atom de carbon. Metanul are formula moleculară CH4. Termenul GNL (gaz natural lichid) este, de asemenea, adesea folosit. Gazul natural lichefiat este format din 90% metan.
Prin urmare, metanul conține de două ori mai mult hidrogen decât kerosenul. Acest lucru are două efecte pozitive:
- Conținutul de energie este mai mare: cu arderea stoichiometrică este de 13,9 MJ/kg (LOX + CH4), comparativ cu 10,3 MJ/kg cu LOX/kerosen. Acest lucru se datorează faptului că arderea hidrogenului oferă mult mai multă energie decât arderea carbonului. Carbonul pur este de 8,94 MJ/kg, iar hidrogenul pur este de 15,92 MJ/kg. Toate valorile se referă la arderea stoichiometrică și includ, de asemenea, oxigenul, deoarece acesta face parte, de asemenea, din combustibilul din rachete.
- Masa molară medie a produselor de ardere este mai mică și este de 26,7 față de 31.
- Comparativ cu hidrogenul (15,9 MJ/kg, masa molară 18), metanul se află între kerosen și hidrogen atât din punct de vedere energetic cât și al masei molare.
Dar care sunt dezavantajele? Metanul lichid are o densitate scăzută de 0,42 și este lichid doar între -183 și -162 ° C. Kerosenul, pe de altă parte, are o densitate de 0,8 până la 0,85 g/kg și fierbe doar la aproximativ 180 ° C (valorile pentru JP-1 sunt combustibilul cel mai frecvent utilizat, kerosenul este sinonim pentru o gamă largă de hidrocarburi, există și amestecuri care abia încep se evaporă la 300 ° C). La fel ca hidrogenul lichid, este un combustibil voluminos și nu este lichid la temperatura camerei sau intervalul de temperatură în care rămâne lichid este de numai 21 ° C.
De fapt, am un vehicul cu combustie criogenică cu aceleași cerințe tehnice ca și hidrogenul lichid. Întrebarea este: merită trecerea de la kerosen la metan?
Suportul de ardere are mai multe funcții. În primul rând, fiecare piesă rulmentă și mobilă este lubrifiată cu suportul de ardere. Posibilitatea de a utiliza propriul lubrifiant este exclusă cu metan sau hidrogen din cauza temperaturilor scăzute. Apoi camera de ardere și duza sunt răcite cu suportul de ardere. În plus, performanța pompei turbo depinde de volumul transportat, nu de greutate. Pompa turbo LOX a Vulcain 2 are de ex. o putere de 5,1 MW la 12.600 rpm. Cel pentru hidrogen trebuie să transporte de șapte ori mai puțin greutate, dar are o putere de 14,1 MW la 35.500 rpm, deoarece hidrogenul are o densitate de 16 ori mai mică decât oxigenul.
Acum, la provocările pe care le pune hidrogenul ca purtător de combustie pentru tehnologie:
Acestea sunt provocările tehnice cu hidrogenul. dar despre metan? Nu mult mai bine. Suprafața în care este lichid este, de asemenea, doar de aproximativ 20 K. Metanul se evaporă la temperaturi scăzute, deși puțin mai ridicat decât hidrogenul. Un combustibil de -180 grade Celsius trebuie să lubrifieze părțile în mișcare, ceea ce înseamnă că acestea trebuie să fie fabricate din materiale care nu aderă unele la altele la aceste temperaturi. Cerințele impuse pompei turbo sunt ceva mai bune. Volumul extras este cu doar 60% mai mare decât cel al kerosenului.
Una peste alta, aveți o unitate cu aproape aceleași cerințe tehnice, care fac utilizarea hidrogenului mai scumpă decât cea a kerosenului. Dar aduce cel puțin ceva? Nu, pentru că impulsul specific este doar puțin mai mare. Vreau să arăt acest lucru cu două exemple. Pe de o parte, prin compararea motoarelor existente sau proiectate pentru primele etape, treptele superioare sau unitățile de satelit.
| combustibil | LOX/kerosen | LOX/kerosen | LOX/LH2 | LOX/LH2 | LOX/LCH4 | LOX/LH2 | LOX/CH4 | MMH/NTO | LOX/metan |
| Presiunea camerei de ardere | 145,7 bari | 300 bar | 118 bari | 220 bar | ? | 28 bar | 28 bar | 11-18 bari | 11.2-14.4 bari |
| sol cu impuls specific | 2923 m/s | 3030 m/s | 3118 m/s | 3560 m/s | ? | ||||
| vid de impuls specific | 3247 m/s | 3305 m/s | 4256 m/s | 4462 m/s | 3530 m/s | 4365 m/s | 3400 m/s | 3187 m/s | 3109 - 3138 m/s |
Al doilea este calculele cu programul NASA FCEA. De data aceasta cu următoarele repere:
- Presiunea camerei de ardere: 80 bari
- Raport suprafață: 100
- Combustie cu un exces de 30% de RP-1/Lh2/metan
- valori pentru soldul înghețat
| Raportul de combustie | 1/6.10 | 1/3.06 | 1/2,62 |
| impuls specific | 4225,8/4374,8 m/s | 3416,8/3515,8 m/s | 3263,1/3356,1 m/s |
| Temperatura de ardere: | 3514 K | 3505,6 K | 3695,2 K |
În total, metanul realizează cu aproximativ 200-300 m/s mai mult decât kerosenul, dar totuși cu 700-800 m/s mai puțin decât cu hidrogen/oxigen. Întrebarea este: merită acest lucru efortul? După părerea mea nu. Câștigul de 200 m/s nu are legătură cu efortul. Acest lucru se aplică și altor unități, astfel încât NASA folosește RS-68 în Ares V, deși impulsul specific este inferior celui al unui SSME, dar este mai ieftin de produs. Cred că acest lucru se aplică și mai mult metanului, care, în părți mari, prezintă aceleași provocări ca și hidrogenul lichid, fără a avea avantajul impulsului specific ridicat ca beneficiu.
Ceea ce se testează în prezent nu este de a converti motoarele cu kerosen în metan, ci de a converti unitățile LOX/LH2 în metan. Acestea sunt deja adaptate combustibililor criogenici. Acest lucru a fost deja testat cu RL-10 în anii 1960. Avantajul constă în două puncte: în comparație cu hidrogenul, rezervoarele sunt mai mici (raportul de amestecare este de obicei de la 2,6 la 3,5 comparativ cu 5,5 la 6). sunt și mai ușoare.
Motorul are o tracțiune mai mare. Dacă se transportă aceeași cantitate de oxigen, raportul mai mare de amestecare și densitatea mai mare au ca rezultat o cantitate mai mare de combustibil. Cu RL-10 ar fi fost de 147 până la 99 kN.
În cele din urmă, temperatura care trebuie menținută este mai apropiată de cea a oxigenului și, de asemenea, zona în care metanul este lichid, mai aproape de oxigen. Acest lucru este important dacă trebuie să păstrați combustibilul rece pentru perioade lungi de timp, cum ar fi în misiunile lunare. Aici RK-10 a fost examinat într-o versiune modificată. Metanul a fost ales deoarece ar fi problematic să păstrăm hidrogenul lichid cu rezervoarele mari și cu punctul de fierbere/intervalul de temperatură scăzut în care este lichid. RL-10 a fost studiat deoarece poate fi redus în împingere, ceea ce este necesar pentru aterizatorii lunari. Cu toate acestea, nu a fost niciodată testat cu combustibili care pot fi depozitați (care au fost folosiți pentru aceeași sarcină în proiectul Apollo), astfel încât a fost utilizat LOX/metan.
Într-un studiu, DLR a examinat dacă metanul aduce un avantaj de greutate într-o primă etapă reutilizabilă. Deoarece rezervoarele sunt mai mari decât kerosenul și necesită izolare, masa goală a crescut. Dacă ar fi reutilizat, acest lucru ar avea efecte asupra altor sisteme (zona aripii, combustibil pentru a ajunge la locul de lansare, împingerea motoarelor9, astfel încât scena să fie mai grea decât cu LOX/kerosen. Acest lucru poate fi diferit cu o rachetă neutilizabilă, dar cu o greutate goală mai mare va consuma în fiecare caz o parte din câștigul din impulsul specific superior.