Kvapalný metán ako palivo pre rakety - blog Bernda Leitenbergera
Po prvé, aké sú výhody metánu? Metán je v skutočnosti iba uhľovodík, ale špeciálny. Normálne uhľovodíky majú veľmi dlhé reťazce. Na každom atóme uhlíka sú dva atómy vodíka. Na každom konci je potom ešte jeden. Ale kvôli obsahu alkénov a molekúl v tvare kruhu má petrolej, bežný uhľovodík, zhruba zloženie CnH2n. Pre každý atóm uhlíka existujú dva atómy vodíka. Metán má molekulárny vzorec CH4. Často sa používa aj termín LNG (kvapalný zemný plyn). Skvapalnený zemný plyn pozostáva z 90% metánu.
Metán preto obsahuje dvakrát toľko vodíka ako petrolej. Má to dva pozitívne účinky:
- Energetický obsah je vyšší: pri stechiometrickom spaľovaní je to 13,9 MJ/kg (LOX + CH4), v porovnaní s 10,3 MJ/kg pri LOX/petrolej. Je to tak preto, lebo spaľovanie vodíka poskytuje oveľa viac energie ako spaľovanie uhlíka. Čistý uhlík je 8,94 MJ/kg a čistý vodík je 15,92 MJ/kg. Všetky hodnoty sa týkajú stechiometrického spaľovania a zahŕňajú aj kyslík, pretože ten je tiež súčasťou paliva v raketách.
- Priemerná molárna hmotnosť produktov spaľovania je nižšia a je 26,7 v porovnaní s 31.
- V porovnaní s vodíkom (15,9 MJ/kg, molárna hmotnosť 18) leží metán medzi petrolejom a vodíkom, čo sa týka energie aj molárnej hmotnosti.
Aké sú však nevýhody? Kvapalný metán má nízku hustotu 0,42 a je tekutý iba medzi -183 a -162 ° C. Na druhej strane petrolej má hustotu 0,8 až 0,85 g/kg a varí sa iba pri teplote okolo 180 ° C (hodnoty pre JP-1 sú najbežnejšie používané palivo, petrolej je synonymom pre širokú zmes uhľovodíkov, existujú aj zmesi, ktoré sa ešte len začínajú odparí sa pri 300 ° C). Rovnako ako kvapalný vodík je to objemné palivo a nie je kvapalné pri izbovej teplote, alebo teplotný rozsah, v ktorom zostáva kvapalný, je iba 21 ° C.
V skutočnosti mám vozidlo na kryogénne spaľovanie s rovnakými technickými požiadavkami ako kvapalný vodík. Otázka znie: stojí za to prejsť z petroleja na metán?
Nosič spaľovania má viac funkcií. Najskôr je každé ložisko a pohyblivá časť namazaná spaľovacím nosičom. Vďaka nízkym teplotám je možnosť použitia vlastného maziva s metánom alebo vodíkom vylúčená. Potom sa spaľovacia komora a tryska ochladia pomocou podpory spaľovania. Ďalej výkon turbodúchadla závisí od prepravovaného objemu, nie od hmotnosti. Napríklad turbočerpadlo LOX modelu Vulcain 2 má výkon 5,1 MW pri 12 600 ot./min. Ten pre vodík musí prepravovať sedemkrát menšiu hmotnosť, ale má výkon 14,1 MW pri 35 500 ot./min, pretože vodík má 16-krát nižšiu hustotu ako kyslík.
Teraz k výzvam, ktoré predstavuje vodík ako nosič spaľovania pre technológiu:
Toto sú technické výzvy spojené s vodíkom. ale čo metán? Nie oveľa lepšie. Plocha, v ktorej je kvapalina, je tiež len asi 20 K. Metán sa odparuje pri nízkych teplotách, aj keď o niečo vyšších ako vodík. Palivo s teplotou -180 stupňov Celzia musí mazať pohyblivé časti, čo znamená, že musia byť vyrobené z materiálov, ktoré sa pri týchto teplotách navzájom nelepia. Požiadavky na turbočerpadlo sú o niečo lepšie. Získaný objem je iba o 60% väčší ako u petroleja.
Celkovo máte disk s takmer rovnakými technickými požiadavkami, ktoré predražujú používanie vodíka ako petroleja. Prináša to však aspoň niečo? Nie, pretože konkrétny impulz je len o niečo väčší. Chcem to ukázať na dvoch príkladoch. Na jednej strane porovnaním skutočne existujúcich alebo projektovaných motorov pre prvé stupne, vyššie stupne alebo satelitné pohony.
| palivo | LOX/petrolej | LOX/petrolej | LOX/LH2 | LOX/LH2 | LOX/LCH4 | LOX/LH2 | LOX/CH4 | MMH/NTO | LOX/metán |
| Tlak spaľovacej komory | 145,7 baru | 300 barov | 118 barov | 220 barov | ? | 28 barov | 28 barov | 11-18 barov | 11,2-14,4 baru |
| špecifická impulzná pôda | 2923 m/s | 3030 m/s | 3118 m/s | 3 560 m/s | ? | ||||
| špecifické impulzné vákuum | 3247 m/s | 3305 m/s | 4256 m/s | 4462 m/s | 3 530 m/s | 4365 m/s | 3 400 m/s | 3187 m/s | 3109 - 3138 m/s |
Druhou sú výpočty s programom NASA FCEA. Tentokrát s nasledujúcimi referenčnými hodnotami:
- Tlak v spaľovacej komore: 80 bar
- Pomer plôch: 100
- Spaľovanie s 30% prebytkom RP-1/Lh2/metán
- hodnoty pre zmrazený zostatok
| Pomer spaľovania | 1/6.10 | 1/3,06 | 1/2,62 |
| konkrétny impulz | 4225,8/4374,8 m/s | 3416,8/3515,8 m/s | 3263,1/3356,1 m/s |
| Teplota spaľovania: | 3514 K. | 3505,6 K | 3695,2 K |
Celkovo dosahuje metán asi o 200 - 300 m/s viac ako petrolej, ale stále je to o 700 - 800 m/s menej ako pri použití vodíka/kyslíka. Otázka znie: stojí to za námahu? Podľa mňa nie. Zisk 200 m/s nesúvisí s namáhaním. To platí aj pre iné disky, takže NASA používa RS-68 v Ares V, aj keď špecifický impulz je nižší ako u SSME, ale jeho výroba je lacnejšia. Myslím si, že to platí ešte viac pre metán, ktorý vo veľkých častiach predstavuje rovnaké výzvy ako kvapalný vodík, bez toho, aby mal výhodu vysokého špecifického impulzu.
To, čo sa v súčasnosti testuje, nie je prevádzať petrolejové motory na metán, ale prevádzať jednotky LOX/LH2 na metán. Tieto sú už prispôsobené kryogénnym palivám. To bolo už v šesťdesiatych rokoch testované s RL-10. Výhoda spočíva v dvoch bodoch: V porovnaní s vodíkom sú nádrže menšie (zmiešavací pomer je zvyčajne 2,6 až 3,5 v porovnaní s 5,5 až 6. Aj keď to vezmeme do úvahy, nádrže sú iba o tretinu väčšie ako pri vodíku. aj ľahšie.
Motor má vyšší ťah. Ak sa dopravuje rovnaké množstvo kyslíka, vedie vyšší zmiešavací pomer a vyššia hustota k väčšiemu prietoku paliva. S RL-10 by to bolo 147 až 99 kN.
A nakoniec, teplota, ktorú je potrebné udržiavať, je bližšie k kyslíku a tiež k oblasti, v ktorej je metán kvapalný, bližšie k kyslíku. To je dôležité, ak musíte udržiavať palivo dlho chladné, ako napríklad na mesačných misiách. Tu bol RK-10 skúmaný v upravenej verzii. Metán bol zvolený preto, lebo by bolo problematické udržiavať vodík v kvapalnom stave s veľkými nádržami a s nízkym bodom varu/teplotným rozsahom, v ktorom je kvapalný. RL-10 bol skúmaný, pretože sa dá znížiť v ťahu, ktorý je potrebný pre pristávajúce na Mesiaci. Nikdy však nebol testovaný na skladovateľné palivá (ktoré sa v projekte Apollo použili na rovnakú úlohu), preto sa použil LOX/metán.
V štúdii DLR skúmalo, či metán prináša váhovú výhodu v opätovne použiteľnej prvej fáze. Pretože nádrže sú väčšie ako petrolej a vyžadujú izoláciu, prázdna hmotnosť sa zvýšila. Ak by sa opätovne použilo, malo by to účinky na ďalšie systémy (plocha krídla, palivo potrebné na dosiahnutie miesta vypustenia, ťah motorov9, takže stupeň by bol ťažší ako pri použití LOX/petroleja. Toto sa môže líšiť od jednorazovej rakety, ale vyššej pohotovostnej hmotnosti v každom prípade spotrebuje časť zisku z vyššieho špecifického impulzu.