Метановый двигатель – «КБХА завершило разработку эскизного проекта кислородно-метанового ракетного двигателя тягой 85 тонн» в блоге «Перспективные разработки, НИОКРы, изобретения»

Raptor (ракетный двигатель) — Википедия

Raptor («Раптор») — жидкостный ракетный двигатель, разрабатываемый компанией SpaceX. Двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов топлива, работающий на жидких метане[4] и кислороде[5], планируется применять на ракете-носителе BFR.

Изначальный замысел[править | править код]

18 июня 2009 года на симпозиуме «Innovations in Orbit: An Exploration of Commercial Crew and Cargo Transportation» Американского института аэронавтики и астронавтики[en] Макс Возофф[en] впервые публично упомянул проект ракетного двигателя Raptor. Проект подразумевал использование топливной пары кислород-водород.[6][7]

28 июля 2010 года на 46-й конференции «Joint Propulsion Conference» Американского института аэронавтики и астронавтики директор испытательного комплекса SpaceX в МакГрегоре[en] Том Маркьюзик[en] представил информацию о начальных этапах проектирования двух семейств двухступенчатых ракет-носителей и двух новых ракетных двигателей для них. Планировалось, что двигатель Merlin 2 с топливной парой керосин / жидкий кислород для первых ступеней Falcon X, Falcon XX будет способен развить тягу 1 700 000 фунт-сил

[en] [7 562 кН] на уровне моря и 1 920 000 фунт-сил [8 540 кН] в пустоте, что сделало бы его самым мощным двигателем в своем классе.[8]. Двигатель Raptor, использующий жидкий водород и жидкий кислород, имеющий в пустоте тягу 150 000 фунт-сил [667 кН], удельный импульс 470 с, предназначался для верхних ступеней сверхтяжелых ракет-носителей.[9][10][7]

В октябре 2012 года SpaceX объявила о работе над ракетным двигателем, который будет в несколько раз мощнее, чем двигатели Merlin 1, и не будет использовать топливо RP-1. Двигатель предназначался для ракеты-носителя следующего поколения под кодовым именем MCT[en], способной выводить полезную нагрузку 150—200 т на низкую околоземную орбиту, что превышает возможности SLS НАСА.[11][7]

Анонс и разработка узлов[править | править код]

16 ноября 2012 года, во время выступления в Королевском обществе аэронавтики[en] в Лондоне, Илон Маск впервые объявил о разработке двигателя Raptor, использующего в качестве топлива метан.[12]

[5][13][14][9][10]

В октябре 2013 года SpaceX анонсировала начало испытаний узлов метанового двигателя в Космическом центре имени Джона Стенниса.[15][16] Впервые объявлена номинальная тяга двигателя — 661 000 фунт-сил [2 942 кН].[17][7]

19 февраля 2014 года вице-президент SpaceX по разработке двигателей Томас Мюллер, выступая на мероприятии «Exploring the Next Frontier: The Commercialization of Space is Lifting Off» в Санта-Барбаре, сообщил, что разрабатываемый двигатель Raptor будет способен развивать тягу в 1 000 000 фунт-сил [4 448 кН]. Удельный импульс составит 321 с на уровне моря и 363 с в пустоте.[18][9][10][7]

9 июня 2014 года на конференции «Space Propulsion 2014» в Кёльне Томас Мюллер объявил, что SpaceX разрабатывает многоразовый двигатель Raptor для тяжелой ракеты, предназначенной для полёта на Марс. Планировалось, что тяга двигателя для первой ступени составит 705 тс [6 914 кН], что сделало бы его чуть более мощным, чем двигатель программы «Аполлон» — F-1. Высотная версия двигателя — тяга 840 тс [8 238 кН], удельный импульс 380 с. Пресс-секретарь центра Стенниса — Ребекка Стрекер сообщила, что компания испытывает узлы двигателя малого масштаба на стенде E-2 в Миссисипи.

[19][20][21][7]

В конце 2014 года SpaceX завершила испытания главной форсунки. Летом 2015 года команда испытательного стенда E-2 завершила полномасштабное испытание кислородного газогенератора нового двигателя. С апреля по август было выполнено 76 огневых испытаний газогенератора с общей наработкой около 400 секунд.[22]

6 января 2015 года Илон Маск заявил, что целью является тяга двигателя чуть больше 230 тс [2 256 кН], что намного ниже заявленной ранее.[23][7]

Испытания двигателя[править | править код]

26 сентября 2016 года Илон Маск опубликовал в Twitter две фотографии первого испытательного запуска двигателя Raptor в сборе на испытательном комплексе SpaceX в МакГрегоре.[24][25][26] Маск сообщил, что целевая производительность — удельный импульс в пустоте — 382 с, при коэффициенте расширения сопла 150, тяга в 3 000 кН, давление в камере сгорания 300 бар [30 МПа].[27]

[28][29] 27 сентября он пояснил, что коэффициент расширения 150 — для испытательного образца, пустотная версия будет иметь коэффициент расширения 200.[30] Подробности были обобщены в статье о двигателе Raptor, опубликованной на следующей неделе.[31]

27 сентября 2016 года на 67-м ежегодном Международном конгрессе астронавтики в Гвадалахаре Илон Маск представил подробности концепции ITS.[32] Были даны характеристики двигателя Raptor: давление в камере сгорания 300 бар [30 МПа]; возможность дросселирования тяги в диапазоне 20—100%; номинальная тяга 3 050 кН, удельный импульс 334 с, степень расширения 40; для пустотной версии — тяга 3 500 кН, удельный импульс 382 с, степень расширения 200.[3][7]

К сентябрю 2017 года испытательный двигатель, в котором был применён сплав, повышающий устойчивость элементов турбонасоса кислорода к окислению, работающий с давлением в камере сгорания в 200 бар и развивающий тягу в 1 000 кН, прошёл 42 стендовых огневых испытания с общей наработкой 1200 секунд. Самое длительное испытание продолжалось 100 секунд.[2][33][7]

29 сентября 2017 года в рамках 68-го ежегодного Международного конгресса астронавтики в Аделаиде Илон Маск представил новую концепцию под кодовым названием BFR

[34]. Характеристики двигателя Raptor изменились: давление в камере сгорания 250 бар [25 МПа]; тяга 1 700 кН, удельный импульс 330 с; для пустотной версии — тяга 1 900 кН, удельный импульс 375 с[2][33][7].

Илон Маск объявил, что двигатель Raptor впервые отправится в полёт как часть BFR[34]. В октябре 2017 года он пояснил, что лётные испытания начнутся на полноразмерном корабле (верхней ступени BFR), выполняющем «короткие прыжки» высотой в несколько сотен километров[35].

17 сентября 2018 года на презентации, в рамках которой был представлен первый космический турист BFR Юсаку Маэдзава, информация о ракете была обновлена[36]; озвучены характеристики двигателя Raptor: целевое значение давления в камере сгорания примерно 300 бар [30 МПа]; тяга около 200 тс [1 960 кН]; потенциально-возможный удельный импульс около 380 с.

4 февраля 2019 года было проведено первое огневое испытание лётного[уточнить] образца двигателя[37]

[38]. Испытание продолжалось 2 секунды при давлении 170 бар, достигнута тяга 116 тс [1 137 кН], что составляет 60 % от номинального значения[39].

7 февраля 2019 года проведено очередное огневое испытание с использованием «теплых» компонентов топлива, после которого Илон Маск сообщил, что двигатель подтвердил проектную мощность[40], достигнув уровня тяги в 172 тс [1 686 кН] при давлении в камере сгорания 257 бар [25,7 МПа]. Предполагается прирост тяги 10—20 % при использовании переохлаждённых компонентов топлива.[41]

В августе испытан при полете аппарата Starhopper[42]

С 2009 по 2015 год разработка двигателя финансировалась за счёт инвестиций SpaceX, без привлечения финансирования со стороны правительства США[43][22].

13 января 2016 года ВВС США заключили со SpaceX соглашение о разработке прототипа двигателя Raptor, предназначенного для верхних ступеней ракет-носителей Falcon 9 и Falcon Heavy, с финансированием в размере 33,7 млн долларов со стороны ВВС и не менее 67,3 млн долларов со стороны SpaceX. Ожидалось, что работа по контракту будет завершена не позднее 31 декабря 2018 года

[44][45][46].

9 июня 2017 года ВВС США изменили соглашение, увеличив сумму финансирования со своей стороны на 16,9 млн долларов, не уточнив цели[44][47].

19 октября 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 40,8 млн долларов[44][48].

22 декабря 2017 года ВВС США предоставили SpaceX на разработку прототипа ракетного двигателя Raptor дополнительное финансирование в размере 6,5 млн долларов[44].

Примерная схема работы ЖРД Raptor

Двигатель Raptor будет работать с использованием наиболее эффективной замкнутой схемы с полной газификацией компонентов, в отличие от другого двигателя SpaceX — Merlin, имеющего более простую систему газогенератора с открытым циклом[13][31]. Закрытый цикл использовался на главных двигателях «Шаттла» — RS-25[49] и в нескольких российских ракетных двигателях, например, в РД-170, РД-180, РД-191

[31]. При использовании цикла с полной газификацией компонентов, где поток окислителя с небольшой частью топлива будет приводить в действие турбонасос кислорода, а поток топлива с небольшой частью окислителя будет приводить в действие турбонасос метана, оба потока — окислитель и топливо — будут полностью газифицированы в отдельных газогенераторах, прежде чем попадут в камеру сгорания. До 2016 года только два ракетных двигателя с полной газификацией достигли достаточного прогресса для проведения испытаний на стендах: советский проект РД-270 в 1960-х годах и демонстратор Integrated Powerhead Demonstrator[en] компании Aerojet Rocketdyne в середине 2000-х годов[10][31].

При использовании других циклов возникают серьезные проблемы с уплотнителями вала турбонасосного агрегата. Контакт кислорода с топливом или топливным газом при протечке вдоль вала может вызвать взрыв двигателя. Для избежания этого требуется строгий контроль уплонителей и подача между ними гелия под высоким давлением. В схеме двигателя Raptor возможна только протечка топлива в топливный газ и кислорода в кислородный газ, что не несет никаких проблем. Кроме того, двигатель обладает системой наддува баков газифицированными компонентами. Таким образом полностью исключается потребность в гелии, добыча которого на Марсе невозможна.

[источник не указан 147 дней]

Двигатель использует переохлажденные компоненты топлива, что позволяет увеличить массу топлива в баках за счёт увеличения плотности, увеличивает удельный импульс, тягу, а также снижает риск кавитации в турбонасосах[31].

Воспламенение топлива при запуске всех двигателей Raptor, как на площадке, так и в полёте, будет осуществляться системой искрового зажигания, что устраняет необходимость в пирофорной смеси триэтилалюминия-триэтилборана, используемой для зажигания двигателей на Falcon 9 и Falcon Heavy[31].

В будущем возможно создание нескольких модификаций двигателя Raptor. В ускорителе Super Heavy только центральные двигатели, использующиеся при посадке, будут иметь карданный подвес и систему дросселирования. Двигатели внешнего кольца будут максимально упрощены для снижения стоимости и сухой массы ускорителя, а так же повышения тяги и надежности.[50]

Заявленные характеристики двигателя Raptor в процессе проектирования в течение 2012 — 2017 годов менялись в широком диапазоне, от высокого значения целевой пустотной тяги в 8 200 кН

[21] до более поздней, гораздо более низкой тяги в 1 900 кН. С 2018 года ожидается, что рабочий двигатель будет иметь удельный импульс 380 с в пустоте и 330 с у земли[36][2].

  1. 1 2 The Annual Compendium of Commercial Space Transportation: 2018 (англ.). Federal Aviation Administration. Дата обращения 7 августа 2018.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Making Life Multiplanetary (неопр.). SpaceX (29 сентября 2017).
  3. 1 2 3 Mars Presentation (неопр.) (недоступная ссылка). SpaceX (27 сентября 2016). Архивировано 28 сентября 2016 года.
  4. ↑ SpaceX Prepared Testimony by Jeffrey Thornburg
     (неопр.)
    . spaceref.com (26 июня 2015). Дата обращения 23 декабря 2018.
  5. 1 2 Todd, David. Musk goes for methane-burning reusable rockets as step to colonise Mars, seradata.com (20 ноября 2012). Архивировано 11 июня 2016 года. Дата обращения 4 ноября 2015. «"We are going to do methane." Musk announced as he described his future plans for reusable launch vehicles including those designed to take astronauts to Mars within 15 years, "The energy cost of methane is the lowest and it has a slight Isp (Specific Impulse) advantage over Kerosene," said Musk adding, "And it does not have the pain in the ass factor that hydrogen has".».
  6. AI AA. Part 7 - AIAA Innovations in Orbit: An Exploration of Commercial Crew and Cargo Transportation (неопр.) (1 июля 2009). Дата обращения 19 октября 2018.
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 The Evolution of the Big Falcon Rocket (англ.). NASASpaceFlight.com (9 August 2018). Дата обращения 20 октября 2018.
  8. Tom Markusic. SpaceX Propulsion (неопр.). Space Exploration Technologies (28 июня 2010).
  9. 1 2 3 SpaceX – Launch Vehicle Concepts & Designs (англ.). Spaceflight101.com. Дата обращения 20 октября 2018.
  10. 1 2 3 4 Alejandro G. Belluscio. SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power (англ.). NASASpaceFlight.com (7 March 2014). Дата обращения 19 октября 2018.
  11. ↑ SpaceX aims big with massive new rocket (англ.), Flightglobal.com (15 October 2012). Дата обращения 19 октября 2018.
  12. Royal Aeronautical Society. Elon Musk lecture at the Royal Aeronautical Society (неопр.) (23 ноября 2012). Дата обращения 20 октября 2018.
  13. 1 2 Todd, David. SpaceX’s Mars rocket to be methane-fuelled, Flightglobal.com (22 ноября 2012). Дата обращения 5 декабря 2012. «Musk said Lox and methane would be SpaceX’s propellants of choice on a mission to Mars, which has long been his stated goal. SpaceX’s initial work will be to build a Lox/methane rocket for a future upper stage, codenamed Raptor. The design of this engine would be a departure from the “open cycle” gas generator system that the current Merlin 1 engine series uses. Instead, the new rocket engine would use a much more efficient “staged combustion” cycle that many Russian rocket engines use.».
  14. ↑ Mars Colony: SpaceX CEO Elon Musk Eyes Huge Settlement On Red Planet (англ.), Huffington Post (26 November 2012). Дата обращения 20 октября 2018.
  15. ↑ SpaceX to Test Rocket Engines in Hancock Co. (англ.), Mississippi Development Authority (23 October 2013). Дата обращения 19 октября 2018.
  16. ↑ SpaceX to Conduct Raptor Engine Testing in Mississippi (англ.). www.parabolicarc.com (23 October 2013). Дата обращения 19 октября 2018.
  17. ↑ SpaceX Could Begin Testing Methane-fueled Engine at Stennis Next Year (англ.), SpaceNews.com (25 October 2013). Дата обращения 19 октября 2018.
  18. ↑ SpaceX’s propulsion chief elevates crowd in Santa Barbara (англ.), Pacific Coast Business Times (20 February 2014). Дата обращения 20 октября 2018.
  19. ↑ Aerojet Rocketdyne, SpaceX Square Off For New Engine Work (англ.). aviationweek.com (12 June 2014). Дата обращения 19 октября 2018.
  20. ↑ Daily Clipsheet (неопр.). ula.lonebuffalo.com (9 июня 2014). Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 8 июля 2014 года.
  21. 1 2 Battle of the Heavyweight Rockets – SLS could face Exploration Class rival (англ.). NASASpaceFlight.com (29 August 2014). Дата обращения 19 октября 2018.
  22. 1 2 NASA-SpaceX testing partnership going strong (неопр.). Lagniappe, John C. Stennis Space Center. NASA (сентябрь 2015). — «this project is strictly private industry development for commercial use». Дата обращения 10 января 2016.
  23. ↑ I am Elon Musk, CEO/CTO of a rocket company, AMA! (англ.). www.reddit.com (6 January 2015). Дата обращения 19 октября 2018.
  24. ↑ Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «SpaceX propulsion just achieved first firing of the Raptor interplanetary transport engine». Дата обращения 19 октября 2018.
  25. ↑ Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «Mach diamonds». Дата обращения 19 октября 2018.
  26. ↑ SpaceX испытала ракетный двигатель Raptor для доставки людей на Марс (рус.). РИА Новости (26 сентября 2016). Дата обращения 19 октября 2018.
  27. ↑ Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «Production Raptor goal is specific impulse of 382 seconds and thrust of 3 MN (~310 metric tons) at 300 bar». Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
  28. ↑ Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «Chamber pressure is almost 3X Merlin, so engine is about the same size for a given area ratio». Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
  29. ↑ Elon Musk on Twitter (неопр.) (25 сентября 2016). — «382s is with a 150 area ratio vacuum (or Mars ambient pressure) nozzle. Will go over specs for both versions on Tues.». Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 26 сентября 2016 года.
  30. ↑ Elon Musk on Twitter (неопр.) (26 сентября 2016). — «Meant to say 200 AR for production vac engine. Dev will be up to 150. Beyond that, too much flow separation in Earth atmos.». Дата обращения 19 октября 2018. Архивировано 27 сентября 2016 года.
  31. 1 2 3 4 5 6 Belluscio, Alejandro G. "ITS Propulsion – The evolution of the SpaceX Raptor engine" (англ.). NASASpaceFlight.com (3 October 2016).
  32. ↑ Making Humans a Multiplanetary Species (неопр.). SpaceX (27 сентября 2016). Дата обращения 19 октября 2018.
  33. 1 2 Making Life Multiplanetary (Transcript) (неопр.). SpaceX (29 сентября 2017).
  34. 1 2 Making Life Multiplanetary (неопр.). SpaceX (29 сентября 2017). Дата обращения 2 января 2019.
  35. ↑ Musk offers more technical details on BFR system - SpaceNews.com (англ.). SpaceNews.com (15 October 2017). Дата обращения 19 октября 2018.
  36. 1 2 First Private Passenger on Lunar BFR Mission (англ.). SpaceX (17 September 2018). Дата обращения 19 октября 2018.
  37. ↑ Elon Musk on Twitter (неопр.) (3 февраля 2019). — «First firing of Starship Raptor flight engine!». Дата обращения 6 февраля 2019.
  38. Ольга Никитина. Илон Маск показал первые испытания двигателя для межпланетного корабля Starship (рус.). Взгляд (4 февраля 2019). Дата обращения 4 февраля 2019.
  39. ↑ SpaceX on Instagram (англ.) (5 February 2019). — «Completed a two-second test fire of the Starship Raptor engine that hit 170 bar and ~116 metric tons of force – the highest thrust ever from a SpaceX engine and Raptor was at ~60% power.». Дата обращения 6 февраля 2019.
  40. ↑ Elon Musk on Twitter (неопр.) (7 февраля 2019). — «Raptor just achieved power level needed for Starship & Super Heavy». Дата обращения 7 февраля 2019.
  41. ↑ Elon Musk on Twitter (неопр.) (7 февраля 2019). — «Design requires at least 170 metric tons of force. Engine reached 172 mT & 257 bar chamber pressure with warm propellant, which means 10% to 20% more with deep cryo.». Дата обращения 7 февраля 2019.
  42. ↑ Space X провела успешные испытания аппарата Starhopper // ТАСС, 28 августа
  43. Gwynne Shotwell. Statement of Gwynne Shotwell, President & Chief Operating Officer, Space Exploration Technologies Corp. (SpaceX) (неопр.). Congressional testimony 14–15. US House of Representatives, Committee on Armed Service Subcommittee on Strategic Forces (17 марта 2015). — «SpaceX has already begun self-funded development and testing on our next-generation Raptor engine. ... Raptor development ... will not require external development funds related to this engine.». Дата обращения 11 января 2016.
  44. 1 2 3 4 Agreement FA88111690001 (неопр.). Federal Procurement Data System[en]. Дата обращения 11 февраля 2019. Архивировано 11 февраля 2019 года.
  45. ↑ Contracts for Jan. 13, 2016 (неопр.). Release No: CR-008-16. US Department of Defense (13 января 2016). — «Space Exploration Technologies, Corp. (SpaceX), Hawthorne, California, has been awarded a $33,660,254 other transaction agreement for the development of the Raptor rocket propulsion system prototype for the Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV) program.». Дата обращения 15 января 2016.
  46. ↑ Orbital ATK, SpaceX Win Air Force Propulsion Contracts, SpaceNews[en] (13 января 2016). Дата обращения 15 января 2016.
  47. Jeff Foust. Air Force adds more than $40 million to SpaceX engine contract (неопр.). SpaceNews[en] (21 октября 2017). — «According to government procurement documents, the Air Force modified that agreement June 9, adding nearly $16.9 million to the award, not specifying what the funding would be used for beyond it was a “supplement agreement for work within scope.”». Дата обращения 9 февраля 2019.
  48. ↑ Contracts for October 19, 2017 (неопр.). Release No: CR-203-17. US Department of Defense (19 октября 2017). — «Space Exploration Technologies Corp., Hawthorne, California, has been awarded a $40,766,512 modification (P00007) for the development of the Raptor rocket propulsion system prototype for the Evolved Expendable Launch Vehicle program.». Дата обращения 9 февраля 2019.
  49. ↑ Space Shuttle Main Engines (неопр.). NASA. Дата обращения 6 марта 2013.
  50. e^ 👁 🥧. Planning on a simplifying mod to Raptor for max thrust, but no throttling, to get to 250 mT level (англ.). @elonmusk (2019T23:26). Дата обращения 28 июля 2019.

РД-0162 — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 14 мая 2017; проверки требуют 37 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 14 мая 2017; проверки требуют 37 правок.

РД-0162 — российский кислородно-метановый ракетный двигатель. Разрабатывается в КБХА, главный конструктор — Горохов Виктор Дмитриевич. В качестве горючего используется сжиженный природный газ (метан), в качестве окислителя используется жидкий кислород. Предназначен для использования в качестве маршевого двигателя в многоразовых ракетах-носителях. Рабочий процесс в камере сгорания организован по типу «газ-газ». Преимуществами являются: удобство в эксплуатации, экологическая чистота, возможность многоразового использования. Планируется достижение тяги в 200 тонн. В штатном варианте выбрано давление в камере сгорания 175 кгс/см2[1].

Ракетный двигатель нового типа разрабатывается в воронежском Конструкторском бюро химавтоматики (КБХА) с 1997 года.

Разработка двигателя включена в Федеральную космическую программу на 2016—2025 гг.

  • В декабре 2016 года состоялись успешные испытания двигателя-демонстратора[2].
  • По состоянию на первую половину 2017 года испытание первого завершенного экземпляра было запланировано на 2020 год[3].
  • По состоянию на конец октября 2017 года состоялась серия огневых испытаний двигателя РД-0162Д2А тягой 40 тонн; разработан эскизный проект на кислородно-метановый двигатель тягой 85 тонн[4]. Следующий этап предусматривает выпуск конструкторской документации на двигатель тягой 85 тонн, а также продолжение подготовки производства и изготовление энергетических установок для отработки отдельных систем двигателя[5].
  • 17 апреля 2018 года вице-премьер РФ Дмитрий Рогозин, по итогам посещения производственной площадки Конструкторского бюро химавтоматики, заявил следующее[6]:

Кислород-керосиновые двигатели, безусловно, должны быть заменены уже в ближайшей перспективе на новые работы, которые будут основаны на кислород-водороде и кислород-метане, то есть на сжиженном природном газе. Это более простые решения, более дешевые, более надежные. Если и делать эту ракету «Союз-5», то надо делать ее на современном двигателе, а не на двигателе, которому 50 лет.

  • 31 мая 2018 генеральный директор НПО «Энергомаш» Игорь Арбузов в интервью СМИ сообщил, что до 2020 года должен быть создан и испытан двигатель с тягой 85 тонн[7].
  • 1 апреля 2019 года глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин заявил СМИ, что госкорпорация не может вести разработку перспективных метановых двигателей для многоразовых ракет по причине того, что все свободные деньги направлены на погашение долгов Центра им. Хруничева. В случае появления средств метановый двигатель, благодаря наработкам КБХА, можно было бы сделать за 2-3 года[8].
  • 23 мая 2019 года глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин на лекции в МГУ сообщил, что создание метанового двигателя для многоразовой ракеты будет внесено в новую версию Федеральной космической программы[9].
  • 27 августа 2019 года глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин на Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2019 сообщил, что прототип метанового двигателя возможно создать за несколько лет[10].

Россия создаст свой первый метановый ракетный двигатель и многоразовую ракету

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?

Фото © РИА Новости/Григорий Сысоев

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 описывал 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" договорился 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 писал Каторгин ещё в 1998 году, без "...специальной обработки полостей..., что облегчает многократное их использование без переборки".

Фото © РИА Новости/Сергей Мамонтов

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 обратиться 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 подписало 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, сказал: "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.

Александр Березин

Александр Березин

Метановый двигатель «Raptor» побил рекорд РД-180 / Habr

Час назад Илон Маск обьявил о новом рекорде среди ракетных двигателей. Полетный вариант нового двигателя Raptor достиг рекорных 268.9 бар давления в камере сгорания, что превышает текущий рекорд среди РД в 267 бар поставленный в далеких 90-х двигателем РД-180.



За последний месяц SpaceX начал строительство и настройку Starhopper, тестовой установки, которая будет является уменьшеным прототипом Starship. При том же диаметре в 9 метров, она примерно на 30-40% ниже и на ней будет установлено три новых двигателя Raptor. Starhopper будет отрабатывать новые двигатели, авионику, и предполагается что будет совершать небольшие прыжки уже в этом месяце (тут надо делать поправку на время Илона).

Первый экземпляр полетного Раптора прибыл в Бока Чика пару недель назад и прожиги начались всего через неделю (3-го февраля). 7-го февраля Маск уже обьявил о достижении минимально требуемой тяги в 170 тонн (172 тонны и 257 бар давления). По его словам, топливо (жидкий метан) и окислитель (жидкий кислород) не были глубоко охлаждены, поэтому он предполагает, что возможно еще выжать 10-20% тяги предварительно подвергнув компоненты крио-охлаждению. Со временем они планируют достичь давления в 300 бар. Маск говорит, что еще большее давление потребует порядка 700-800 бар в камерах предварительного сгорания и находится на грани дозволенного физикой.

Кстати, Илон говорит, что РД-170/180 являются образцами для подражания и биография Королева лежит у него на прикроватном столике.

В общем, прогресс Starship явно пошел быстрее, начиная от перехода с композитов на нержавеющую сталь с активным капельным охлаждением, до строительства Starhoppperа и прожигов готового Raptorа. 2019 обещает быть очень захватывающим годом для космической отрасли и человечества!

Метан как перспективное ракетное горючее — Будущее уже наступило…

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.

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

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

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

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.

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.

На данный момент есть несколько компаний, заявляющих о скором использовании метана в своих ракетах. Двигатели, которые создаются :

FRE-1 / Firefly Space SystemsBlue Engine 4 (BE-4) / Blue OriginС5.86 / КБХМ им. ИсаеваРаптор / SpaceXРД-196 ? / НПО «Энергомаш»РД0162 / Конструкторске бюро химавтоматики

Верный путь к применению метана это создание нового ракетного комплекса (то есть новой ракеты), в котором просто не найдётся применения «старым» двигателям. На данный момент существуют такие комплексы на метановом топливе, но пока только в стадии эскизных проектов.

Как ожидается, новая ракета придет на смену тяжелым ракетам-носителям Atlas V и Delta IV, производимым ULA. Сообщается, что Vulcan станет более дешевым в эксплуатации, чем его предшественники. Кроме того, на нем будут установлены исключительно американские двигатели, а не российские РД-180, как в ракете Atlas V. В новой ракете ULA собирается использовать на первой ступени агрегаты Blue Engine 4 компании Blue Origin. Также ожидается, что эти двигатели могут быть повторно использованы после их приземления при помощи защитных щитов (для предотвращения перегрева от трения при падении в атмосфере) и парашютов. Vulcan будет собираться по модульному принципу и будет включать в себя 12 ракет среднего и тяжелого классов с различными возможностями по выводу полезной нагрузки на орбиту.

Первый пуск нового носителя запланирован на 2019 год.

Vulcan Heavy / ULA

Ракетно-космический комплекс «Рикша» был разработан в КБ имени академика В.П.Макеева в 90-е годы, когда все бывшие советские КБ выживали как могли. Для данной ракеты-носителя предлагается три вида старта: стационарный (основной вариант), мобильный, морского базирования. Комплекс «Рикша» включает в себя семейство двухступенчатых ракет-носителей легкого класса на криогенных компонентах топлива. Ракетные блоки оснащаются двигателями (по одному на каждом блоке) РД-182 (модификация двигателя РД-120, дорабатываемого под горючее — СПГ). Вторая ступень с двигателем РД-185 многократного включения унифицирована для всех ракет.

На данный момент проект фактически забыт.

«Рикша» / КБ имени академика В.П.Макеева

В настоящее время ходят слухи о скором начале разработки новой российской ракеты сверхтяжёлого класса, которая будет работать на метане. Соответствующие проекты представили сразу несколько предприятий, среди которых РКК «Энергия», разработавшая в своё время ракету «Энергия» и ЦСКБ «Прогресс», разработчики ракеты «Союз-2».

«Вулкан» на базе ракеты-носителя «Энергия» / РКК «Энергия»

Ракета компании Лин Индастриал. Разработку ракеты-носителя, которая сможет выводить на низкую околоземную орбиту груз около 90 кг, и использующую в качестве топлива сжиженный природный газ, Лин Индастриал начал по просьбе КБХМ им. А.М.Исаева. Кроме того, компания заинтересована в создании более грузоподъёмного варианта, способного вывести на низкую околоземную орбиту 710-715 кг. Таким образом, у ракеты, названной в честь залива и города на Сахалине, где построен первый российский завод по производству СПГ, есть большие перспективы постепенно развиться из сверхлегкой в легкую и тем самым закрыть значительную часть рынка запусков лёгких спутников.

Анива / Лин Индастриал

Компания SpaceX, образованная немногим более 10 лет назад, готовит новый транспорт для осуществления своих марсианских амбиций. Никто не утверждает, что это произойдёт в ближайшие годы, но лет через 10 компания Илона Маска точно представит публике что-то подобное. Что бы не готовилось в недрах SpaceX, оно будет работать на метане. Проблема этого проекта в том, что ещё не исчерпана возможность модернизации главной ракеты компании — Falcon 9. Очевидно, что боковых ускорителей может быть не два, как в Falcon Heavy, а шесть. Тогда грузоподъёмность носителя возрастает с 53 тонн как у Falcon Heavy, до 130, а этого более чем достаточно для осуществления амбиций компании.

Falcon X / Falcon XX / SpaceXФан-арт приземления Falcon X (R) / SpaceX

В 2007 году при поддержке Alliant Techsystems компания XCOR Aerospace произвела испытания метанового двигателя на основе двигателя для лунного корабля Crew Exploration Vehicle из ныне закрытого проекта Orion.

Methane RocketИспытания 16 января 2007 в пустыне Мохаве / XCOR AerospaceЕсть ещё множество проектов метановых двигателей и ракет на этапах эскизных проектов или экспериментальных отработок.

Метан на данный момент — одно из самых перспективных горючих для ракетной техники. Есть все основания полагать, что будущее у него будет безоблачным, но его мировая экспансия произойдёт не сразу, а только через некоторое время.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.


Газовый двигатель – Основные средства

Перспективный 8-цилиндровый газовый двигатель КамАЗ-830.13-400 Euro 5 размерности 120х130, с рабочим объемом 11,762 л, с турбонаддувом, системой EGR, чугунными моноголовками, электронным управлением, системами нейтрализации отработавших газов и бортовой диагностики

О достоинствах газомоторного топлива, в частности метана, сказано немало, но напомним о них еще раз.

Это экологичный выхлоп, удовлетворяющий текущие и даже будущие законодательные требования к токсичности. В рамках культа глобального потепления это важное преимущество, поскольку нормы Euro 5, Euro 6 и все последующие будут насаждаться в обязательном порядке и проблему с выхлопом так или иначе придется решать. К 2020 г. в Евросоюзе новым транспортным средствам будет разрешено производить в среднем не более 95 г СО2 на километр. К 2025 г. этот допустимый предел могут еще опустить. Двигатели на метане способны удовлетворить эти нормы токсичности, и не только благодаря меньшему выбросу СО2. Показатели выбросов твердых частиц в газовых двигателях также ниже, чем у бензиновых или дизельных аналогов.

Далее, газомоторное топливо не смывает масло со стенок цилиндра, что замедляет их износ. Как утверждают пропагандисты газомоторного топлива, ресурс двигателя волшебным образом вырастает в разы. При этом они скромно умалчивают о теплонапряженности работающего на газе двигателя.

Низкопольный городской автобус НефАЗ 5299-30-51 Euro 5 на компримированном метане. Двигатель – Mercedes-Benz M 906

И главное преимущество газомоторного топлива – это цена. Цена и только цена покрывает все недостатки газа как моторного топлива. Если мы говорим о метане, то это неразвитая сеть АГНКС, которая буквально привязывает газовый автомобиль к заправке. Количество заправок сжиженным природным газом ничтожно, этот вид газомоторного топлива сегодня представляет собой нишевой, узкоспециальный продукт. Далее, газобаллонное оборудование занимает часть полезной грузоподъемности и полезного пространства, ГБО хлопотно и накладно в обслуживании.

Технический прогресс породил такой вид двигателя, как газодизель, живущий в двух мирах: дизельном и газовом. Но как универсальное средство газодизель не реализует в полном объеме возможности ни того, ни другого мира. Нельзя оптимизировать ни процесс сгорания, ни показатели КПД, ни образование выбросов для двух видов топлива на одном двигателе. Для оптимизации газовоздушного цикла нужно специализированное средство – газовый двигатель.

Для автомобилей нового поколения «Урал NEXT» предусмотрена комплектация с газовым двигателем ЯМЗ-536 CNG

Сегодня все газовые двигатели используют внешнее образование газовоздушной смеси и воспламенение от свечи зажигания, как в карбюраторном бензиновом двигателе. Альтернативные варианты – в стадии разработки. Газовоздушная смесь образуется во впускном коллекторе путем инжекции газа. Чем ближе к цилиндру происходит этот процесс, тем быстрее реакция двигателя. В идеале газ должен впрыскиваться прямо в камеру сгорания, о чем речь пойдет ниже. Сложность управления не единственный недостаток внешнего смесеобразования.

Инжекция газа управляется электронным блоком, который также регулирует угол опережения зажигания. Метан горит медленнее дизельного топлива, то есть газовоздушная смесь должна воспламеняться раньше, угол опережения также регулируется в зависимости от нагрузки. Кроме того, метану нужна меньшая степень сжатия, нежели дизельному топливу. Так, в атмосферном двигателе степень сжатия снижают до 12–14. Для атмо­сферных двигателей характерен стехиометрический состав газовоздушной смеси, то есть коэффициент избытка воздуха a равен 1, что в какой-то степени компенсирует потерю мощности от снижения степени сжатия. КПД атмосферного газового двигателя на уровне 35%, тогда как у атмосферного же дизеля КПД на уровне 40%.

АГНКС ПАО «ГАЗПРОМ» в Кургане

Автопроизводители рекомендуют использовать в газовых двигателях специальные моторные масла, отличающиеся водостойкостью, пониженной сульфатной зольностью и одновременно высоким значением щелочного числа, но не возбраняются и всесезонные масла для дизельных двигателей классов SAE 15W-40 и 10W-40, которые на практике применяются в девяти случаях из десяти.

Турбокомпрессор позволяет снизить степень сжатия до 10–12 в зависимости от размерности двигателя и давления во впускном тракте, а коэффициент избытка воздуха увеличить до 1,4–1,5. При этом КПД достигает 37%, но одновременно значительно возрастает теплонапряженность двигателя. Для сравнения: КПД турбированного дизельного двигателя достигает 50%.

Повышенная теплонапряженность газового двигателя связана с невозможностью продувки камеры сгорания при перекрытии клапанов, когда в конце такта выпуска одновременно открыты выпускные и впускные клапаны. Поток свежего воздуха, особенно в наддувном двигателе, мог бы охлаждать поверхности камеры сгорания, снижая таким образом теплонапряженность двигателя, а также снижая нагрев свежего заряда, это увеличило бы коэффициент наполнения, но для газового двигателя перекрытие клапанов недопустимо. Из-за внешнего образования газовоздушной смеси воздух всегда подается в цилиндр вместе с метаном, и выпускные клапаны в это время должны быть закрыты во избежание попадания метана в выпускной тракт и взрыва.

Мусоровоз «ГАЗон NEXT» с газовым двигателем ЯМЗ-534 CNG с искровым зажиганием, турбонаддувом и охладителем наддувочного воздуха

Уменьшенная степень сжатия, повышенная теплонапряженность и особенности газовоздушного цикла требуют соответствующих изменений, в частности, в системе охлаждения, в конструкции распредвала и деталей ЦПГ, а также в применяемых для них материалах для сохранения работоспособности и ресурса. Таким образом, стоимость газового двигателя не так уж отличается от стоимости дизельного аналога, а то и выше. Плюс к этому стоимость газобаллонного оборудования.

Флагман отечественного автомобилестроения ПАО «КАМАЗ» серийно выпускает газовые 8-цилиндровые V-образные двигатели серий КамАЗ-820.60 и КамАЗ-820.70 размерностью 120х130 и рабочим объ­емом 11,762 л. Для газовых двигателей используют ЦПГ, обеспечивающую степень сжатия 12 (у дизельного КамАЗ-740 степень сжатия 17). В цилиндре газовоздушная смесь воспламеняется искровой свечой зажигания, установленной вместо форсунки.

Для большегрузных автомобилей с газовыми двигателями используют специальные свечи зажигания. Так, Federal-Mogul поставляет на рынок свечи с иридиевым центральным электродом и боковым электродом, выполненным из иридия или платины. Конструкция, материалы и характеристики электродов и самих свечей учитывают температурный режим работы большегрузного автомобиля, характерный широким диапазоном нагрузок, и сравнительно высокую степень сжатия.

Двигатели КамАЗ-820 оборудуют системой распределенного впрыска метана во впускной трубопровод через форсунки с электромагнитным дозирующим устройством. Газ инжектируется во впускной тракт каждого цилиндра индивидуально, что позволяет корректировать состав газовоздушной смеси для каждого цилиндра с целью получения минимальных выбросов вредных веществ. Расход газа регулируется микропроцессорной системой в зависимости от давления перед инжектором, подача воздуха регулируется дроссельной заслонкой с приводом от электронной педали акселератора. Микропроцесорная система управляет углом опережения зажигания, обеспечивает защиту от воспламенения метана во впускном трубопроводе при сбое в системе зажигания или неисправности клапанов, а также защиту двигателя от аварийных режимов, поддерживает заданную скорость автомобиля, обеспечивает ограничение крутящего момента на ведущих колесах автомобиля и самодиагностику при включении системы.

Трактор «АГРОМАШ 85ТК МЕТАН» с газовым двигателем

«КАМАЗ» в значительной степени унифицировал детали газовых и дизельных двигателей, но далеко не все, и многие внешне схожие детали для дизеля – коленвал, распредвал, поршни с шатунами и кольцами, головки блока цилиндров, турбокомпрессор, водяной насос, масляный насос, впускной трубопровод, поддон картера, картер маховика – не подходят для газового двигателя.

В апреле 2015 г. «КАМАЗ» запустил корпус газовых автомобилей мощностью 8 тыс. единиц техники в год. Производство размещено в бывшем газодизельном корпусе автозавода. Технология сборки следующая: шасси собирают и устанавливают на него газовый двигатель на главном сборочном конвейере автомобильного завода. Потом шасси буксируют в корпус газовых автомобилей для монтажа газобаллонного оборудования и проведения всего цикла испытаний, а также для обкатки автотехники и шасси. При этом газовые двигатели КАМАЗ (в том числе модернизированные с компонентной базой «БОШ»), собираемые на моторном производстве, также проходят испытания и обкатку в полном объеме.

«Автодизель» (Ярославский моторный завод) в содружестве с компанией Westport разработал и выпускает линейку газовых двигателей на базе семейства 4- и 6-цилиндровых рядных двигателей ЯМЗ-530. Шестицилиндровый вариант может устанавливаться на автомобили нового поколения «Урал NEXT».

Концепция непосредственного впрыска Direct4Gas

Как уже говорилось выше, идеальный вариант газового двигателя – это непосредственный впрыск газа в камеру сгорания, но до сих пор мощнейшее глобальное машиностроение не создало такой технологии. В Германии исследования ведет консорциум Direct4Gas, возглавляемый компанией Robert Bosch GmbH в партнерстве с Daimler AG и Штутгартским научно-исследовательским институтом автомобильной техники и двигателей (FKFS). Министерство экономики и энергетики Германии поддержало проект суммой в 3,8 млн евро, что на самом деле не так уж много. Проект будет работать с 2015-го до января 2017 г. На-гора должны выдать промышленный образец системы непосредственного впрыска метана и, что не менее важно, технологию ее производства.

По сравнению с нынешними системами, использующими многоточечный впрыск газа в коллектор, перспективная система непосредственного впрыска способна на 60% увеличить крутящий момент на низких оборотах, то есть ликвидировать слабое место газового двигателя. Непосредственный впрыск решает целый комплекс «детских» болезней газового двигателя, принесенных вместе с внешним смесеобразованием.

В проекте Direct4Gas разрабатывают систему непосредственного впрыска, способную быть надежной и герметичной и дозировать точное количество газа для впрыска. Модификации самого двигателя сведены к минимуму, чтобы промышленность могла использовать прежние компоненты. Команда проекта комплектует экспериментальные газовые двигатели недавно разработанным клапаном впрыска высокого давления. Систему предполагается тестировать в лаборатории и непосредственно на транспортных средствах. Исследователи также изучают образование топливно-воздушной смеси, процесс управления зажиганием и образование токсичных газов. Долгосрочная цель консорциума – это создание условий, при которых технология сможет выйти на рынок.

 

Итак, газовые двигатели – это молодое направление, еще не достигшее технологической зрелости. Зрелость наступит, когда Bosch со товарищи создадут технологию непосредственно впрыска метана в камеру сгорания.

Озвучен возможный срок первого запуска российской ракеты с метановым двигателем

Первый старт ракеты-носителя с метановым двигателем могут осуществить в 2025 году. При условии, что проект будут финансировать.

О разработке в России ракеты с метановым двигателем рассказал исполнительный директор «Роскосмоса» по перспективным программам и науке Александр Блошенко. По его словам, старт такого носителя можно будет осуществить уже в 2025 году. «При выделении необходимых денег создать летный вариант ракеты на метане можно будет к концу 2024 года, а первый старт выполнить в 2025 году», — заявил Блошенко.

Сейчас российские специалисты проработали компоновку носителя, а также версии предназначенных для нее стартовых комплексов. «Теперь нужно делать полноценный эскизный проект. Его мы планируем закончить к концу следующего года», — сказал специалист.

Блошенко также описал современное видение российской метановой ракеты. По его словам, носитель не планируют оборудовать боковыми блоками, как, например, у ракеты «Союз-2». Для перспективной ракеты-носителя выбрана тандемная схема, похожая на ту, которую использовали для «Зенита».

Для первой ступени ракеты хотят использовать двигатель РД-0169, его же намерены применить для второй ступени носителя. Стартовую массу ракеты с метановым двигателем видят относительно небольшой: по крайней мере, меньше, чем у «Союза-2».

Грузоподъемность нового носителя должна составлять до 10 тонн при старте с Восточного и выведении грузов на низкую околоземную орбиту (НОО). Ракета будет иметь крупный головной обтекатель, диаметр которого будет достигать пяти метров.

Одна из концептуальных задач разработчиков — сделать так, чтобы носитель был конкурентоспособен на мировом рынке. Напомним, высокая стоимость запуска ранее стала одной из главных причин, из-за которых критиковали (и продолжают критиковать) новую российскую ракету «Ангара-А5», призванную сменить относительно дешевый «Протон-М».

Сейчас метановые ракетные двигатели активно разрабатывают в США: они должны стать более дешевыми и надежными аналогами существующих керосиновых двигателей.

Самая известная из таких разработок — метановый двигатель Raptor, который компания SpaceX создает для своего нового комплекса Big Falcon Rocket. Испытания Raptor, в частности, провели в феврале этого года. По словам главы компании Илона Маска, тесты прошли успешно.

Подробнее о том, что представляет собой новое творение SpaceX, можно прочитать в одном из прошлых материалов Naked Science.

Скопировать ссылку