Folyékony metán rakéta-üzemanyagként - Bernd Leitenberger blogja
Először is, milyen előnyei vannak a metánnak? A metán valójában csak szénhidrogén, de különleges. A normál szénhidrogének nagyon hosszú láncúak, mindegyik szénatomon két hidrogénatom található. Ekkor mindkét végén van még egy. Az alkének és a gyűrű alakú molekulák tartalma miatt a kerozin, a szokásos szénhidrogén, nagyjából CnH2n összetételű. Minden szénatomhoz két hidrogénatom tartozik. A metán molekuláris képlete CH4. Az LNG (folyékony földgáz) kifejezést szintén gyakran használják. A cseppfolyósított földgáz 90% metánt tartalmaz.
A metán tehát kétszer annyi hidrogént tartalmaz, mint a kerozin. Ennek két pozitív hatása van:
- Az energiatartalom magasabb: sztöchiometrikus égés esetén 13,9 MJ/kg (LOX + CH4), szemben a LOX/kerozin 10,3 MJ/kg-val. A hidrogén elégetése ugyanis sokkal több energiát szolgáltat, mint a szén elégetése. A tiszta szén 8,94 MJ/kg, a tiszta hidrogén pedig 15,92 MJ/kg. Minden érték a sztöchiometrikus égésre vonatkozik, és oxigént is tartalmaz, mivel ez is a rakétákban található üzemanyag része.
- Az égéstermékek átlagos moláris tömege alacsonyabb és 26,7 a 31-hez képest.
- A metán a hidrogénhez (15,9 MJ/kg, 18 moláris tömeg) képest a petróleum és a hidrogén között helyezkedik el, mind energiáját, mind moláris tömegét tekintve.
De mik a hátrányai? A folyékony metán sűrűsége alacsony, 0,42, és csak -183 és -162 ° C között folyékony. A petróleum sűrűsége viszont 0,8–0,85 g/kg, és csak 180 ° C körül forral (a JP-1 értékei a leggyakrabban használt üzemanyagok, a kerozin a szénhidrogének széles körének szinonimája, vannak olyan keverékek is, amelyek még csak most kezdődnek bepároljuk 300 ° C-on). A folyékony hidrogénhez hasonlóan terjedelmes üzemanyag, szobahőmérsékleten nem folyékony, vagy a hőmérséklet-tartomány, amelyben folyékony marad, csak 21 ° C.
Valójában van egy kriogén égésű járművem, ugyanazokkal a műszaki követelményekkel, mint a folyékony hidrogénnel. A kérdés az: megéri-e az átállást a kerozinról a metánra?
Az égéshordozónak több funkciója van. Először is minden csapágyat és mozgó részt meg kell kenni az égésterhellyel. A saját kenőanyag használatának lehetősége metánnal vagy hidrogénnel kizárt az alacsony hőmérséklet miatt. Ezután az égésteret és a fúvókát az égéstámasszal lehűtjük. Ezenkívül a turbószivattyú teljesítménye a szállított mennyiségtől függ, és nem a súlytól. Például a Vulcain 2 LOX turbószivattyújának teljesítménye 5,1 MW 12 600 fordulat/perc sebesség mellett. A hidrogénnek hétszer kisebb súlyt kell szállítania, de 35,100 fordulat/perc mellett 14,1 MW teljesítményű, mivel a hidrogén sűrűsége 16-szor alacsonyabb, mint az oxigéné.
Most a kihívásokra, amelyeket a hidrogén mint égéshordozó jelent a technológia számára:
Ezek a hidrogénnel kapcsolatos technikai kihívások. de mi van a metánnal? Nem sokkal jobb. A folyékony terület szintén csak kb. 20 K. A metán alacsony hőmérsékleten elpárolog, bár kissé magasabb, mint a hidrogén. -180 Celsius fokos üzemanyagnak kennie kell a mozgó alkatrészeket, ami azt jelenti, hogy olyan anyagokból kell készülniük, amelyek ezen a hőmérsékleten nem tapadnak egymáshoz. A turbószivattyú követelményei valamivel jobbak. Az extrahált térfogat csak 60% -kal nagyobb, mint a keroziné.
Összességében elmondható, hogy szinte ugyanazokkal a műszaki követelményekkel rendelkező meghajtóval rendelkezik, amelyek drágábbá teszik a hidrogén használatát, mint a keroziné. De hoz-e legalább valamit? Nem, mert a fajta impulzus csak valamivel nagyobb. Két példával szeretném ezt bemutatni. Egyrészt a ténylegesen meglévő vagy tervezett motorok összehasonlításával az első fokozatokhoz, a felső fokozatokhoz vagy a műholdas meghajtókhoz.
| üzemanyag | LOX/kerozin | LOX/kerozin | LOX/LH2 | LOX/LH2 | LOX/LCH4 | LOX/LH2 | LOX/CH4 | MMH/NTO | LOX/metán |
| Az égéstér nyomása | 145,7 bar | 300 bar | 118 bar | 220 bar | ? | 28 bar | 28 bar | 11-18 bár | 11,2–14,4 bar |
| specifikus impulzus talaj | 2923 m/s | 3030 m/s | 3118 m/s | 3560 m/s | ? | ||||
| specifikus impulzus vákuum | 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 |
A második a NASA FCEA programmal végzett számítások. Ezúttal a következő referenciaértékekkel:
- Az égéstér nyomása: 80 bar
- Területarány: 100
- Égés 30% RP-1/Lh2/metán felesleggel
- fagyasztott egyenleg értékei
| Égési arány | 1/6.10 | 1/3.06 | 1/2.62 |
| specifikus impulzus | 4225,8/4374,8 m/s | 3416,8/3515,8 m/s | 3263,1/3356,1 m/s |
| Égési hőmérséklet: | 3514 K | 3505,6 K | 3695,2 K |
Összességében a metán 200-300 m/s-mal többet ér el, mint a kerozin, de még mindig 700-800 m/s-mal kevesebb, mint hidrogén/oxigén esetén. A kérdés az: megéri-e ezt az erőfeszítést? Véleményem szerint nem. A 200 m/s nyereség nincs kapcsolatban az erőfeszítéssel. Ez más hajtásokra is vonatkozik, így a NASA az RS-68-at használja az Ares V-ben, bár a fajta impulzus alacsonyabb, mint az SSME, de olcsóbb előállítani. Úgy gondolom, hogy ez még inkább vonatkozik a metánra, amely nagy részben ugyanazokat a kihívásokat jelenti, mint a folyékony hidrogén, anélkül, hogy a magas fajlagos impulzus előnye lenne.
Ami jelenleg tesztelés alatt áll, az nem a kerozin motorok metánná történő átalakítása, hanem a LOX/LH2 meghajtók metánná történő átalakítása. Ezek már alkalmazkodnak a kriogén üzemanyagokhoz. Ezt már az RL-10-el tesztelték a hatvanas években. Az előny két pontban rejlik: A hidrogénhez képest a tartályok kisebbek (a keverési arány jellemzően 2,6–3,5 az 5,5–6-hoz képest. Ezt is figyelembe véve a tartályok csak egyharmada akkorák, mint a hidrogénnel könnyebbek is.
A motor nagyobb tolóerővel rendelkezik. Ha azonos mennyiségű oxigént szállítanak, a nagyobb keverési arány és a nagyobb sűrűség nagyobb üzemanyag-áteresztést eredményez. Az RL-10-rel 147–99 kN lett volna.
Végül a fenntartandó hőmérséklet közelebb van az oxigén hőmérsékletéhez, és a metán folyékony területe közelebb van az oxigénhez. Ez akkor fontos, ha hosszú ideig hűvös állapotban kell tartania az üzemanyagot, mint a Hold küldetésein. Itt az RK-10-et módosított változatban vizsgálták. A metánt azért választották, mert problémás lenne folyékony hidrogént tartani a nagy tartályokkal és az alacsony forráspont/hőmérséklet-tartomány mellett, amelyben folyékony. Az RL-10-et azért vizsgálták, mert csökkenthető a tolóereje, ami a holdraszállók számára szükséges. Azonban soha nem tesztelték tárolható üzemanyagokkal (amelyeket ugyanarra a feladatra használtak az Apollo projektben), ezért LOX/metánt használtak.
Egy tanulmányban a DLR azt vizsgálta, hogy a metán hoz-e súlyelőnyt az újrafelhasználható első szakaszban. Mivel a tartályok nagyobbak, mint a kerozin, és szigetelést igényelnek, az üres tömeg nőtt. Ha újrafelhasználnák, ez hatással lenne más rendszerekre (szárnyterület, az indítóhely eléréséhez szükséges üzemanyag, a motorok tolóereje9, így a színpad nehezebb lenne, mint a LOX/kerozin esetében. Ez nem egyszer használatos rakétával különbözhet, de nagyobb az önsúly minden esetben a magasabb fajlagos impulzus nyereségének egy részét fogja felemészteni.