Питання зниження вартості запусків ракет-носіїв стояв завжди. За часів космічної гонки СРСР і США мало замислювалися про витрати - престиж країни коштував незмірно дорожче. Сьогодні скорочення витрат «по всіх фронтах» стало загальносвітовим трендом. Паливо становить всього 0,2 ... 0,3% від вартості всієї ракети-носія, але крім вартості палива важливий ще такий параметр, як його доступність. А тут вже є питання. За останні 50 років список рідких горючих, широко використовуються в ракетно-космічній галузі мало змінився. Давайте ж їх перерахуємо: гас, водень і гептил. Кожне з них має свої особливості і по-своєму цікаво, але у всіх є хоча б один серйозний недолік. Коротенько розглянемо кожне з них.
Почав застосовуватися ще в 50-х роках і залишається затребуваний і по сей день - саме на ньому літають наша Ангара і Falcon 9 від SpaceX. Має безліч переваг, серед яких: висока щільність, низька токсичність, забезпечує високу питому імпульс, поки що прийнятна ціна. Але виробництво гасу сьогодні пов'язане з великими труднощами. Наприклад, ракети Союз, які роблять в Самарі, зараз літають на штучно створеному пальному, тому що спочатку для створення гасу для цих ракет використовувалися тільки певні сорти нафти з конкретних свердловин. В основному це нафта Анастасіївському-Троїцького родовища в Житомирському краї. Але нафтові свердловини виснажуються, і нині використовується гас є змішанням композицій, які видобуваються з декількох свердловин. Заповітну марку РГ-1 отримують за допомогою дорогої перегонки. За оцінками експертів, проблема дефіциту гасу буде тільки посилюватися.
«Ангара 1.1» на керосиновом двигуні РД-193
Сьогодні водень, поряд з метаном, є одним з найбільш перспективних ракетних горючих. На ньому літає відразу кілька сучасних ракет і розгінних блоків. У парі з киснем він (після фтору) видає найвища питома імпульс і для використання в верхніх щаблях ракети (або розгінних блоках) підходить ідеально. Але надзвичайно низька щільність не дозволяє в повній мірі використовувати його для перших ступенів ракет. Є у нього ще один недолік - висока кріогенних. Якщо ракета заправлена воднем, то він знаходиться при температурі близько 15 кельвінів (-258 за Цельсієм). Це призводить до додаткових витрат. Якщо порівнювати в гасом, то доступність водню досить висока і його отримання не є проблемою.
Він же НДМГ або несиметричний диметилгидразин. У цього пального все ще залишаються сфери застосування, але воно поступово відходить на задній план. І причиною тому його висока токсичність. Він володіє майже такими ж, як гас енергетичними показниками і є висококиплячих компонентах (зберігання при кімнатній температурі) і, тому, за радянських часів використовувався досить активно. Наприклад, ракета Протон літає на високотоксичного парі гептил + аміл, кожен з яких здатний вбити людину, яка вдихнула з необережності їх пари. Використання таких палив в сучасний час невиправдано і є неприйнятним. Пальне знаходить застосування в супутниках і міжпланетних зондах, де воно, на жаль, незамінне.
Метан як альтернатива
Але чи є паливо, яке задовольнить всіх і буде коштувати дешевше всіх? Можливо, це метан. Той самий блакитний газ, на якому деякі з вас сьогодні готували їжу. Пропоноване пальне є перспективним, активно освоюється іншими галузями промисловості, володіє більш широкої сировинною базою в порівнянні з гасом і низькою вартістю - це є важливим моментом, з огляду на прогнозовані проблеми виробництва гасу. Метан як по щільності, так і по ефективності знаходиться між гасом і воднем. Способи отримання метану численні. Головне джерело метану природний газ, який складається на 80..96% з метану. Решта - це пропан, бутан та інші гази того ж ряду, які можна взагалі не видаляти, вони дуже схожі за властивостями з метаном. Іншими словами, можна просто сжижать природний газ і використовувати його як ракетне паливо. Метан можна отримувати і з інших джерел, наприклад, переробкою відходів тваринництва. Можливість використання метану в якості ракетного палива розглядається вже протягом десятків років, проте зараз є тільки стендові варіанти і експериментальні зразки таких двигунів. Наприклад, в Химкинском НВО «Енергомаш» дослідження в частині використання скрапленого газу в двигунах велися з 1981 року. Опрацьовується зараз в «Енергомаш» концепція передбачає розробку однокамерного двигуна тягою в 200 т на паливі «рідкий кисень - зріджений метан» для першого ступеня перспективного носія легкого класу. Космічна техніка найближчого майбутнього обіцяє бути багаторазовою. І тут відкривається ще одна перевага метану. Він кріогенний, а, значить, досить нагріти двигун хоча б до температури -160 за Цельсієм (а краще вище) і двигун сам звільниться від компонентів палива. На думку фахівців він найбільше підходить для створення багаторазових ракет-носіїв. Ось що про метан думає головний конструктор НВО «Енергомаш» Сміла Чванов:
- Питома імпульс у двигуна на СПГ високий, але ця перевага нівелюється тим, що у метанового палива менша щільність, тому в сумі виходить незначне енергетичну перевагу. З конструкційної точки зору метан привабливий. Щоб звільнити порожнини двигуна, потрібно тільки пройти цикл випаровування - тобто двигун легше звільняється від залишків продуктів. За рахунок цього метанове паливо більш прийнятно з точки зору створення двигуна багаторазового використання і літального апарату багаторазового застосування.
Ще один аргумент на користь використання метану - можливість добувати його на астероїдах, планети та їх супутники, забезпечуючи повертаються місії паливом. Там набагато легше добувати метан, ніж гас. Природно, про можливість привозити паливо з собою не може бути й мови. Перспектива таких далеких місій, вельми віддалена, але деякі роботи вже ведуться.
Майбутнє, яке так і не настало
Так чому ж метан вУкаіни так і не став практично використовуваним пальним? Відповідь досить проста. З початку 80-х в СРСР, а потім і вУкаіни не було створено жодного нового ракетного двигуна. Всі українські «новинки» - це модернізація і перейменування радянської спадщини. Єдиний чесно створений комплекс - «Ангара» - з самого початку планувався як гасовий транспорт. Його переробка обійдеться в копієчку. Взагалі, Роскосмос постійно відхиляє метанові проекти тому, що там пов'язують «добро» на хоча б один подібний проект з «добром» на повну перебудову галузі з гасу і гептилу на метан, що вважається довгим і дорогим заходом.
На даний момент є кілька компаній, які заявляють про швидке використанні метану в своїх ракетах. Двигуни, які створюються:
Вірний шлях до застосування метану це створення нового ракетного комплексу (тобто нової ракети), в якому просто не знайдеться застосування «старим» двигунів. На даний момент існують такі комплекси на метановому паливі, але поки тільки в стадії ескізних проектів.
Як очікується, нова ракета прийде на зміну важким ракет-носіїв Atlas V і Delta IV, виробленим ULA. Повідомляється, що Vulcan стане дешевшим в експлуатації, ніж його попередники. Крім того, на ньому будуть встановлені виключно американські двигуни, а не українські РД-180, як в ракеті Atlas V. У новій ракеті ULA збирається використовувати на першому місці агрегати Blue Engine 4 компанії Blue Origin. Також очікується, що ці двигуни можуть бути повторно використані після їх приземлення за допомогою захисних щитів (для запобігання перегріву від тертя при падінні в атмосфері) і парашутів. Vulcan буде збиратися за модульним принципом і буде включати в себе 12 ракет середнього і важкого класів з різними можливостями щодо виведення корисного навантаження на орбіту.
Ракетно-космічний комплекс «Рикша» був розроблений в КБ імені академіка В.П.Макеева в 90-і роки, коли всі колишні радянські КБ виживали як могли. Для даної ракети-носія пропонується три види старту: стаціонарний (основний варіант), мобільний, морського базування. Комплекс «Рикша» включає в себе сімейство двоступеневих ракет-носіїв легкого класу на кріогенних компонентах палива. Ракетні блоки оснащуються двигунами (по одному на кожному блоці) РД-182 (модифікація двигуна РД-120, допрацьовувати під пальне - СПГ). Другий ступінь з двигуном РД-185 багаторазового включення уніфікована для всіх ракет.
На даний момент проект фактично забутий.
В даний час ходять чутки про швидкий початок розробки нової української ракети надважкого класу, яка буде працювати на метані. Відповідні проекти представили відразу кілька підприємств, серед яких РКК «Енергія», яка розробила свого часу ракету «Енергія» і ЦСКБ «Прогрес», розробники ракети «Союз-2».
Ракета компанії Лін Індастріал. Розробку ракети-носія, яка зможе виводити на низьку навколоземну орбіту вантаж близько 90 кг, і використовує в якості палива зріджений природний газ, Лін Індастріал почав на прохання КБХМ ім. А.М.Ісаева. Крім того, компанія зацікавлена в створенні більш вантажопідйомного варіанту, здатного вивести на низьку навколоземну орбіту 710-715 кг. Таким чином, у ракети, названої в честь затоки і міста на Сахаліні, де побудований перший український завод з виробництва СПГ, є великі перспективи поступово розвинутися з надлегкої в легку і тим самим закрити значну частину ринку запусків легких супутників.
Falcon X / Falcon XX
Компанія SpaceX. утворена трохи більше 10 років тому, готує новий транспорт для здійснення своїх марсіанських амбіцій. Ніхто не стверджує, що це відбудеться в найближчі роки, але років через 10 компанія Ілона Маска точно представить публіці щось подібне. Що б не готувалося в надрах SpaceX, воно буде працювати на метані. Проблема цього проекту в тому, що ще не вичерпана можливість модернізації головної ракети компанії - Falcon 9. Очевидно, що бічних прискорювачів може бути не два, як в Falcon Heavy, а шість. Тоді вантажопідйомність носія зростає з 53 тонн як у Falcon Heavy, до 130, а цього більш ніж достатньо для здійснення амбіцій компанії.
Метан на даний момент - один з найперспективніших горючих для ракетної техніки. Є всі підстави вважати, що майбутнє у нього буде безхмарним, але його світова експансія відбудеться не відразу, а тільки через деякий час.