Возможно, уже в ближайшее время на космический рынок выйдут двигатели нового типа — метановые, имеющие целый ряд преимуществ как по энергетике, так и по экологичности и стоимостным параметрам. У России в этой области значительно большие технические заделы, чем у США и других конкурентов. Ряд российских разработок в настоящее время находится уже в завершающей фазе. Внедрение метановых двигателей может обеспечить России дополнительные ценовые преимущества на мировом рынке коммерческих запусков.
Почему именно метан?
Природный газ и его составляющая метан с начала космической эры привлекал внимание ракетчиков в качестве горючего. Однако серьезные проекты ракет-носителей, использующих метановые двигательные установки, появились лишь последнее время.
Метановые двигатели — это двигатели, работающие на сжиженном природном газе (он на 90% состоит из метана), а точнее, на комбинации "жидкий кислород плюс жидкий метан". Они рассматриваются как альтернатива двигателям двухступенчатых ракет-носителей легкого класса (предназначены для вывода полезного груза на низкую околоземную орбиту), использующим в качестве горючего комбинацию "жидкий кислород плюс керосин". Оказалось, что:
по энергомассовым показателям ракеты с двигателями на жидком кислороде и жидком метане имеют преимущество: они способны при одинаковой стартовой массе вывести на орбиту больший груз;
по стоимости метан выгоден: сжиженный природный газ (СПГ) сейчас дешевле керосина (по крайней мере, на российском рынке);
если сравнивать двигатели обоих типов по технологичности (производство, транспортировка, хранение, операции на стартовой позиции и т. д.), то отдать предпочтение какому-либо одному из них достаточно трудно. У СПГ в этом смысле есть как достоинства (он неядовит, коррозионно пассивен, при сгорании дает экологически чистые газообразные продукты), так и недостатки (низкая температура кипения, что предъявляет особые требования при хранении и транспортировке; смесь воздуха и газообразного метана взрывоопасна).
Почему же двигателей на СПГ до сих пор нет в эксплуатации? Дело в том, что их преимущества оказались востребованными лишь в последнее десятилетие. Это объясняется и событиями на топливном рынке (удешевление производства СПГ), и возрастающими требованиями к экологичности, и прогрессом технологий, используемых в самих ракетах-носителях (появление новых материалов, позволяющих облегчить топливные баки, что повышает конкурентоспособность именно метанового горючего в силу его физических параметров).
Пока американцы думали, мы делали
Проектные и экспериментальные работы по метану проводились в США в 70-х годах применительно к "Спейс-Шаттл", одно- и двухступенчатым ракетам-носителям. Выяснилось, что такие двигатели в принципе могут быть эффективны для первых ступеней маршевых жидкостно-реактивных двигателей (ЖРД) двухступенчатых ракет. Однако американцы все же не рискнули тогда заняться этим горючим всерьез: старая инфраструктура уже была создана и обеспечивала вполне приемлемые результаты. Напомним, все это происходило еще до перечисленных выше событий, которые повысили конкурентоспособность метана как ракетного топлива. Сейчас ситуация изменилась, но технологическая и производственная машина имеет огромную инерцию.
В отличие от США, в Японии перспективу развития своих ракет видят именно в кислородно-метановом топливе. Так, предполагается установить метановый двигатель на второй ступени новейшей модификации японской ракеты J-1.
В России работы по метановым двигателям не прекращались все последние десятилетия. В итоге достигнут известный задел, который может обеспечить нашей стране конкурентные преимущества на космическом рынке ХХI века. Жидкостные реактивные двигатели на природном газе и метане разрабатывают Исследовательский центр имени Келдыша, НПО "Энергомаш", КБ "Химмаш" и ряд других фирм.
ИЦ имени Келдыша (бывший НИИ тепловых процессов) разрабатывает принципиально новую концепцию "ЖРД XXI века". Этот двигатель должен соответствовать требованиям по экологической чистоте, обладать повышенной надежностью, быть безопасным в работе, а также допускать возможность многоразового использования. Авторы проекта предполагают установить такой ЖРД на перспективный двухступенчатый носитель, первая ступень которого будет работать на топливе "жидкий кислород плюс жидкий метан", а вторая — на топливе "жидкий кислород плюс жидкий водород". По мнению специалистов ИЦ, если будет решена проблема с финансированием, разработка ЖРД может быть завершена до 2002 года.
Целое семейство двигателей на топливе "жидкий кислород — природный газ" разрабатывается в НПО "Энергомаш". Здесь пошли по пути модификации уже имеющихся кислородно-керосиновых ЖРД. По планам НПО испытания были намечены на 1998 год, однако из-за большой загруженности (главным образом работами по РД-180, который сделали по заказу американцев) и нехватки финансов их начало пришлось отсрочить. Под эти двигатели АО "Компомаш" начало разработку легкой ракеты "Рикша". На основе базовой ракеты возможно создание целого семейства мобильных носителей различной грузоподъемности, способных выводить от двух до четырех тонн полезного груза на низкую околоземную орбиту. Сроки разработки базовой двухступенчатой ракеты-носителя оцениваются примерно в четыре года, и на это нужно $138 млн.
В Конструкторском бюро химического машиностроения имени Исаева (КБ "Химмаш") считают, что метановые ЖРД отличаются в разработке от кислородно-керосиновых, поскольку стоят ближе к водородным. Следовательно, наиболее оптимальный путь создания двигателей на природном газе или метане — это модификация кислородно-водородных ЖРД. В 1997-1998 годах на стенде в Фаустово проведено два огневых испытания кислородно-водородного двигателя — КВД-1, модернизированного под метан. Был получен удельный импульс, больший, чем у высотных кислородно-керосиновых двигателей. В ближайшее время предполагается осуществить следующий цикл испытаний. Возможным применением "метанового" КВД-1 может быть модифицированный разгонный блок ДМ-SL для ракеты "3енит-3SL" комплекса "Морской старт".
ИВАН Ъ-ЗВЕЗДИН