В ракетно-космической технике широко используются криогенные компоненты топлива, выгодно отличающиеся от высоко-кипящих компонентов получением более высокого удельного импульса двигателей, что значительно улучшает характеристики ракеты, и экологический чистотой. Ракетное топливо состоит из окислителя и горючего, в настоящее время наиболее распространенной является комбинация, состоящая из криогенного и высококипящего компонентов: жидкого кислорода как окислителя и керосина как горючего. Однако оптимальной является пара криогенных компонентов горючего и окислителя — жидкий кислород и жидкий водород.
При сгорании в двигателях ракет топлива химическая энергия, сосредоточенная во входящих в него исходных веществах, с высокой скоростью преобразуется в тепловую, а затем в кинетическую энергию движения газов, создавая реактивную тягу.
Важнейшим параметром, характеризующим свойства ракетного топлива, является его теплотворная способность. Теплопроводность, скорость истечения продуктов сгорания и удельный импульс характеризуют эффективность топлива.
Жидкий водород является эффективнейшим и экологически чистым горючим и в современных ракетно-космических комплексах он применяется в паре с жидким кислородом. По теплотворной способности он примерно в 3,3 раза превосходит нефть, в 4 раза — уголь, в 2,5 раза — природный газ. Водород повсеместно признается горючим будущего.
Однако в чистом состоянии водород в природе не существует. Для промышленного получения водорода разработано несколько способов с использованием различного сырья, после чего водород должен быть очищен и осушен от примесей и сжижен. Этот процесс весьма энергоемкий, требующий сложного оборудования, поэтому стоимость водорода в России чрезвычайно высока — 25…30 тыс. руб. и более за килограмм.
До распада СССР промышленное снабжение жидким водородом осуществлялось комбинатами «Электрохимпром» (Узбекистан) иДПО «Азот» (Украина). В настоящее время промышленное получение жидкого водорода в России утрачено и существует только опытное производство этого продукта.
Сжиженный природный газ — новое альтернативное горючее, до сих пор не применявшееся в ракетно-космической технике. Как энергоноситель, имеет высокие показатели по теплотворной способности (больше, чем у керосина), по хладоресурсу (в 3 раза выше, чем у керосина), по полноте сгорания топлива (отсутствие коксообразования). Стоимость в несколько раз ниже, чем стоимость ракетного керосина, а сырьевая база практически не ограничена Широкая сеть газопроводов, существующих в настоящее время в России, позволяет получать СПГ вблизи космодромов Несмотря на некоторые издержки по стоимости ( в России в настоящее время получают не оптимальным способом) и наличие средств его транспортировки, вопрос обеспечения ракетно-космической техники СПГ в настоящее время уже можно считать решенным.
Успешное развитие деятельности по освоению космоса в мире сдерживается высокой стоимостью выведения космических аппаратов (5000….10 ООО долл./кг) на низкую круговую орбиту и относительно невысокой надежностью средств выведения. По статистике каждый 20—30-й полет является аварийным. В России большие потери полезного груза космических кораблей вызваны географическим расположением ее космодромов (вдали от экватора).
Внедрение СПГ в ракетно-космическую технику может серьезно улучшить ситуацию. Прежде всего создание топливной пары жидкий кислород—СПГ обеспечивает возможность разработки высокоэффективного жидкостно-реактивного двигателя (ЖРД) по схеме с восстановительным газогенератором замкнутого типа, создание двигателей многоразового использования с минимальным циклом послеполетного обслуживания, существенное снижение затрат на разработку как двигательной установки, так и носителя по сравнению с использованием топливной пары кислород—водород. Этому способствуют низкие коксообразующие свойства СПГ, а также более высокие тяговые характеристики двигателя, чем в случае использования топливной пары кислород—керосин.
В мае 2007 г. состоялись успешные огневые стендовые испытания (ОСИ) созданного в России ЖРД, работающего на компонентах топливной пары жидкий кислород—СПГ. Продолжительность работы двигателя составила 69 с, развитая тяга — 10 т с Этот двигатель является прототипом двигателя тягой 200 т с Эти испытания были выполнены в рамках работ, предусмотренных Федеральной космической программой Российской Федерации по созданию ракетных двигателей для перспективных средств выведения, в том числе многоразовых, и российско-французского сотрудничества по созданию перспективных средств выведения «Урал». Успешное проведение ОСИ дает основание для дальнейшего развития работ в этом направлении.
По имеющимся данным, использованием СПГ заинтересовалось НАСА В 2007 г. компания XCOR Aerospace успешно провела испытание метанового двигателя с тягой 340 кгс с вытеснительной схемой подачи топлива в пустыне Мохаве (США). Намечено совершенствование двигателя по увеличению времени работы и исключению возможностей перегрева. Ранее, в сентябре 2005 г., эта компания провела испытания двигателя ЗМ9, используемого в системах ориентации космического корабля, работающего на жидком метане и жидком кислороде. Были выполнены 22 включения с общим временем работы 65 с. Западные разработчики отмечают возможность использования метана в межпланетных миссиях (с дозаправкой на месте), так как он входит в состав атмосферы многих планет Солнечной системы (Марса, Титана, Сатурна, Юпитера и др.).
Можно предполагать, что в скором времени создание ЖРД на метане—кислороде пройдет стадию экспериментов. На базе этих ЖРД могут быть разработаны новые экологически безопасные, не требующие зон отчуждения (для первых ступеней ракет) надежные и эффективные ракеты-носители многоразового использования.
Применение многоразовой первой ступени ракеты-носителя при грузоподъемности полезной нагрузки 30…40т на низкую опорную орбиту увеличит энергетические возможности в 1,5 раза по сравнению с энергетическими возможностями таких ракет, как «Протон-М», «Ангара-5», а также появится возможность использования полигона Капустин Яр, так как не потребуется отчуждения территорий под зоны падения первых ступеней. Кроме того, появятся возможности создания ненапряженных ЖРД и резервируемой двигательной установки первой ступени, что приведет к значительному повышению надежности и двукратному снижению стоимости выведения по сравнению с ракетой-носителем «Ангара-5».
В конце 1990-х гг. ряд предприятий космической отрасли разработали коммерческий ракетно-космический комплекс «Рикша» на компонентах топлива кислород—СПГ с выведением полезной нагрузки массой до 1,7 т на низкую околоземную орбиту. Стартовый комплекс для этой ракеты, имеющий высокие экономические показатели, был разработан в двух вариантах: стационарного быстро возводимого передвижного и морского (расположенного на корабле) с использованием последних достижений криогенной техники. Комплекс «Рикша» обеспечивает выведение на орбиты с диапазоном 200…3000 км космических аппаратов весом до 1,7 т при стартовой массе двухступенчатой ракеты 59 т, спутниковых систем связи, навигации, наблюдения, научных исследований, производства в невесомости медикаментов, материалов. По комплексу энергетических показателей этот ракетно-космический комплекс превосходит все известные и разрабатываемые комплексы такого класса. Комплекс мог бы служить основой для дальнейшего внедрения СПГ в ракетно-космические комплексы среднего и тяжелого классов, в авиацию и другие отрасли промышленности, сокращая потребности в дорогостоящем водороде.
Кроме указанного были предложены многоразовая ракетно-космическая система (МРКС) с использованием топливной пары кислород—СПГ для запуска ракетоносителя с заправкой 150 т СПГ и разгонный блок «И» к ракетно-космической системе «Аврора» с заправкой СПГ в количестве 6,9 т. Для указанных ракет были разработаны проекты жидкостных заправочных систем с хранилищами СПГ соответственно на 300 и 20 т продукта.
В соответствии с требованиями разработчиков ракет-носителей СПГ должен по своим физико-химическим показателям отвечать требованиям Технических условий «Газ горючий природный сжиженный. Топливо для ракетной техники», т.е. требованиям, существенно более высоким, чем для СПГ, используемого в качестве горючего для других видов транспорта. Такой продукт можно получать путем дополнительной очистки природного газа при его сжижении, например в ректификационной колонне. В дальнейшем следует стремиться к созданию единых технических условий на продукт с целью его использования как для различных отраслей хозяйства страны, так и для ракетно-космической техники.
Подготовительные работы, проведенные для разработки систем заправки ракет СПГ на стартовых комплексах, позволили выявить ряд общих положений, которыми следует руководствоваться при разработке таких систем. Для хранения СПГ в составе заправочной системы на стартовом комплексе могут быть рекомендованы:
- для заправки ракет тяжелого и среднего классов — стационарные криогенные резервуары;
- для заправки разгонных блоков — автомобильные заправщики.
Все эти средства хранения должны иметь эффективную вакуумную теплоизоляцию. Это связано с тем, что расходы при подаче СПГ в баки ракеты при заправке на большом расходе, как правило, на два порядка выше расходов подпитки, и с учетом этого подбирается заправочный трубопровод. При подпитке (малый расход) следует принимать меры, обеспечивающие подачу однофазной жидкости в бак на этом расходе (жидкость может вскипеть), например дополнительное охлаждение продукта.
Теплоприток из окружающей среды к продукту, находящемуся в резервуаре хранилища, приводит к испарению его части, причем в первую очередь низкокипящих составляющих — азота и метана, что увеличивает долю примесей тяжелых углеводородов в СПГ Кроме того, существует возможность стратификации (расслоения) СПГ на слои или ячейки разной плотности, что может привести к внезапному испарению жидкости нижнего слоя, находящегося в состоянии перегрева по отношению к давлению газовой среды резервуара (ролловер).
Хранилище СПГ следует располагать на оптимальном расстоянии от пускового устройства. С одной стороны, необходимо сокращать протяженность магистральных трубопроводов, уменьшая теп-лспритоки, гидравлические потери и стоимость, с другой — исключить повреждение хранилища при пуске и защитить его от непредвиденных ситуаций.
В целях безопасности перед заправкой все внутренние полости баков и трубопроводов, включая баки ракет, контактирующие с СПГ, должны быть подготовлены методом продувки и полоскания азотом до концентраций кислорода в азоте не более 3 % об. После приобретения необходимого опыта концентрация может быть увеличена до значений общих для подготовки и заправки СПГ резервуаров заправочных систем в других отраслях промышленности.
Для повышения хладоресурса и плотности заправляемого компонента топлива можно использовать СПГ, охлажденный относительно кипящего при атмосферном давлении. Охлаждение продукта целесообразно осуществлять в процессе заправки, чем исключается возможность подсоса атмосферного воздуха в резервуары хранилища (создается вакуум), когда предварительное охлаждение продукта происходит в этих резервуарах заранее.
Остановимся на вопросах снабжения космодромов Российской Федерации сжиженным природным газом.
Космодром Плесецк.
В районе расположения космодрома Плесецк закончено строительство газопровода Нюксеница — Архангельск, который проходит в 5 км от г. Плесецк. По данным Севергазпрома, для снабжения города бытовым газом построена ГРС, на которую газ поступает под давлением 4,0.. 5,0 МПа. Здесь возможно строительство установки для сжижения газа на основе детандерного цикла с предварительным фреоновым или пропановым охлаждением или установки на основе холодильного цикла на многокомпонентном холодильном агенте.
По предварительным данным, магистральный газ не содержит примесей кислых газов, а содержание азота в нем (0,71 % об.) меньше допустимого (1,13% об.) для СПГ, используемого в качестве топлива для ракетно-космической техники, поэтому очистка от кислых газов и азота не требуется, а для осушки природного газа от влаги может быть рекомендован адсорбционный способ.
После переоборудования Сосногорского газоперерабатывающего завода (г. Ухта) для производства СПГ появится возможность доставлять СПГ на космодром железнодорожным транспортом и с этого завода.
Космодром Капустин Яр.
Для снабжения СПГ космодрома Капустин Яр возможно строительство установки сжижения природного газа на АГНКС (г. Волгоград) с использованием средств для компримирования, имеющихся на этой станции. Здесь с минимальными затратами может быть реализована установка, аналогичная введенной в строй на АГНКС в пос. Развилка. Установка работает по дроссельному циклу с предварительным фреоновым охлаждением. Возможно использование и ГРС этого района. Магистральный газ в районе Волгограда не содержит сероводорода и азота и должен быть очищен только от двуокиси углерода и осушен от влаги адсорбционным способом.
Кроме того, доставка СПГ на космодром Капустин Яр может осуществляться с переоборудованного Сосногорского газоперерабатывающего завода железнодорожным транспортом.
Космодром Байконур. Вблизи космодрома Байконур магистральных газопроводов природного газа нет. Ближайший от космодрома завод, где возможно получение СПГ, — Оренбургский гелиевый завод, входящий в состав Оренбурггазпрома.
По оценкам специалистов Ленхиммаша (проектантов завода), доработка одной гелиевой установки (из шести) для производства СПГ позволит получать 1,5т/ч СПГ. Срок переоборудования составит 3—5 месяцев. Очистка и осушка природного газа сможет осуществляться имеющимися у завода средствами.
Космодром Восточный. Для снабжения космодрома Восточный СПГ потребуется создание установки сжижения на основе детандерного цикла, использующей «свободный» перепад давления на ГРС-1 г. Комсомольска-на-Амуре. Поскольку сезонные колебания давления на ГРС составляют 1,0.. 4,4 МПа, в состав установки должен быть введен дожимающий компрессор для выдачи неиспользованного газа в сеть, а для увеличения доли выхода жидкого продукта — предварительное пропановое или фреоновое охлаждение природного газа.
В связи с тем, что природный газ в магистральном газопроводе Оха — Комсомольск-на-Амуре содержит значительные примеси тяжелых углеводородов, двуокись углерода и азот, он должен быть очищен от С02 и сернистых соединений, осушен от влаги и далее очищен от азота в блоке сжижения. Доставлять СПГ на космодром можно в цистернах по железной дороге.
Снабжение космодрома СПГ может осуществляться также крупными заводами по производству СПГ «Сахалин-11». На космодроме Восточный предполагается строительство нового кислородно-азотного завода (КАЗ) для снабжения жидким кислородом и жидким азотом. Представляется целесообразным организовать на нем и производство СПГ как ракетного топлива. Получение СПГ осуществляется здесь за счет охлаждения природного газа жидким азотом, поэтому не требуется дополнительное машинное оборудование, а производство относительно просто и эффективно. Естественно, что для этого полигон должен быть газифицирован природным газом.
На начальной стадии внедрения СПГ в ракетно-космическую технику снабжение им полигонов ракетно-космической техники может осуществляться от работающих в настоящее время установок для получения СПГ с доочисткой продукта.
Для транспортировки СПГ на стартовый комплекс (СК) могут быть рекомендованы:
- автомобильные транспортировщики разработки ОАО «Криогенмаш», АО «Сибкриотехника» и «Криогаз», ОАО «Уралкриомаш» с экранно-вакуумной и порошково-вакуумной теплоизоляцией;
- железнодорожные цистерны типа 15-147У разработки ОАО «Уралкриомаш» с порошково-вакуумной теплоизоляцией;
- специальные контейнеры, разработки ОАО «Уралкриомаш» для перевозки СПГ автомобильным, железнодорожным, водным и авиационным транспортом;
- самолет Ту-330, создаваемый ОАО «Туполев», в том числе и для перевозки СПГ, и др.