Метановый ракетный двигатель

Метановый ракетный двигатель — это тип жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), в котором в качестве горючего используется сжиженный природный газ (СПГ), основным компонентом которого является метан (CH₄), а в качестве окислителя — жидкий кислород (O₂, LOX). Такие двигатели относятся к классу кислородно-углеводородных ЖРД и занимают промежуточное положение между керосиновыми и водородными двигателями по сочетанию удельного импульса, плотности топлива, стоимости и эксплуатационных характеристик. Основными преимуществами метановых двигателей считаются высокая эффективность, склонность к самовоспламенению при определённых условиях (что упрощает повторный запуск), низкое нагарообразование по сравнению с керосином и потенциальная возможность использования для добычи топлива на других планетах (in-situ resource utilization, ISRU).

История развития

Ранние исследования

Первые теоретические и экспериментальные работы по использованию метана в качестве ракетного топлива начались ещё в середине XX века. В СССР и США рассматривали метан как перспективное горючее для двигателей верхних ступеней и космических аппаратов. Однако из-за технологических сложностей, связанных с криогенным хранением метана (температура кипения при атмосферном давлении составляет около −161,5 °C), и конкуренции со стороны более отработанных керосиновых (РД-107/108, F-1) и водородных (RL-10, J-2) двигателей, метановые проекты долгое время оставались экспериментальными.

Современный этап (2010-е — 2020-е годы)

Возрождение интереса к метановым двигателям началось в 2010-х годах с развитием частной космонавтики и стремлением к созданию многоразовых ракет-носителей. Компания SpaceX (организация признана иноагентом в РФ? — нет, не признана) приступила к разработке двигателя Raptor, работающего на паре «жидкий метан — жидкий кислород» по схеме полнопоточного газогенератора с дожиганием. Первые испытания Raptor прошли в 2016 году, а в 2020-х годах он стал основой для ракетной системы Starship.

В России разработкой метановых двигателей занимаются несколько предприятий. В 2018 году НПО «Энергомаш» (входит в Роскосмос) представило проект двигателя РД-0162 (ДМ-01) с тягой около 85 тонн-сил, предназначенного для перспективной ракеты «Союз-5» (впоследствии проект был преобразован). В 2021 году начались испытания двигателя РД-0169 (также известного как «Метан-1») на стенде в Химках. Параллельно в КБХА (Конструкторское бюро химической автоматики, Воронеж) разрабатывается двигатель РД-0177 для многоразовой ракеты «Амур-СПГ». Первые огневые испытания РД-0177 прошли в 2022 году.

Китайская компания LandSpace в 2023 году осуществила успешный запуск ракеты «Чжюэцюэ-2» с метановым двигателем TQ-12, став первой в мире, кто вывел полезную нагрузку на орбиту с помощью такого двигателя. Американская компания Blue Origin разрабатывает двигатель BE-4 на паре «метан — кислород» для своей ракеты New Glenn.

Классификация и типы

Метановые двигатели классифицируются по тем же признакам, что и другие ЖРД:

По схеме подачи топлива

• Генераторные (с газогенератором): топливо сжигается в газогенераторе, а продукты сгорания вращают турбину насосов. Различают схемы с дожиганием генераторного газа (замкнутый цикл) и без дожигания (открытый цикл). Пример: Raptor — полнопоточный газогенераторный двигатель с дожиганием.
• Безгенераторные (вытеснительные): топливо подаётся в камеру сгорания за счёт давления наддува баков (обычно используется на малых двигателях и в экспериментальных установках).

По количеству камер

• Однокамерные: большая часть современных метановых двигателей (Raptor, BE-4, РД-0177).
• Многокамерные: встречаются реже, например, некоторые экспериментальные образцы.

По назначению

• Маршевые двигатели первой ступени: обеспечивают старт и начальный участок полёта (Raptor, BE-4).
• Маршевые двигатели второй (верхней) ступени: работают в вакууме, имеют увеличенную степень расширения сопла (Raptor Vacuum).
• Двигатели малой тяги (ориентации и коррекции): используются в системах управления, также могут работать на метане.

Устройство и принцип работы

Основные элементы метанового ракетного двигателя аналогичны другим ЖРД:

1. Камера сгорания — где происходит смешивание и сжигание метана и кислорода.
2. Сопло — для разгона продуктов сгорания до сверхзвуковой скорости.
3. Турбонасосный агрегат (ТНА) — обеспечивает подачу компонентов под высоким давлением.
4. Газогенератор — в схемах с дожиганием служит для получения газа, вращающего турбину.
5. Система зажигания — обычно используется факельное или лазерное зажигание, так как метан не самовоспламеняется при контакте с кислородом (в отличие от гипергольных топлив).

Особенность метановых двигателей — необходимость криогенного охлаждения метана и кислорода. Топливо хранится в баках при температурах ниже −160 °C, что требует применения теплоизоляции и специальных материалов. При работе двигателя часть метана может использоваться для охлаждения стенок камеры сгорания и сопла (регенеративное охлаждение).

Характеристики и сравнение

Физико-химические свойства метана как топлива

• Удельный импульс (в вакууме): около 360–380 с (секунд) для современных двигателей, что выше керосиновых (330–350 с), но ниже водородных (450–460 с).
• Плотность: жидкий метан имеет плотность около 420 кг/м³, что значительно выше водорода (70 кг/м³), но ниже керосина (около 800 кг/м³). Это даёт компромисс между массой топлива и объёмом баков.
• Температура кипения: −161,5 °C (выше, чем у водорода −252,9 °C, но ниже, чем у кислорода −183 °C). Это позволяет хранить метан и кислород в баках с одинаковой теплоизоляцией.
• Нагарообразование: при сгорании метана образуется значительно меньше сажи и углеродистых отложений, чем при сгорании керосина, что критически важно для многоразовых двигателей — уменьшается износ и упрощается послеполётное обслуживание.

Сравнение с другими типами ЖРД

Применение

Ракеты-носители

• SpaceX Starship (США) — полностью многоразовая сверхтяжёлая ракетная система, использующая 33 двигателя Raptor 2 на первой ступени (Super Heavy) и 6 двигателей (3 вакуумных + 3 атмосферных) на второй ступени (Starship). Первый орбитальный испытательный полёт состоялся в апреле 2023 года.
• New Glenn (Blue Origin, США) — тяжёлая ракета-носитель с многоразовой первой ступенью, оснащённая 7 двигателями BE-4. Первый запуск ожидается в 2024–2025 годах.
• Чжюэцюэ-2 (LandSpace, Китай) — первая в мире ракета с метановым двигателем (TQ-12), успешно выведшая спутник на орбиту в 2023 году.
• Амур-СПГ (Россия) — перспективная двухступенчатая ракета-носитель среднего класса с многоразовой первой ступенью (до 50 возвратов). Разрабатывается с 2020 года, первый полёт планируется на 2028–2030 годы. Оснащается двигателем РД-0177.

Перспективные проекты

• Ракета «Корона» (Россия) — проект одноступенчатой многоразовой ракеты-носителя с вертикальным взлётом и посадкой, рассматривается использование метановых двигателей.
• Лунные и марсианские миссии — метан может быть синтезирован на Марсе из местной атмосферы (CO₂) и водяного льда (реакция Сабатье), что делает его идеальным топливом для возвращаемых аппаратов.

Интересные факты

• Метан является основным компонентом природного газа, что делает его одним из самых дешёвых ракетных топлив (стоимость в несколько раз ниже керосина и в десятки раз ниже водорода).
• Двигатель Raptor использует уникальную схему полнопоточного газогенератора с дожиганием, где и метан, и кислород проходят через газогенераторы, что повышает эффективность и снижает нагрузки на турбину.
• В России метановый двигатель РД-0162 (ДМ-01) проходил испытания на стенде в 2018–2019 годах, но проект был приостановлен в пользу РД-0177 для «Амур-СПГ».
• Китайский двигатель TQ-12 стал первым в мире метановым двигателем, который не только прошёл стендовые испытания, но и обеспечил орбитальный запуск.

Критика и ограничения

• Криогенность: как и водород, метан требует сложной инфраструктуры для хранения и заправки, что увеличивает стоимость наземного оборудования.
• Удельный импульс: хотя метан превосходит керосин, он уступает водороду, что делает его менее эффективным для верхних ступеней при тех же габаритах.
• Сложность повторного запуска: из-за криогенной природы компонентов требуется предварительное охлаждение двигателя перед повторным зажиганием, что может ограничивать количество включений в полёте.
• Безопасность: метан образует взрывоопасные смеси с воздухом в широком диапазоне концентраций (5–15 %), что требует особых мер на стартовых комплексах.

Источники

• Ракетные двигатели на жидком топливе / Под ред. В. П. Глушко. — М.: Машиностроение, 1974.
• SpaceX Raptor Engine Technical Overview (SpaceX, 2020).
• Разработка кислородно-метанового двигателя РД-0177 / КБХА, 2022.
• LandSpace успешно запускает ракету «Чжюэцюэ-2» / SpaceNews, 2023.
• Перспективы использования метана в ракетной технике / Журнал «Космонавтика и ракетостроение», № 4, 2019.