Rocket man - Простота ракетного топлива
Высокотехнологичные космические программы Илона Маска, Джеффа Безоса и сэра Ричарда Брэнсона могут показаться далекими от приземленного бизнеса по добыче и переработке углеводородов. Однако, многомиллиардные усилия SpaceX, Blue Origin и Virgin Galactic по нормализации космических путешествий и, возможно, по отправке первых мужчин и женщин на Марс - хотя бы частично зависят от некоторых довольно простых нефтегазовых продуктов, включая обычный авиакеросин, керосин высокой степени очистки и СПГ. Да, и водород тоже - или, более конкретно, жидкая форма топлива, которая недавно привлекла внимание ряда старых энергетических компаний. В сегодняшнем материале мы рассмотрим, что движет космическими аппаратами последнего поколения.
Идея воспламенения твердого топлива внутри объекта для его продвижения вперед принадлежит китайцам, которые в 13-м веке изобрели стрелы, наполненные порохом, которые один итальянец позже окрестил «роккетто», что в переводе означает «катушка» за их сходство с катушками с нитками. Все более изощренные твердотопливные ракеты - английская версия этого слова - использовались время от времени в течение следующих нескольких сотен лет, в основном для того, чтобы терроризировать противников использования. (25-часовой обстрел так называемых ракет Конгрив, выпущенных с британского корабля в направлении форта Мак-Генри в Балтиморе в 1814 году, был увековечен в «Усеянном звездами знаменем» Фрэнсиса Скотта Ки: «… красные блики ракет…»). Но первая ракета на жидком топливе не оторвалась от земли до марта 1926 года, когда Роберт Годдард - отец современного ракетного двигателя - запустил ракету, работающую на бензине и жидком кислороде с заснеженной фермы недалеко от Вустера, Массачусетс (см. Фото и диаграмму ниже).
Роберт Годдард и его первая ракета
Годдард умер в августе 1945 года, так и не реализовав свою мечту увидеть пилотируемую ракету, взлетающую в космос. Во время программ «Меркурий», «Близнецы» и «Аполлон» в 1960-х и начале 1970-х годов НАСА использовало все более сложные и безопасные ракеты-носители, начиная с модифицированной ракеты Редстоун, которая использовалась для полета Алана Шепарда и его капсулы Freedom 7 в небо. Первый пилотируемый суборбитальный полет произошел в США в мае 1961 года. Этот взлет был обеспечен топливом из этилового спирта в соотношении 75/25 и жидким кислородом, или LOX.
Для своей программы «Аполлон», запускаемой с луны, НАСА разработало знаменитую ракету «Сатурн V», первая ступень которой - несла 203 000 галлонов RP-1 (ракетное топливо-1; форма керосина) и 318 000 галлонов LOX и обеспечивала ошеломляющую тягу в 7,5 миллионов фунтов. Это топливо создало огромные огненные шлейфы культовых миссий Аполлона, проносящиеся по небу. Ступени 2 и 3 Сатурна V, в свою очередь, работали на жидком водороде и LOX. (Ступень 3 частично использовалась для вывода астронавтов с орбиты Земли к Луне.). Затем появился космический шаттл и его твердотопливный ракетный ускоритель (SRB), первая ракета на твердом топливе, которая будет использоваться в качестве основной силовой установки на транспортном средстве, используемом для пилотируемых космических полетов. Пропеллент SRB представлял собой комбинацию 16/70/12 распыленного порошкового топлива из алюминия, окислителя перхлората аммония и связующего на основе акрилонита на основе полибутадиенакриловой кислоты, а также 2% отвердителя эпоксидной смолы. Смешанные и отлитые в 600-галлонные чаны, похожие на надземные бассейны, сложенные друг на друга цилиндры имели консистенцию резинового ластика для пишущей машинки.
Перенесемся в сегодняшнюю космическую гонку. Какое топливо используют три базирующиеся в США космические компании, возглавляемые миллиардерами, для питания своих космических аппаратов?
Virgin Galactic
Как вы видели несколько недель назад, космический самолет VSS Unity сэра Ричарда не запускается в суборбитальный полет над Нью-Мексико по старинке (на вершине вертикально ориентированной ракеты). Вместо этого космический корабль размером с реактивный самолет (синий аппарат с надписью «Virgin» в центре фотографии ниже) поднимается по воздуху на более крупном базовом корабле с двойным фюзеляжем (VMS Eve) на реактивном топливе на высоту около 15 км. Затем Unity вырывается из рук Евы и взлетает еще на 65 км или около того, к краю космоса - достаточно высоко, чтобы увидеть изгиб Земли и черноту над атмосферой нашей планеты - прежде чем вернуться на землю. В отличие от жидкого топлива, которое доминирует в топливе конкурентов Virgin Galactic, Unity приводится в движение твердым топливом на углеродной основе - полибутадиеном с концевыми гидроксильными группами (HTPB; полупрозрачная жидкость с консистенцией, подобной кукурузному сиропу) вместе с жидкой закисью азота (жидкая форма веселящего газа) в качестве окислителя.
Самолет-носитель Virgin Galactic Eve и космический корабль Unity.
Blue Origin
Модуль (PM) BE-3 на ракете New Shepard (названной в честь Алана Шепарда), доставил Джеффа Безосаи 18-летнего Оливера Дэмена в космос. Модуль заправлялся жидким водородом с LOX в качестве окислителя. Жидкий водород - это высокоэффективное и экологически чистое горючее (как мы описали на нашем недавнем вебинаре It's A Gas: Hydrogen). Оно имеет самый высокий удельный импульс (ISP; мера того, насколько эффективно ракета создает тягу). После того, как капсула экипажа выпущена над Западным Техасом, тот же ПМ снижается, чтобы помочь ракете совершить мягкую вертикальную посадку на посадочной площадке.
Ракета New Shepard от Blue Origin. Источник: Blue Origin
Blue Origin сейчас испытывает свой силовой модуль BE-4 следующего поколения для использования на более крупной ракете компании New Glenn (названной в честь Джона Гленна, первого американца, вышедшего на орбиту Земли), который будет поднимать людей и полезные грузы на орбиту. Первая ступень ракеты будет иметь семь двигателей БЕ-4, каждый из которых будет работать на сжиженном природном газе (СПГ) и жидком кислороде. На второй очереди будут работать два двигателя БЕ-3 на жидком водороде и жидком кислороде. Blue Origin заявила, что выбрала СПГ в качестве основного топлива для New Glenn, потому что он очень эффективен, дешев и широко доступен. СПГ также обладает чистыми характеристиками сгорания даже при низком открытии дроссельной заслонки, что упрощает повторное использование двигателя по сравнению с керосиновым топливом, таким как RP-1.
SpaceX
Как и в Tesla, компания по производству электромобилей и пикапов, SpaceX Илона Маска разработала ряд ракет-носителей и варианты двух двигателей для удовлетворения самых разных потребностей. Поскольку сегодня наше внимание сосредоточено на ракетном топливе, мы сосредоточимся на двигателях и по ходу движения отметим ракеты-носители:
- SpaceX разработала и построила полдюжины версий своего двигателя Merlin (названного в честь маленького свирепого сокола), который работает на топливе RP-1 (опять же, это высокоочищенный керосин или реактивное топливо) и LOX. окислитель. В общей сложности девять двигателей Merlin используются на первой и второй ступенях ракеты-носителя Falcon 9 компании; 27 Merlins используются на его Falcon Heavy (на фото ниже показан подъем Falcon Heavy).
- Двигатель Raptor от SpaceX, который имеет более чем вдвое большую тягу, чем у Merlin, работает на СПГ-топливе и LOX, оба из которых переохлаждены, что в данном случае означает, что и СПГ (метан), и жидкий кислород охлаждаются за счет высокого давления. до температуры чуть выше точки замерзания, а не ниже точки кипения. Двигатели Raptor используются на обеих ступенях ракеты-носителя Super Heavy / Starship от SpaceX, которая предназначена для доставки экипажей и грузов на околоземную орбиту, в перспективе на Луну и Марс.
Старт ракеты-носителя Falcon Heavy компании SpaceX.
Фактически, SpaceX решила использовать переохлажденный метан в Raptor отчасти потому, что Марс является запланированным местом назначения для Starship - и для самого Маска. Считается, что метан может быть синтезирован на Марсе с помощью процесса Сабатье из-за наличия там углекислого газа (CO2) и подземных вод, что открывает возможность для Красной планеты действовать, как своего рода заправочная станция для космических путешествий. Это напоминает нам нашу любимую цитату Илона: «Я хотел бы умереть на Марсе. Только не при ударе».
"Rocket Man" был написан Элтоном Джоном и Берни Топином, и он появляется как пятая песня на первой стороне пятого студийного альбома Элтона Джона, Honky Chateau. Выпущенная в качестве первого сингла с пластинки в апреле 1972 года, песня заняла шестое место в чарте Billboard Hot 100 Singles. Он был удостоен 3-кратного платинового сертификата Американской ассоциации звукозаписывающих компаний. Песня была вдохновлена рассказом «Человек-ракета», включенным в книгу «Человек в иллюстрациях».пользователя Ray Bradbury. Гас Даджен, продюсер Элтона Джона по этой песне, в 1969 году спродюсировал песню Дэвида Боуи на ту же тему: «Space Oddity». В состав записи входили: Элтон Джон (ведущий вокал, фортепиано), Дэйви Джонстон (гитары, бэк-вокал), Ди Мюррей (бас, бэк-вокал), Найджел Олссон (ударные, бэк-вокал) и Дэвид Хентчел (синтезатор).
Honky Chateau был записан в Chateau d'Herouville в Эрувиле, Франция, и был сведен в Trident в Лондоне в январе 1972 года. Альбом был выпущен Гасом Дадженом в мае 1972 года. Он занял первое место в чарте Billboard Top 200 Albums. - это был первый из семи последовательных альбомов №1 в США для Элтона Джона. Он был сертифицирован RIAA как платиновый. Из пластинки вышло два сингла.
Сэр Элтон Джон (посвященный в рыцари королевой Елизаветой II в 1998 году) - английский певец, автор песен, пианист и композитор. Он выпустил 31 студийный альбом, пять концертных альбомов, 22 сборных альбома, девять альбомов с саундтреками, четыре EP и 137 синглов, а также продал более 300 миллионов пластинок по всему миру. Сэр Элтон получил две премии Оскар, шесть премий Грэмми и одну премию Тони. Он является членом Зала славы рок-н-ролла и Зала славы авторов песен, а также получил награду Центра Кеннеди. Он по-прежнему записывается и планирует уйти из тура со своим Farewell Yellow Brick Road Tour, который должен закончиться в Австралии в 2023 году.