На международном военно-техническом форуме «Армия-2023», который пройдет в середине августа, конструкторское бюро химавтоматики (КБХА) представит макет нового кислородно-метанового двигателя РД-0169А. Пять таких двигателей будут установлены на первой ступени «Амура-СПГ», который сможет выводить на орбиту до 12,5 тонн полезной нагрузки. Тяга каждого двигателя у Земли составляет более 100 тонн, а ресурс использования — до десяти раз. Это означает, что ракета будет возвращаемой и сможет совершать до 50-100 полетов.
Зачем нужен метановый двигатель?
Метан — самый простой углеводород, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Он широко распространен в природе и может быть получен из разных источников: природного газа, биогаза, синтез-газа и даже марсианского воздуха. Метан является одним из самых дешевых видов горючего: примерно втрое дешевле керосина.
Кроме того, метан обладает высокой энергетической эффективностью: он имеет большую удельную импульсность (отношение тяги к расходу горючего) по сравнению с керосином. Это означает, что при одинаковой массе горючего метановая ракета может лететь дальше и быстрее, чем керосиновая. Метан также имеет более низкую температуру горения, что уменьшает износ двигателя и позволяет использовать его повторно.
Еще одно преимущество метана — его экологичность. В отличие от керосина, который при сгорании выделяет в атмосферу углекислый газ, сажу и другие вредные вещества, метан при сгорании образует только водяной пар и углекислый газ. При этом последний может быть компенсирован поглощением метана из атмосферы при его производстве. Таким образом, метановая ракета не загрязняет окружающую среду и не способствует глобальному потеплению.
Как работает метановый двигатель?
Метановый двигатель сжигает смесь метана и жидкого кислорода в камере сгорания. При этом образуется высокотемпературный газ под большим давлением, который выходит через сопло и создает тягу. Метан и кислород подают в камеру сгорания под давлением с помощью турбонасосов, которые приводятся в движение газогенератором. Газогенератор — небольшая камера сгорания, в которой часть метана и кислорода сгорает при более низкой температуре и давлении, чем в основной камере. Этот газ используется для привода турбонасосов, а затем смешивается с основным потоком газа и дожигается в сопле. Такая схема с дожиганием окислительного генераторного газа позволяет повысить удельную импульсность двигателя.
РД-0169А, который разрабатывается в КБХА, имеет тягу у Земли 100 тонн, а на высоте 50 километров — 120 тонн. Удельная импульсность составляет 360 секунд у Земли и 410 секунд на высоте. Двигатель имеет диаметр 1,5 метра и высоту 2,5 метра. Масса двигателя — около 800 килограммов. РД-0169А способен работать в диапазоне тяги от 30 до 100 процентов от номинальной. Двигатель может быть запущен до десяти раз, а ресурс работы составляет до 3000 секунд.
Как будет выглядеть ракета «Амур-СПГ»?
«Амур-СПГ» — перспективная российская ракета-носитель легкого класса, которая будет работать на метане. Ракета разрабатывается Роскосмосом и РКЦ «Прогресс» в рамках программы «Союз-5». Ракета будет состоять из двух ступеней: первая ступень будет иметь пять метановых двигателей РД-0169А, а вторая — один тоже метановый РД-0169В меньшей тяги. Первая ступень будет возвращаемой и сможет приземляться вертикально на специальную площадку с помощью парашютной системы и реактивных двигателей. Вторая спроектирована одноразовой и сгорит в атмосфере после отделения от полезной нагрузки.
Ракета будет иметь длину около 50 метров и диаметр около 4,1 метра. Масса ракеты при старте составит около 400 тонн. Ракета сможет выводить на низкую околоземную орбиту до 12,5 тонн полезной нагрузки, а на высокоэллиптическую орбиту — до 2,5 тонн. Ракета будет запускаться с космодрома Восточный.
Первый пуск ракеты «Амур-СПГ» планируется в 2028–2030 годах. Она станет первой российской ракетой-носителем, работающей на метане, и одной из самых современных и экономичных в мире. Ракета будет конкурировать с американскими ракетами SpaceX, которые также используют многоразовые ступени и метановые двигатели.
