Náhled do problematiky raketových motorů – nástup metanu
Není ten Elon fakt blázen? Má nejlepší raketu s nejspolehlivějšími motory, a to všechno se rozhodne zahodit a začít úplně znovu ve prospěch Starship s motory Raptor, nehledíc na ohromné náklady. Jaké důvody mohly vést k takovému riskantnímu rozhodnutí? Jedním z těch důvodů nesporně je, že metan, jak už bylo načato v minulém článku o raketových palivech, je pokládán za perspektivnější palivo. Nyní si vysvětlíme proč.
Do nedávna byly preferovanými raketovými palivy kerosin (vysoce rafinovaný letecký petrolej značený jako RP-1) a vodík. Každé má jiné přednosti. Z hlediska hustoty je lepší kerosin (813 kg/m³), protože potřebuje pouze poloviční objem nádrží v porovnání s metanem (422 kg/m³), a dokonce skoro jen dvanáctinový v porovnání s vodíkem (70 kg/m³). To znamená úsporu materiálu a především hmotnosti. A mimochodem také jedné turbíny – díky tomu, že hustota kerosinu a kyslíku je podobná, mohou pumpy čerpající tyto pohonné látky používat společnou turbínu. Obecně se uvádí, že u raket na kerosin tvoří hmotnost nádrže 1 % celkové hmotnosti, zatímco u raket na vodík je to desetkrát tolik.
Z hlediska skladovatelnosti je také lepší kerosin, protože může byt skladován při pokojové teplotě, naopak vodík musí být chlazen pod −253 °C, což vyžaduje důkladnou tepelnou izolaci. Navíc atomy vodíku jsou nesmírně malé, takže snadno unikají. Kvůli úniku vodíku musel být odložen i první let rakety SLS. Vodík také způsobuje křehnutí materiálu. Atomy vodíku i skrze krystalickou mřížku proniknou do kovu, typicky v místech svarů, tam se spojí do molekul, čímž zvětší svůj objem. Důsledkem toho dojde k vnitřnímu pnutí a často k prasknutí svaru. Skladování vodíku je tedy náročné a problematické, taktéž jakákoliv manipulace s ním.
Testovací zážeh kyslíko-vodíkového motoru RS-25, který pohání SLS (Foto: NASA)
Nicméně klíčovým parametrem všech paliv, ať už slouží k výrobě elektřiny či k vytápění nebo právě k pohonu, je energetická hustota, ta u vodíku činí 120 až 142 MJ/kg, zatímco u kerosinu pouze 43 až 46,2 MJ/kg. Zdánlivě je tedy vodík násobně výhodnější. Kdyby tomu tak bylo, neměl by konkurenci, leč ono je to složitější. Spalování kerosinu i vodíku se neobejde bez kyslíku. Rozdíl však je v potřebném množství. V případě kerosinu je obvyklý směšovací poměr s okysličovadlem v jednotkách hmotnosti zhruba 1:2,7, v případě vodíku zhruba 1:6. Kvůli tomu kapalný vodík částečně ztrácí svoji výhodu lehkého paliva, protože potřebuje mnohem více těžšího okysličovadla. Další věc je, že směšovací poměr je nastaven na přebytek paliva, takže minimálně čtvrtina vodíku se vůbec nespálí. Výsledkem je, že spalování zkapalněného vodíku nedodá raketovému motoru násobně více energie než spalování kerosinu, a to se přímo projeví na specifickém impulsu (Isp) – ten se u kyslíko-vodíkových motorů pohybuje kolem 450 sekund, Merlin 1D spalující kerosin má ve vakuu Isp 348 s.
Shrnutí: Přestože má kapalný vodík největší tepelnou kapacitu a energetickou hustotu ze všech chemických paliv, vyžaduje také více okysličovadla, velký objem nádrže a důkladnou izolaci. Všechny tyto věci ovšem mají svou váhu, a z větší části tak vyrovnávají nízkou hmotnost samotného paliva. Rozměrnější struktura navíc způsobuje větší odpor vzduchu v atmosféře. Naproti tomu kerosin má sice nižší energetický potenciál, ale díky vyšší hustotě nepotřebuje extrémně objemnou nádrž. A motory spalující kerosin obecně poskytují vyšší tah, který je v první fázi letu ještě důležitější než specifický impuls.
Vznikla proto myšlenka výhody obou paliv zkombinovat a zjistilo se, že vstřikování malého množství kapalného vodíku do motoru spalujícího kerosin může přinést významné zlepšení specifického impulsu, aniž by došlo k měřitelnému snížení hustoty pohonné směsi. To se prokázalo při testování motoru RD-701, který v tomto režimu spalování dosáhl ve vakuu specifického impulsu 415 sekund. Kvůli nedostatku financí však byl vývoj tohoto motoru, jenž měl pohánět sovětský raketoplán MAKS, zrušen.
Éra vodíku a kerosinu stále nekončí, v současnosti se však dává přednost metanu. Ten sice v žádném technickém parametru nevyniká, ale ani nepropadá, jak dokazuje následující tabulka.
| Kerosin | Kapalný metan | Kapalný vodík | |
| Hustota | 813 kg/m³ | 422 kg/m³ | 70 kg/m³ |
| Energetická hustota | 43–46,2 MJ/kg | 50–55,6 MJ/kg | 120–142 MJ/kg |
| Používaný hmotnostní poměr s okysličovadlem | 1:2,7 | 1:3,6 | 1:6 |
| Bod varu | 490 K | 111 K | 20 K |
| Čistota spalování | 97 % | 99 % | 100 % |
Už první dva řádky tabulky dávají tušit, že kapalný metan nebude žádné terno. Nabízí jen o pětinu větší energetickou hustotu než kerosin, přitom však zabere skoro dvojnásobný objem. V porovnání s vodíkem má zase o více než polovinu menší energetickou hustotu. Ale pozor, z těchto teoretických hodnot je nutné započítat jen tolik energie, kolik se jí reálně podaří získat. A to záleží hlavně na poměru paliva a okysličovadla. Předvedeme si to na vodíku.
Graf 1: Teplota ve spalovací komoře při spalování kyslíku a vodíku v různých poměrech (Zdroj: cryo-rocket.com)
Z prvního grafu je patrné, že největší energetický zisk (nejvyšší teplota) je při stechiometrickém poměru (1:8) reaktantů. To není žádná záhada, stechiometrický poměr je ideální pro dokonalé spálení, zvláštní však je tvar křivky, která nejprve míří strmě nahoru (oxidace vodíku je tak energetická, že teplota s větším podílem okysličovadla prudce roste), ale od poměru cca 1:5 se náhle stáčí do nakloněné roviny. To znamená, že další zvyšování podílu kyslíku ztrácí účinnost, čímž se podstatně redukuje energetický zisk v podobě tepla. To je dost nepříjemné, neboť na teplotě a tlaku závisí výtoková rychlost plynů pohánějících raketu.
Graf 2: Molární podíl plynů vystupujících z chemické reakce kyslíku a vodíku (Zdroj: cryo-rocket.com)
Druhý graf prezentuje molární podíl výstupních plynů ve vztahu ke směsnému poměru reaktantů. Při stechiometrickém poměru je zastoupení plynů přibližně takové: 70 % vodní pára, 13 % molekulární vodík a 17 % ostatní plyny (ani při stechiometrickém poměru tedy není spalování dokonalé). Výhodnější však je mít nižší podíl těžšího (32 gramů na mol) kyslíku, aby zbylo více lehkého (jen 2 gramy na mol) vodíku. Nespálený zahřátý vodík má totiž vyšší rychlost než pára o stejné teplotě.
Z těchto dvou grafů vyplývají protichůdné požadavky na směsný poměr vodíku a kyslíku. Na jedné straně je potřeba získat spalováním co nejvíce energie, na straně druhé je žádoucí, aby zbylo co nejvíce vodíku. To se navzájem vylučuje. Optimálním kompromisem je poměr 1:3,5. Na výkonu motoru se ovšem podílí ještě i tlak. Čím větší rozdíl tlaku mezi spalovací komorou a okolním prostředím, tím lépe. Při započtení tohoto faktoru se optimální směsný poměr posune k 1:3,9. Jenže i takový poměr by vedl k extrémnímu nadbytku vodíku, který není až tak zapotřebí. Proto přichází na řadu ještě hmotnostní optimalizace. Ta spočívá v tom, že se část vodíku prostě vezme, aby raketa byla lehčí, a konečný, vybalancovaný poměr tak je přibližně 1:6.
Ani z jiných paliv se nedaří získat jejich plný energetický potenciál, proto se účinnost raketových paliv nepoměřuje podle jejich energetické hustoty, nýbrž podle nejvyššího specifického impulsu, jakého motor může s daným palivem dosáhnout. Rekord 542 sekund drží experimentální motor s použitím vodíku, lithia a fluoru jako pohonných látek (pro běžný provoz je ale tento vysoce toxický a korozivní koktejl nepraktický). Z obvyklých raketových paliv je nejúčinnější vodík, následovaný metanem.
Jak už bylo předesláno, metan je z hlediska chemických vlastností kompromisní palivo. Je účinnější než kerosin a nejsou s ním takové komplikace jako s vodíkem. V jedné oblasti metan dokonce vítězí – v té ekonomické. Je totiž nejlevnější, ve srovnání s kerosinem a vodíkem je levnější až o 50, resp. 90 %. To má význam především u znovupoužitelných raket, kde cena paliva je zásadní účetní položkou. Přesto je však potřeba uvážit, zda se vyplatí přecházet na metan, když existují propracované a prověřené motory na kerosin a vodík, a neušetřit si náklady spojené s vývojem nové technologie. Pravděpodobně se to vyplatí, každá technologie má totiž své limity, které brání ji dál vylepšovat, motory spalující kerosin či tekutý vodík nejsou v tomto ohledu výjimkou.
Asi nejvíce limitujícím faktorem u vodíku je jeho nízká hustota. To sice víceméně platí i pro metan, ale ten lze podchladit hluboko pod bod varu. Tím se jeho hustota zvýší, díky čemuž se ho vejde do nádrže víc a ve výsledku tak může raketa za určitých okolností dosáhnout dokonce vyšší rychlosti, než by to bylo možné s tekutým vodíkem, ten je totiž těžké výrazně podchladit vzhledem k jeho teplotě, poměrně blízké absolutní nule. Navíc kvůli vysokému teplotnímu rozdílu je potřeba vodíkovou nádrž důkladně izolovat od kyslíkové, aby se zabránilo vzájemnému ohřívání / ochlazování (bod varu vodíku je −253 °C, kyslíku −183 °C). Naproti tomu kapalný metan s kapalným kyslíkem mohou být uloženy při stejné teplotě ve společné nádrži odděleny pouze přepážkou, čímž se ušetří na hmotnosti.
Zkušební zážeh Raptoru v únoru 2019 (Zdroj: Elon Musk)
Limity kerosinu se týkají zejména znovupoužitelných raket. V prvním článku o problematice raketových motorů bylo na příkladu Falconu 9 vysvětleno, jak znovupoužitelnost omezuje nosnou kapacitu rakety. Jedním slovem hodně. U Falconu 9 se kvůli tomu ani nevyplatí zachraňovat druhý stupeň. Aby se SpaceX dostalo se znovupoužitelností dál, upřednostnilo pro svou novou raketu účinnější palivo, a vyvinulo kyslíko-metanový motor Raptor. Velkou nevýhodou kerosinu je pro opakovaně použitelné raketové motory nečisté spalování. Merliny z prvního stupně Falconu 9 musí periodicky projít pracným čištěním turbočerpadel od sazí. Dalším omezením kerosinu, které v budoucnu může nabýt na významu, je, že se nedá vyrobit z lokálních zdrojů na Měsíci a Marsu.
Právě znovupoužitelnost stojí za vzrůstajícím zájmem o metan. Do té doby, než Blue Origin a SpaceX začaly vyvíjet opakovaně použitelné nosiče, nikdo nevěnoval příliš pozornosti výhodám metanu ani ceně paliva. To se však rychle změnilo a brzy propukl nevyhlášený závod o první kyslíko-metanovou raketu, která dosáhne oběžné dráhy. Dlouho se nedařilo, uspěli až loni Číňané s raketou Zhuque 2 (Rumělkový pták), a i u té to bylo až na druhý pokus. Rusové, ač byli se svým motorem RD-0162 slavnými průkopníky, se zasekli úplně. Musk zase strašil, že kvůli Raptoru SpaceX zkrachuje. V čem je problém? U metanu totiž není tak snadné zajistit stabilitu hoření jako u vodíku nebo kerosinu. Důvod je ten, že v moderních raketových motorech jsou palivo a okysličovadlo do spalovací komory vstřikovány odděleně, přičemž jejich hoření je omezeno rychlostí míchání, takže rychlé a důkladné promíchání pohonných látek je zásadní pro dokončení chemických reakcí. Kapalný vodík má díky nižší hustotě lepší difúzní vlastnosti než kapalný metan, což usnadňuje míchání s kyslíkem. Kerosin se zase dobře mísí s kyslíkem díky vyšší viskozitě. Homogennější směs pak přirozeně přispívá ke stabilitě hoření, v opačném případě intenzita hoření kolísá, což má negativní vliv na výkon motoru, v krajním případě může dojít i k výbuchu. Proto kapalný vodík a kerosin byly oblíbenějšími raketovými palivy než kapalný metan.
Selhávání motorů Raptor během prvního letu sestavy Super Heavy Starship
Důkladné promíchání pohonných látek je důležité ještě z jednoho důvodu. Při vysokých teplotách hoří nejenom palivo, ale téměř všechno, tedy i kov tvořící stěnu spalovací komory. Cyklická oxidace a redukce kovu na stěně spalovací komory snižuje její životnost, což představuje problém zejména pro motory, které mají být používány vícekrát. Aby k tomu docházelo co nejméně, je směsný poměr pohonných látek nastaven na přebytek paliva a kyslík je vstřikován na vnitřní stranu koaxiálního vstřikovače. Při této konfiguraci by se teoreticky kyslík neměl dostat ke stěně spalovací komory, kvůli turbulentnímu procesu míchání tomu ale nejde zcela zabránit.
Model vstřikování, míchání a spalování tekutého kyslíku a tekutého metanu (Zdroj: AIP Publishing)
Kdo si sliboval, že metan bude lepší palivo, je asi zklamán. V některých parametrech je lepší vodík, v jiných kerosin. Až dosud se nenašla žádná výhoda, která by motivovala k metanu přejít. V porovnání s kerosinem sice nabízí metan větší specifický impuls, ale zase je méně hustý, takže je potřeba větší nádrž, a vyžaduje více kapalného kyslíku. Výhoda většího specifického impulsu se tím v podstatě ztrácí. Oproti vodíku jsou výhody ještě menší, nebo spíše žádné. S metanem se ale pracuje lépe. Kapalný vodík totiž vyžaduje složitou a nákladnou infrastrukturu kvůli nutnosti chlazení a také má tendenci vždy a všude unikat. Celkově vzato metan nenabízel takové výhody, aby se vyplatilo draze vyvíjet kyslíko-metanové motory. Kosmonautika se ale mění a v nové éře přednosti metanu vypluly na povrch. Zjistilo se, že metan se mnohem lépe hodí pro rakety, které mají být opakovaně použitelné, a to především z hlediska ceny.
Přispějte prosím na provoz webu ElonX, aby mohl nadále zůstat bez reklam. Podpořte nás pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už finančně přispěli. Děkujeme!
Odložil bych si tu takovou malou anketu … co si představujete pod myšlenkou “Proto přichází na řadu ještě hmotnostní optimalizace. Ta spočívá v tom, že se část vodíku prostě vezme, aby raketa byla lehčí, a konečný, vybalancovaný poměr tak je přibližně 1:6.” (autorovo vysvětlení bych z výzkumných důvodů raději viděl až později 🙂
Jinak myšlenka o problému s mícháním po vstříknutí – je trochu zavádějící. V raptoru se metan a kyslík nemíchají jako kapaliny, ale už jako plyny, a to de facto ještě vstříknutím do komory. S tím souvisí nesprávná představa o podobě vstřikovače (jak vypadá injektor a co v něm je – vysvětluje Musk když prováděl Tima po továrně – k míchání dochází z velké části už UVNITŘ vstřikovače, a do komory dorazí již z velké části promíchaná směs. V podstatě je ten vstřikovač trubka, kde vevnitř proudí kyslíkový plyn, a naskrz stěnou té trubky vedou zvenku pod úhlem kanálky (směřující DOVNITŘ), kterými se do té trubky vpouští metanový plyn – a teprve potom se toto dostane do komory, kde se míchání de facto jen dokončí).
Nikdo se k tomu nemá, tak zkusím popsat, jak chápu celý odstavec já, i když možná budu za hlupáka. Čistě z pohledu dokonalého spalování je optimální poměr (hmotnost vodík:kyslík) 1:8. Když přidám více vodíku, tak se sice nespálí, ale prudce ohřeje, lehké molekuly naberou velkou rychlost, což je důležité pro Isp. Nicméně takto nalezené optimum znamená, že musím “tahat” s sebou relativně dost vodíku navíc, což znamená obří nádrž => a zde přijde ona hmotnostní optimalizace, kdy toho vodíku raději vezmu méně, abych nárust Isp neutopil v nárustu suché hmotnosti rakety. Popravdě mi připadá dost neintuitivní dívat se na ten poměr z pohledu vodíku, jako názornější mi přijde představa úpravy množství paliva na konstantní množství kyslíku, ale to je možná jen nedostatek mé představivosti, je mi jasné, že to musí fungovat z obou stran stejně.
Ano, tak jsem to skutečně myslel, ale Invc zřejmě naráží na to, že tak, jak je to napsané, to vypadá, že se ubere jen obsah vodíkové nádrže, zatímco její velikost zůstane stejná.
Děkuji za doplnění. Raptor používá tzv. full flow combustion, kdy jsou palivo i okysličovadlo už ohřáty v předspalovací komoře, čímž je unikátní. U jiných motorů ale ten mechanismus distribuce pohonných látek pravděpodobně bude jiný. Do takových podrobností jsem už nezacházel, protože jsem popisoval obecný princip, ne konkrétní motor. Co jsem četl od Tomáše Přibyla, tak “při spalování kapalného kyslíku a vodíku jsou kapky kyslíku obklopeny molekulami odpařeného vodíku; zatímco v případě kerosinu jsou naopak molekuly odpařeného kyslíku obklopeny kapkami kerosinu”. Zdroj: https://www.stoplusjednicka.cz/prichazi-doba-metanova-jake-jsou-vyhody-nevyhody-metanoveho-paliva-v-kosmonautice
Mne sa to zdá predsa len jasnejšie v prospech metánu, ako píšete v závere.
Ekonomické hľadisko má mnoho výhod i pri raketách na jedno použitie. Práca s palivom prináša mnohé uľahčenie a zľahčenie technológie. I pri iných motoroch boli technologické prekážky. A práve to, že chemické vlastnosti sú len jeden z viacerých parametrov čo treba zohľadniť.
Keby v 60. rokoch vedeli čo všetko obnášajú iné palivá, určite by išli smerom metánu. Lacnejší vývoj, lacnejšie skladovanie, lacnejšia výroba, jednoduchšia manipulácia, vyššia bezpečnosť. Možno kerozín by bol konkurentom do istej miery, vodík by však určite tak ďaleko nedošiel.
A práve toto je dôvod prečo Sovietsky zväz sa začal venovať motorom na metán, síce bol nenápadnejší, ale celkovo mal navrch.
Možno by niekto dokázal spočítať napr. raketoplán o čo by bol lacnejší, menší, menej náročný a celkovo výhodnejší, ak by bol na metán. (Ak by mohol byť na kerozín, zrejme by bol taký urobený)
No pokud jde o samotný raketoplán a nikoliv externí nádrž, tak ten byl čistě na hydrazin. Pokud jde o kerosin, tak tím, že ty motory nebyly na jedno použití, tak se jim to moc nehodilo kvůli sazím.
Jaké plyny jsou produktem spalování metanu?
Díky za skvělé vysvětlení problematiky.
Při ideální spalování vzniká H2O tedy voda a CO2. Pokud spalování není ideální (nedostatek kyslíku), tak vznikají saze (tedy pevný uhlík) a toxický CO.
V raketovém motoru je snaha o ideální spalování, takže v tomto případě vzniká především voda a CO2.
U plynových hořáků je ve spalinách přebytek kyslíku 3,5-5 procent, aby docházelo jen k dokonalému spalování bez tvorby CO/sazí a maximální tepelné účinnosti. Počítám, že podle barvy plamene pátého testu mají podobné nastavení s přebytkem kyslíku i raketové motory.
To by bylo vyhánění čerta ďáblem. Raptor pracuje s přebytkem paliva, aby se ochránila spalovací komora. Stechiometrický poměr metanu a kyslíku je 1:4. Raptor používá poměr 1:3,6.
aha už to mám
1:4 je hmotnostní poměr nikoliv objemovej, ok
…S prebytkom metánu, nie kyslíku.
No ono je to složitější, stěnu trysky můžeš ostřikovat jen metanem, což zvýší jeho spotřebu, ale dál od stěny budeš mít hoření dle stechiometrie či s přebytkem kyslíku, abys zabránil vzniku CO a sazí. Celkově pak bude poměr látek v nádržích ve prospěch metanu. Tj těch 1:3,8 či 1:3,6.
Ten poměr se používá celkově z důvodu potřeby snížit teplotu v komoře. Dopad na ISP / a optimalizaci tahu – je pak daleko komplikovanější a skutečně se to nedá zjednodušit jen na efekt teploty (ve výsledku je to i přes “horší” než stochiometrický poměr – ve výsledku velmi blízko ideálu). Přebytek kyslíku – není za žádných okolností žádoucí.
Vysvětlení … se dá velmi velmi složitě vyčíst z článku (pokud umíš hodně číst mezi řádky a přebrat si to, co je tam napsáno u vodíku) – bohužel je to místy napsáno dost nešťastně (takže to místy vyznívá hodně zavádějící).
Tyto věci jsem vysvětloval už v prvním článku.
“Specifický impuls roste úměrně teplotě ve spalovací komoře, ale klesá s rostoucí molekulární hmotností produktů spalování. Směšovací poměr paliva a okysličovadla pro dosažení nejvyššího Isp bývá proto jiný, než by odpovídalo dokonalému spálení paliva podle stechiometrické rovnice. Dobře patrné je to u pohonné směsi vodíku s kyslíkem. Pro dokonalé spálení vodíku je stechiometrický poměr 1:8 (to vychází z reakce 2H2 + O2 → 2H2O a atomové hmotnosti jednotlivých prvků), v praxi se ale využívá poměr nastavený na přebytek vodíku, neboť nespálený zahřátý vodík má vyšší rychlost než pára o stejné teplotě, čímž se navýší výtoková rychlost plynů, motor tedy bude účinnější. Směšovací poměr bývá tedy v rozmezí 1:5 – 1:7, např. 1:5 u motoru RL-10 používaného na raketě Saturn I, 1:5,5 u motoru J-2 na raketě Saturn V, 1:6 u motoru RS-25 na raketoplánech, 1:6,1 u motoru Vulcain 2 na raketě Ariane 6. Dá se vypozorovat, že čím modernější motor je, tím větší podíl kyslíku přijímá. To souvisí s tím, jak se díky pokročilé metalurgii daří zvládat vyšší teploty ve spalovací komoře. Zbytkový vodík totiž slouží především ke chlazení motoru, svým nahřátím odvádí teplo.”
Žádné připomínky jste k tomu tenkrát neměl. Prosím tedy o uvedení, co přesně je podle vás potřeba číst mezi řádky, velice rád to do textu doplním, pokud to nebude tak sáhodlouhé jako ve zdrojovém článku (https://www.cryo-rocket.com/combustion-model/3.4-mixture-ratio-optimization/).
Pěkně přehledně shrnuto s vysvětleno. 👍
Kdysi jsem se ptal jednoho nadšence do aut na složitost tématiky a komentoval to slovy, že před 2. světovou válkou jsme používali hlavně licenční mototy a on na to, že to fakt není sranda … podle nuly komentářů to asi ani dnes není sranda něco vydumat a sériově vyrábět?