Elon Musk vysvětluje, proč je metan lepší raketové palivo než vodík nebo RP-1

Elon Musk se před pár týdny na Twitteru zapojil do diskuze ohledně raketových paliv. Vysvětlil, že i když vodík působí na papíře jako nejlepší volba, má určité nevýhody, kvůli kterým mu může metan směle konkurovat. Zároveň došlo na srovnání metanu používaném ve Starship s RP-1, což je palivo, které můžete znát z raket Falcon. Musk také prozradil několik novinek o stále probíhajícím vývoji motoru Raptor.

Pokud se podíváme na vlastnosti běžných raketových paliv, vodík se zdá být nejlepší volbou, jelikož je lehký, hoří čistě a nabízí nejvyšší specifický impuls. Jenže se často zapomíná na to, že vodík kvůli své nízké hustotě vyžaduje výrazně větší nádrže než jiná paliva. A větší nádrže znamenají vyšší hmotnost, kterou musí motory urychlit při cestě na orbitu. Jak nedávno vysvětlil inženýr Tom Mueller, motor Raptor měl původně spalovat vodík a kyslík, ale SpaceX nakonec vodík nahradilo metanem a motor přepracovalo. Metan totiž lze snadněji vyrábět na Marsu a jak už v minulosti vysvětlil Elon Musk, má i další výhody.

Přehled výhod a nevýhod různých raketových paliv pro Starship (Zdroj: SpaceX)

Když Elon Musk v roce 2016 veřejně představil obří marsovskou raketu ITS (tento koncept byl v průběhu let přepracován na o něco menší Starship), podělil se o tabulku výše, která ukazuje hlavní výhody hluboce podchlazeného metanu oproti RP-1 (kerosin) a vodíku. Metan nepotřebuje velké nádrže, je levný, lze jej vyrábět na Marsu, umožňuje orbitální tankování a hoří čistě, což usnadňuje znovupoužitelnost motorů. Nyní Musk některé z těchto bodů rozebral o něco podrobněji na Twitteru.

Zkapalněný metan má hustotu 422 kg na metr krychlový, zatímco v případě kapalného vodíku to je pouhých 71 kg. Kvůli tomu je kapalný vodík poněkud nepraktický, což dobře ilustroval raketoplán, jehož hlavní motory spalovaly vodík a kyslík. Externí nádrž sice obsahovala šestkrát více kyslíku než vodíku, ale nádrž s vodíkem přesto představovala 75 % celkového objemu. Jinými slovy, kvůli nízké hustotě vodíku byla pro relativně malé množství paliva potřeba nepoměrně velká nádrž.

Raketoplán s externí nádrží a motory SRB (Zdroj: Quora)

Elon Musk aktuálně vysvětlil, že i přes nižší specifický impuls má raketový stupeň s metanovými motory Raptor vyšší delta-v než vodíkový stupeň. Metan i kyslík totiž budou u Starship extrémně podchlazeny, čímž se ještě více zvýší hustota těchto látek a do nádrží se jich tak vejde o něco větší množství. Raptor navíc má vyšší poměr tahu a hmotnosti a další hmotnost se ušetří tím, že metan i kyslík budou mít u Starship podobnou teplotu, takže není potřeba tepelná izolace mezi nádržemi pro tyto dvě látky a vystačíte si s jednoduchou společnou přepážkou. Jako další velkou nevýhodu vodíku Musk uvedl nutnost extrémního podchlazení (-253 °C v případě raketoplánu), které vyžaduje těžkou izolaci, která je náchylná k tepelným únikům. „Vodík je peklo,“ dodal.

Neoficiální schéma nádrží prototypu Starship (Autor: Rafael Adamy)

Musk podobně srovnal také metan a palivo RP-1, které SpaceX používá u raket Falcon a jedná se o vysoce rafinovaný petrolej. RP-1 sice má vyšší hustotu (800 kg/m3) než kapalný metan (422 kg/m3), ale tento rozdíl bude v reálu o něco menší, protože SpaceX bude metan podchlazovat výrazně pod bod varu, takže jeho výsledná hustota bude vyšší. Navíc kapalný kyslík má ještě vyšší hustotu než obě tato paliva (přes 1141 kg/m3), takže čím vyšší poměr kyslíku raketa potřebuje, tím lépe z hlediska výsledné velikosti nádrží. Raptor spaluje kyslík a metan v poměru 3,6:1, zatímco v případě motoru Merlin u Falconů je to jen 2,3:1. To znamená, že u Starship bude kyslík tvořit 75 % hmotnosti pohonných látek před startem, zatímco u Falconů je tento podíl nižší, což je méně efektivní. Další výhodou metanu je podle Muska již zmíněná možnost použít společnou přepážku pro oddělení kyslíkové nádrže od té metanové, což u Falconů nelze. SpaceX totiž používá RP-1 o teplotě -7 °C, zatímco kyslík má teplotu -206 °C. Tento velký rozdíl znamená, že mezi nádržemi musí být tepelná izolace, aby se zabránilo vzájemnému ohřívání/ochlazování pohonných látek. Musk dále uvádí, že kryogenní teplota metanu vede u Starship ke zvýšení pevnosti ocelových nádrží, takže ve výsledku nemusejí být tak silné a těžké. Když pak všechny tyto výhodu sečteme, hmotnost nádrží metanové rakety je podle Muska srovnatelná s raketou využívající RP-1.

Merlin 1D (vlevo) vedle Raptoru (Foto: @brandondeyoung_)

Typ paliva má pochopitelně také vliv na návrh raketového motoru. Elon Musk dále prozradil, že sovětské a ruské pokroky ve vývoji raketových motorů v 80. letech minulého století hrály roli v rozhodnutí SpaceX přejít z vodíku na metan. Sovětští inženýři prý tehdy demonstrovali skvělý výkon motorů během testů a dosáhli specifického impulsu 380 sekund. Musk dále vysvětlil, že metan má vyšší maximální teoretickou efektivitu spalování než RP-1, takže impulsu 380 sekund nelze s RP-1 dosáhnout. S metanem je prý možné dosáhnout maximální teoretické efektivity spalovaní přes 99 %, zatímco u RP-1 je to maximálně 97 % a navíc dochází k zanášení turbín sazemi, které je potřeba odstranit mezi starty. Oproti tomu metan hoří čistě, takže opakované používání Raptorů by mělo být snazší než u Merlinů.

V Boca Chica byl aktuálně spatřen další motor Raptor (Foto: bocachicagal / NASA Spaceflight)

U Raptoru ještě chvilku zůstaneme, protože Elon Musk 10. června prozradil, že SpaceX vyrobilo Raptor SN30. Zajímá vás, čím se liší třicátý vyrobený Raptor od toho prvního? Podle Muska byly provedeny stovky vylepšení, primárně v oblasti usnadnění výroby, což je prý nejobtížnější problém, ale také došlo ke snížení hmotnosti a zvýšení tahu a specifického impulsu. V jiném tweetu pak Musk dodal, že SpaceX se blíží k dosažení tlaku 300 barů ve spalovací komoře. Raptor je ale vylepšován i nadále a průběžné úpravy budou podle Muska pokračovat minimálně do 50. exempláře.




Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest
114 Komentáře
nejstarší
nejnovější nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře