Водородное топливо. Время пришло
В сентябре 2022 года Роскосмос и Росатом заключили соглашение, включающее создание инфраструктуры и поставку водорода для космодрома Восточный. Сейчас на нём создаётся стартовый комплекс под ракеты-носители семейства «Ангара», включая «Ангару А5В» с третьей водородной ступенью и с водородным разгонным блоком КВТК. Ракеты с водородно-кислородной ступенью используют в Китае («Чанчжэн-5»), после трёхлетнего перерыва носитель с этим топливом запустила Индия (LMV-3) и в США готовится старт сверхтяжёлой SLS с той же топливной парой. Возвращается ли в ракетостроении тренд на использование водородного топливо, нужно ли оно России и готова ли наша страна к его применению?
Мы участвовали в передаче с экспертами из Роскосмоса, Росатома и ассоциации «Цифровой транспорт и логистика» и попытались вместе разобраться. Кроме ракет на водороде мы поговорили про АЭС, электролиз воды, применение водорода в металлургии и нефтехимии. По мотивам видео написали для вас обзорную статью — наслаждайтесь.
Задолго до «Энергии»
Водород как компонент ракетного топлива рассматривался Сергеем Королёвым ещё в начале 60-х годов. Это был один из вариантов топлива для Лунной программы СССР, однако главный ракетный двигателист Валентин Глушко отказался делать водородные двигатели. Он считал, что более достижимой стала бы ракета Владимира Челомея на паре гептил-амил, который предлагал построить этакий «Протон на стероидах». Если «Протон-М» выводит на орбиту чуть более 20 тонн, то ракета УР-700 с двигателями Глушко должна была обладать грузоподъемностью в 140 тонн!
Был выбран третий вариант — Сергей Королёв построил ракету Н-1 на керосин-кислородных двигателях Николая Кузнецова. К сожалению, Королёв не застал старты Н-1, а без него «довести до ума» ракету-носитель уже не удалось — она не смогла даже выйти на орбиту, и проект был свёрнут.
История не даёт сохраниться, как видеоигре, и переиграть ситуацию. Мы уже не узнаем, удалось бы вовремя построить ракету на другом топливе и высадиться на Луну? Но интересно, что, став генеральным конструктором, Валентин Глушко для своей сверхтяжёлой ракеты всё-таки построил кислород-водородные двигатели. Его сверхтяжёлая ракета «Энергия» в 1987—1988 годах совершила два успешных старта, но после этого нагрузки для неё уже не нашлось, и проект забросили. Стоит ли возвращаться к идее водород-кислородных двигателей?
Возвращение водорода?
Теоретические преимущества и недостатки водорода известны. Но удаётся ли реализовать первые и обойти вторые на практике? Топливная пара водород-кислород позволяет получать на современных двигателях удельный импульс более 450 секунд. В то время как у керосин-кислородных двигателей он получается примерно на 40% меньше. Это позволяет в ракете на водород-кислородном топливе увеличить массу полезной нагрузки практически вдвое по сравнению с керосин-кислородной ракетой той же массы.
На практике сказываются особенности водорода, которые делают его применение не таким очевидным. Во-первых — жидкий водород имеет гораздо более низкую плотность, чем керосин — приходится значительно увеличивать объёмы баков с топливом. Если вы видели старт Space Shuttle, то обратите внимание, что огромный оранжевый корпус — это бак, а не ракета, у него нет собственных двигателей. Это плата за использование водородного топлива на всех этапах полёта.
Водород не только лёгкий, его молекулы столь малы, что проникают в малейшие щели, которые оставили бы без внимания кислород или керосин. Температура его перехода в жидкое состояние очень низка — это -253°C против -173°C у кислорода. В результате, материалы, которые используют для транспортировки, наполнения и хранения кислорода не легко сделать ещё и не пропускающими водород и не теряющими своих качеств при столь низких температурах.
Проблемы эти можно решить. Это показывает и создание в России опытных образцов двигателей, и создание разгонного блока на водороде для Индии, и текущие испытания двигателя для разгонного блока Ангары на водороде — КВТК.
Возвращение в реальность
Теоретические преимущества и недостатки использования водорода понятны. Но задолго до полёта встают вопросы добычи, логистики и запуска. Сейчас нет задач в космосе, которые можно решить только с помощью водородного топлива. Его применение должно быть коммерчески оправдано, желательно, чтобы при этом учитывались интересы экологии и технологического развития России.
Например, при решении о переходе на новое топливо сейчас важна не только технологическая, но и экономическая составляющая. Например, ракеты используют слишком малый объём водорода, чтобы ради водородных модификаций строить отдельное производства. Зато водород — отличное зелёное топливо. А получать его можно, например, на АЭС. Лучше всего атомные станции работают при постоянном уровне генерации. А вот потребители, наоборот, по-разному расходуют энергию — например, ночью её меньше надо и населению, и производству. В эти периоды «затишья» атомные электростанции могли бы тратить электричество, разлагая воду на водород и кислород, а в пики потребления получать её обратно, сжигая водород.
Эти и другие вопросы возвращения России к использованию водородного топлива обсудили в «Разборе полётов»:
— Мирон Боргулёв, руководитель направления Частного учреждения «Наука и инновации» (входит в Госкорпорацию «Росатом»)
— Дмитрий Пена, главный конструктор комплекса водородно-кислородных разгонных блоков и перспективных изделий Центра Хруничева (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»)
— Андрей Ионин, к.т.н., независимый эксперт, главный аналитик ассоциации «Цифровой транспорт и логистика»