Ракетное топливо, добытое с лунной почвы

  • Эта публикация - перевод статьи. Ее автор - Wickman Spacecraft & Co.. Оригинал доступен по ссылке ниже:

WSPC (Wickman Spacecraft) разрабатывает ракетное топливо, используя жидкий кислород и металл из лунного грунта

Пропеллент для поддержки лунной базы

В 1980-х годах НАСА использовало жидкий кислород (LOX) и жидкий водород в качестве базовой топливной системы. В то время как кислород мог быть получен обработкой лунной почвы, жидкий водород планировалось добывать из почвы. Это было бы крупным  и дорогостоящим логистическим предприятием. 

Совсем недавно было подтверждено, что на Луне может присутствовать вода, которую можно использовать для производства водорода и кислорода для ракетного топлива. Тем не менее, нам казалось, что если бы на Луне присутствовала вода, то использование ее в качестве пропеллента было бы огромной тратой воды, и она навсегда исчезнет с Луны. Лучшее ее использование – для жизнеобеспечения, в подобных условиях вода могла бы быть переработана много раз. 

Если вода не используется в качестве топлива, а водород не доставляется с Земли, что же тогда можно использовать на Луне в качестве топлива?

Джон Викман искал пропелленты, которые можно было бы сделать полностью из материалов из лунной почвы. Он исследовал результаты анализа образцов лунной почвы, доставленные с миссий Аполлон, и выявил несколько потенциальных кандидатов на топливо. Большинство соединений представляют собой оксиды, которые могут расщепляться с образованием кислорода. Следующей задачей было найти топливо для сжигания вместе с кислородом. Это были фосфор, сера, магний и алюминий. Все эти виды топлива могут быть получены путем обработки лунной почвы.

Достоверно известно, как подать LOX в камеру сгорания ракетного двигателя под давлением, но как можно было бы получить какое-либо из этих видов топлива в камеру сгорания? 

Фосфор и сера на самом деле могут быть лучшими кандидатами, поскольку они плавятся и могут питаться в виде жидкости. Фосфор плавится на отметке 111 по Фаренгейту. Он имеет преимущество самовоспламенения с кислородом. Сера плавится при температуре 239F, но при нагревании выше 482F она также автоматически воспламеняется кислородом. 

Для любого топлива, электрические нагреватели должны были предварительно нагреть топливный бак, линии подачи и клапаны перед использованием двигателя. Когда двигатель работал, тепло от процесса сгорания могло бы использоваться для продолжения нагрева топлива, чтобы оно оставалось расплавленным. 

Независимо от используемой комбинации топлива, предполагается, что небольшое количество LOX будет храниться в отдельном резервуаре. LOX будет циркулировать через камеру сгорания и стенки сопел, обеспечивая охлаждение перед входом в камеру сгорания для сжигания с топливом. Использование LOX для охлаждения жидкостных ракетных двигателей было продемонстрировано другими компаниями.

Для алюминиевого и магниевого топлива они должны быть в форме порошка, поскольку их температура плавления слишком высока. Их можно вводить в камеру сгорания с помощью инертного газа-носителя. 

Мы создали ракетный двигатель, использующий углекислый газ и порошок магния для использования на Марсе. Он выдувает порошок магния через газообразный азот в камеру сгорания двигателя. Этот подход также может быть использован совместно с порошком магния или алюминия для ракетного двигателя LOX-алюминий или LOX-магний. Дополнительная опция, доступная с алюминием, –  суспендирование алюминиевого порошка в гелеобразном LOX для образования монопропеллента. Этот параметр недоступен для магния, так как он чувствителен к ударам в LOX и будет взрываться.

Наша компания изготовила монопропеллент LOX-алюминий и определила, что он не чувствителен к ударам. Он горит контролируемым образом, так что его можно подавать в камеру сгорания, чтобы пламя в камере не воспламенило в бак с топливом. Вязкость LOX-алюминиевого монопропеллента не превышала 300 сП и снижалась до 100 сП с увеличением скорости сдвига. Центробежный насос с откидывающимися назад лопастями может быть использован для перекачки монотоплива. Этот тип насоса обычно используется для перекачки жидких растворов. Одна из технических проблем, которую необходимо решить, заключалась в том, осядет ли алюминиевый порошок в загущенном монопропелленте. Наши тесты показали, что не было признаков оседания в период от шести до семи часов, который был временным пределом испытаний.

Испытание ракетного двигателя LSP

В рамках нашего исследования мы создали небольшой ракетный двигатель, работающий на алюминиевом монотопливе LOX. Бак с топливом был окружен баней с жидким азотом, чтобы предохранить LOX от кипения. Линии подачи топлива пропущены через ванну с жидким азотом на пути к камере сгорания. Поршень прижимается к ракетному топливу для подачи ракетного топлива в камеру ракетного двигателя.

Несмотря на то, что тяга составляла всего около фунта, двигатель запускался и останавливался несколько раз без обратного отсчета фронта пламени сгорания в топливный бак. Испытания показали, что такой подход возможен в более крупных двигателях.

На основании этих испытаний и наших результатов, полученных с использованием ракетных двигателей с порошком магния и углекислым газом, были продемонстрированы два подхода к созданию ракетного двигателя на лунном топливе: суспендировать топливо в LOX или впрыскивать металлический порошок в камеру ракеты с помощью инертного газа-носителя. Теперь эта технология готова к следующему этапу, а именно к созданию масштабируемого ракетного двигателя в комплекте с топливными баками, линиями подачи, клапанами и системами управления.