Methan als Treibstoff

Hallo,

die Erforschung der Methan-Triebwerke begann in Russland ab 1996, dazu auch die untere Tabelle aus der gleichen Weltraumkonferenz.


Quelle: Roskosmos

Dazu auch die folgende Roskosmos Meldung über über die Rekordergebnisse eines Brennversuches:

http://www.roscosmos.ru/main.php?id=2&nid=12891
(in englisch geht bei mir nicht)

Dazu folgendes, die Arbeiten erfolgten im Rahmen des "Triebwerks- 2015" im Auftrag vom Keldysch- Zentrum:

a- das Versuchstriebwerk wurde mehrmalls gezündet
b- insgesamt arbeitete er 1160 Sekunden, ja es ist ein Rekord
c- Methan RD-0146 schaft 900 Sekunden

Zu b noch ein Bild über die Ergebnisse des Rekordversuchs:


Quelle: Chrunischew

Gruss Bernard7

Ich weiß nicht, ob es gut ist, sich nur auf die Behauptungen vom Leitenberger zu stützen, [...]

Ich weiß - dem traue ich auch nicht mehr weiter, als ich ihn werfen kann. 

Wenn allerdings Forumsmitglied Martin selbst Bedenken hat, ist vielleicht wirklich etwas dran.

a- Metahn Triebwerk liefert um 30 bis 50 s. grösseren Impuls. Im Jahr 2010 wurde sogar ein Impuls
     von bis 380 s. erreicht
b- so ein Triebwerk ist um 500 kg leichter als ein Kerosin Tr.
c- Ein MRKN Träger mit 35 Tonnen Nutzlast  hat mit Methan eine Startmasse von rund 1280 T.
d- ein Kerosin MRKN Träger kommt auf 1500 T.
e- die landenden Module sind von der Struktur kleiner mit Kerosin

Da stellt sich allerdings sofort folgende Frage:

Wie schlagen sich die Methan-Triebwerke im Vergleich mit Wasserstoff-Triebwerken?

Zitat von: sf4ever am 04. September 2011, 14:43:06

Ich weiß nicht, ob es gut ist, sich nur auf die Behauptungen vom Leitenberger zu stützen, [...]

Ich weiß - dem traue ich auch nicht mehr weiter, als ich ihn werfen kann. 

Gute Einstellung, sehr gute Einstellung

Wenn allerdings Forumsmitglied Martin selbst Bedenken hat, ist vielleicht wirklich etwas dran.

Auf der anderen Seite sind die Entwicklungsergebnisse von KbKhA wohl tatsächlich so vielversprechend, dass Russland daran intensiv weiterarbeiten will. Gerade die russische Regierung würde das wohl kaum machen, wenn das nicht vielversprechend wirkt. Das halte ich schon für einen deutlichen Fingerzeig, dass man mit Methan tatsächlich was anfangen kann

Eines fällt mir da gerade noch ein: Russland hat bislang keine besondere Erfahrung mit Wasserstoff-Erststufen, oder? Mit anderen Worten: Abgesehen von ihrer LH2/LOX-Oberstufenerfahrung müssten sie in diese Technologie neu einsteigen, mit allen Problemen und den damit verbundenen Kosten.

Eines fällt mir da gerade noch ein: Russland hat bislang keine besondere Erfahrung mit Wasserstoff-Erststufen, oder? Mit anderen Worten: Abgesehen von ihrer LH2/LOX-Oberstufenerfahrung müssten sie in diese Technologie neu einsteigen, mit allen Problemen und den damit verbundenen Kosten. 

Moment, die Erststufe der Energija wurde sehr wohl mit LH₂ / LOX betrieben. Das steht sogar in einem Artikel, der sich bei usn im Portal befindet: http://www.raumfahrer.net/raumfahrt/raketen/buran.shtml#energija

Russland ist da doch schon etwas weiter, als du denkst, Ruhri.

Eines fällt mir da gerade noch ein: Russland hat bislang keine besondere Erfahrung mit Wasserstoff-Erststufen, oder? Mit anderen Worten: Abgesehen von ihrer LH2/LOX-Oberstufenerfahrung müssten sie in diese Technologie neu einsteigen, mit allen Problemen und den damit verbundenen Kosten.

Naja , immerhin gabs die Energia, mit einer LH2/LOX-Hauptstufe, das war schon ein großes Kaliber, dass bei beiden Starts tadellos funktioniert hat. Oberstufenerfahrung ist auch nicht wesentlich mehr - nur die 12KRB der indischen GSLV wurde eingesetzt. Davon abgesehen gabs nur Bodentests - allerdings vielversprechende.

Und das RD-0120 bzw seine Derivate RD-0120M, RD-0122 sind so ziemlich das beste was zu haben ist - stärker und effizienter als das SSME, vom Schub nur vom RS-68 übertroffen, das allerdings ne miserable Effizienz hat.

Ja, schon gut, schon gut! 

Allerdings wisst ihr genau, dass die Energija-Erfahrung lang her ist. Die damals verantwortlichen Ingenieure sind vermutlich längst alle tot oder im Ruhestand. Aber zugegeben, man hat das damals anscheinend recht problemlos aus dem Boden gestampft.

Nur, wenn diese Rakete so gut funktioniert hat, wieso will Russland nicht darauf aufbauen?

Nachfrage: Wo steht in dem zitierten Raumcon-Artikel eigentlich etwas von Wasserstoff? Ich sehe da nur, dass die Energija mit Kerosin und LOX geflogen sein soll.

Hier eine Vergleichsstudie der DLR aus dem Jahr 2002 zu LOX/RP1 und LOX/CH4:

http://www.dlr.de/sart/publications/pdf/0095-0212prop.pdf

Die kamen zu dem Schluss das der hoehere ISP von Methan durch seine Nachteile wieder aufgehoben wird und RP1 die Nase dann wieder vorn hat.

Ruhrie: Die Energija Zentralstufe war definitiv LOX/H2 (4 x RD0120). Nur die seitlichen Booster verwendeten LOX/RP1.

Martin

Nur, wenn diese Rakete so gut funktioniert hat, wieso will Russland nicht darauf aufbauen?

Wer sagt das man nicht will?

Es gibt durchaus Konzepte, die der Energia ähneln (genauer der Inline-Variante Vulkan), zum anderen gibt es eine Methan-Variante des RD-0120 (die hier ja sogar zum Thema passt ), außerdem ist es für Schwerlastträger die Option, eine Oberstufe mit RD-0120 auszustatten (das wäre in etwa die Vulkan-Oberstufe, bzw die Energia-M Hauptstufe). Es ist also nicht ausgeschlossen, dass ein Teil der Energia wiederbelebt wird

Grundsätzlich war die Energia aber natürlich zu teuer - ob man die Kosten besser in den Griff bekommen könnte? Ich bin skeptisch, ob man auf ein ähnliches Konzept setzen würde oder doch lieber ein neues Konzept nimmt, das auf derzeit aktuellen Projekten basieren kann. Methan-Varianten der RD-170 Familie sind da als Triebwerk wohl derzeit Favorit, da sie große Synergien bieten sollten

Die Energija Zentralstufe war definitiv LOX/H2 (4 x RD0120). Nur die seitlichen Booster verwendeten LOX/RP1.

Tja, dann sollte das aber in dem Artikel auch genau so und nicht anders drin stehen.

Interessant zu wissen waere gerade in Russland auch, wie Methan gegen Sintin abschneidet. Vielleicht waere die Wiederaufnahme der Sintinproduktion fuer zukuenftige Traeger kostenguenstiger als die Entwicklung neuer LOX/Methantechnolgien?

Ich denke, dass es keinen Sinn machen würde, wieder Sinitin zu produzieren. Es ist ja nichts anderes als künstliches Kerosin, was vielleicht etwas besser als Treibstoff geeignet ist als RP-1, aber CH4 sehe ich mit besseren Leistungsdaten.

Hallo,

Nur, wenn diese Rakete so gut funktioniert hat, wieso will Russland nicht darauf aufbauen?

etwas abweichend vom Thema, möchte aber trotzdem etwas näher eingehen. Die vergangenen Träger ob mit Kerosin oder H2 sind eigentlich Schnee von gestern. Dazu folgende Punkte:

a- Träger mit H2 in der ersten Stufe werden in Russland nicht verfolgt, websquid hat dazu schon
     geschrieben. Als Beispiel, eine Saturn 5 mit H2(erste Stufe) hätte einen Durchmesser von 15 Metern.
b- Alle Konzepte der schweren bis überschweren Träger basieren auf Kerosin oder Methan
c- über die heutigen Möglichkeiten der Kerosin Träger, ist die Jenisej-5 ein Paradebeispiel. Dazu der
    Vergleich mit Saturn-5. Der moderne Kerosin Träger ist also um rund 600 Tonnen leichter!!

    Jenisej- 5  Startmasse  2400 Tonnen   Nutzlast 125 Tonnen
    Saturn- 5   Startmasse 3000 Tonnen  Nutzlast  125 Tonnen

d- die jetztige Entwicklung der Methan-Technologie geht vorwiegend um die Klärung der
    Verwendung in den MRKN Trägern. Die meisten russischen Ingeniure sind optimistisch und die
    Entscheidung wird erst zwischen 2015 und 2020 zu Debatte stehen.
e- Basierend auf MRKN Träger sollen danach überschwere zum Einsatz kommen.
f- für den nuklearen Antrieb ist aber ein Träger der Jenisej-5 Klasse notwendig, so das der fast
    gleichzeitig mit MRKN zum Einsatz kommen muss.
     
Das ist ist die augenblikliche Lage der russischen Raumfahrt.

Gruss Bernard7

b- Alle Konzepte der schweren bis überschweren Träger basieren auf Kerosin oder Methan

Jetzt geht es hier nicht ausschließlich um die russische Raumfahrt, sondern um die mögliche Verwendung von Methan als Raketentreibstoff. Und da ergibt sich folgerichtig folgende Frage: Gibt es irgendwelche diesbezügliche Konzepte für schwere bis überschwere Träger in den Verantwortungsbereichen von NASA, JAXA oder ESA? Soweit ich weiß, waren weder Ares 5 noch sein Quasi-Nachfolger SLS Methan-Träger.

Die einzigen zwei nicht-russischen Methan-Projete sind die inzwischen eingestellte GX sowie die geplante Ariane 6, bei der eine Methanstufe noch zur Diskussion steht. Aber unter HLVs gibt es nirgendwo außer Russland Methan-Konzepte.

Hallo,

die US-Firma Northrop Grumman hat 2007 erfolgreich Methan-Triebwerke für die Mondlandefähre getestet. Dazu der Artikel aus NewScientist:

http://www.newscientist.com/article/dn12926

Dazu noch ein Artikel in russisch über die Preisverleihung der Zeitschrift "Time" für eine NASA Entwicklung zu LOX/Methan Triebwerk.

http://robomaniac.com.ua/news/Business/XCOR_Masten_NASA_Landers_Business_news.html

Das untere Video zeigt ein NASA Test eines Methan -Triebwerks.

http://rutube.ru/tracks/2344709.html?v=fd5b42d49227cd8d38ba1820938189cf

Aus Raumfahrt24.de noch ein Artikel zu Methan:

http://www.raumfahrt24.de/Artikel2/200604190835.html

Gruss Bernard7

Da hätten wir auch einen Bericht im Portal von 2009: http://www.raumfahrer.net/news/raumfahrt/05072009001853.shtml. Demnach meldete der US-amerikanische Triebwerkshersteller Aerojet am 2. Juli 2009, dass man einen ersten mit Methan und flüssigem Sauerstoff zu betreibenden Raketenmotor im Rahmen der Triebwerksentwicklung für die Aufstiegsstufe des künftigen bemannten Mondlanders Altair fertiggestellt habe.

Also halten wir fest, dass die Aussage, alle zukünftige Schwerlastträger würden auf Methanbasis konzipiert, so nicht zu halten ist. Derartige Träger werden zurzeit ausschließlich in Russland entwickelt. (Ob das am Ende eine gute oder schlechte Entscheidung sein wird, vermag ich nun wirklich nicht zu beurteilen.)

In den USA zieht man Methan-Triebwerke für Lander in Betracht, bei denen man bislang meines Wissens nach immer mit den klassischen lagerfähigen Treibstoffen, also Hydrazin und Stickoxiden, operiert bzw. geplant hat. Weiter oben in diesem Thread wurde das so formuliert, dass diese Triebwerke solchen auf Methan-Basis in der Tat unterlegen wären. Mehr Schubkraft, und trotzdem gute Lagerfähigkeit - das scheint also durchaus Sinn zu machen. (Für eine mögliche Marsexpedtion mit Methanerzeugung vor Ort wäre so etwas natürlich auch interessant, aber das führt wohl etwas zu weit in den Bereich der Spekulation.)

Die einzigen zwei nicht-russischen Methan-Projete sind die inzwischen eingestellte GX sowie die geplante Ariane 6, bei der eine Methanstufe noch zur Diskussion steht. Aber unter HLVs gibt es nirgendwo außer Russland Methan-Konzepte.

GX ist zwar eingestellt, aber die Entwicklung eines Methan-Triebwerkes geht weiter.

Hallo,

Derartige Träger werden zurzeit ausschließlich in Russland entwickelt. (Ob das am Ende eine gute oder schlechte Entscheidung sein wird, vermag ich nun wirklich

Fakt ist, Methan ist um 20 bis 30 Prozent effizienter als Kerosin. Dazu belegen die russischen Daten. Mit anderen Worten, wenn ein vergleichbares Triebwerk um 500 kg leichter, der Schub um 20 bis 30 Prozent grösser und der gesamte Träger um mehrere hundet Tonnen leichter ist, so wäre eine Entscheidung dafür nicht verkehrt. Anders ausgedrück, der Träger wäre einfacher und billiger( russische Aussagen). Es bedarf aber noch einige Jahre an Forschung und Entwicklung.

Möchte noch zusammenfassen:

a- Methan kann schon bei -161,6 Celsius gelagert werden
b- das bedeutet dass Methantanks keine starke Isolierung brauchen
c- folglich ist die ganze Konstruktion leichter und kleiner
d- da Methan auch dichter als H2 ist , sind die Tanks und der ganze Träger auch kleiner.
e- Methan ist auch sehr sicher für die Menschen, besonders bei der Betankung(keine Anzüge)
f- das vorhandensein auf anderen Planeten, macht ihn in ferner Zukunft einen idealen Treibstoff für
    Lande- und Aufstiegsraumschiffe in Verbindung mit bemannten Basen auf den Planeten, wie
    Mars und besonders auf dem Titan.
g- die russischen Tests haben auch gezeigt, das Methan eine sehr stabile und gleichmässige
    Verbrennung aufweist 

Der russische Raumfahrtexperte, Boris Katorgin (leider ohne Link) dazu wörtlich:

"Die Verwendung von Methan als Raketentreibstoff kann die Starts von Raumapparaten wesentlich (laut anderen Aussagen um ein Mehrfaches) billiger machen und dabei die Sicherheit der Starts erhöhen"

Besonders bei den Mondraketen(MRKN) wo relativ vielle Starts erfolgen, wäre Methan ein idealer
Treibstoff gepart mit erheblicher Kostensenkung des ganzen Programms und das ist ja das Ziel der russischen Raumfahrtingenieure.

Gruss Bernard7

Ich sehe da dennoch keinen Sinn darin. Für Unterstufen ist, speziell bei der großen russischen Erfahrung, RP1/LOX besser geeignet. Dieser Treibstoff ist zwar nicht ganz so leistungsfähig wie Methan, aber deutlich einfacher zu handhaben, was am Ende billiger sein dürfte. Für Oberstufen hingegen ist LH2/LOX weitaus besser geeignet, weil leistungsfähiger. Klar, LH2 ist nochmal etwas schwerer zu handhaben als Methan, bietet aber im Oberstufenbereich massive Vorteile, ohne zu große Mehrkosten zu verursachen.

Die Verwendung von Methan macht eigentlch nur Sinn, wenn man mit Wasserstoff zu wenig Erfahrung hat. Genau das ist das Prolem der russischen Raumfahrt, eine wirkliche Wasserstoff Infrastruktur hat man nie entwickelt, zudem fehlt mit Wasserstoff die Erfahrung. Russland hat Wasserstoff nur 2 mal eingesetzt, der letzte Start ist 23 Jahre her. Man hat zwar für Indien eine entsprechende Oberstufe entwickelt, aber diese selber nie eingesetzt. Für die Russen bietet daher Methan den Vorteil, das es scheinbar weniger Aufwand macht als Wasserstoff. Nach meiner Ansicht ist das allerdings eine Fehleinschätzung. Ein Methan - Träger wird nicht viel billiger werden als ein Wasserstoff - Träger, aber deutlich weniger Leistungsfähig.

Hallo,

Ich sehe da dennoch keinen Sinn darin.

na ja, das ist deine private Meinung und die steht im krassen Widerspruch zu den Ergebnissen der russischen Raumfahrtingenieure und des ZAGI Instituts. Die Daten dazu habe ich gepostet. 

Bei den RB der zukünftigen Trägern(RUS-M, Angara, MRKN, Jenisej-5) kommt fast nur Wasserstoff zum Einsatz.

Gruss Bernard7

Man forscht eben in alle Richtungen und wird mit der Zeit und den Einsätzen Vor- und Nachteile aller Systeme in der Praxis prüfen. In mancherlei Hinsicht sind die neuen Entwicklungen auch ein Neuanfang für die russische Raumfahrt, da man ja zuvor ein gutes Jahrzehnt weitgehend pausieren musste.

Ich nehme außerdem an, dass mittlerweile eine neue Generation an Konstrukteuren tätig wird.

Um es mal drastisch zu sagen: Die russischen Raumfahrtingenieure haben in den letzten 20 Jahren viel gerechnet, aber rausgekommen ist exakt nichts! Egal ob Energija M, Baikal, Kliper usw., alles tolle Projekte, aber leider nur auf dem Reißbrett. Seit Mitte der 80er haben die Russen keinen neuen Träger mehr entwickelt, selbst mit Modifikationen bestehender Träger tun sie sich schwer. Sämtliche Träger, die von den Russen heute eingesetzt werden, wurden (mit Ausnahme der Oberstufen) schon zu Sowjetzeiten entwickelt. Lediglich einige Oberstufen hat man weiterentwickelt und auch das nur mit westlicher Finanzhilfe durch Starsem. Alle sonstigen Modifikationen z.B. bei der Sojus hatten ausschließlich den Zweck, die Anzahl der einheimischen (russischen) Teile zu steigern um sie nicht gegen Devisen in der Ukraine einkaufen zu müssen. Selbst an Angara arbeitet man schon seit 15 Jahren, ohne dass der Träger geflogen ist. Stattdessen faselt man jetzt von Methangetriebenen Trägern mit Nutzlasten von bis zu 150 t. Dabei gibt es weltweit noch kein Programm, was derartige Nutzlasten wirklich benötigen würde.

In den USA hat man in dieser Zeit eine Reihe von Trägern massiv modifiziert (Delta 2, Titan 4, Atlas 2 und 3) sowie komplett neu entwickelt (Delta 4, Atlas 5, Pegasus, Athena).

@GG

Ich nehme außerdem an, dass mittlerweile eine neue Generation an Konstrukteuren tätig wird.

ja da hast du recht. Noch vom Thema abschweifend möchte auch sagen, das die rus. Raumfahrt sich in der Umstruktuirung befindet. Dazu zählt auch der langsame und absolut notwendige Trägeraustausch. Die Sojus basiert auf die R7 die 1955 entwickelt wurde.

Auf dem Wostotschny kommen ausschliesslich nur neue Träger und Technologien zum Einsatz.

Gruss Bernard7