În prezent, mai multe rachete alimentate cu metan trec pe orbită. Cu Starship de la SpaceX, Vulcan de la United Launch Alliance (ULA) și Neutron de la Rocket Lab, toți cei mai activi furnizori de lansare din America se angajează să utilizeze metalox metan și oxigen.
Următoarele lansatoare precum New Glenn de la Blue Origin și familia Terran de la Relativity Space sunt, de asemenea, pe drum, în timp ce racheta chineză ZhuQue-2 de la Landspace ar putea fi preferată să zboare înaintea oricăruia dintre vehiculele americane.
Răspunsul la motivul pentru care rachetele alimentate cu metan nu au zburat niciodată până acum este o chestiune de complexitate a chimiei și ingineriei. Dar, pe măsură ce noile modele prioritizează reutilizarea, precum și utilizarea resurselor in situ (ISRU) pentru misiunile pe Marte, amestecul de metan și oxigen a devenit standardul pentru vehiculele de lansare de următoarea generație.
Stabilitatea arderii este o problemă deosebită în comparație cu cele mai comune amestecuri de combustibil lichid: kerolox (kerosen și oxigen) și hydrolux (hidrogen și oxigen). Punctele de fierbere ale hidrogenului și kerosenului Rocket Propelant-1 (RP-1) sunt foarte diferite de cele ale oxigenului lichid (LOX). Cu toate acestea, punctul de fierbere al metanului este foarte aproape de oxidant.
Raptor 2 generează peste 230 de tone de tracțiune la nivelul mării, în creștere față de cele 185 de tone ale lui Raptor 1 pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql
– SpaceX (SpaceX) 11 februarie 2022
Pentru un motor cu hidrogen, arderea are loc într-o stare în care picăturile de oxigen sunt înconjurate de molecule de hidrogen gazos în timpul aprinderii, iar opusul se întâmplă pentru RP-1. Pentru metan, punctele de fierbere sunt similare, ceea ce înseamnă că nu există o stare clară în care ambele molecule se află în timpul evaporării și arderii. Acest lucru poate duce la instabilitate a combustiei și poate face dificilă utilizarea metanului ca combustibil pentru rachete.
În timp ce dezvoltarea motoarelor care vor alimenta aceste vehicule de următoarea generație nu a fost lipsită de eșecuri și provocări, progresele recente în tehnologia de propulsie a rachetelor au făcut posibile motoarele cu metan. Noile eforturi de dezvoltare au fost conduse de noi obiective de reutilizare și de noi destinații spațiale, cum ar fi Marte.
Metanul este cel mai bun propulsor de utilizat pentru situații de realimentare pe Planeta Roșie. Producția de combustibil metan pentru rachete este posibilă pe Marte cu ajutorul „reacției Sabatier”, care poate produce apă și metan din hidrogen și dioxid de carbon. Acest lucru va permite ISRU către Mars Natural Resources să permită noi misiuni, fără a fi nevoie să aducă tot combustibilul necesar de pe Pământ.
Un alt motiv pentru a folosi metanul este costul. Aproape toate lansatoarele de generație următoare care vor folosi metan urmăresc ideea de reutilizare într-o formă sau formă. neutroni Si New Glen Ambele vizează, cel puțin inițial, vehicule parțial reutilizabile, care utilizează etapele inițiale de aterizare cu propulsor și etapele superioare consumabile. Nava stelară Si Tiran R, pe de altă parte, a fost planificat pentru reutilizare completă fără faze consumabile. chiar și în Vulcan Este posibil să aibă încă o restaurare a motorului în planurile sale viitoare de dezvoltare.
Divizia Vulcan Engine, care conține o pereche de motoare metalox BE-4, reintră în atmosfera Pământului pentru recuperare și reutilizare. (credit: Mac Crawford pentru NSF/L2)
Pe lângă reutilizabilitate, îmbunătățirile de producție au redus și costurile de construire și operare a vehiculelor de lansare. Pe măsură ce acești factori scad, factorul care devine din ce în ce mai important este economia de combustibil. Dacă lansarea rachetelor costă 250 de milioane de dolari, nu contează dacă combustibilul este de 2 sau patru milioane de dolari pe lansare. Dar dacă totalul este de 25 de milioane de dolari pe lansare, combustibilul devine un procent mult mai mare din costurile totale de lansare. Metanul este cel mai ieftin dintre cei trei combustibili lichizi, depășind cu mult hidrogenul și RP-1.
Un alt factor, în comparație cu motoarele RP-1 în mod specific, este cocsul. RP-1 nu arde la fel de curat ca hidrogenul sau metanul, dar lasă în urmă alte substanțe, comparabile cu gazul dintr-o mașină. Acest reziduu poate fi blocat în motor și duză și acoperit pentru o varietate de utilizări. Acest efect este vizibil atunci când este utilizat Soimul 9 etape, în care racheta se înalță prin evacuarea ei în timpul reintrarii și coborârii, lăsând reziduuri de combustie pe exteriorul rachetei.
Înainte de era reutilizării, motoarele kerolox erau folosite o singură dată, astfel încât cocsificarea nu a fost o problemă, deoarece noi motoare au fost proiectate pentru fiecare călătorie. Cola nu este un dop de spectacol pentru reutilizare; La urma urmei, Falcon 9 alimentat cu kerosen de la SpaceX continuă să bată recorduri pentru reutilizare. Dar, deoarece modelele adaugă reutilizabilitate rapidă și completă, reducerea cocsului va reduce timpul și efortul necesar pentru a pregăti compușii recuperați pentru re-zburare.
În timp ce hidrogenul este un combustibil mai curat pentru ardere, are propriile probleme de reutilizare, în special densitatea. Hydrolox este combustibilul cel mai puțin dens energetic dintre cei trei, ceea ce înseamnă că faza hidrolox reutilizabilă trebuie să fie mult mai mare decât cea alimentată cu kerolox sau metalox. Aici apare un alt avantaj al Metallux: este un propulsor curat, dens și eficient. Nu numai că metanul oferă o densitate similară cu cea a kerosenului, dar oferă și o creștere specifică (eficiență) asemănătoare cu cea a motoarelor cu rachete cu hidrogen.
Nouă motoare metalox Aeon 1 alimentează Terran 1 din Relativity Space, care a fost lansat la începutul anului 2022. (Credit: Mack Crawford pentru NSF/L2)
Deoarece temperatura oxigenului lichid și a metanului lichid este foarte asemănătoare, aplicarea deflectorului combinat între cele două rezervoare în cadrul fazei devine, de asemenea, mai ușoară. Cu hidrogen, LOX și temperaturi de fierbere foarte diferite, zona comună a rezervorului poate cauza probleme termice. În cazul metanului, acesta nu este cazul, ceea ce înseamnă că designul combinat al barierei este o modalitate fezabilă de a reduce masa vehiculului.
Aceste noi vehicule de lansare metalox vor face primul lor debut orbital anul acesta. În timp ce unii dintre ei mai au o cantitate semnificativă de muncă de dezvoltare, alții sunt deja aproape de a fi pregătiți pentru zbor, deși nu este încă clar care va fi primul vehicul alimentat cu metalox care va ajunge pe orbită.
Poate cel mai notabil este Starship, construit de SpaceX. Cu 33 de motoare Raptor alimentate cu metan, este un exemplu excelent al avantajelor Methalox. Nu este conceput doar pentru a transporta încărcături utile pe Marte și pentru a profita de reacția lui Sabatier de a aduce înapoi oameni și mărfuri, dar este, de asemenea, proiectat să zboare de mai multe ori fără recondiționări majore. În prezent, întregul sistem Starship este planificat pentru prima sa încercare de zbor în 2022 și este unul dintre candidații pentru prima rachetă alimentată cu metan care va ajunge pe orbită.
Un alt candidat este Terran 1 din Spațiul Relativ. Vehiculul de lansare smallsat este propulsat de un motor Aeon 1, care va informa designul motorului mai mare, reutilizabil Aeon R. Această versiune mai mare va alimenta cea de-a doua rachetă a lui Relativity, Terran R, care va fi complet reutilizabilă și nu va zbura înainte de 2024. Este încă planificat un vehicul consumabil mic Terran 1 lansat în 2022.
Un neutron reaprinde motorul Metallox al lui Arhimede pentru aterizare. (credit: Mac Crawford pentru NSF/L2)
Ultimul candidat american pentru prima rachetă orbitală Methalox este Vulcan de la ULA, propulsat de motorul BE-4 de la Blue Origin: același motor care va alimenta New Glenn. Vehiculul de lansare uzat va folosi o treaptă superioară alimentată cu hidrogen, dar o primă etapă alimentată cu metan va fi o parte importantă a sistemului de lansare orbitală. Călătoria inaugurală a lui Vulcan este încă programată pentru acest an.
În timp ce Blue Origin dezvoltă și o rachetă propulsată de Metholux la New Glenn, vehiculul respectiv nu va fi gata în acest an, iar Blue Origin ar trebui să furnizeze ULA motoare BE-4 pentru Vulcan înainte de New Glenn.
Între timp, racheta cu neutroni a Rocket Lab va fi alimentată de motorul metalox Archimedes, care anul acesta va începe testarea pentru prima dată pe Neutron la jumătatea deceniului.
Pleiades-1B a capturat această imagine a celui mai recent site de lansare de la Centrul de lansare a satelitului Jiuquan pe 15-01-2022 la 04:26:24 UTC.
Se pare că poate exista o etapă (sau o machetă) a rachetei ZQ-2 a LandSpace pe platformă. pic.twitter.com/plJctAP72E
– Harry Stranger (@Harry__Stranger) 17 ianuarie 2022
În afara Statelor Unite, există un alt candidat pentru prima rachetă Mytholux pe orbită: racheta Zhuque-2 din China. Alimentat de motorul metalox TQ-12, motorul generator de gaz este programat să debuteze în acest an. Recent, instrumentația a lovit placa aferentă pathfinder-ului de ieșire, iar ZQ-2 ar putea avea o șansă foarte reală de a fi prima rachetă pe orbită pe bază de metan, care se confruntă cu Starship, Vulcan și Terran 1.
(Imaginea principală: Nava 20 și Booster 4 stivuite la locul de lansare orbital de lângă ferma de tancuri care va furniza navei spațiale care orbitează cu metan și oxigen înainte de lansare. Credit: Mary (Încorporați un Tweet) pentru NSF)
„Organizator. Scriitor general. Prieten al animalelor de pretutindeni. Specialist în cultură pop. Expert în internet amator. Explorator.”