Methalox prawdopodobnie wygra w 2022 roku, ale zwycięzca nie jest jeszcze jasny

Obecnie na orbitę pędzi kilka rakiet napędzanych metanem. Dzięki Starship od SpaceX, Vulcan z United Launch Alliance (ULA) i Neutron z Rocket Lab, wszyscy najaktywniejsi dostawcy startów w Ameryce są zobowiązani do korzystania z metanoksu, metanu i tlenu.

Nadchodzące wyrzutnie, takie jak New Glenn Blue Origin i rodzina Terran z Relativity Space, są również w drodze, podczas gdy chiński pocisk ZhuQue-2 z Landspace może być preferowany do latania przed jakimkolwiek amerykańskim pojazdem.

Odpowiedź na pytanie, dlaczego rakiety napędzane metanem nigdy wcześniej nie latały, jest kwestią złożoności chemicznej i inżynierskiej. Ale ponieważ nowe projekty stawiają na pierwszym miejscu ponowne wykorzystanie, a także wykorzystanie zasobów in situ (ISRU) w misjach na Marsa, mieszanina metanu i tlenu stała się standardem dla pojazdów nośnych nowej generacji.

Szczególnym problemem jest stabilność spalania w porównaniu z najpowszechniejszymi mieszankami paliw płynnych: kerolox (nafta i tlen) i hydrolux (wodór i tlen). Temperatura wrzenia wodoru i nafty Rocket Propelant-1 (RP-1) różni się znacznie od temperatury ciekłego tlenu (LOX). Jednak temperatura wrzenia metanu jest bardzo zbliżona do jego utleniacza.

Raptor 2 generuje ponad 230 ton ciągu na poziomie morza, w porównaniu z Raptor 1 185 ton pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql

– SpaceX (SpaceX) 11 lutego 2022

W przypadku silnika wodorowego spalanie zachodzi w warunkach, w których podczas zapłonu krople tlenu są otoczone cząsteczkami gazowego wodoru, a w przypadku RP-1 dzieje się odwrotnie. W przypadku metanu temperatury wrzenia są podobne, co oznacza, że ​​nie ma wyraźnego stanu, w którym obie cząsteczki znajdują się podczas parowania i spalania. Może to prowadzić do niestabilności spalania i utrudniać wykorzystanie metanu jako paliwa rakietowego.

Podczas opracowywania silników, które będą napędzać te pojazdy nowej generacji, nie obyło się bez komplikacji i wyzwań, ostatnie postępy w technologii napędu rakietowego umożliwiły stworzenie silników na metan. Nowe wysiłki w zakresie rozwoju były napędzane nowymi celami ponownego wykorzystania i nowymi miejscami docelowymi przestrzeni, takimi jak Mars.

Metan jest najlepszym paliwem do tankowania na Czerwonej Planecie. Produkcja paliwa rakietowego metanu jest możliwa na Marsie za pomocą „reakcji Sabatiera”, która może wytwarzać wodę i metan z wodoru i dwutlenku węgla. Pozwoli to ISRU na Mars Natural Resources na umożliwienie nowych misji bez konieczności sprowadzania całego wymaganego paliwa z Ziemi.

Innym powodem używania metanu są koszty. Prawie wszystkie wyrzutnie nowej generacji, które będą wykorzystywać metan, realizują ideę ponownego wykorzystania w jakiejś formie lub formie. neutron A Nowa Glen Oba są, przynajmniej początkowo, ukierunkowane na pojazdy częściowo nadające się do ponownego użycia, wykorzystując wczesne etapy lądowania na paliwie pędnym i górne stopnie eksploatacyjne. Statek kosmiczny A Tiran Rz drugiej strony zaplanowano całkowite ponowne użycie bez faz materiałów eksploatacyjnych. nawet w Wulkan W przyszłych planach rozwojowych może nadal mieć przywrócenie silnika.

Oprócz możliwości ponownego użycia usprawnienia produkcyjne obniżyły również koszty budowy i eksploatacji pojazdów nośnych. W miarę zmniejszania się tych czynników czynnikiem, który staje się coraz ważniejszy, jest oszczędność paliwa. Jeśli wystrzelenie rakiety kosztuje 250 milionów dolarów, nie ma znaczenia, czy paliwo kosztuje 2 miliony, czy 4 miliony na wystrzelenie. Ale jeśli suma wynosi 25 milionów dolarów na start, paliwo staje się znacznie większym procentem całkowitych kosztów startu. Metan jest najtańszym z trzech paliw płynnych, znacznie przewyższając wodór i RP-1.

Innym czynnikiem, w porównaniu z silnikami RP-1, jest koks. RP-1 nie spala się tak czysto jak wodór czy metan, ale pozostawia po sobie inne substancje, porównywalne do gazu w samochodzie. Resztki te mogą utknąć w silniku i dyszy i przykryć je w różnych zastosowaniach. Ten efekt jest widoczny podczas użytkowania Sokół 9 etapy, w których pocisk szybuje przez swój wydech podczas ponownego wejścia i opadania, pozostawiając pozostałości spalania na zewnątrz pocisku.

Przed erą ponownego użycia silniki Kerolox były używane tylko raz, więc koksowanie nie stanowiło problemu, ponieważ nowe silniki projektowano do każdej jazdy. Coca-Cola nie jest korkiem do ponownego wykorzystania; W końcu zasilany naftą Falcon 9 firmy SpaceX nadal bije rekordy w zakresie ponownego użycia. Ale ponieważ projekty zapewniają szybkie i pełne ponowne użycie, redukcja koksu zmniejszy czas i wysiłek wymagany do przygotowania odzyskanych związków do ponownego lotu.

Chociaż wodór jest czystszym paliwem do spalania, ma swoje własne problemy z ponownym wykorzystaniem, zwłaszcza z gęstością. Hydrolox jest paliwem o najmniejszej gęstości energetycznej z całej trójki, co oznacza, że ​​faza hydroloksu wielokrotnego użytku musi być znacznie większa niż ta zasilana przez kerolox lub metalox. Tutaj pojawia się kolejna zaleta Metalluxa: to czysty, gęsty i wydajny gaz pędny. Metan nie tylko zapewnia gęstość zbliżoną do nafty, ale także zapewnia specyficzny wzrost (wydajność) podobny do silników rakietowych wodorowych.

Dziewięć silników metalox Aeon 1 napędza Terran 1 z Relativity Space, który został wystrzelony na początku 2022 roku. (Źródło: Mack Crawford dla NSF/L2)

Ponieważ temperatura ciekłego tlenu i ciekłego metanu jest bardzo podobna, zastosowanie połączonej przegrody między dwoma zbiornikami w fazie również staje się łatwiejsze. W przypadku wodoru, LOX i bardzo różnych temperatur wrzenia wspólny obszar zbiornika może powodować problemy termiczne. W przypadku metanu tak nie jest, co oznacza, że ​​konstrukcja połączonej bariery jest realnym sposobem na zmniejszenie masy pojazdu.

Te nowe pojazdy nośne metalox mają zadebiutować na orbicie w tym roku. Podczas gdy dla niektórych z nich pozostało jeszcze wiele prac rozwojowych, inne są już bliskie gotowości do lotu, chociaż nie jest jeszcze jasne, który pojazd napędzany metaloksem wejdzie na orbitę jako pierwszy.

Być może najbardziej godnym uwagi jest statek kosmiczny, zbudowany przez SpaceX. Z 33 silnikami Raptor napędzanymi metanem, jest to doskonały przykład zalet Methaloxa. Nie tylko są zaprojektowane do przewożenia ładunków na Marsa i wykorzystywania reakcji Sabatiera do sprowadzania ludzi i ładunku, ale są również zaprojektowane do wielokrotnego latania bez większych remontów. Obecnie cały system Starship planowany jest na pierwszą próbę lotu w 2022 roku i jest jednym z kandydatów na pierwszą rakietę napędzaną metanem, która wejdzie na orbitę.

Innym kandydatem jest Terran 1 z Przestrzeni Względności. Pojazd nośny smallsat jest napędzany silnikiem Aeon 1, który będzie informował o projekcie większego silnika wielokrotnego użytku Aeon R. Ta większa wersja będzie zasilać drugi pocisk Relativity, Terran R, który będzie w pełni wielokrotnego użytku i nie będzie latać przed 2024 rokiem. Wciąż planowany jest mały pojazd eksploatacyjny Terran 1 wprowadzony na rynek w 2022 roku.

Neutron ponownie zapala silnik Metallox Archimedesa do lądowania. (kredyt: Mac Crawford dla NSF/L2)

Ostatnim amerykańskim pretendentem do pierwszej rakiety orbitalnej Methalox jest Vulcan . z ULA, napędzany silnikiem BE-4 firmy Blue Origin: tym samym, który będzie napędzał New Glenn. Zużyty pojazd nośny będzie korzystał z górnego stopnia napędzanego wodorem, ale pierwszy stopień napędzany metanem będzie ważną częścią systemu orbitalnego. Dziewiczy rejs Vulcana jest nadal zaplanowany na ten rok.

Podczas gdy Blue Origin opracowuje również rakietę napędzaną Metholuxem w New Glenn, pojazd ten nie będzie gotowy w tym roku, a Blue Origin powinno dostarczyć ULA silniki BE-4 do Vulcan przed New Glenn.

Tymczasem rakieta neutronowa Rocket Lab będzie napędzana silnikiem Metalox Archimedes, który w tym roku rozpocznie pierwsze testy na Neutronie w połowie dekady.

Pleiades-1B uchwycił to zdjęcie najnowszego miejsca startu w Jiuquan Satellite Launch Center w dniu 01-15-2022 o 04:26:24 UTC.

Wygląda na to, że na platformie może znajdować się scena (lub makieta) rakiety ZQ-2 firmy LandSpace. pic.twitter.com/plJctAP72E

– Harry Stranger (@Harry__Stranger) 17 stycznia 2022

Poza Stanami Zjednoczonymi jest jeszcze jeden pretendent do pierwszej rakiety Mytholux na orbicie: rakieta Zhuque-2 z Chin. Napędzany silnikiem metalox TQ-12, silnik generatora gazu ma zadebiutować w tym roku. Ostatnio na planszy pojawiło się oprzyrządowanie związane z tropicielem wyjścia, a ZQ-2 może mieć bardzo realną szansę na zostanie pierwszą rakietą na metan na orbicie, ścigającą się ze statkiem kosmicznym, Vulcanem i Terranem 1.

(Główne zdjęcie: Statek 20 i Booster 4 ułożone w stos na miejscu startu orbitalnego obok farmy zbiorników, która będzie dostarczać orbitującym statkom kosmicznym metan i tlen przed startem. Źródło: Mary (Umieść tweeta) dla NSF)