Methalox kemungkinan akan menang pada 2022, tetapi pemenangnya belum jelas

Saat ini, beberapa roket berbahan bakar metana berpacu ke orbit. Dengan Starship dari SpaceX, Vulcan dari United Launch Alliance (ULA) dan Neutron dari Rocket Lab, semua penyedia peluncuran paling aktif di Amerika berkomitmen untuk menggunakan methalox metana dan oksigen.

Peluncur yang akan datang seperti Blue Origin’s New Glenn dan keluarga Terran dari Relativity Space juga sedang dalam perjalanan, sementara rudal ZhuQue-2 China dari Landspace mungkin lebih disukai untuk terbang sebelum kendaraan Amerika.

Jawaban mengapa roket berbahan bakar metana tidak pernah terbang sebelumnya adalah pertanyaan tentang kompleksitas kimia dan teknik. Tetapi karena desain baru memprioritaskan penggunaan kembali serta penggunaan sumber daya in situ (ISRU) untuk misi ke Mars, campuran metana dan oksigen telah menjadi standar untuk kendaraan peluncuran generasi berikutnya.

Stabilitas pembakaran adalah masalah khusus dibandingkan dengan campuran bahan bakar cair yang paling umum: kerolox (minyak tanah dan oksigen) dan hydrolux (hidrogen dan oksigen). Titik didih hidrogen dan minyak tanah Rocket Propelant-1 (RP-1) sangat berbeda dengan oksigen cair (LOX). Namun, titik didih metana sangat dekat dengan oksidatornya.

Raptor 2 menghasilkan lebih dari 230 ton daya dorong di permukaan laut, naik dari Raptor 1 yang 185 ton pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql

– SpaceX (SpaceX) 11 Februari 2022

Untuk mesin hidrogen, pembakaran terjadi dalam kondisi di mana tetesan oksigen dikelilingi oleh molekul gas hidrogen selama pengapian, dan sebaliknya terjadi pada RP-1. Untuk metana, titik didihnya serupa, yang berarti tidak ada keadaan yang jelas di mana kedua molekul tersebut berada selama penguapan dan pembakaran. Hal ini dapat menyebabkan ketidakstabilan pembakaran dan mempersulit penggunaan metana sebagai bahan bakar roket.

Sementara mengembangkan mesin yang akan menggerakkan kendaraan generasi berikutnya ini bukannya tanpa hambatan dan tantangan, kemajuan terbaru dalam teknologi propulsi roket telah memungkinkan mesin metana. Upaya pengembangan baru didorong oleh tujuan penggunaan kembali baru dan tujuan luar angkasa baru, seperti Mars.

Metana adalah propelan terbaik yang digunakan untuk situasi pengisian bahan bakar di Planet Merah. Produksi bahan bakar roket metana dimungkinkan di Mars dengan bantuan “reaksi Sabatier”, yang dapat menghasilkan air dan metana dari hidrogen dan karbon dioksida. Ini akan memungkinkan ISRU ke Sumber Daya Alam Mars untuk mengaktifkan misi baru dengan tidak harus membawa semua bahan bakar yang dibutuhkan dari Bumi.

Alasan lain untuk menggunakan metana adalah biaya. Hampir semua peluncur generasi berikutnya yang akan menggunakan metana mengejar ide penggunaan kembali dalam beberapa bentuk atau bentuk. neutron Dan Glen baru Keduanya, setidaknya pada awalnya, bertujuan untuk kendaraan yang dapat digunakan kembali sebagian, menggunakan tahap awal pendaratan propelan dan tahap atas yang dapat dikonsumsi. kapal luar angkasa Dan Tiran R, di sisi lain, direncanakan untuk digunakan kembali sepenuhnya tanpa fase konsumsi. bahkan dalam Vulkan Itu mungkin masih memiliki restorasi mesin dalam rencana pengembangannya di masa depan.

Divisi Mesin Vulcan, yang berisi sepasang mesin metaloks BE-4, memasuki kembali atmosfer Bumi untuk pemulihan dan penggunaan kembali. (kredit: Mac Crawford untuk NSF/L2)

Selain dapat digunakan kembali, peningkatan manufaktur juga telah menurunkan biaya pembuatan dan pengoperasian kendaraan peluncuran. Ketika faktor-faktor ini berkurang, faktor yang menjadi semakin penting adalah penghematan bahan bakar. Jika peluncuran rudal menghabiskan biaya $250 juta, tidak masalah apakah bahan bakarnya $2 juta atau empat juta per peluncuran. Tetapi jika totalnya adalah $25 juta per peluncuran, bahan bakar menjadi persentase yang jauh lebih besar dari total biaya peluncuran. Metana adalah yang termurah dari tiga bahan bakar cair, mengungguli hidrogen dan RP-1 dengan selisih yang besar.

Faktor lain, jika dibandingkan dengan mesin RP-1 secara khusus, adalah kokas. RP-1 tidak membakar sebersih hidrogen atau metana, tetapi meninggalkan zat lain, sebanding dengan gas di dalam mobil. Residu ini dapat tersangkut di mesin dan nosel dan menutupi berbagai kegunaan. Efek ini terlihat saat digunakan Falcon 9 tahap, di mana rudal melonjak melalui knalpotnya saat masuk kembali dan turun, meninggalkan residu pembakaran di bagian luar rudal.

Sebelum era penggunaan kembali, mesin kerolox hanya digunakan sekali, jadi kokas tidak menjadi masalah karena mesin baru dirancang untuk setiap perjalanan. Coke bukanlah show stopper untuk digunakan kembali; Lagipula, Falcon 9 berbahan bakar minyak tanah milik SpaceX terus memecahkan rekor untuk digunakan kembali. Tetapi karena desainnya menambahkan penggunaan kembali yang cepat dan lengkap, pengurangan kokas akan mengurangi waktu dan upaya yang diperlukan untuk menyiapkan senyawa yang diperoleh kembali untuk diterbangkan kembali.

Sementara hidrogen adalah bahan bakar yang lebih bersih untuk pembakaran, ia memiliki masalah penggunaan kembali sendiri, terutama kepadatan. Hydrolox adalah bahan bakar padat energi paling sedikit dari ketiganya, yang berarti bahwa fase hydrolox yang dapat digunakan kembali harus jauh lebih besar daripada yang berbahan bakar kerolox atau methalox. Di sini keuntungan lain dari Metallux muncul: ini adalah propelan yang bersih, padat, dan efisien. Metana tidak hanya memberikan kepadatan yang mirip dengan minyak tanah, tetapi juga memberikan dorongan (efisiensi) spesifik yang mirip dengan mesin roket hidrogen.

Sembilan mesin methalox Aeon 1 menggerakkan Terran 1 dari Relativity Space, yang diluncurkan awal 2022. (Kredit: Mack Crawford untuk NSF/L2)

Karena suhu oksigen cair dan metana cair sangat mirip, penerapan baffle gabungan antara dua tangki dalam fase juga menjadi lebih mudah. Dengan hidrogen, LOX, dan suhu didih yang sangat berbeda, area tangki umum dapat menyebabkan masalah termal. Dengan metana, ini tidak terjadi, yang berarti bahwa desain penghalang gabungan adalah cara yang layak untuk mengurangi massa kendaraan.

Kendaraan peluncuran methalox baru ini akan melakukan debut orbit pertama mereka tahun ini. Sementara beberapa dari mereka memiliki sejumlah besar pekerjaan pengembangan yang tersisa, yang lain sudah hampir siap untuk terbang, meskipun belum jelas yang akan menjadi kendaraan bertenaga methalox pertama yang mencapai orbit.

Mungkin yang paling menonjol adalah Starship, yang dibangun oleh SpaceX. Dengan 33 mesin Raptor berbahan bakar metana, ini adalah contoh utama keunggulan Methalox. Mereka tidak hanya dirancang untuk membawa muatan ke Mars dan memanfaatkan reaksi Sabatier untuk membawa kembali manusia dan kargo, tetapi mereka juga dirancang untuk terbang beberapa kali tanpa perbaikan besar-besaran. Saat ini, seluruh sistem Starship direncanakan untuk upaya penerbangan pertamanya pada tahun 2022 dan merupakan salah satu kandidat roket berbahan bakar metana pertama yang mencapai orbit.

Kandidat lainnya adalah Terran 1 dari Relativity Space. Kendaraan peluncuran smallsat ini ditenagai oleh mesin Aeon 1, yang akan menginformasikan desain mesin yang lebih besar dan dapat digunakan kembali Aeon R. Versi yang lebih besar ini akan menggerakkan rudal kedua Relativity, Terran R, yang akan sepenuhnya dapat digunakan kembali dan tidak akan terbang sebelum tahun 2024. Masih direncanakan kendaraan small consumable Terran 1 diluncurkan pada 2022.

Sebuah neutron menyalakan kembali mesin Metallox Archimedes untuk mendarat. (kredit: Mac Crawford untuk NSF/L2)

Pesaing AS terakhir untuk roket orbit Methalox pertama adalah Vulcan . ULA, ditenagai oleh mesin BE-4 dari Blue Origin: mesin yang sama yang akan menggerakkan New Glenn. Kendaraan peluncuran bekas akan menggunakan tahap atas berbahan bakar hidrogen, tetapi tahap pertama berbahan bakar metana akan menjadi bagian penting dari sistem peluncuran orbital. Pelayaran perdana Vulcan saat ini masih dijadwalkan untuk tahun ini.

Sementara Blue Origin juga mengembangkan roket bertenaga Metholux di New Glenn, kendaraan itu tidak akan siap tahun ini, dan Blue Origin harus memasok ULA dengan mesin BE-4 untuk Vulcan sebelum New Glenn.

Sementara itu, roket neutron Rocket Lab akan ditenagai oleh mesin methalox Archimedes, yang tahun ini akan mulai diuji untuk pertama kalinya pada Neutron pada pertengahan dekade ini.

Pleiades-1B menangkap gambar situs peluncuran terbaru ini di Pusat Peluncuran Satelit Jiuquan pada 15-01-2022 pukul 04:26:24 UTC.

Sepertinya ada panggung (atau mockup) roket ZQ-2 LandSpace di platform. pic.twitter.com/plJctAP72E

– Harry Orang Asing (@Harry__Orang Asing) 17 Januari 2022

Di luar Amerika Serikat, ada pesaing lain untuk roket Mytholux pertama yang mengorbit: roket Zhuque-2 dari China. Didukung oleh mesin methalox TQ-12, mesin generator gas dijadwalkan untuk debut tahun ini. Baru-baru ini, instrumentasi telah mencapai papan terkait dengan pathfinder keluar, dan ZQ-2 dapat memiliki peluang yang sangat nyata untuk menjadi roket berbasis metana pertama di orbit, berpacu melawan Starship, Vulcan dan Terran 1.

(Gambar utama: Kapal 20 dan Booster 4 ditumpuk di lokasi peluncuran orbit di sebelah peternakan tangki yang akan memasok metana dan oksigen ke pesawat ruang angkasa yang mengorbit sebelum diluncurkan. Kredit: Mary (penyematan tweet) untuk NSF)