De Methalox wint waarschijnlijk in 2022, maar de winnaar is nog niet duidelijk

Momenteel komen er verschillende op methaan gestookte raketten in een baan om de aarde. Met Starship van SpaceX, Vulcan van United Launch Alliance (ULA) en Neutron van Rocket Lab zetten alle Amerika’s meest actieve lanceringsaanbieders zich in voor het gebruik van methaloxmethaan en zuurstof.

Aankomende draagraketten zoals Blue Origin’s New Glenn en Relativity Space’s Terran-familie zijn ook onderweg, terwijl China’s ZhuQue-2-raket van Landspace misschien de voorkeur heeft om vóór een van de Amerikaanse voertuigen te vliegen.

Het antwoord op de vraag waarom met methaan aangedreven raketten nog nooit eerder hebben gevlogen, is een kwestie van chemie en technische complexiteit. Maar aangezien nieuwe ontwerpen prioriteit geven aan hergebruik en in situ resource use (ISRU) voor missies naar Mars, is het mengsel van methaan en zuurstof de standaard geworden voor lanceervoertuigen van de volgende generatie.

Vooral de stabiliteit van de verbranding is een probleem in vergelijking met de meest voorkomende vloeibare brandstofmengsels: kerolox (kerosine en zuurstof) en hydrolux (waterstof en zuurstof). De kookpunten van waterstof en kerosine Rocket Propelant-1 (RP-1) zijn heel anders dan die van vloeibare zuurstof (LOX). Het kookpunt van methaan ligt echter zeer dicht bij zijn oxidatiemiddel.

Raptor 2 genereert meer dan 230 ton stuwkracht op zeeniveau, meer dan de 185 ton van Raptor 1 pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql

– SpaceX (SpaceX) 11 februari 2022

Voor een waterstofmotor vindt verbranding plaats in een toestand waarin zuurstofdruppels tijdens de ontsteking worden omringd door waterstofgasmoleculen, en het tegenovergestelde gebeurt voor RP-1. Voor methaan zijn de kookpunten vergelijkbaar, wat betekent dat er geen duidelijke toestand is waarin beide moleculen zich bevinden tijdens verdamping en verbranding. Dit kan leiden tot instabiliteit van de verbranding en het moeilijk maken om methaan als raketbrandstof te gebruiken.

Hoewel de ontwikkeling van de motoren die deze voertuigen van de volgende generatie zullen aandrijven niet zonder tegenslagen en uitdagingen is verlopen, hebben recente ontwikkelingen in de raketvoortstuwingstechnologie methaanmotoren mogelijk gemaakt. Nieuwe ontwikkelingsinspanningen werden gedreven door nieuwe doelen voor hergebruik en nieuwe ruimtebestemmingen, zoals: Mars.

Methaan is het beste drijfgas om te gebruiken voor tanksituaties op de Rode Planeet. De productie van methaanraketbrandstof is op Mars mogelijk met behulp van de “Sabatier-reactie”, die water en methaan kan produceren uit waterstof en koolstofdioxide. Hierdoor kan ISRU to Mars Natural Resources nieuwe missies mogelijk maken door niet alle benodigde brandstof van de aarde aan te voeren.

Een andere reden om methaan te gebruiken is de kostprijs. Bijna alle draagraketten van de volgende generatie die methaan zullen gebruiken, streven naar het idee van hergebruik in een of andere vorm. neutron En de Nieuwe Glen Beide zijn, althans in eerste instantie, gericht op gedeeltelijk herbruikbare voertuigen, waarbij gebruik wordt gemaakt van vroege landingsstadia en verbruikbare bovenste trappen. ruimteschip En de Tiran R, aan de andere kant, was gepland voor volledig hergebruik zonder verbruiksfasen. zelfs in Vulcaan Mogelijk heeft het nog een motorrestauratie in zijn toekomstige ontwikkelingsplannen.

De Vulcan Engine Division, die een paar BE-4 methaloxmotoren bevat, gaat opnieuw de atmosfeer van de aarde in voor herstel en hergebruik. (credit: Mac Crawford voor NSF/L2)

Naast herbruikbaarheid hebben productieverbeteringen ook de kosten voor het bouwen en bedienen van draagraketten verlaagd. Naarmate deze factoren afnemen, is het brandstofverbruik de factor die steeds belangrijker wordt. Als de raketlancering $ 250 miljoen kost, maakt het niet uit of de brandstof $ 2 miljoen of vier miljoen per lancering is. Maar als het totaal $ 25 miljoen per lancering is, wordt de brandstof een veel groter percentage van de totale lanceringskosten. Methaan is de goedkoopste van de drie vloeibare brandstoffen en presteert ruim beter dan waterstof en RP-1.

Een andere factor, in vergelijking met specifiek RP-1-motoren, is cokes. RP-1 brandt niet zo schoon als waterstof of methaan, maar laat andere stoffen achter, vergelijkbaar met gas in een auto. Dit residu kan in de motor en het mondstuk blijven zitten en voor verschillende doeleinden worden afgedekt. Dit effect is zichtbaar bij gebruik Valk 9 stadia, waarin de raket door zijn uitlaat vliegt tijdens terugkeer en afdaling, waarbij verbrandingsresten aan de buitenkant van de raket achterblijven.

Vóór het tijdperk van hergebruik werden kerolox-motoren slechts één keer gebruikt, dus cokesvorming was geen probleem, aangezien er voor elke rit nieuwe motoren werden ontworpen. Coke is geen showstopper voor hergebruik; De op kerosine aangedreven Falcon 9 van SpaceX blijft immers records breken voor hergebruik. Maar aangezien de ontwerpen snelle en volledige herbruikbaarheid toevoegen, zal het verminderen van cokes de tijd en moeite verminderen die nodig zijn om teruggewonnen verbindingen voor te bereiden voor opnieuw vliegen.

Hoewel waterstof een schonere brandstof is voor verbranding, heeft het zijn eigen problemen met hergebruik, met name dichtheid. Hydrolox is de minst energierijke brandstof van de drie, wat betekent dat de herbruikbare hydroloxfase veel groter moet zijn dan die van kerolox of methalox. Hier komt nog een ander voordeel van Metallux naar voren: het is een schoon, compact en efficiënt drijfgas. Methaan biedt niet alleen een dichtheid die vergelijkbaar is met die van kerosine, maar het geeft ook een specifieke boost (efficiëntie) vergelijkbaar met die van waterstofraketmotoren.

Negen Aeon 1 methalox-motoren drijven Terran 1 aan vanuit Relativity Space, die begin 2022 werd gelanceerd. (Credit: Mack Crawford voor NSF/L2)

Omdat de temperatuur van vloeibare zuurstof en vloeibaar methaan erg op elkaar lijken, wordt de toepassing van het gecombineerde schot tussen de twee tanks binnen de fase ook gemakkelijker. Met waterstof, LOX en zeer verschillende kooktemperaturen kan het gemeenschappelijke tankgebied thermische problemen veroorzaken. Bij methaan is dit niet het geval, waardoor het gecombineerde ontwerp van de barrière een haalbare manier is om de voertuigmassa te verminderen.

Deze nieuwe methalox-lanceervoertuigen zullen dit jaar hun eerste orbitale debuut maken. Terwijl sommigen van hen nog een aanzienlijke hoeveelheid ontwikkelingswerk hebben, zijn anderen al bijna klaar om te vliegen, hoewel het nog niet duidelijk is welk voertuig het eerste methalox-aangedreven voertuig zal zijn dat de baan zal bereiken.

Misschien wel het meest opvallende is het Starship, gebouwd door SpaceX. Met 33 op methaan gestookte Raptor-motoren is het een goed voorbeeld van de voordelen van de Methalox. Het is niet alleen ontworpen om ladingen naar Mars te vervoeren en te profiteren van de reactie van Sabatier om mensen en vracht terug te brengen, maar het is ook ontworpen om meerdere keren te vliegen zonder grote opknapbeurten. Momenteel is het volledige Starship-systeem gepland voor zijn eerste vluchtpoging in 2022 en is het een van de kandidaten voor de eerste op methaan gestookte raket die een baan om de aarde zal bereiken.

Een andere kandidaat is Terran 1 van Relativity Space. Het smallsat-lanceervoertuig wordt aangedreven door een Aeon 1-motor, die het ontwerp zal bepalen van de grotere, herbruikbare Aeon R-motor. Deze grotere versie zal de tweede raket van Relativity aandrijven, Terran R, die volledig herbruikbaar zal zijn en niet vóór 2024 zal vliegen. Het is nog steeds gepland Terran 1 klein verbruiksvoertuig gelanceerd in 2022.

Een neutron ontsteekt de Metallox-motor van Archimedes opnieuw om te landen. (credit: Mac Crawford voor NSF/L2)

De laatste Amerikaanse kanshebber voor de eerste Methalox-orbitale raket is ULA’s Vulcan, aangedreven door de BE-4-motor van Blue Origin: dezelfde motor die New Glenn zal aandrijven. Het gebruikte draagraket zal een met waterstof aangedreven bovenste trap gebruiken, maar een met methaan aangedreven eerste trap zal een belangrijk onderdeel zijn van het orbitale lanceersysteem. De eerste reis van Vulcan staat momenteel nog gepland voor dit jaar.

Terwijl Blue Origin ook een Metholux-aangedreven raket aan het ontwikkelen is in New Glenn, zal dat voertuig dit jaar nog niet klaar zijn, en Blue Origin moet ULA voorzien van BE-4-motoren voor de Vulcan vóór New Glenn.

Ondertussen zal de neutronenraket van Rocket Lab worden aangedreven door de methalox Archimedes-motor, die dit jaar voor het eerst op Neutron zal worden getest in het midden van het decennium.

Pleiades-1B maakte deze foto van de laatste lanceerplaats in het Jiuquan Satellite Launch Center op 01-15-2022 om 04:26:24 UTC.

Het lijkt erop dat er een podium (of mockup) van LandSpace’s ZQ-2-raket op het platform staat. pic.twitter.com/plJctAP72E

– Harry Vreemdeling (@Harry__Stranger) 17 januari 2022

Buiten de Verenigde Staten is er nog een kanshebber voor de eerste Mytholux-raket in een baan om de aarde: de Zhuque-2-raket uit China. De gasgeneratormotor, aangedreven door de TQ-12 methaloxmotor, zal dit jaar zijn debuut maken. Onlangs heeft instrumentatie het bord geraakt met betrekking tot de exit-pathfinder, en de ZQ-2 zou een zeer reële kans kunnen hebben om de eerste op methaan gebaseerde raket in een baan om de aarde te zijn, racend tegen het Starship, Vulcan en Terran 1.

(Hoofdafbeelding: Schip 20 en Booster 4 gestapeld op de orbitale lanceerplaats naast het tankpark dat het ruimtevaartuig in een baan om de aarde zal voorzien van methaan en zuurstof voor de lancering. Credit: Mary (Tweet insluiten) voor NSF)