Šobrīd orbītā skrien vairākas ar metānu darbināmas raķetes. Ar Starship no SpaceX, Vulcan no United Launch Alliance (ULA) un Neutron no Rocket Lab, visi Amerikas aktīvākie palaišanas nodrošinātāji ir apņēmušies izmantot metaloksmetānu un skābekli.
Gaidāmās palaišanas iekārtas, piemēram, Blue Origin’s New Glenn un Relativity Space’s Terran ģimene, arī ir ceļā, savukārt Ķīnas raķetei ZhuQue-2 no Landspace varētu būt priekšroka lidot pirms kāda no amerikāņu transportlīdzekļiem.
Atbilde uz to, kāpēc ar metānu darbināmas raķetes nekad agrāk nav lidojušas, ir ķīmijas un inženierijas sarežģītības jautājums. Taču, tā kā jaunajos konstrukcijās prioritāte ir atkārtota izmantošana, kā arī in situ resursu izmantošana (ISRU) misijās uz Marsu, metāna un skābekļa maisījums ir kļuvis par standartu nākamās paaudzes nesējraķetēm.
Degšanas stabilitāte ir īpaša problēma salīdzinājumā ar visizplatītākajiem šķidrās degvielas maisījumiem: keroloksu (petroleja un skābeklis) un hidroluksu (ūdeņradis un skābeklis). Ūdeņraža un petrolejas viršanas temperatūra Rocket Propelant-1 (RP-1) ļoti atšķiras no šķidrā skābekļa (LOX) viršanas temperatūras. Tomēr metāna viršanas temperatūra ir ļoti tuvu tā oksidētājam.
Raptor 2 rada vairāk nekā 230 tonnu vilces spēku jūras līmenī, salīdzinot ar 185 tonnām Raptor 1 pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql
– SpaceX (SpaceX) 2022. gada 11. februāris
Ūdeņraža dzinējam sadegšana notiek apstākļos, kad aizdedzes laikā skābekļa pilienus ieskauj ūdeņraža gāzes molekulas, un RP-1 notiek pretējais. Metānam viršanas temperatūras ir līdzīgas, kas nozīmē, ka nav skaidra stāvokļa, kurā abas molekulas atrodas iztvaikošanas un sadegšanas laikā. Tas var izraisīt degšanas nestabilitāti un apgrūtināt metāna izmantošanu kā raķešu degvielu.
Lai gan dzinēju izstrāde, kas darbinās šos nākamās paaudzes transportlīdzekļus, nav bijusi bez neveiksmēm un izaicinājumiem, nesenie sasniegumi raķešu piedziņas tehnoloģijā ir padarījuši iespējamus metāna dzinējus. Jaunus attīstības centienus virzīja jauni atkārtotas izmantošanas mērķi un jauni kosmosa galamērķi, piemēram, Marss.
Metāns ir labākā degviela, ko izmantot degvielas uzpildes situācijās uz Sarkanās planētas. Metāna raķešu degvielas ražošana uz Marsa ir iespējama ar “Sabatier reakcijas” palīdzību, kas var ražot ūdeni un metānu no ūdeņraža un oglekļa dioksīda. Tas ļaus ISRU uz Marsa dabas resursiem veikt jaunas misijas, jo nav jāieved visa nepieciešamā degviela no Zemes.
Vēl viens metāna izmantošanas iemesls ir izmaksas. Gandrīz visas nākamās paaudzes nesējraķetes, kurās tiks izmantots metāns, kaut kādā veidā vai formā īsteno atkārtotas izmantošanas ideju. neitronu Un Jaunais Glens Vismaz sākotnēji abi ir paredzēti daļēji atkārtoti lietojamiem transportlīdzekļiem, izmantojot propelantu nosēšanās agrīnās stadijas un patērējamus augšējos posmus. Zvaigžņu kuģis Un Tirāns R, no otras puses, tika plānota pilnīgai atkārtotai izmantošanai bez patērējamām fāzēm. pat Vulkāns Tā turpmākajos attīstības plānos, iespējams, joprojām būs dzinēja atjaunošana.
Vulkāna dzinēju nodaļa, kurā ir pāris BE-4 metaloksa dzinēji, atkārtoti nonāk Zemes atmosfērā, lai to atgūtu un atkārtoti izmantotu. (kredīts: Mac Crawford for NSF/L2)
Papildus atkārtotai izmantošanai ražošanas uzlabojumi ir samazinājuši arī nesējraķešu būvniecības un ekspluatācijas izmaksas. Šiem faktoriem samazinoties, faktors, kas kļūst arvien svarīgāks, ir degvielas ekonomija. Ja raķetes palaišana maksā 250 miljonus dolāru, nav nozīmes, vai degviela ir 2 miljoni vai četri miljoni par vienu palaišanu. Bet, ja kopsumma ir 25 miljoni USD par palaišanu, degviela kļūst par daudz lielāku procentuālo daļu no kopējām palaišanas izmaksām. Metāns ir lētākais no trim šķidrajām degvielām, ievērojami pārspējot ūdeņradi un RP-1.
Vēl viens faktors, salīdzinot ar RP-1 dzinējiem, ir kokss. RP-1 nedeg tik tīri kā ūdeņradis vai metāns, bet atstāj aiz sevis citas vielas, kas pielīdzināmas gāzei automašīnā. Šo atlikumu var iestrēgt dzinējā un sprauslā un pārklāt dažādos lietojumos. Šis efekts ir redzams lietošanas laikā Piekūns 9 posmi, kuros raķete paceļas cauri izplūdes gāzēm atkārtotas ieiešanas un nolaišanās laikā, atstājot sadegšanas atlikumus raķetes ārpusē.
Pirms atkārtotas izmantošanas laikmeta Kerolox dzinēji tika izmantoti tikai vienu reizi, tāpēc koksēšana nebija problēma, jo katram braucienam tika izstrādāti jauni dzinēji. Kokss nav izrādes aizbāznis atkārtotai izmantošanai; Galu galā SpaceX ar petroleju darbinātais Falcon 9 turpina labot atkārtotas izmantošanas rekordus. Taču, tā kā dizaini nodrošina ātru un pilnīgu atkārtotu izmantošanu, koksa samazināšana samazinās laiku un pūles, kas vajadzīgas, lai sagatavotu reģenerētos savienojumus atkārtotai lidojumam.
Lai gan ūdeņradis ir tīrāka degviela, tam ir savas atkārtotas izmantošanas problēmas, jo īpaši blīvums. Hidrolokss ir vismazāk enerģijas blīvā degviela no trim, kas nozīmē, ka atkārtoti lietojamajai hidroloksa fāzei ir jābūt daudz lielākai nekā tai, kas tiek darbināta ar keroloksu vai metaloksu. Šeit parādās vēl viena Metallux priekšrocība: tā ir tīra, blīva un efektīva degviela. Metāns ne tikai nodrošina petrolejai līdzīgu blīvumu, bet arī nodrošina īpašu pastiprinājumu (efektivitāti), kas līdzinās ūdeņraža raķešu dzinējiem.
Deviņi Aeon 1 metalox dzinēji darbina Terran 1 no Relativity Space, kas tika palaists 2022. gada sākumā. (Kredīts: Mack Crawford par NSF/L2)
Tā kā šķidrā skābekļa un šķidrā metāna temperatūra ir ļoti līdzīga, arī kombinētās deflektora uzlikšana starp abām tvertnēm fāzē kļūst vieglāka. Izmantojot ūdeņradi, LOX un ļoti dažādas viršanas temperatūras, kopējā tvertnes zona var radīt termiskas problēmas. Metāna gadījumā tas tā nav, kas nozīmē, ka kombinētā barjeras konstrukcija ir reāls veids, kā samazināt transportlīdzekļa masu.
Šīs jaunās metaloksa nesējraķetes šogad piedzīvos pirmo orbitālo debiju. Lai gan dažiem no tiem ir atlicis ievērojams izstrādes darbs, citi jau ir gandrīz gatavi lidojumam, lai gan vēl nav skaidrs, kurš būs pirmais ar metaloksu darbināmais transportlīdzeklis, kas sasniegs orbītu.
Iespējams, visievērojamākais ir Starship, ko uzbūvēja SpaceX. Ar 33 ar metānu darbināmiem Raptor dzinējiem tas ir lielisks Methalox priekšrocību piemērs. Tie ir paredzēti ne tikai lietderīgās kravas nogādāšanai uz Marsu un Sabatier reakcijas priekšrocībām, lai atgrieztu cilvēkus un kravu, bet arī tie ir paredzēti, lai lidotu vairākas reizes bez lielas atjaunošanas. Pašlaik visa Starship sistēma ir plānota pirmajam lidojuma mēģinājumam 2022. gadā un ir viena no kandidātēm uz pirmo ar metānu darbināmo raķeti, kas varētu sasniegt orbītu.
Vēl viens kandidāts ir Terran 1 no Relativitātes telpas. Mazo nesējraķeti darbina Aeon 1 dzinējs, kas informēs par lielāka, atkārtoti lietojama dzinēja Aeon R konstrukciju. Šī lielākā versija darbinās Relativity otro raķeti Terran R, kas būs pilnībā atkārtoti lietojama un nelidos pirms 2024. gada. Joprojām tiek plānots, ka Terran 1 mazais patērējamais transportlīdzeklis tiks laists klajā 2022. gadā.
Neitrons atkārtoti iedegas Arhimēda Metallox dzinēju nolaišanās nolūkā. (kredīts: Mac Crawford for NSF/L2)
Pēdējais ASV pretendents uz pirmo Methalox orbitālo raķeti ir ULA Vulcan, ko darbina Blue Origin BE-4 dzinējs: tas pats dzinējs, kas darbinās New Glenn. Izlietotajā nesējraķetē tiks izmantota ar ūdeņradi darbināma augšējā pakāpe, bet ar metānu darbināmā pirmā pakāpe būs svarīga orbitālās palaišanas sistēmas sastāvdaļa. Vulkāna pirmais ceļojums pašlaik joprojām ir paredzēts šogad.
Lai gan Blue Origin arī izstrādā ar Metholux darbināmu raķeti Ņūglenā, šis transportlīdzeklis nebūs gatavs šogad, un Blue Origin vajadzētu piegādāt ULA ar BE-4 dzinējiem Vulcan pirms Ņūglenas.
Tikmēr Rocket Lab neitronu raķete tiks darbināta ar metaloksa Archimedes dzinēju, kas šogad pirmo reizi sāks testēšanu uz Neutron desmitgades vidū.
Pleiades-1B uzņēma šo attēlu no jaunākās palaišanas vietas Jiuquan satelītu palaišanas centrā 15.01.2022. plkst. 04:26:24 UTC.
Šķiet, ka uz platformas var atrasties LandSpace raķetes ZQ-2 skatuve (vai makets). pic.twitter.com/plJctAP72E
– Harijs Svešinieks (@Harry__Stranger) 2022. gada 17. janvāris
Ārpus ASV ir vēl viens pretendents uz pirmo Mytholux raķeti orbītā: raķete Zhuque-2 no Ķīnas. Gāzes ģeneratora dzinējs, ko darbina TQ-12 metaloksa dzinējs, debitēs šogad. Nesen ar izejas ceļa meklētāju saistītie instrumenti ir skāruši dēli, un ZQ-2 varētu būt ļoti reāla iespēja kļūt par pirmo metāna raķeti orbītā, kas sacenšas ar Starship, Vulcan un Terran 1.
(Galvenais attēls: Ship 20 un Booster 4, kas sakrauti orbitālajā palaišanas vietā blakus tanku parkam, kas apgādās orbītā esošos kosmosa kuģus ar metānu un skābekli pirms palaišanas. Kredīts: Mērija (Tvīta iegulšana) NSF)
