È probabile che il Methalox vinca nel 2022, ma il vincitore non è ancora chiaro

Attualmente, diversi razzi alimentati a metano stanno correndo in orbita. Con Starship di SpaceX, Vulcan di United Launch Alliance (ULA) e Neutron di Rocket Lab, tutti i fornitori di lancio più attivi d’America si impegnano a utilizzare metanox metano e ossigeno.

Sono in arrivo anche lanciatori in arrivo come il New Glenn di Blue Origin e la famiglia Terran di Relativity Space, mentre il missile cinese ZhuQue-2 di Landspace potrebbe essere preferito a volare prima di qualsiasi veicolo americano.

La risposta al motivo per cui i razzi alimentati a metano non hanno mai volato prima è una questione di complessità chimica e ingegneristica. Ma poiché i nuovi progetti danno la priorità al riutilizzo e all’uso delle risorse in situ (ISRU) per le missioni su Marte, la miscela di metano e ossigeno è diventata lo standard per i veicoli di lancio di prossima generazione.

La stabilità della combustione è un problema particolare rispetto alle più comuni miscele di combustibili liquidi: kerolox (cherosene e ossigeno) e idrolux (idrogeno e ossigeno). I punti di ebollizione dell’idrogeno e del cherosene Rocket Propelant-1 (RP-1) sono molto diversi da quelli dell’ossigeno liquido (LOX). Tuttavia, il punto di ebollizione del metano è molto vicino al suo ossidante.

Per un motore a idrogeno, la combustione si verifica in una condizione in cui le goccioline di ossigeno sono circondate da molecole di idrogeno gassoso durante l’accensione e accade il contrario per RP-1. Per il metano, i punti di ebollizione sono simili, il che significa che non esiste uno stato chiaro in cui si trovano entrambe le molecole durante l’evaporazione e la combustione. Ciò può portare all’instabilità della combustione e rendere difficile l’uso del metano come carburante per razzi.

Mentre lo sviluppo dei motori che alimenteranno questi veicoli di prossima generazione non è stato privo di battute d’arresto e sfide, i recenti progressi nella tecnologia di propulsione a razzo hanno reso possibili i motori a metano. Nuovi sforzi di sviluppo sono stati guidati da nuovi obiettivi di riutilizzo e nuove destinazioni spaziali, come Marte.

Il metano è il miglior propellente da utilizzare per le situazioni di rifornimento sul Pianeta Rosso. La produzione di carburante per missili a metano è possibile su Marte con l’aiuto della “reazione Sabatier”, che può produrre acqua e metano da idrogeno e anidride carbonica. Ciò consentirà all’ISRU su Mars Natural Resources di abilitare nuove missioni non dovendo portare tutto il carburante necessario dalla Terra.

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Un altro motivo per usare il metano è il costo. Quasi tutti i lanciatori di prossima generazione che utilizzeranno il metano stanno perseguendo l’idea del riutilizzo in qualche forma. neutrone E il Nuovo Glen Entrambi, almeno inizialmente, mirano a veicoli parzialmente riutilizzabili, utilizzando fasi iniziali di atterraggio del propellente e fasi superiori consumabili. Astronave E il Tiran R, invece, era previsto un riutilizzo completo senza fasi consumabili. anche in Vulcano Potrebbe avere ancora un ripristino del motore nei suoi piani di sviluppo futuri.

La Vulcan Engine Division, che contiene una coppia di motori BE-4 metalox, rientra nell’atmosfera terrestre per il recupero e il riutilizzo. (credito: Mac Crawford per NSF/L2)

Oltre alla riutilizzabilità, i miglioramenti della produzione hanno anche ridotto i costi di costruzione e gestione dei veicoli di lancio. Man mano che questi fattori diminuiscono, il fattore che diventa sempre più importante è il risparmio di carburante. Se il lancio del missile costa 250 milioni di dollari, non importa se il carburante è di 2 o quattro milioni di dollari per lancio. Ma se il totale è di 25 milioni di dollari per lancio, il carburante diventa una percentuale molto maggiore dei costi di lancio totali. Il metano è il più economico dei tre combustibili liquidi, superando di gran lunga l’idrogeno e l’RP-1.

Un altro fattore, rispetto ai motori RP-1 in particolare, è la cocaina. RP-1 non brucia in modo pulito come l’idrogeno o il metano, ma lascia altre sostanze, paragonabili al gas in un’auto. Questo residuo può essere bloccato nel motore e nell’ugello e coperto per una varietà di usi. Questo effetto è visibile durante l’uso Falco 9 fasi, in cui il missile vola attraverso il suo scarico durante il rientro e la discesa, lasciando residui di combustione all’esterno del missile.

Prima dell’era del riutilizzo, i motori kerolox venivano utilizzati solo una volta, quindi la coke non era un problema poiché venivano progettati nuovi motori per ogni corsa. La coca cola non è un tappo da riutilizzare; Dopotutto, il Falcon 9 alimentato a cherosene di SpaceX continua a battere record per il riutilizzo. Ma poiché i progetti aggiungono una riutilizzabilità rapida e completa, la riduzione del coke ridurrà il tempo e lo sforzo necessari per preparare i composti recuperati per il re-fly.

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Sebbene l’idrogeno sia un combustibile più pulito per la combustione, ha i suoi problemi di riutilizzo, in particolare la densità. L’idrolox è il combustibile meno denso di energia dei tre, il che significa che la fase riutilizzabile dell’idrolox deve essere molto più grande di quella alimentata da kerolox o metalox. Qui emerge un altro vantaggio di Metallux: è un propellente pulito, denso ed efficiente. Non solo il metano fornisce una densità simile al cherosene, ma fornisce anche una spinta specifica (efficienza) simile a quella dei motori a razzo a idrogeno.

Nove motori metalox Aeon 1 alimentano il Terran 1 di Relativity Space, lanciato all’inizio del 2022. (Credit: Mack Crawford per NSF/L2)

Poiché la temperatura dell’ossigeno liquido e del metano liquido è molto simile, diventa anche più facile l’applicazione del deflettore combinato tra i due serbatoi all’interno della fase. Con idrogeno, LOX e temperature di ebollizione molto diverse, l’area comune del serbatoio può causare problemi termici. Con il metano non è così, il che significa che il design combinato della barriera è un modo fattibile per ridurre la massa del veicolo.

Questi nuovi veicoli di lancio in metalox faranno il loro primo debutto in orbita quest’anno. Mentre alcuni di loro hanno ancora una notevole quantità di lavoro di sviluppo rimanente, altri sono già vicini all’essere pronti per il volo, anche se non è ancora chiaro quale sarà il primo veicolo alimentato a metanox a raggiungere l’orbita.

Forse il più notevole è l’astronave, costruita da SpaceX. Con 33 motori Raptor alimentati a metano, è un ottimo esempio dei vantaggi del Methalox. Non solo sono progettati per trasportare carichi utili su Marte e sfruttare la reazione di Sabatier per riportare indietro esseri umani e merci, ma sono anche progettati per volare più volte senza importanti lavori di ristrutturazione. Attualmente, l’intero sistema Starship è previsto per il suo primo tentativo di volo nel 2022 ed è uno dei candidati per il primo razzo alimentato a metano a raggiungere l’orbita.

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Un altro candidato è Terran 1 di Relativity Space. Il piccolo veicolo di lancio è alimentato da un motore Aeon 1, che informerà il design del motore più grande e riutilizzabile Aeon R. Questa versione più grande alimenterà il secondo missile di Relativity, Terran R, che sarà completamente riutilizzabile e non volerà prima del 2024. È ancora previsto il lancio del piccolo veicolo di consumo Terran 1 nel 2022.

Un neutrone riaccende il motore Metallox di Archimede per l’atterraggio. (credito: Mac Crawford per NSF/L2)

L’ultimo contendente statunitense per il primo razzo orbitale Methalox è Vulcan di ULA, alimentato dal motore BE-4 di Blue Origin: lo stesso motore che alimenterà New Glenn. Il veicolo di lancio esaurito utilizzerà uno stadio superiore alimentato a idrogeno, ma un primo stadio alimentato a metano sarà una parte importante del sistema di lancio orbitale. Il viaggio inaugurale di Vulcano è attualmente ancora in programma per quest’anno.

Mentre Blue Origin sta anche sviluppando un razzo alimentato da Metholux a New Glenn, quel veicolo non sarà pronto quest’anno e Blue Origin dovrebbe fornire a ULA motori BE-4 per il Vulcan prima di New Glenn.

Nel frattempo, il razzo a neutroni di Rocket Lab sarà alimentato dal motore Methalox Archimedes, che quest’anno inizierà i test per la prima volta su Neutron a metà del decennio.

Al di fuori degli Stati Uniti, c’è un altro contendente per il primo razzo Mytholux in orbita: il razzo Zhuque-2 dalla Cina. Alimentato dal motore metalox TQ-12, il motore del generatore di gas dovrebbe debuttare quest’anno. Di recente, la strumentazione relativa all’Exit Pathfinder è arrivata sul tabellone e lo ZQ-2 potrebbe avere una reale possibilità di essere il primo razzo a metano in orbita, in corsa contro Starship, Vulcan e Terran 1.

(Immagine principale: la nave 20 e il Booster 4 impilati presso il sito di lancio orbitale accanto alla fattoria dei serbatoi che fornirà alle navi spaziali orbitanti metano e ossigeno prima del lancio. Credito: Mary (Incorpora il tweet) per NSF)

Elma Zito

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