Hiện tại, một số tên lửa chạy bằng nhiên liệu metan đang chạy đua vào quỹ đạo. Với Starship từ SpaceX, Vulcan từ United Launch Alliance (ULA) và Neutron từ Rocket Lab, tất cả các nhà cung cấp thiết bị phóng tích cực nhất của Mỹ đều cam kết sử dụng khí methane và oxy methalox.

Các bệ phóng sắp tới như New Glenn của Blue Origin và gia đình Terran của Relativity Space cũng đang được triển khai, trong khi tên lửa ZhuQue-2 của Trung Quốc từ Landspace có thể được ưu tiên bay trước bất kỳ phương tiện nào của Mỹ.

Câu trả lời cho việc tại sao các tên lửa chạy bằng nhiên liệu mêtan chưa bao giờ bay trước đây là một câu hỏi về tính phức tạp của hóa học và kỹ thuật. Nhưng khi các thiết kế mới ưu tiên tái sử dụng cũng như sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU) cho các sứ mệnh lên sao Hỏa, hỗn hợp khí mê-tan và oxy đã trở thành tiêu chuẩn cho các phương tiện phóng thế hệ tiếp theo.

Tính ổn định của quá trình đốt cháy là một vấn đề đặc biệt so với các hỗn hợp nhiên liệu lỏng phổ biến nhất: kerolox (dầu hỏa và oxy) và hydrolux (hydro và oxy). Các điểm sôi của hydro và dầu hỏa Rocket Propelant-1 (RP-1) rất khác so với các điểm sôi của oxy lỏng (LOX). Tuy nhiên, nhiệt độ sôi của metan rất gần với chất oxi hóa của nó.

Raptor 2 tạo ra lực đẩy hơn 230 tấn ở mực nước biển, tăng từ 185 tấn của Raptor 1 pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql

– SpaceX (SpaceX) Ngày 11 tháng 2 năm 2022

Đối với động cơ hydro, quá trình đốt cháy xảy ra trong điều kiện các giọt oxy được bao quanh bởi các phân tử khí hydro trong quá trình đánh lửa, và điều ngược lại xảy ra đối với RP-1. Đối với metan, các điểm sôi tương tự nhau, có nghĩa là không có trạng thái rõ ràng mà cả hai phân tử đều trong quá trình bay hơi và cháy. Điều này có thể dẫn đến sự không ổn định của quá trình đốt cháy và gây khó khăn cho việc sử dụng khí mê-tan làm nhiên liệu cho tên lửa.

Trong khi việc phát triển các động cơ cung cấp năng lượng cho các phương tiện thế hệ tiếp theo này không phải là không có trở ngại và thách thức, những tiến bộ gần đây trong công nghệ đẩy tên lửa đã biến động cơ khí mê-tan trở nên khả thi. Các nỗ lực phát triển mới được thúc đẩy bởi các mục tiêu tái sử dụng mới và các điểm đến không gian mới, chẳng hạn như Sao Hoả.

Khí mêtan là chất đẩy tốt nhất để sử dụng cho các tình huống tiếp nhiên liệu trên Hành tinh Đỏ. Có thể sản xuất nhiên liệu tên lửa mêtan trên sao Hỏa với sự trợ giúp của “phản ứng Sabatier”, phản ứng có thể tạo ra nước và mêtan từ hydro và carbon dioxide. Điều này sẽ cho phép ISRU tới Tài nguyên thiên nhiên sao Hỏa thực hiện các sứ mệnh mới mà không cần phải mang tất cả nhiên liệu cần thiết từ Trái đất.

Một lý do khác để sử dụng khí mêtan là chi phí. Hầu hết tất cả các bệ phóng thế hệ tiếp theo sẽ sử dụng khí mê-tan đang theo đuổi ý tưởng tái sử dụng dưới một số hình thức hoặc hình thức. nơtron Và Glen mới Cả hai, ít nhất là ban đầu, nhằm vào các phương tiện có thể tái sử dụng một phần, sử dụng thuốc phóng hạ cánh ở giai đoạn đầu và giai đoạn trên có thể tiêu hao được. Phi thuyền Và Tiran R, mặt khác, đã được lên kế hoạch để tái sử dụng hoàn toàn mà không có giai đoạn tiêu hao. thậm chí ở Vulcan Nó vẫn có thể có một đợt khôi phục động cơ trong các kế hoạch phát triển trong tương lai.

Ngoài khả năng tái sử dụng, các cải tiến trong chế tạo cũng đã làm giảm chi phí chế tạo và vận hành các phương tiện phóng. Khi các yếu tố này giảm đi, yếu tố ngày càng trở nên quan trọng là tiết kiệm nhiên liệu. Nếu vụ phóng tên lửa tiêu tốn 250 triệu USD, thì nhiên liệu là 2 triệu hay 4 triệu USD cho mỗi lần phóng cũng không thành vấn đề. Nhưng nếu tổng số tiền là 25 triệu đô la cho mỗi lần phóng, thì nhiên liệu sẽ trở thành một tỷ lệ phần trăm lớn hơn nhiều trong tổng chi phí phóng. Mêtan là loại nhiên liệu rẻ nhất trong số ba loại nhiên liệu lỏng, vượt trội hơn so với hydro và RP-1 bởi một biên độ lớn.

Một yếu tố khác, khi so sánh cụ thể với động cơ RP-1, là than cốc. RP-1 không cháy sạch như hydro hoặc metan, nhưng để lại các chất khác, có thể so sánh với khí đốt trong ô tô. Phần cặn này có thể bị mắc kẹt trong động cơ và vòi phun và được bao phủ trong nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Hiệu ứng này có thể nhìn thấy khi sử dụng Falcon 9 các giai đoạn, trong đó tên lửa bay lên qua ống xả của nó trong quá trình tái nhập và hạ cánh, để lại cặn cháy ở bên ngoài tên lửa.

Trước thời đại tái sử dụng, động cơ kerolox chỉ được sử dụng một lần, vì vậy việc luyện cốc không phải là vấn đề vì động cơ mới được thiết kế cho mỗi chuyến đi. Coke không phải là vật dụng đóng gói để tái sử dụng; Rốt cuộc, chiếc Falcon 9 chạy bằng dầu hỏa của SpaceX tiếp tục phá kỷ lục về việc tái sử dụng. Nhưng khi các thiết kế bổ sung khả năng tái sử dụng nhanh chóng và đầy đủ, việc giảm than cốc sẽ giảm thời gian và công sức cần thiết để chuẩn bị các hợp chất thu hồi để bay lại.

Trong khi hydro là nhiên liệu sạch hơn để đốt cháy, nó có các vấn đề tái sử dụng riêng, đặc biệt là mật độ. Hydrolox là nhiên liệu có mật độ năng lượng thấp nhất trong ba loại, có nghĩa là pha hydrolox có thể tái sử dụng phải lớn hơn nhiều so với pha được cung cấp bởi kerolox hoặc methalox. Ở đây, một ưu điểm khác của Metallux nổi lên: đó là một chất đẩy sạch, đậm đặc và hiệu quả. Mêtan không chỉ cung cấp một tỷ trọng tương tự như dầu hỏa, mà nó còn cung cấp một mức tăng (hiệu suất) cụ thể tương tự như của động cơ tên lửa hydro.

Chín động cơ methalox Aeon 1 cung cấp năng lượng cho Terran 1 từ Không gian Tương đối, được phóng vào đầu năm 2022. (Nguồn: Mack Crawford cho NSF / L2)

Vì nhiệt độ của oxy lỏng và metan lỏng rất giống nhau, nên việc áp dụng vách ngăn kết hợp giữa hai bể trong pha cũng trở nên dễ dàng hơn. Với hydro, LOX và nhiệt độ sôi rất khác nhau, khu vực bể chứa chung có thể gây ra các vấn đề về nhiệt. Với khí mê-tan thì không phải như vậy, có nghĩa là thiết kế rào chắn kết hợp là một cách khả thi để giảm khối lượng phương tiện.

Những phương tiện phóng methalox mới này sẽ ra mắt quỹ đạo đầu tiên trong năm nay. Trong khi một số trong số chúng vẫn còn một lượng lớn công việc phát triển, những chiếc khác đã gần sẵn sàng cho chuyến bay, mặc dù vẫn chưa rõ đâu sẽ là phương tiện chạy bằng khí methalox đầu tiên lên quỹ đạo.

Có lẽ đáng chú ý nhất là Starship do SpaceX chế tạo. Với 33 động cơ Raptor sử dụng nhiên liệu mêtan, đó là một ví dụ điển hình về những ưu điểm của Methalox. Chúng không chỉ được thiết kế để mang tải trọng lên sao Hỏa và tận dụng phản ứng của Sabatier để mang con người và hàng hóa trở lại, mà chúng còn được thiết kế để bay nhiều lần mà không cần tân trang lại. Hiện tại, toàn bộ hệ thống Starship được lên kế hoạch cho chuyến bay đầu tiên vào năm 2022 và là một trong những ứng cử viên cho tên lửa chạy bằng nhiên liệu mêtan đầu tiên lên quỹ đạo.

Một ứng cử viên khác là Terran 1 từ Không gian Tương đối. Phương tiện phóng cỡ nhỏ được trang bị động cơ Aeon 1, động cơ này sẽ thông báo về thiết kế của động cơ lớn hơn, có thể tái sử dụng Aeon R. Phiên bản lớn hơn này sẽ cung cấp năng lượng cho tên lửa thứ hai của Relativity, Terran R, sẽ có thể tái sử dụng hoàn toàn và sẽ không bay trước năm 2024. Nó vẫn được lên kế hoạch cho ra mắt một phương tiện tiêu thụ nhỏ Terran 1 vào năm 2022.

Một neutron chiếu sáng lại động cơ Metallox của Archimedes để hạ cánh. (tín dụng: Mac Crawford cho NSF / L2)

Ứng cử viên cuối cùng của Hoa Kỳ cho tên lửa quỹ đạo Methalox đầu tiên là Vulcan của ULA, được cung cấp bởi động cơ BE-4 từ Blue Origin: động cơ tương tự sẽ cung cấp năng lượng cho New Glenn. Phương tiện phóng đã qua sử dụng sẽ sử dụng giai đoạn trên chạy bằng nhiên liệu hydro, nhưng giai đoạn đầu chạy bằng nhiên liệu mêtan sẽ là một phần quan trọng của hệ thống phóng quỹ đạo. Chuyến đi đầu tiên của Vulcan hiện vẫn được lên kế hoạch cho năm nay.

Trong khi Blue Origin cũng đang phát triển một tên lửa chạy bằng Metholux tại New Glenn, phương tiện đó sẽ không sẵn sàng trong năm nay và Blue Origin sẽ cung cấp ULA với động cơ BE-4 cho Vulcan trước New Glenn.

Trong khi đó, tên lửa neutron của Rocket Lab sẽ được trang bị động cơ Methalox Archimedes, động cơ này sẽ bắt đầu thử nghiệm lần đầu tiên trên Neutron vào giữa thập kỷ này.

Pleiades-1B đã chụp được hình ảnh này về bãi phóng mới nhất tại Trung tâm phóng vệ tinh Jiuquan vào ngày 01-15-2022 lúc 04:26:24 UTC.

Có vẻ như có thể có một giai đoạn (hoặc mô hình) của tên lửa ZQ-2 của LandSpace trên nền tảng này. pic.twitter.com/plJctAP72E

– Harry Stranger (@Harry__Stranger) 17 tháng 1 năm 2022

Bên ngoài Hoa Kỳ, có một ứng cử viên khác cho tên lửa Mytholux đầu tiên trên quỹ đạo: tên lửa Zhuque-2 của Trung Quốc. Được trang bị động cơ methalox TQ-12, động cơ tạo khí dự kiến ​​sẽ ra mắt trong năm nay. Gần đây, thiết bị đo đạc đã xuất hiện trên bảng liên quan đến công cụ tìm đường thoát và ZQ-2 có thể có cơ hội rất thực sự trở thành tên lửa dựa trên khí mê-tan đầu tiên trên quỹ đạo, chạy đua với Starship, Vulcan và Terran 1.

(Hình ảnh chính: Ship 20 và Booster 4 xếp chồng lên nhau tại bãi phóng quỹ đạo bên cạnh trại xe tăng sẽ cung cấp khí mê-tan và oxy cho tàu vũ trụ trên quỹ đạo trước khi phóng. Người ghi hình: Mary (Nhúng Tweet) cho NSF)