Perlombaan Methalox diperkirakan akan dimenangkan pada tahun 2022, tetapi pemenangnya belum ditentukan

Saat ini, beberapa roket berbahan bakar metana sedang berlomba untuk mengorbit. Dengan Starship SpaceX, Vulcan United Launch Alliance (ULA) dan Neutron Rocket Lab, semua kendaraan peluncuran AS yang paling aktif telah berkomitmen untuk menggunakan metana dan oksigen Methalox.

Peluncur masa depan seperti Blue Origin’s New Glenn dan keluarga Terran dari Relativity Space juga sedang dalam perjalanan untuk terbang, sementara roket Landspace ZhuQue-2 China bahkan mungkin menjadi favorit untuk terbang di depan salah satu kendaraan Amerika.

Jawaban mengapa roket berbahan bakar metana tidak pernah terbang adalah masalah kimia dan kompleksitas teknik. Tetapi karena desain baru memprioritaskan penggunaan kembali dan pemanfaatan sumber daya di tempat (ISRU) untuk misi ke Mars, kombinasi metana dan oksigen telah menjadi standar untuk kendaraan peluncuran generasi berikutnya.

Stabilitas pembakaran sangat bermasalah jika dibandingkan dengan dua kombinasi bahan bakar cair yang paling umum: Kerolox (minyak tanah dan oksigen) dan Hydrolox (hidrogen dan oksigen). Titik didih hidrogen dan bahan bakar roket-1 (RP-1) minyak tanah sangat berbeda dengan oksigen cair (LOX). Namun, titik didih metana sangat dekat dengan oksidannya.

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

— SpaceX (@SpaceX) 11 Februari 2022

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

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

Metana adalah propelan terbaik untuk digunakan dalam situasi yang membutuhkan pengisian bahan bakar di Planet Merah. Produksi bahan bakar roket dari metana dimungkinkan di Mars dengan bantuan “reaksi Sabatier”, yang dapat menghasilkan air dan metana dari hidrogen dan karbon dioksida. Ini akan memungkinkan sumber daya alam ISRU Mars untuk memungkinkan misi baru tanpa harus membawa semua bahan bakar yang dibutuhkan dari Bumi.

Alasan lain untuk menggunakan metana adalah biaya. Hampir semua kendaraan peluncuran generasi berikutnya yang akan menggunakan metana memiliki gagasan dapat digunakan kembali dalam beberapa bentuk. neutron dan Glenn Baru keduanya bertujuan, setidaknya pada awalnya, untuk kendaraan yang dapat digunakan kembali sebagian menggunakan tahap pertama yang mendarat terapung dan tahap atas yang dapat dibuang. pesawat luar angkasa dan Terran R, di sisi lain direncanakan untuk digunakan kembali sepenuhnya tanpa fase yang dapat dibuang. Hanya gunung berapi mungkin masih memiliki restorasi mesin dalam rencana evolusi masa depannya.

Selain dapat digunakan kembali, peningkatan manufaktur juga telah mengurangi biaya pembuatan dan pengoperasian peluncur. Dan ketika faktor-faktor ini berkurang, faktor konsumsi bahan bakar menjadi lebih penting. Jika peluncuran roket menghabiskan biaya $250 juta, tidak masalah apakah biaya bahan bakarnya $2 juta atau $4 juta per peluncuran. Tetapi ketika totalnya adalah $25 juta per peluncuran, bahan bakar menyumbang persentase yang jauh lebih besar dari total biaya peluncuran. Dan metana adalah yang termurah dari tiga bahan bakar cair, dengan mudah mengalahkan hidrogen dan RP-1.

Faktor lain dibandingkan dengan mesin RP-1 adalah kokas. RP-1 tidak terbakar dengan bersih seperti hidrogen atau metana, tetapi meninggalkan zat lain, sebanding dengan gas di dalam mobil. Residu ini dapat tersangkut di motor dan nozzle dan menutupinya dengan penggunaan berulang. Efek ini terlihat saat digunakan elang 9 Fase ketika roket terbang melalui knalpotnya saat masuk kembali dan mendarat, luka bakar meninggalkan sisa-sisa luka bakar di bagian luar roket.

Sebelum usia dapat digunakan kembali, mesin Kerolox ini hanya digunakan sekali, jadi kokas tidak menjadi masalah karena mesin baru dibuat untuk setiap penerbangan. Coking bukanlah penghenti acara untuk dapat digunakan kembali; Bagaimanapun, Falcon 9 bertenaga minyak tanah SpaceX terus memecahkan rekor untuk dapat digunakan kembali. Namun, karena desainnya menawarkan penggunaan kembali yang cepat dan lengkap, pengurangan kokas mengurangi waktu dan tenaga yang dibutuhkan untuk menyiapkan kendaraan yang diselamatkan untuk penerbangan ulang.

Meskipun hidrogen adalah bahan bakar pembakaran yang jauh lebih bersih, ia memiliki masalah kegunaannya sendiri, terutama kepadatan. Hydrolox adalah propelan kepadatan energi terendah dari ketiganya, yang berarti tahap Hydrolox yang dapat digunakan kembali harus jauh lebih besar daripada yang berbahan bakar Kerolox atau Methalox. Inilah manfaat lain dari Methalox: Ini adalah propelan yang bersih, padat, dan efisien. Metana tidak hanya menawarkan kepadatan yang mirip dengan minyak tanah, tetapi juga impuls spesifik (efisiensi) yang lebih dekat dengan mesin roket hidrogen.

Sembilan mesin Aeon-1 Methalox akan memberi daya pada Terran 1 Relativity Space, yang dijadwalkan diluncurkan pada awal 2022. (Sumber: Mack Crawford untuk NSF/L2)

Karena suhu oksigen cair dan metana cair sangat mirip, juga memudahkan penggunaan sekat umum antara dua tangki dalam satu panggung. Dengan hidrogen dan LOX dan suhu didihnya yang sangat berbeda, area tangki umum dapat menyebabkan masalah termal. Tidak demikian halnya dengan metana, sehingga konstruksi sekat biasa adalah cara yang layak untuk mengurangi massa kendaraan.

Kendaraan peluncuran Methalox baru ini dijadwalkan untuk melakukan debut orbitnya akhir tahun ini. Sementara beberapa dari mereka masih memiliki pekerjaan pengembangan yang signifikan untuk dilakukan, yang lain mendekati kematangan penerbangan, meskipun belum jelas yang akan menjadi kendaraan bertenaga Methaloks pertama yang mencapai orbit.

Mungkin yang paling terkenal adalah Starship, dibangun oleh SpaceX. Dengan 33 mesin Raptor bertenaga metana, ini adalah contoh utama manfaat Methalox. Tidak hanya dirancang untuk mengirimkan muatan ke Mars dan menggunakan reaksi Sabatier untuk membawa orang dan kargo kembali, tetapi juga dirancang untuk terbang berkali-kali tanpa renovasi besar-besaran. Saat ini, seluruh sistem Starship dijadwalkan untuk mencoba penerbangan perdananya pada tahun 2022 dan merupakan kandidat roket berbahan bakar metana pertama yang mencapai orbit.

Kandidat lainnya adalah Terran 1 dari Relativitas Space. Kendaraan peluncuran Smallsat akan ditenagai oleh mesin Aeon 1, yang akan mempengaruhi desain mesin Aeon R yang lebih besar dan dapat digunakan kembali. Versi yang lebih besar ini akan menggerakkan roket kedua Relativitas, Terran R, yang akan sepenuhnya dapat digunakan kembali dan tidak akan terbang paling cepat hingga 2024. Kendaraan Terran 1 yang lebih kecil dan dapat dikonsumsi dijadwalkan untuk terbang pada tahun 2022.

Neutron menyalakan kembali mesin Archimedes Methalox untuk mendarat. (Sumber: Mack Crawford untuk NSF/L2)

Pesaing terakhir Amerika untuk rudal orbital pertama Methalox adalah rudal Vulcan milik ULA, ditenagai oleh mesin BE-4 Blue Origin: pembangkit tenaga yang sama yang akan menggerakkan New Glenn. Kendaraan peluncuran sekali pakai akan menggunakan tahap atas berbahan bakar hidrogen, tetapi tahap pertama berbahan bakar metana akan menjadi bagian penting dari sistem peluncuran orbital. Penerbangan pertama Vulcan saat ini dijadwalkan akhir tahun ini.

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

Sementara itu, roket Neutron Rocket Lab akan ditenagai oleh mesin Methalox Archimedes, yang dijadwalkan mulai diuji tahun ini untuk debut di Neutron pertengahan dekade.

Pleiades-1B memperoleh gambar situs peluncuran yang lebih baru ini di Pusat Peluncuran Satelit Jiuquan pada 15/01/2022 pukul 04:26:24 UTC.

Tampaknya mungkin ada panggung (atau kemungkinan mock-up) roket ZQ-2 LandSpace di landasan. pic.twitter.com/plJctAP72E

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

Di luar AS, ada pesaing lain untuk roket Metholx pertama yang mengorbit: Zhuque-2 China. Didukung oleh mesin TQ-12 Methalox, mesin generator gas dijadwalkan untuk debut akhir tahun ini. Perangkat keras baru-baru ini tiba di pad terkait dengan pathfinder mesin kasir, dan roket ZQ-2 dapat memiliki peluang yang sangat nyata untuk menjadi roket berbasis metana pertama di orbit yang melawan Starship, Vulcan, dan Terran 1 .

(Foto utama: Kapal 20 dan Booster 4 ditumpuk di lokasi peluncuran orbit yang berdekatan dengan ladang bahan bakar yang akan memasok metana dan oksigen ke pesawat ruang angkasa orbital sebelum peluncuran. Kredit foto: Mary (@bocachicagal) untuk NSF)