Atualmente, vários foguetes movidos a metano estão entrando em órbita. Com Starship da SpaceX, Vulcan da United Launch Alliance (ULA) e Neutron da Rocket Lab, todos os fornecedores de lançamento mais ativos da América estão comprometidos em usar metano e oxigênio de metanox.
Próximos lançadores como o New Glenn da Blue Origin e a família Terran da Relativity Space também estão a caminho, enquanto o míssil chinês ZhuQue-2 da Landspace pode ser preferido para voar antes de qualquer um dos veículos americanos.
A resposta para o motivo pelo qual os foguetes movidos a metano nunca voaram antes é uma questão de complexidade química e de engenharia. Mas como os novos projetos priorizam a reutilização, bem como o uso de recursos in situ (ISRU) para missões a Marte, a mistura de metano e oxigênio tornou-se o padrão para veículos de lançamento da próxima geração.
A estabilidade da combustão é um problema particular em comparação com as misturas de combustível líquido mais comuns: kerolox (querosene e oxigênio) e hydrolux (hidrogênio e oxigênio). Os pontos de ebulição do hidrogênio e do querosene Rocket Propelant-1 (RP-1) são muito diferentes dos do oxigênio líquido (LOX). No entanto, o ponto de ebulição do metano é muito próximo do seu oxidante.
Raptor 2 gera mais de 230 toneladas de empuxo ao nível do mar, acima das 185 toneladas do Raptor 1 pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql
– SpaceX (SpaceX) 11 de fevereiro de 2022
Para um motor a hidrogênio, a combustão ocorre em uma condição em que as gotículas de oxigênio são cercadas por moléculas de gás hidrogênio durante a ignição, e o oposto acontece para RP-1. Para o metano, os pontos de ebulição são semelhantes, o que significa que não há um estado claro em que ambas as moléculas se encontram durante a evaporação e a combustão. Isso pode levar à instabilidade da combustão e dificultar o uso de metano como combustível de foguete.
Embora o desenvolvimento dos motores que irão alimentar esses veículos da próxima geração não tenha ocorrido sem contratempos e desafios, os recentes avanços na tecnologia de propulsão de foguetes tornaram possíveis os motores a metano. Novos esforços de desenvolvimento foram impulsionados por novas metas de reutilização e novos destinos espaciais, como Marte.
O metano é o melhor propulsor a ser usado em situações de reabastecimento no Planeta Vermelho. A produção de combustível de foguete de metano é possível em Marte com a ajuda da “reação de Sabatier”, que pode produzir água e metano a partir de hidrogênio e dióxido de carbono. Isso permitirá que a ISRU to Mars Natural Resources permita novas missões, não tendo que trazer todo o combustível necessário da Terra.
Outra razão para usar metano é o custo. Quase todos os lançadores da próxima geração que usarão metano estão buscando a ideia de reutilização de alguma forma. nêutron E a New Glen Ambos são, pelo menos inicialmente, voltados para veículos parcialmente reutilizáveis, utilizando estágios iniciais de pouso propulsor e estágios superiores consumíveis. nave estelar E a Tiran R, por outro lado, foi planejado para reutilização completa sem fases consumíveis. mesmo em Vulcano Ele ainda pode ter uma restauração do motor em seus planos de desenvolvimento futuros.
A Divisão de Motores Vulcan, que contém um par de motores de metalox BE-4, volta a entrar na atmosfera da Terra para recuperação e reutilização. (crédito: Mac Crawford para NSF/L2)
Além da reutilização, as melhorias de fabricação também reduziram o custo de construção e operação de veículos lançadores. À medida que esses fatores diminuem, o fator que se torna cada vez mais importante é a economia de combustível. Se o lançamento do míssil custa US$ 250 milhões, não importa se o combustível custa US$ 2 milhões ou quatro milhões por lançamento. Mas se o total for de US$ 25 milhões por lançamento, o combustível se tornará uma porcentagem muito maior dos custos totais de lançamento. O metano é o mais barato dos três combustíveis líquidos, superando o hidrogênio e o RP-1 por uma grande margem.
Outro fator, quando comparado aos motores RP-1 especificamente, é o coque. RP-1 não queima tão limpamente quanto hidrogênio ou metano, mas deixa para trás outras substâncias, comparáveis ao gás em um carro. Este resíduo pode ficar preso no motor e no bico e coberto em uma variedade de usos. Este efeito é visível quando em uso Falcão 9 estágios, em que o míssil sobe através de sua exaustão durante a reentrada e descida, deixando resíduos de combustão do lado de fora do míssil.
Antes da era da reutilização, os motores kerolox eram usados apenas uma vez, portanto, o coqueamento não era um problema, pois novos motores eram projetados para cada passeio. A Coca-Cola não é uma rolha para reutilização; Afinal, o Falcon 9 movido a querosene da SpaceX continua a quebrar recordes de reutilização. Mas, à medida que os projetos adicionam uma reutilização rápida e completa, a redução do coque reduzirá o tempo e o esforço necessários para preparar os compostos recuperados para re-fly.
Embora o hidrogênio seja um combustível mais limpo para combustão, ele tem seus próprios problemas de reutilização, especialmente a densidade. Hydrolox é o combustível menos denso em energia dos três, o que significa que a fase hidrolox reutilizável deve ser muito maior do que a alimentada por kerolox ou metalox. Aqui surge outra vantagem do Metallux: é um propulsor limpo, denso e eficiente. Não só o metano fornece uma densidade semelhante ao querosene, mas também fornece um impulso específico (eficiência) semelhante ao dos motores de foguete de hidrogênio.
Nove motores de metalox Aeon 1 alimentam o Terran 1 da Relativity Space, lançado no início de 2022. (Crédito: Mack Crawford para NSF/L2)
Como a temperatura do oxigênio líquido e do metano líquido é muito semelhante, a aplicação do defletor combinado entre os dois tanques dentro da fase também se torna mais fácil. Com hidrogênio, LOX e temperaturas de ebulição muito diferentes, a área comum do tanque pode causar problemas térmicos. Com o metano, este não é o caso, o que significa que o projeto de barreira combinada é uma maneira viável de reduzir a massa do veículo.
Esses novos veículos de lançamento da metalox estão programados para fazer sua primeira estreia orbital este ano. Enquanto alguns deles têm uma quantidade significativa de trabalho de desenvolvimento restante, outros já estão perto de estar prontos para o voo, embora ainda não esteja claro qual será o primeiro veículo movido a metalox a chegar à órbita.
Talvez o mais notável seja o Starship, construído pela SpaceX. Com 33 motores Raptor movidos a metano, é um excelente exemplo das vantagens do Methalox. Eles não são apenas projetados para transportar cargas úteis para Marte e aproveitar a reação de Sabatier para trazer de volta humanos e cargas, mas também são projetados para voar várias vezes sem grandes reformas. Atualmente, todo o sistema Starship está planejado para sua primeira tentativa de voo em 2022 e é um dos candidatos ao primeiro foguete movido a metano a atingir a órbita.
Outro candidato é o Terrano 1 do Espaço da Relatividade. O veículo de lançamento smallsat é alimentado por um motor Aeon 1, que informará o design do motor maior e reutilizável Aeon R. Esta versão maior alimentará o segundo míssil da Relativity, Terran R, que será totalmente reutilizável e não voará antes de 2024. Ainda está planejado o lançamento do veículo Terran 1 menor em 2022.
Um nêutron reacende o motor Metallox de Arquimedes para o pouso. (crédito: Mac Crawford para NSF/L2)
O último concorrente dos EUA para o primeiro foguete orbital Methalox é o Vulcan da ULA, alimentado pelo motor BE-4 da Blue Origin: o mesmo motor que irá alimentar o New Glenn. O veículo de lançamento usado usará um estágio superior alimentado por hidrogênio, mas um primeiro estágio alimentado por metano será uma parte importante do sistema de lançamento orbital. A viagem inaugural de Vulcan ainda está programada para este ano.
Enquanto a Blue Origin também está desenvolvendo um foguete movido a Metholux em New Glenn, esse veículo não estará pronto este ano, e a Blue Origin deve fornecer à ULA motores BE-4 para o Vulcan antes de New Glenn.
Enquanto isso, o foguete de nêutrons do Rocket Lab será alimentado pelo motor metalox Archimedes, que este ano começará a testar pela primeira vez no Neutron em meados da década.
O Pleiades-1B capturou esta imagem do último local de lançamento no Centro de Lançamento de Satélites de Jiuquan em 15-01-2022 às 04:26:24 UTC.
Parece que pode haver um palco (ou maquete) do foguete ZQ-2 da LandSpace na plataforma. pic.twitter.com/plJctAP72E
– Harry Stranger (@Harry__Stranger) 17 de janeiro de 2022
Fora dos Estados Unidos, há outro candidato ao primeiro foguete Mytholux em órbita: o foguete Zhuque-2 da China. Alimentado pelo motor de metalox TQ-12, o motor do gerador de gás está programado para estrear este ano. Recentemente, a instrumentação atingiu a placa relacionada ao pathfinder de saída, e o ZQ-2 pode ter uma chance muito real de ser o primeiro foguete baseado em metano em órbita, correndo contra o Starship, Vulcan e Terran 1.
(Imagem principal: Nave 20 e Booster 4 empilhados no local de lançamento orbital ao lado da fazenda de tanques que fornecerá metano e oxigênio às naves em órbita antes do lançamento. Crédito: Mary (Incorporar tweet) para NSF)
