Прямо сейчас несколько ракет, работающих на метане, участвуют в гонке за выход на орбиту. Благодаря Starship от SpaceX, Vulcan от United Launch Alliance (ULA) и Neutron от Rocket Lab все наиболее активные поставщики услуг запуска в США привержены использованию металокса, метана и кислорода.
Будущие ракеты-носители, такие как New Glenn от Blue Origin и семейство Terran от Relativity Space, также находятся на пути к полету, в то время как китайская ракета ZhuQue-2 от Landspace может быть даже фаворитом для полета перед любым из американских аппаратов.
Ответ на вопрос, почему ракеты, работающие на метане, не летали раньше, зависит от химии и инженерной сложности. Но поскольку в новых конструкциях приоритет отдается повторному использованию, а также использованию ресурсов на месте (ISRU) для миссий на Марс, сочетание метана и кислорода стало стандартом для ракет-носителей следующего поколения.
Стабильность горения особенно проблематична по сравнению с двумя наиболее распространенными комбинациями жидкого топлива: керолокс (керосин и кислород) и гидролокс (водород и кислород). Температуры кипения водорода и ракетного топлива-1 (RP-1) керосина сильно отличаются от температуры кипения жидкого кислорода (LOX). Однако температура кипения метана очень близка к его окислителю.
Для водородного двигателя сгорание происходит в состоянии, когда капли кислорода окружены молекулами газообразного водорода при воспламенении, а для RP-1 происходит обратное. Для метана температуры кипения аналогичны, а значит, нет очевидного состояния, в котором обе молекулы будут находиться при испарении и сгорании. Это может привести к нестабильности горения и затрудняет работу с метаном в качестве ракетного топлива.
Хотя разработка двигателей, которые будут приводить в действие эти транспортные средства следующего поколения, не обошлось без неудач и проблем, последние достижения в технологии ракетных двигателей сделали возможным использование метановых двигателей. Эти новые усилия по разработке были обусловлены новыми целями повторного использования и новыми космическими направлениями, такими как Марс .
Метан — наилучшее топливо для использования в ситуации, требующей дозаправки на Красной планете (прим. переводчика – пожалуй именно это волнует только SpaceX). Производство метанового ракетного топлива возможно на Марсе с помощью «реакции Сабатье», которая может производить воду и метан из водорода и углекислого газа. Это позволило бы ISRU (использованию ресурсов на месте) природных ресурсов Марса проводить новые миссии, не требуя доставки всего необходимого топлива с Земли.
Еще одной причиной использования метана является стоимость (прим. пеерводчика – а вот этот фактор волнует пожалуй уже всех). Почти все пусковые установки следующего поколения, которые будут использовать метан, преследуют идею повторного использования в той или иной форме. Neutron и New Glenn оба, по крайней мере на начальном этапе, нацелены на частично многоразовые транспортные средства, используя первые ступени с пропульсивной посадкой и одноразовые верхние ступени. Starship и Terran R , с другой стороны, планируются для полного повторного использования без расходуемых стадий. Даже Vulcan может все еще иметь восстановление двигателя в своих будущих планах развития.
Помимо возможности повторного использования, производственные усовершенствования также снизили стоимость строительства и эксплуатации ракет-носителей. И по мере того, как эти факторы уменьшаются, возрастает значение фактора экономии топлива. Если запуск ракеты стоит 250 миллионов долларов, не имеет значения, сколько стоит топливо два или четыре миллиона долларов за запуск. Но если общая сумма составляет 25 миллионов долларов за запуск, топливо составляет гораздо больший процент от общих затрат на запуск. А метан является самым дешевым из трех видов жидкого топлива, намного превосходя водород и RP-1.
Еще один фактор, по сравнению конкретно с двигателями RP-1, — закоксовывание (прим. переводчика – в оригинале использовано слово coking и я не смог подобрать другой перевод на вскидку). RP-1 не сгорает так чисто, как водород или метан, и оставляет после налет сажи, похожий на такой же в автомобиле на ДВС. Эти остатки могут застрять в двигателе и форсунке и закрыть их при многократном использовании. Этот эффект виден на бывших в употреблении ступенях Falcon 9 , поскольку ракета пролетает через свой выхлоп во время входа в атмосферу и при посадке двигатели работают, оставляя остатки сгорания топлива снаружи на корпусе ракеты.
До эпохи повторного использования эти двигатели kerolox использовались только один раз, поэтому закоксовывание не было проблемой, поскольку для каждого полета строились новые двигатели. Коксование не является препятствием для повторного использования; в конце концов, работающий на керосине Falcon 9 SpaceX продолжает бить рекорды по повторному использованию. Но по мере того, как конструкции обеспечивают быстрое и полное повторное использование, уменьшение закоксовывания сократит время и усилия, необходимые для подготовки восстановленных транспортных средств к повторному полету.
Хотя водород является гораздо более чистым топливом, у него есть свои проблемы с повторным использованием, особенно плотность. Гидролокс является топливом с наименьшей плотностью энергии из трех, а это означает, что многоразовая ступень гидролокса должна быть намного больше (объемнее), чем те, которые питаются керолоксом или металоксом. Именно здесь становится очевидным еще одно преимущество металокса: это чисто горящее, плотное и эффективное топливо. Метан не только имеет такую же плотность, что и керосин, но и обладает удельным импульсом (эффективностью), который ближе к водородным ракетным двигателям.
Поскольку температуры жидкого кислорода и жидкого метана очень похожи, применение общей перегородки между двумя резервуарами в пределах ступени также становится проще. С водородом и LOX и их очень разными температурами кипения общая площадь резервуара может вызвать тепловые проблемы. С метаном дело обстоит иначе, а это означает, что общая конструкция переборки является возможным способом снижения массы транспортных средств.
Планируется, что эти новые металоксовые ракеты-носители начнут свой орбитальный дебют в этом году. В то время как у некоторых из них еще предстоит провести значительный объем опытно-конструкторских работ, другие уже почти готовы к полету, хотя пока не ясно, какой из них станет первым транспортным средством с двигателем на металоксе, достигшим орбиты.
Возможно, самым выдающимся из них является Starship, построенный SpaceX . С его 33 двигателями Raptor, работающими на метане, он является ярким примером преимуществ металокса. Он предназначен не только для доставки полезной нагрузки на Марс и использования реакции Сабатье для возвращения людей и грузов, но и для многократных полетов без капитального ремонта. В настоящее время планируется совершить первый полет всей системы Starship в 2022 году, и она является одним из кандидатов на роль первой ракеты, работающей на метане, которая выйдет на орбиту.
Еще один кандидат — Terran 1 из Relativity Space. Ракета-носитель легкого класса оснащена двигателем Aeon 1, который будет в дальнейшем использоваться при разработке более крупного многоразового двигателя Aeon R. Эта более крупная версия будет использоваться на второй ракете Relativity, Terran R, которая будет полностью многоразовой и будет запущена не ранее 2024 года. Меньшую одноразовую ракету Terran 1 по-прежнему планируется запустить в 2022 году.
Последним американским претендентом на первую орбитальную металоксовую ракету является ракета ULA Vulcan , оснащенная двигателем Blue Origin BE-4: той же силовой установкой, что и New Glenn. Одноразовая ракета-носитель будет использовать верхнюю ступень, работающую на водороде, но первая ступень, работающая на метане, будет важной частью орбитальной системы запуска. Первый полет Vulcan все еще запланирован на этот год.
Хотя Blue Origin также разрабатывает ракету с метолоксовым двигателем New Glenn, этот носитель не будет готов в этом году, также Blue Origin должна поставить ULA двигатели BE-4 для Vulcan до New Glenn.
Между тем, ракета Neutron компании Rocket Lab будет оснащена двигателем Archimedes на металоксе, испытания которого должны начаться в этом году для дебюта на Neutron в середине текущего десятилетия.
За пределами США есть еще один претендент на первую ракету-метолкс на орбиту: Zhuque-2 из Китая. В этом году планируется дебют газогенераторного двигателя TQ-12 metalox. Недавно на площадку прибыло оборудование, вероятно связанное с проведением испытаний, и у ракеты ZQ-2 может быть вполне реальный шанс стать первой ракетой на основе метана на орбите, конкурирующей со Starship, Vulcan и Terran 1.
Это перевод статьи на nasaspaceflight.com