حاليًا ، تتنافس العديد من صواريخ الميثان التي تعمل بوقود الوقود للدخول في المدار. من خلال Starship من SpaceX و United Launch Alliance (ULA) التابعين لـ Vulcan و Neutron من Rocket Laboratory ، يلتزم جميع موردي الصواريخ الأمريكيين النشطين للغاية باستخدام metallox-methane والأكسجين.
قاذفات قادمة مثل New Glen من Blue Origin وعائلة Terron من Relativity Space تتجه أيضًا إلى الطيران ، بينما قد يكون من المرغوب فيه أن يطير صاروخ ZhuQue-2 الصيني من Landspace قبل المركبات الأمريكية.
إن الإجابة عن سبب عدم إطلاق صواريخ وقود الميثان من قبل هي مجمع الكيمياء والهندسة. ولكن نظرًا لأن التصميمات الجديدة تعطي الأولوية لإعادة الاستخدام واستخدام الموارد في الموقع (ISRU) للبعثات إلى المريخ ، فقد أصبح مزيج الميثان والأكسجين هو المعيار لمركبات الصواريخ من الجيل التالي.
يعتبر استقرار الاحتراق معقدًا بشكل خاص مقارنة بمركبي الدفع السائل الأكثر شيوعًا: الكيروسين (الكيروسين والأكسجين) والهيدرولاكس (الهيدروجين والأكسجين). تختلف نقاط غليان الهيدروجين والكيروسين الدافع للصاروخ 1 (RP-1) اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في الأكسجين السائل (LOX). ومع ذلك ، فإن درجة غليان الميثان قريبة جدًا من أكسدة الميثان.
ينتج Raptor 2 أكثر من 230 طنًا من الدفع عند مستوى سطح البحر من 185 طنًا من Raptor 1. pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql
– سبيس إكس (بي سبيس إكس) 11 فبراير 2022
في حالة محرك الهيدروجين ، يحدث الاحتراق عندما تكون قطرات الأكسجين محاطة بجزيئات غاز الهيدروجين أثناء الاشتعال ، والعكس يحدث لـ RP-1. فيما يتعلق بالميثان ، فإن نقاط الغليان هي نفسها ، أي لا توجد حالة واضحة للجزيئين أثناء التبخر والاحتراق. هذا يمكن أن يؤدي إلى عدم استقرار الاحتراق ويجعل من الصعب على صاروخ الميثان أن يعمل كوقود.
في حين أن تطوير المحركات التي تشغل هذه المركبات من الجيل التالي لا يخلو من الانتكاسات والتحديات ، فإن التطورات الأخيرة في تكنولوجيا الدفع الصاروخي جعلت محركات الميثان ممكنة. هذه الجهود التطويرية الجديدة مدفوعة بأهداف إعادة الاستخدام الجديدة وأهداف الفضاء الجديدة يوم الثلاثاء.
الميثان هو أفضل دافع في الموقف الذي يحتاج فيه الكوكب الأحمر إلى التزود بالوقود. من الممكن إنتاج وقود لصاروخ الميثان على المريخ بمساعدة “تفاعل تخريبي” يمكن أن ينتج الماء والميثان من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. سيسمح هذا لـ ISRU للموارد الطبيعية للمريخ بتنفيذ مهام جديدة دون الحاجة إلى جلب كل الوقود المطلوب من الأرض.
سبب آخر لاستخدام الميثان هو التكلفة. تقريبًا جميع قاذفات الجيل التالي التي تستخدم الميثان تتابع فكرة إعادة التدوير بشكل أو بآخر. نيوترون و نيو جلين كلاهما ، على الأقل في البداية ، يستهدفان المركبات التي يمكن إعادة استخدامها جزئيًا ، وذلك باستخدام المستويات الأولى من هبوط الدفع والمستويات العليا من المستهلكات. المركبة الفضائية و تيرون ر.من ناحية أخرى ، تم التخطيط لإعادة الاستخدام الكامل دون أي شروط يمكن التخلص منها. حتى في فولكان قد لا يزال استرداد المحرك في خططه التطورية المستقبلية.
قسم محرك فولكان ، المجهز بزوج من محركات BE-4 Metalox ، يدخل الغلاف الجوي للأرض من أجل الاستعادة وإعادة الاستخدام. (الائتمان: ماك كروفورد لـ NSF / L2)
بالإضافة إلى إعادة الاستخدام ، أدت تحسينات الإنتاج إلى خفض تكلفة تطوير وتشغيل الصواريخ. مع انخفاض هذه العوامل ، فإن العامل الذي يزداد في الأهمية هو الاقتصاد في استهلاك الوقود. إذا كان سعر قاذفة الصواريخ 250 مليون دولار ، فلا يهم إذا كان وقود الصاروخ مليوني أو أربعة ملايين دولار. ولكن إذا كانت التكلفة الإجمالية لعملية الإطلاق 25 مليون دولار ، فإن الوقود سيصبح أكبر نسبة من إجمالي تكلفة الإنتاج. الميثان هو أرخص أنواع الوقود السائل الثلاثة ، متجاوزًا كلاً من الهيدروجين و RP-1.
عامل آخر ، خاصة بالمقارنة مع محركات RP-1 ، هو فحم الكوك. لا يحترق RP-1 بشكل نظيف ، مثل الهيدروجين أو الميثان ، ولكنه يترك مواد أخرى مماثلة للغاز الموجود في السيارة. تتعطل هذه البقايا في المحرك والفوهة ويمكن أن تسدها في العديد من التطبيقات. يكون هذا التأثير مرئيًا عند تطبيقه هوك 9 المستويات ، عندما يدخل الصاروخ مرة أخرى ويهبط ، فإنه يطير عبر عادمه ، مخلفًا بقايا احتراق على السطح الخارجي للصاروخ.
قبل عصر إعادة الاستخدام ، كانت محركات كارولوكس تُستخدم مرة واحدة فقط ، لذا لم يصبح فحم الكوك مشكلة حيث تم تصميم محركات جديدة لكل طائرة. فحم الكوك ليس سدادة استعراضية لإعادة الاستخدام ؛ بعد كل شيء ، يعمل وقود الكيروسين Falcon 9 من SpaceX على تحطيم الأرقام القياسية لإعادة الاستخدام. ولكن نظرًا لأن التصميمات تتضمن إعادة استخدام أسرع وأكثر اكتمالًا ، فإن تقليل فحم الكوك سيقلل من الوقت والجهد اللازمين لإعداد المركبات المستردة لإعادة السفر.
على الرغم من أن الهيدروجين وقود نظيف للغاية ، إلا أن له مشاكله الخاصة في إعادة التدوير ، وخاصة الكثافة. Hydrolux هو أقل دافع لكثافة الطاقة لثلث ، مما يعني أن مستوى hydrolux القابل لإعادة الاستخدام يجب أن يكون أكبر من مستوى الوقود بواسطة kerox أو metallox. وإليك ميزة أخرى لـ Methalax: إنه محفز نظيف ومركّز وفعال. لا يوفر الميثان كثافة مماثلة للكيروسين فحسب ، بل يوفر أيضًا إثارة (أداء) محددة قريبة من تلك التي تحدث في محركات الصواريخ الهيدروجينية.
تعمل محركات Nine Aeon 1 Metalox على تشغيل Tern 1 في فضاء النسبية ، والذي سيتم إطلاقه في عام 2022. (الائتمان: ماك كروفورد لـ NSF / L2)
نظرًا لأن درجة حرارة الأكسجين السائل والميثان السائل متشابهة جدًا ، فمن الأسهل أيضًا استخدام حاجز مشترك بين خزانين في نقطة واحدة. مع الهيدروجين و LOX ودرجات حرارة الغليان المختلفة ، يمكن أن تسبب منطقة الخزان المشتركة مشاكل حرارية. هذا ليس هو الحال مع الميثان ، مما يعني أن تصميم الحاجز المشترك هو طريقة قابلة للتطبيق لتقليل كتلة المركبات.
ستظهر مركبات الصواريخ الجديدة هذه من طراز Metalox لأول مرة في المدار هذا العام. في حين أن بعضها لا يزال قيد التطوير بشكل كبير ، فإن البعض الآخر قريب بالفعل من جاهزية الطائرات ، على الرغم من أنه لم يتضح بعد أي مركبة تعمل بالطاقة Metalox تصل إلى المدار.
واحدة من أهمها هي المركبة الفضائية التي بناها SpaceX. مع 33 محركًا رابتور يعمل بوقود الميثان ، يعد هذا مثالًا رئيسيًا على فوائد علم المعادن. إنه مصمم لنقل الحمولات إلى المريخ واستخدام رد الفعل التخريبي لإعادة البشر والبضائع ، ولكنه مصمم أيضًا للطيران عدة مرات دون محاذاة كبيرة. حاليًا ، من المقرر أن تختبر منظمة Starship بأكملها أول طائرة لها في عام 2022 وهي مرشح لأول صاروخ يعمل بوقود الميثان للوصول إلى المدار.
مرشح آخر هو Terron 1 من Relativity Space. يتم تشغيل مركبة الصواريخ Smallsat بواسطة محرك Aeon 1 ، والذي ينقل تصميم المحرك الأكبر والقابل لإعادة الاستخدام Aeon R. ستطلق هذه النسخة الأكبر صاروخ Relativity الثاني ، Terran R ، والذي سيكون قابلاً لإعادة الاستخدام بالكامل وسيطير قبل عام 2024. من المقرر أن تطير مركبة Terran 1 الصغيرة ذات الأسعار المعقولة إلى مسافة أبعد في عام 2022.
يعيد أرخميدس إضاءة محرك Metalox حتى يهبط النيوترون. (الائتمان: ماك كروفورد لـ NSF / L2)
كان صاروخ فولكان التابع لشركة ULA هو المنافس الأمريكي الأخير لأول صاروخ ميتالوكس المداري، مدعوم بمحرك Blue Origin BE-4: نفس محطة الطاقة التي تقود New Klein. ستستخدم المركبة الصاروخية الفعالة من حيث التكلفة سقفًا يعمل بالطاقة الهيدروجينية ، لكن المرحلة الأولى من المدار الذي يعمل بغاز الميثان سيكون جزءًا مهمًا من نظام الإطلاق. ومن المقرر حاليًا أن تبدأ رحلة فولكان الأولى هذا العام.
بينما تقوم Blue Origin بتطوير صاروخ يعمل بالطاقة Metholox في New Glen ، لن تكون السيارة جاهزة هذا العام ، وسيتعين على Blue Origin تزويد ULA بمحركات BE-4 لـ Vulcan قبل New Glen.
وفي الوقت نفسه ، سيتم تشغيل الصاروخ النيوتروني لمختبر الصواريخ بواسطة محرك Metalox Archimedes ، الذي من المقرر أن يبدأ اختبارًا هذا العام لإطلاق النيوترون في منتصف العقد.
قام Pleiades-1B بتصوير هذه الصورة لمنصة الإطلاق الجديدة في 2022-01-15 الساعة 04:26:24 بالتوقيت العالمي المنسق في مركز Jiuquan لإطلاق الأقمار الصناعية.
يبدو أنه قد يكون هناك مستوى (أو نموذج بالحجم الطبيعي محتمل) لصاروخ ZQ-2 في مساحة أرضية المجذاف. pic.twitter.com/plJctAP72E
– هاري سترينجر (arHarry__Stranger) 17 يناير 2022
خارج الولايات المتحدة ، هناك منافس آخر لمدار صاروخ ميثولكس الأول: صاروخ جوك -2 من الصين. مدعومًا بمحرك TQ-12 metallox ، من المقرر إطلاق محرك مولد الغاز هذا العام. في الآونة الأخيرة ، وصل الجهاز إلى المنصة المرتبطة بـ Pathfinder للخروج ، ويمكن أن يحصل صاروخ ZQ-2 على فرصة حقيقية ليكون أول صاروخ قائم على الميثان في مدار ضد Starship و Vulcan و Terron 1.
(الصورة الأمامية: السفينة 20 و Booster 4 مكدسة على منصة الإطلاق المدارية بجوار مزرعة الخزانات ، والتي ستنقل السفن المدارية مع الميثان والأكسجين قبل الإطلاق. Credit: Mary (تضمين التغريدة) ل NSF)