Perlombaan methalox kemungkinan akan dimenangkan pada tahun 2022, tetapi pemenangnya belum jelas

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

Peluncur yang akan datang seperti New Glenn dari Blue Origin dan keluarga Terran dari Relativity Space juga sedang dalam perjalanan menuju penerbangan, sedangkan roket ZhuQue-2 China dari Landspace bahkan mungkin menjadi favorit untuk terbang sebelum kendaraan Amerika mana pun.

Jawaban mengapa roket berbahan bakar metana belum pernah terbang sebelumnya adalah masalah kimia dan kompleksitas teknik. Tetapi karena desain baru memprioritaskan penggunaan kembali serta 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 dibandingkan dengan dua kombinasi propelan cair yang paling umum: kerolox (minyak tanah dan oksigen) dan hidroloks (hidrogen dan oksigen). Titik didih hidrogen dan minyak tanah Rocket Propelant-1 (RP-1) sangat berbeda dengan oksigen cair (LOX). Namun, titik didih metana sangat dekat dengan oksidatornya.

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

— SpaceX (@SpaceX) 11 Februari 2022

Untuk mesin hidrogen, pembakaran terjadi dalam keadaan di mana tetesan oksigen dikelilingi oleh molekul gas hidrogen selama pengapian, dan sebaliknya terjadi untuk RP-1. Untuk metana, titik didihnya serupa, yang berarti tidak ada keadaan yang jelas di mana kedua molekul akan berada selama penguapan dan pembakaran. Hal ini dapat menyebabkan ketidakstabilan pembakaran dan membuat metana lebih sulit digunakan sebagai bahan bakar roket.

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

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

Alasan lain untuk menggunakan metana adalah biaya. Hampir semua peluncur generasi berikutnya yang akan menggunakan metana mengejar gagasan dapat digunakan kembali dalam beberapa bentuk atau bentuk. neutron dan Glenn Baru Keduanya, setidaknya pada awalnya, bertujuan untuk kendaraan yang dapat digunakan kembali sebagian, menggunakan tahap pertama yang mendarat dengan pendorong dan tahap atas yang dapat dibuang. kapal luar angkasa dan Terran R, di sisi lain, direncanakan untuk digunakan kembali sepenuhnya tanpa tahapan yang dapat dibuang. Bahkan Vulkan mungkin masih memiliki pemulihan mesin dalam rencana evolusinya di masa depan.

Bagian mesin Vulcan, yang berisi sepasang mesin methalox BE-4, memasuki kembali atmosfer Bumi untuk pemulihan dan penggunaan kembali. (Kredit: Mack Crawford untuk NSF/L2)

Selain dapat digunakan kembali, peningkatan manufaktur juga telah menurunkan biaya pembuatan dan pengoperasian kendaraan peluncuran. Dan ketika faktor-faktor ini berkurang, faktor yang semakin penting adalah penghematan bahan bakar. Jika peluncuran roket menghabiskan biaya $250 juta, tidak masalah apakah bahan bakarnya dua atau empat juta dolar per peluncuran. Tetapi jika totalnya adalah $25 juta per peluncuran, bahan bakar menjadi persentase yang jauh lebih besar dari keseluruhan biaya peluncuran. Dan metana adalah yang termurah dari tiga bahan bakar cair, mengalahkan hidrogen dan RP-1 sejauh ini.

Faktor lain, dibandingkan secara khusus dengan mesin RP-1, adalah kokas. RP-1 tidak terbakar bersih seperti hidrogen atau metana, tetapi meninggalkan zat lain, sebanding dengan gas di dalam mobil. Sisa-sisa ini bisa tersangkut di mesin dan nozzle dan menutupinya untuk beberapa penggunaan. Efek ini terlihat saat digunakan Falcon 9 tahap, saat roket terbang melalui knalpotnya selama masuk kembali dan mendarat terbakar, sisa-sisa pembakaran di bagian luar roket.

Sebelum usia dapat digunakan kembali, mesin kerolox ini hanya pernah digunakan sekali, jadi kokas tidak menjadi masalah karena mesin baru dibuat untuk setiap penerbangan. Coking bukanlah show-stopper untuk dapat digunakan kembali; Lagipula, Falcon 9 berbahan bakar minyak tanah milik SpaceX terus memecahkan rekor penggunaan kembali. Tetapi karena desain menambahkan penggunaan kembali yang cepat dan penuh, mengurangi kokas akan mengurangi waktu dan upaya yang diperlukan untuk menyiapkan kendaraan yang dipulihkan untuk penerbangan ulang.

Sementara hidrogen adalah bahan bakar pembakaran yang jauh lebih bersih, ia memiliki masalah sendiri untuk dapat digunakan kembali, khususnya kepadatan. Hydrolox adalah propelan padat energi paling sedikit dari ketiganya, yang berarti tahap hydrolox yang dapat digunakan kembali harus jauh lebih besar daripada yang berbahan bakar kerolox atau methalox. Di sinilah keuntungan lain dari metaloks menjadi jelas: ini adalah bahan bakar yang bersih, padat, dan propelan yang efisien. Metana tidak hanya menawarkan kepadatan yang mirip dengan minyak tanah, tetapi juga menawarkan impuls spesifik (efisiensi) yang lebih dekat dengan mesin roket hidrogen.

Sembilan mesin methalox Aeon 1 menggerakkan Terran 1 Relativity Space, diluncurkan paling cepat 2022. (Kredit: Mack Crawford untuk NSF/L2)

Karena suhu oksigen cair dan metana cair sangat mirip, penerapan sekat umum antara dua tangki dalam satu panggung juga menjadi lebih mudah. Dengan hidrogen dan LOX dan suhu didihnya yang sangat berbeda, area tangki bersama dapat menyebabkan masalah termal. Dengan metana ini tidak terjadi, yang berarti desain sekat umum adalah cara yang layak untuk mengurangi massa kendaraan.

Kendaraan peluncuran methalox baru ini dijadwalkan untuk memulai debut orbitnya tahun ini. Sementara beberapa dari mereka memiliki sejumlah besar pekerjaan pengembangan yang tersisa, yang lain sudah hampir siap terbang, meskipun belum jelas mana yang akan menjadi kendaraan bertenaga methalox pertama yang mencapai orbit.

Mungkin yang paling menonjol adalah Starship, dibangun oleh SpaceX. Dengan 33 mesin Raptor berbahan bakar metana, ini adalah contoh utama keunggulan metaloks. Tidak hanya dirancang untuk membawa muatan ke Mars dan memanfaatkan reaksi Sabatier untuk membawa manusia dan kargo kembali, tetapi juga dirancang untuk terbang berkali-kali tanpa perbaikan besar-besaran. Saat ini, seluruh sistem Starship direncanakan untuk mencoba penerbangan pertamanya pada tahun 2022 dan merupakan salah satu kandidat roket berbahan bakar metana pertama yang mencapai orbit.

Kandidat lainnya adalah Terran 1 dari Relativitas Space. Kendaraan peluncuran smallsat ditenagai oleh mesin Aeon 1, yang akan menginformasikan 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 dapat digunakan kembali sepenuhnya dan terbang tidak lebih awal dari tahun 2024. Kendaraan Terran 1 yang lebih kecil dan dapat dibuang, masih direncanakan untuk terbang pada tahun 2022.

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

Pesaing Amerika terakhir untuk roket methalox orbital pertama adalah roket Vulcan 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 masih dijadwalkan untuk tahun ini.

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

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

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

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

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

Di luar AS, ada satu pesaing lagi untuk roket metholx pertama yang mengorbit: Zhuque-2 dari China. Didukung oleh mesin methalox TQ-12, mesin generator gas direncanakan untuk debut tahun ini. Baru-baru ini, perangkat keras tiba di pad yang terkait dengan pathfinder untuk checkout, dan roket ZQ-2 bisa memiliki peluang yang sangat nyata untuk menjadi roket berbasis metana pertama di orbit, berpacu melawan Starship, Vulcan, dan Terran 1.

(Foto utama: Kapal 20 dan Booster 4 ditumpuk di lokasi peluncuran orbital di sebelah peternakan tangki yang akan menyediakan metana dan oksigen orbital Starships sebelum peluncuran. Kredit: Mary (@bocachicagal) untuk NSF