في الوقت الحالي ، تتسابق العديد من الصواريخ التي تعمل بوقود الميثان إلى المدار. مع Starship من SpaceX و Vulcan من United Launch Alliance (ULA) ونيوترون من Rocket Lab ، يلتزم جميع مزودي الإطلاق الأمريكيين الأكثر نشاطًا باستخدام الميثالوكس الميثان والأكسجين.
قاذفات قادمة مثل New Glenn من Blue Origin وعائلة Terran من Relativity Space في طريقها أيضًا نحو الطيران ، في حين أن صاروخ ZhuQue-2 الصيني من Landspace قد يكون مفضلًا للطيران قبل أي من المركبات الأمريكية.
إن الإجابة عن سبب عدم انطلاق الصواريخ التي تعمل بوقود الميثان من قبل هي مسألة كيمياء وتعقيد هندسي. ولكن نظرًا لأن التصميمات الجديدة تعطي الأولوية لإعادة الاستخدام وكذلك استخدام الموارد في الموقع (ISRU) للبعثات إلى المريخ ، فقد أصبح مزيج الميثان والأكسجين هو المعيار لمركبات الإطلاق من الجيل التالي.
يعتبر استقرار الاحتراق مشكلة خاصة بالمقارنة مع أكثر توليفة وقود سائلة شيوعًا: الكيرولوكس (الكيروسين والأكسجين) والهيدرولوكس (الهيدروجين والأكسجين). تختلف نقاط غليان الهيدروجين والكيروسين Rocket Propellant-1 (RP-1) كثيرًا عن تلك الموجودة في الأكسجين السائل (LOX). ومع ذلك ، فإن درجة غليان الميثان قريبة جدًا من مؤكسده.
يولد Raptor 2 أكثر من 230 طنًا من الدفع عند مستوى سطح البحر ، ارتفاعًا من Raptor 1’s 185 طنًا pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql
– SpaceX (SpaceX) 11 فبراير 2022
بالنسبة لمحرك الهيدروجين ، يحدث الاحتراق في حالة تكون فيها قطرات الأكسجين محاطة بجزيئات غاز الهيدروجين أثناء الاشتعال ، والعكس يحدث لـ RP-1. بالنسبة للميثان ، تكون نقاط الغليان متشابهة ، مما يعني أنه لا توجد حالة واضحة يكون فيها كلا الجزيئين أثناء التبخر والاحتراق. هذا يمكن أن يؤدي إلى عدم استقرار الاحتراق ويجعل من الصعب استخدام غاز الميثان كوقود للصواريخ.
في حين أن تطوير المحركات التي ستعمل على تشغيل هذه المركبات من الجيل التالي لم يكن خاليًا من الانتكاسات والتحديات ، فإن التطورات الأخيرة في تكنولوجيا الدفع الصاروخي جعلت محركات الميثان ممكنة. كانت جهود التطوير الجديدة مدفوعة بأهداف إعادة الاستخدام الجديدة ووجهات الفضاء الجديدة ، مثل كوكب المريخ.
الميثان هو أفضل وقود دافع يمكن استخدامه في المواقف التي تتطلب التزود بالوقود على الكوكب الأحمر. يُعد إنتاج وقود صواريخ الميثان أمرًا ممكنًا على كوكب المريخ بمساعدة “تفاعل Sabatier” ، الذي يمكن أن ينتج الماء والميثان من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. سيسمح ذلك لـ ISRU للموارد الطبيعية للمريخ بتمكين مهمات جديدة من خلال عدم الحاجة إلى إحضار كل الوقود المطلوب من الأرض.
سبب آخر لاستخدام الميثان هو التكلفة. تسعى جميع قاذفات الجيل التالي تقريبًا التي ستستخدم الميثان إلى فكرة إعادة الاستخدام في شكل أو شكل ما. نيوترون و نيو جلين كلاهما ، على الأقل في البداية ، يهدفان إلى مركبات قابلة لإعادة الاستخدام جزئيًا ، باستخدام المراحل الأولى للهبوط الدافع والمراحل العليا القابلة للاستهلاك. المركبة الفضائية و تيران ر، من ناحية أخرى ، تم التخطيط لإعادة الاستخدام الكامل مع عدم وجود مراحل قابلة للاستهلاك. حتى في فولكان قد لا يزال لديها استعادة المحرك في خطط التطور المستقبلية.
قسم محرك فولكان ، الذي يحتوي على زوج من محركات BE-4 methalox ، يعيد الدخول إلى الغلاف الجوي للأرض من أجل الاستعادة وإعادة الاستخدام. (الائتمان: ماك كروفورد لـ NSF / L2)
بالإضافة إلى قابلية إعادة الاستخدام ، أدت تحسينات التصنيع أيضًا إلى خفض تكلفة بناء وتشغيل مركبات الإطلاق. ومع انخفاض هذه العوامل ، فإن العامل الذي يزداد أهمية هو الاقتصاد في استهلاك الوقود. إذا كان إطلاق الصاروخ يكلف 250 مليون دولار ، فلا يهم إذا كان الوقود يبلغ مليوني أو أربعة ملايين دولار لكل عملية إطلاق. ولكن إذا كان الإجمالي 25 مليون دولار لكل عملية إطلاق ، فإن الوقود يصبح نسبة مئوية أكبر بكثير من إجمالي تكاليف الإطلاق. والميثان هو أرخص أنواع الوقود السائل الثلاثة ، متفوقًا على الهيدروجين و RP-1 بفارق كبير.
عامل آخر ، بالمقارنة مع محركات RP-1 على وجه التحديد ، هو فحم الكوك. لا يحترق RP-1 نظيفًا مثل الهيدروجين أو الميثان ، ولكنه يترك وراءه مواد أخرى ، يمكن مقارنتها بالغاز في السيارة. يمكن أن تعلق هذه البقايا في المحرك والفوهة وتغطيتها على عدة استخدامات. هذا التأثير مرئي عند الاستخدام فالكون 9 المراحل ، حيث يحلق الصاروخ من خلال عادمه أثناء إعادة الدخول والهبوط ، مما يترك بقايا الاحتراق على السطح الخارجي للصاروخ.
قبل عصر إعادة الاستخدام ، كانت محركات kerolox تُستخدم مرة واحدة فقط ، لذا لم يكن فحم الكوك مشكلة حيث تم تصميم محركات جديدة لكل رحلة. فحم الكوك ليس سدادة استعراضية لإعادة الاستخدام ؛ بعد كل شيء ، يواصل Falcon 9 الذي يعمل بوقود الكيروسين من SpaceX تحطيم الأرقام القياسية لإعادة الاستخدام. ولكن نظرًا لأن التصميمات تضيف قابلية إعادة استخدام سريعة وكاملة ، فإن تقليل فحم الكوك سيقلل من الوقت والجهد اللازمين لإعداد المركبات المستردة لإعادة الطيران.
في حين أن الهيدروجين وقود أكثر نظافة للاحتراق ، إلا أن له مشاكله الخاصة في إعادة الاستخدام ، وخاصة الكثافة. Hydrolox هو الوقود الأقل كثافة للطاقة من بين الثلاثة ، مما يعني أن مرحلة hydrolox القابلة لإعادة الاستخدام يجب أن تكون أكبر بكثير من تلك التي تغذيها kerolox أو methalox. هنا تظهر ميزة أخرى للميثالوكس: إنها دافع نظيف ، كثيف ، وفعال. لا يوفر الميثان كثافة مماثلة للكيروسين فحسب ، بل إنه يوفر أيضًا دفعة محددة (كفاءة) أقرب إلى تلك الموجودة في محركات صواريخ الهيدروجين.
تعمل محركات Nine Aeon 1 methalox على تشغيل Terran 1 من Relativity Space ، والتي تم إطلاقها في وقت مبكر من عام 2022. (Credit: Mack Crawford for NSF / L2)
نظرًا لأن درجة حرارة الأكسجين السائل والميثان السائل متشابهة جدًا ، يصبح تطبيق الحاجز المشترك بين الخزانين داخل المرحلة أسهل أيضًا. مع الهيدروجين و LOX ودرجات حرارة الغليان المختلفة جدًا ، يمكن أن تسبب منطقة الخزان المشتركة مشاكل حرارية. مع الميثان ، ليس هذا هو الحال ، مما يعني أن تصميم الحاجز المشترك هو طريقة مجدية لتقليل كتلة المركبات.
من المقرر أن تبدأ مركبات إطلاق methalox الجديدة هذه في الظهور لأول مرة في المدار هذا العام. في حين أن البعض منهم لديه قدر كبير من أعمال التطوير المتبقية ، فإن البعض الآخر قريب بالفعل من الاستعداد للطيران ، على الرغم من أنه لم يتضح بعد أيهما سيكون أول مركبة تعمل بالطاقة methalox للوصول إلى المدار.
ولعل أبرزها هو Starship ، الذي بناه SpaceX. مع 33 محركًا من طراز Raptor تعمل بوقود الميثان ، فهي مثال رئيسي على مزايا ميثالوكس. لم يتم تصميمه فقط لنقل الحمولات إلى المريخ والاستفادة من رد فعل Sabatier لإعادة البشر والبضائع ، ولكنه مصمم أيضًا للطيران عدة مرات دون تجديد كبير. حاليًا ، تم التخطيط لنظام Starship بأكمله لمحاولة أول رحلة له في عام 2022 وهو أحد المرشحين لأول صاروخ يعمل بوقود الميثان للوصول إلى المدار.
مرشح آخر هو Terran 1 من Relativity Space. يتم تشغيل مركبة الإطلاق smallsat بواسطة محرك Aeon 1 ، والذي سيعلم تصميم المحرك الأكبر والقابل لإعادة الاستخدام Aeon R. ستعمل هذه النسخة الأكبر على تشغيل صاروخ Relativity الثاني ، Terran R ، والذي سيكون قابلاً لإعادة الاستخدام بالكامل ولن يطير قبل عام 2024. ولا يزال من المخطط إطلاق مركبة Terran 1 الصغيرة القابلة للاستهلاك في عام 2022.
نيوترون يعيد إضاءة محرك أرخميدس ميثالوكس للهبوط. (الائتمان: ماك كروفورد لـ NSF / L2)
آخر المنافسين الأمريكيين على أول صاروخ ميثالوكس مداري هو صاروخ فولكان التابع لشركة ULA، مدعوم بمحرك BE-4 من Blue Origin: نفس المحرك الذي سيشغل New Glenn. ستستخدم مركبة الإطلاق المستهلكة مرحلة عليا تعمل بوقود الهيدروجين ، لكن المرحلة الأولى التي تعمل بوقود الميثان ستكون جزءًا مهمًا من نظام الإطلاق المداري. لا تزال الرحلة الأولى لفولكان مقررة حاليًا لهذا العام.
بينما تقوم Blue Origin أيضًا بتطوير صاروخ يعمل بالطاقة الميثولوكس في New Glenn ، لن تكون هذه السيارة جاهزة هذا العام ، ويجب على Blue Origin تزويد ULA بمحركات BE-4 لـ Vulcan قبل New Glenn.
وفي الوقت نفسه ، سيتم تشغيل صاروخ النيوترون الخاص بـ Rocket Lab بواسطة محرك methalox Archimedes ، والذي سيبدأ اختباره هذا العام لأول مرة على Neutron في منتصف فترة العقد.
التقط Pleiades-1B هذه الصورة لموقع الإطلاق الأحدث في مركز Jiuquan لإطلاق الأقمار الصناعية في 2022-01-15 الساعة 04:26:24 بالتوقيت العالمي.
يبدو أنه قد تكون هناك مرحلة (أو نموذج بالحجم الطبيعي) لصاروخ ZQ-2 الخاص بـ LandSpace على المنصة. pic.twitter.com/plJctAP72E
– هاري سترينجر (Harry__Stranger) 17 يناير 2022
خارج الولايات المتحدة ، هناك منافس آخر على أول صاروخ ميثولكس في المدار: صاروخ Zhuque-2 من الصين. مدعومًا بمحرك TQ-12 methalox ، من المقرر إطلاق محرك مولد الغاز لأول مرة هذا العام. في الآونة الأخيرة ، وصلت الأجهزة إلى اللوحة ذات الصلة بأداة تحديد المسار للخروج ، ويمكن أن يكون لصاروخ ZQ-2 فرصة حقيقية جدًا ليكون أول صاروخ قائم على الميثان في المدار ، ويتسابق مع Starship و Vulcan و Terran 1.
(الصورة الرئيسية: السفينة 20 و Booster 4 مكدسة في موقع الإطلاق المداري بجوار مزرعة الصهاريج التي ستزود المركبات الفضائية المدارية بالميثان والأكسجين قبل الإطلاق. Credit: Mary (تضمين التغريدة) ل NSF)
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”