Le Methalox est susceptible de gagner en 2022, mais le vainqueur n’est pas encore clair

Actuellement, plusieurs fusées alimentées au méthane se précipitent en orbite. Avec Starship de SpaceX, Vulcan de United Launch Alliance (ULA) et Neutron de Rocket Lab, tous les fournisseurs de lancement les plus actifs d’Amérique se sont engagés à utiliser du méthane et de l’oxygène methalox.

Les lanceurs à venir comme le New Glenn de Blue Origin et la famille Terran de Relativity Space sont également en route, tandis que le missile chinois ZhuQue-2 de Landspace pourrait être préféré pour voler avant l’un des véhicules américains.

La raison pour laquelle les fusées alimentées au méthane n’ont jamais volé auparavant est une question de chimie et de complexité technique. Mais comme les nouvelles conceptions donnent la priorité à la réutilisation ainsi qu’à l’utilisation des ressources in situ (ISRU) pour les missions vers Mars, le mélange de méthane et d’oxygène est devenu la norme pour les lanceurs de nouvelle génération.

La stabilité de la combustion est un problème particulier par rapport aux mélanges de combustibles liquides les plus courants : kerolox (kérosène et oxygène) et hydrolux (hydrogène et oxygène). Les points d’ébullition de l’hydrogène et du kérosène Rocket Propelant-1 (RP-1) sont très différents de ceux de l’oxygène liquide (LOX). Cependant, le point d’ébullition du méthane est très proche de son oxydant.

Raptor 2 génère plus de 230 tonnes de poussée au niveau de la mer, contre 185 tonnes pour Raptor 1 pic.twitter.com/o1Rqjwx6Ql

– SpaceX (SpaceX) 11 février 2022

Pour un moteur à hydrogène, la combustion se produit dans une condition où les gouttelettes d’oxygène sont entourées de molécules d’hydrogène gazeux lors de l’allumage, et l’inverse se produit pour le RP-1. Pour le méthane, les points d’ébullition sont similaires, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’état clair dans lequel se trouvent les deux molécules lors de l’évaporation et de la combustion. Cela peut entraîner une instabilité de la combustion et rendre difficile l’utilisation du méthane comme carburant de fusée.

Alors que le développement des moteurs qui propulseront ces véhicules de nouvelle génération n’a pas été sans revers et défis, les progrès récents de la technologie de propulsion des fusées ont rendu possibles les moteurs au méthane. De nouveaux efforts de développement ont été motivés par de nouveaux objectifs de réutilisation et de nouvelles destinations spatiales, telles que Mars.

Le méthane est le meilleur propulseur à utiliser pour les situations de ravitaillement sur la planète rouge. La production de carburant de fusée au méthane est possible sur Mars grâce à la « réaction de Sabatier », qui peut produire de l’eau et du méthane à partir d’hydrogène et de dioxyde de carbone. Cela permettra à l’ISRU de Mars Natural Resources de permettre de nouvelles missions en n’ayant pas à apporter tout le carburant nécessaire de la Terre.

Une autre raison d’utiliser le méthane est le coût. Presque tous les lanceurs de prochaine génération qui utiliseront du méthane poursuivent l’idée de réutilisation sous une forme ou une autre. neutron Et le Nouveau-Glen Les deux visent, au moins dans un premier temps, des véhicules partiellement réutilisables, utilisant des premiers étages d’atterrissage à propergol et des étages supérieurs consommables. Vaisseau spatial Et le Tiran R, en revanche, était prévu pour une réutilisation complète sans phases consommables. même en Vulcain Il se peut qu’il ait encore une restauration du moteur dans ses futurs plans de développement.

La Vulcan Engine Division, qui contient une paire de moteurs METALOX BE-4, rentre dans l’atmosphère terrestre pour être récupérée et réutilisée. (crédit : Mac Crawford pour NSF/L2)

En plus de la réutilisabilité, les améliorations de fabrication ont également réduit le coût de construction et d’exploitation des lanceurs. À mesure que ces facteurs diminuent, le facteur qui devient de plus en plus important est l’économie de carburant. Si le lancement du missile coûte 250 millions de dollars, peu importe que le carburant coûte 2 ou 4 millions de dollars par lancement. Mais si le total est de 25 millions de dollars par lancement, le carburant représente un pourcentage beaucoup plus important des coûts de lancement totaux. Le méthane est le moins cher des trois combustibles liquides, surpassant largement l’hydrogène et le RP-1.

Un autre facteur, par rapport aux moteurs RP-1 en particulier, est le coke. Le RP-1 ne brûle pas aussi proprement que l’hydrogène ou le méthane, mais laisse derrière lui d’autres substances, comparables au gaz dans une voiture. Ce résidu peut être coincé dans le moteur et la buse et recouvert pour une variété d’utilisations. Cet effet est visible lors de l’utilisation Faucon 9 étapes, dans lesquelles le missile monte à travers son échappement lors de la rentrée et de la descente, laissant des résidus de combustion à l’extérieur du missile.

Avant l’ère de la réutilisation, les moteurs Kerolox n’étaient utilisés qu’une seule fois, donc la cokéfaction n’était pas un problème car de nouveaux moteurs étaient conçus pour chaque trajet. Le coke n’est pas un bouchon de spectacle pour la réutilisation ; Après tout, le Falcon 9 alimenté au kérosène de SpaceX continue de battre des records de réutilisation. Mais comme les conceptions ajoutent une réutilisation rapide et complète, la réduction du coke réduira le temps et les efforts nécessaires pour préparer les composés récupérés pour le re-vol.

Alors que l’hydrogène est un combustible plus propre pour la combustion, il a ses propres problèmes de réutilisation, en particulier la densité. Hydrolox est le carburant le moins dense en énergie des trois, ce qui signifie que la phase hydrolox réutilisable doit être beaucoup plus grande que celle alimentée par le kerolox ou le methalox. Ici un autre avantage de Metallux émerge : c’est un propulseur propre, dense et efficace. Non seulement le méthane fournit une densité similaire au kérosène, mais il fournit également une augmentation spécifique (efficacité) semblable à celle des moteurs de fusée à hydrogène.

Neuf moteurs Methalox Aeon 1 alimentent Terran 1 de Relativity Space, qui a été lancé début 2022. (Crédit : Mack Crawford pour NSF/L2)

Étant donné que la température de l’oxygène liquide et du méthane liquide est très similaire, l’application de la chicane combinée entre les deux réservoirs au sein de la phase devient également plus facile. Avec l’hydrogène, LOX et des températures d’ébullition très différentes, la zone commune du réservoir peut causer des problèmes thermiques. Avec le méthane, ce n’est pas le cas, ce qui signifie que la conception de la barrière combinée est un moyen réalisable de réduire la masse du véhicule.

Ces nouveaux lanceurs methalox devraient faire leurs premiers débuts orbitaux cette année. Alors que certains d’entre eux ont encore beaucoup de travail de développement à faire, d’autres sont déjà sur le point d’être prêts pour le vol, bien qu’il ne soit pas encore clair qui sera le premier véhicule propulsé par le méthalox à atteindre l’orbite.

Le plus remarquable est peut-être le Starship, construit par SpaceX. Avec 33 moteurs Raptor alimentés au méthane, c’est un excellent exemple des avantages du Methalox. Non seulement ils sont conçus pour transporter des charges utiles vers Mars et profiter de la réaction de Sabatier pour ramener des humains et des marchandises, mais ils sont également conçus pour voler plusieurs fois sans rénovation majeure. Actuellement, l’ensemble du système Starship est prévu pour sa première tentative de vol en 2022 et est l’un des candidats pour la première fusée alimentée au méthane à atteindre l’orbite.

Un autre candidat est Terran 1 de Relativity Space. Le lanceur smallsat est propulsé par un moteur Aeon 1, qui éclairera la conception du plus gros moteur réutilisable Aeon R. Cette version plus grande alimentera le deuxième missile de Relativity, Terran R, qui sera entièrement réutilisable et ne volera pas avant 2024. Il est toujours prévu Terran 1 petit véhicule consommable lancé en 2022.

Un neutron rallume le moteur Metallox d’Archimède pour l’atterrissage. (crédit : Mac Crawford pour NSF/L2)

Le dernier concurrent américain pour la première fusée orbitale Methalox est le Vulcan de l’ULA, propulsé par le moteur BE-4 de Blue Origin : le même moteur qui propulsera New Glenn. Le lanceur usé utilisera un étage supérieur alimenté à l’hydrogène, mais un premier étage alimenté au méthane constituera une partie importante du système de lancement orbital. Le voyage inaugural de Vulcan est actuellement toujours prévu pour cette année.

Alors que Blue Origin développe également une fusée propulsée par Metholux à New Glenn, ce véhicule ne sera pas prêt cette année, et Blue Origin devrait fournir à ULA des moteurs BE-4 pour le Vulcan avant New Glenn.

Pendant ce temps, la fusée à neutrons de Rocket Lab sera propulsée par le moteur methalox Archimedes, qui commencera cette année à tester pour la première fois sur Neutron au milieu de la décennie.

Pleiades-1B a capturé cette image du dernier site de lancement au centre de lancement de satellites de Jiuquan le 15/01/2022 à 04:26:24 UTC.

Il semble qu’il puisse y avoir une scène (ou une maquette) de la fusée ZQ-2 de LandSpace sur la plate-forme. pic.twitter.com/plJctAP72E

– Harry Étranger (@Harry__Étranger) 17 janvier 2022

En dehors des États-Unis, il existe un autre concurrent pour la première fusée Mytholux en orbite : la fusée Zhuque-2 en provenance de Chine. Propulsé par le moteur methalox TQ-12, le moteur du générateur de gaz devrait faire ses débuts cette année. Récemment, l’instrumentation liée au guide de sortie a frappé le conseil d’administration, et le ZQ-2 pourrait avoir une chance très réelle d’être la première fusée à base de méthane en orbite, faisant la course contre le Starship, le Vulcan et le Terran 1.

(Image principale : Ship 20 et Booster 4 empilés sur le site de lancement orbital à côté du parc de stockage qui fournira aux vaisseaux spatiaux en orbite du méthane et de l’oxygène avant le lancement. Crédit : Mary (Intégrer un tweet) pour NSF)