noviembre 29, 2022

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Es probable que el Metallox gane en 2022, pero el ganador aún no está claro

Es probable que el Metallox gane en 2022, pero el ganador aún no está claro

Actualmente, varios cohetes alimentados con metano están entrando en órbita. Con Starship de SpaceX, Vulcan de United Launch Alliance (ULA) y Neutron de Rocket Lab, todos los proveedores de lanzamiento más activos de Estados Unidos están comprometidos con el uso de metano y oxígeno metalox.

Los próximos lanzadores como New Glenn de Blue Origin y la familia Terran de Relativity Space también están en camino, mientras que el misil chino ZhuQue-2 de Landspace puede ser preferido para volar antes que cualquiera de los vehículos estadounidenses.

La respuesta a por qué los cohetes alimentados con metano nunca han volado antes es una cuestión de complejidad química e ingeniería. Pero a medida que los nuevos diseños priorizan la reutilización y el uso de recursos in situ (ISRU) para las misiones a Marte, la mezcla de metano y oxígeno se ha convertido en el estándar para los vehículos de lanzamiento de próxima generación.

La estabilidad de la combustión es un problema particular en comparación con las mezclas de combustible líquido más comunes: kerolox (queroseno y oxígeno) e hidrolux (hidrógeno y oxígeno). Los puntos de ebullición del hidrógeno y el queroseno Rocket Propelant-1 (RP-1) son muy diferentes a los del oxígeno líquido (LOX). Sin embargo, el punto de ebullición del metano está muy cerca de su oxidante.

Para un motor de hidrógeno, la combustión ocurre en una condición en la que las gotas de oxígeno están rodeadas por moléculas de gas hidrógeno durante la ignición, y sucede lo contrario para el RP-1. Para el metano, los puntos de ebullición son similares, lo que significa que no existe un estado claro en el que se encuentren ambas moléculas durante la evaporación y la combustión. Esto puede provocar inestabilidad en la combustión y dificultar el uso del metano como combustible para cohetes.

Si bien el desarrollo de los motores que impulsarán estos vehículos de próxima generación no ha estado exento de contratiempos y desafíos, los avances recientes en la tecnología de propulsión de cohetes han hecho posibles los motores de metano. Los nuevos esfuerzos de desarrollo fueron impulsados ​​por nuevos objetivos de reutilización y nuevos destinos espaciales, como Marte.

El metano es el mejor propulsor para usar en situaciones de reabastecimiento de combustible en el Planeta Rojo. La producción de combustible de metano para cohetes es posible en Marte con la ayuda de la “reacción de Sabatier”, que puede producir agua y metano a partir de hidrógeno y dióxido de carbono. Esto permitirá que ISRU to Mars Natural Resources habilite nuevas misiones al no tener que traer todo el combustible requerido de la Tierra.

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Otra razón para usar metano es el costo. Casi todos los lanzadores de próxima generación que utilizarán metano persiguen la idea de reutilización de alguna forma. neutrón Y el nueva cañada Ambos apuntan, al menos inicialmente, a vehículos parcialmente reutilizables, utilizando etapas iniciales de aterrizaje de propulsores y etapas superiores consumibles. nave estelar Y el tiran r, por otro lado, fue planeado para una reutilización completa sin fases consumibles. incluso en Vulcano Todavía puede tener una restauración del motor en sus planes de desarrollo futuros.

La División de Motores Vulcan, que contiene un par de motores METALOX BE-4, vuelve a entrar en la atmósfera de la Tierra para su recuperación y reutilización. (crédito: Mac Crawford para NSF/L2)

Además de la reutilización, las mejoras en la fabricación también han reducido el costo de construcción y operación de los vehículos de lanzamiento. A medida que estos factores disminuyen, el factor que se vuelve cada vez más importante es el ahorro de combustible. Si el lanzamiento del misil cuesta $250 millones, no importa si el combustible cuesta $2 millones o cuatro millones por lanzamiento. Pero si el total es de $25 millones por lanzamiento, el combustible se convierte en un porcentaje mucho mayor de los costos totales de lanzamiento. El metano es el más barato de los tres combustibles líquidos, superando al hidrógeno y al RP-1 por un amplio margen.

Otro factor, cuando se compara específicamente con los motores RP-1, es el coque. El RP-1 no se quema tan limpiamente como el hidrógeno o el metano, pero deja atrás otras sustancias, comparables a la gasolina de un automóvil. Este residuo puede quedar atrapado en el motor y la boquilla y cubrirse en una variedad de usos. Este efecto es visible cuando está en uso. Halcón 9 etapas, en las que el misil se eleva a través de su escape durante el reingreso y el descenso, dejando residuos de combustión en el exterior del misil.

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Antes de la era de la reutilización, los motores kerolox solo se usaban una vez, por lo que la coquización no era un problema ya que se diseñaban nuevos motores para cada viaje. Coca-Cola no es un obstáculo para la reutilización; Después de todo, el Falcon 9 alimentado con queroseno de SpaceX continúa batiendo récords de reutilización. Pero a medida que los diseños agregan una reutilización rápida y completa, la reducción del coque reducirá el tiempo y el esfuerzo necesarios para preparar los compuestos recuperados para volver a volar.

Si bien el hidrógeno es un combustible más limpio para la combustión, tiene sus propios problemas de reutilización, especialmente la densidad. Hydrolox es el combustible menos denso en energía de los tres, lo que significa que la fase de hidrolox reutilizable debe ser mucho más grande que la alimentada por kerolox o metalox. Aquí surge otra ventaja de Metallux: es un propulsor limpio, denso y eficiente. El metano no solo proporciona una densidad similar al queroseno, sino que también proporciona un impulso específico (eficiencia) similar al de los motores de cohetes de hidrógeno.

Nueve motores metalox Aeon 1 impulsan Terran 1 de Relativity Space, que se lanzó a principios de 2022. (Crédito: Mack Crawford para NSF/L2)

Dado que la temperatura del oxígeno líquido y el metano líquido es muy similar, la aplicación del deflector combinado entre los dos tanques dentro de la fase también se vuelve más fácil. Con hidrógeno, LOX y temperaturas de ebullición muy diferentes, el área común del tanque puede causar problemas térmicos. Con el metano, este no es el caso, lo que significa que el diseño de barrera combinado es una forma factible de reducir la masa del vehículo.

Estos nuevos vehículos de lanzamiento de metalox están listos para hacer su primer debut orbital este año. Si bien a algunos de ellos les queda una cantidad significativa de trabajo de desarrollo pendiente, otros ya están cerca de estar listos para el vuelo, aunque aún no está claro cuál será el primer vehículo propulsado por metalox en alcanzar la órbita.

Quizás lo más notable es Starship, construido por SpaceX.. Con 33 motores Raptor alimentados con metano, es un excelente ejemplo de las ventajas de Methalox. No solo están diseñados para transportar cargas útiles a Marte y aprovechar la reacción de Sabatier para traer humanos y carga, sino que también están diseñados para volar varias veces sin una remodelación importante. Actualmente, todo el sistema Starship está planificado para su primer intento de vuelo en 2022 y es uno de los candidatos para el primer cohete alimentado con metano en alcanzar la órbita.

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Otro candidato es Terran 1 de Relativity Space. El vehículo de lanzamiento de smallsat está propulsado por un motor Aeon 1, que informará el diseño del motor reutilizable más grande Aeon R. Esta versión más grande impulsará el segundo misil de Relativity, Terran R, que será completamente reutilizable y no volará antes de 2024. Todavía está planeado lanzar el vehículo consumible pequeño Terran 1 en 2022.

Un neutrón vuelve a encender el motor Metallox de Arquímedes para aterrizar. (crédito: Mac Crawford para NSF/L2)

El último contendiente estadounidense para el primer cohete orbital Methalox es Vulcan de ULA, impulsado por el motor BE-4 de Blue Origin: el mismo motor que impulsará a New Glenn. El vehículo de lanzamiento gastado utilizará una etapa superior alimentada con hidrógeno, pero una primera etapa alimentada con metano será una parte importante del sistema de lanzamiento orbital. El viaje inaugural de Vulcan todavía está programado para este año.

Si bien Blue Origin también está desarrollando un cohete propulsado por Metholux en New Glenn, ese vehículo no estará listo este año, y Blue Origin debería suministrar a ULA motores BE-4 para el Vulcan antes de New Glenn.

Mientras tanto, el cohete de neutrones de Rocket Lab estará propulsado por el motor archímedes de metalox, que este año comenzará a probarse por primera vez en Neutron a mediados de la década.

Fuera de los Estados Unidos, hay otro competidor para el primer cohete Mytholux en órbita: el cohete Zhuque-2 de China. Impulsado por el motor TQ-12 metalox, el motor generador de gas está programado para debutar este año. Recientemente, la instrumentación ha llegado al tablero relacionada con el buscador de salida, y el ZQ-2 podría tener una posibilidad muy real de ser el primer cohete basado en metano en órbita, compitiendo contra Starship, Vulcan y Terran 1.

(Imagen principal: Ship 20 y Booster 4 apilados en el sitio de lanzamiento orbital al lado del parque de tanques que suministrará metano y oxígeno a las naves espaciales en órbita antes del lanzamiento. Crédito: Mary (Tweet incrustado) para NSF)