Tên lửa Starship mới của SpaceX sử dụng động cơ Raptor.Metan lỏng và oxy là nhiên liệu của động cơ này.Falcon 9 và Falcon Heavy sử dụng dầu hỏa (RP-1) làm nhiên liệu.Hơn nữa, từ lâu, Hydro đã được sử dụng trong nhiều loại tên lửa.Tuy nhiên, SpaceX đã chọn Methane cho Raptor của họ.Chưa có tên lửa nào khác từng sử dụng khí mê-tan làm nhiên liệu tên lửa.
Đó là vì Hydro lỏng cần kiểm soát nhiệt độ cực cao, dễ rò rỉ, ít đậm đặc hơn, do đó cần bình nhiên liệu lớn hơn, đắt tiền so với Methane, không thích hợp cho tên lửa tái sử dụng và sứ mệnh sao Hỏa, cần luyện kim tiên tiến;do đó, nó làm tăng độ phức tạp và chi phí của tên lửa.
Hãy giải thích chi tiết.
SpaceX đã phát triển Raptor.Đó là động cơ chu trình đốt theo giai đoạn toàn dòng chạy bằng khí mê-tan.Động cơ Raptor là động cơ đầu tiên trong lịch sử, một động cơ chu trình đốt theo giai đoạn toàn dòng từng bay trên tên lửa.Chưa có động cơ tên lửa nào sử dụng khí mê-tan từng đạt tới quỹ đạo ngoại trừ tên lửa SpaceX.
Starship của SpaceX là tên lửa sao Hỏa có thể tái sử dụng nhanh chóng.Tên lửa Falcon không thể tái sử dụng hoàn toàn.Mặc dù tầng đầu tiên của tên lửa này có thể tái sử dụng nhưng tầng trên thì không.
Một vấn đề khác với tên lửa Falcon 9 và Falcon Heavy là nó không thể tái sử dụng nhanh chóng.Sau mỗi chuyến bay, tên lửa này cần được tân trang lại toàn diện trước khi SpaceX có thể sử dụng lại.Nguyên nhân chính là nhiên liệu của tên lửa Falcon là dầu hỏa (RP-1).Nhiên liệu cháy để lại muội than trong khoang động cơ Merlin, khiến việc tái sử dụng nếu không được vệ sinh kỹ sẽ khó khăn hơn.
Kế hoạch sao Hỏa của SpaceX:
Như chúng tôi đã đề cập trước đó, Elon Musk muốn lên sao Hỏa.Một con tàu vũ trụ sẽ mất hơn 6 tháng để đến được sao Hỏa từ Trái đất.Chuyến đi khứ hồi là 12 tháng.
Chúng ta biết rằng bầu khí quyển của sao Hỏa có CO2 và có nước đóng băng trong lòng đất.Trên sao Hỏa, chúng ta có thể tạo ra khí mê-tan (CH4) bằng cách sử dụng các tài nguyên này.
Đầu tiên, thông qua quá trình điện phân, chúng ta có thể tách nước (H2O) thành Hydro (H2) và Oxy (O2).
2H2O = O2 + 2H2
Oxy và Hydrogen sẽ được thu thập trong các thùng chứa riêng biệt.Con người sẽ sử dụng Oxy được tạo ra ở bước này.
Ở bước tiếp theo, thông qua một quá trình hóa học được gọi là quy trình Sabatier, Carbon dioxide (CO2) và Hydrogen (H2) sẽ tạo ra khí mê-tan (CH4).
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
Khí Metan (CH4) và nước sẽ được thu gom vào các thùng chứa riêng biệt.Starship sẽ sử dụng khí mê-tan (CH4) và oxy (O2) làm nhiên liệu.Người sao Hỏa có thể uống nước (H2O) được tạo ra ở bước này hoặc sử dụng nó để tạo ra Oxy và Hydro.
Các phi hành gia đã sử dụng các bước này để tạo ra Oxy từ nước và loại bỏ Carbon Dioxide tại Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS).Vì quá trình này đã được thử nghiệm;do đó, chúng ta cũng có thể sử dụng nó trên sao Hỏa.Điểm khác biệt duy nhất là ISS thải khí mêtan (CH4) ra ngoài vũ trụ, trong khi trên sao Hỏa, chúng ta sẽ thu gom nó vào các thùng chứa làm nhiên liệu tên lửa.
Trong quy trình được mô tả ở trên, chúng ta có thể tạo ra cả Mêtan (CH4) và Hydro (H2).
| Dầu hỏa (RP-1) | Mêtan | Hydro | |
| Tỉ trọng | 813 g/L | 422 g/L | 70 g/L |
| Tỷ lệ chất oxy hóa so với nhiên liệu | 2,7 : 1 | 3,7 : 1 | 6 : 1 |
| Hiệu quả | 370 giây | 459 giây | 532 giây |
| Nhiệt độ đốt cháy | 3670 K | 3550 K | 3070 K |
| Điểm sôi | 490K | 111 K | 20 K |
| Sản phẩm phụ đốt cháy | CO2, H2O và muội đen. | CO2 và H2O | H2O |
| Có thể sản xuất được trên sao Hỏa | No | Đúng | Đúng |
Trong tên lửa, hiệu suất của động cơ được đo bằng xung lượng riêng (ISP).
Một so sánh đơn giản sẽ là MPG của chiếc xe chạy bằng xăng của chúng tôi.MPG của một chiếc ô tô càng cao thì nó có thể đi được nhiều quãng đường hơn với 1 gallon xăng và nó càng hiệu quả hơn.
Bây giờ, giả sử rằng chúng ta có 1 pound nhiên liệu tên lửa.Nó có thể là Dầu hỏa (RP-1), Mêtan (CH4) hoặc Hydro (H2).
ISP được đo bằng giây.Đó là phép đo xem động cơ có thể đẩy được bao nhiêu giây với lực 9,8 newton với một lượng nhiên liệu cố định.Nó có thể đẩy càng cao với 9,8 newton với cùng một lượng nhiên liệu thì hiệu suất hoặc ISP càng cao.
Nếu chúng ta có một động cơ tên lửa với ISP 100s và một động cơ khác có ISP 150s, thì động cơ thứ hai với ISP 150s sẽ hiệu quả hơn vì nó có thể thực hiện nhiều công việc hơn với cùng một lượng nhiên liệu.
Từ bảng trên, chúng ta có thể thấy Hydrogen có hiệu suất cao hơn so với Metan.Tuy nhiên, Hydrogen có một số vấn đề.
SpaceX muốn tên lửa của họ đơn giản, rẻ và đáng tin cậy.Theo Elon Musk, “phần tốt nhất là không có phần nào;quy trình tốt nhất là không có quy trình nào cả.”
Mặc dù Hydrogen hiệu quả hơn so với các loại nhiên liệu đẩy tên lửa khác, nhưng nó làm tăng thêm độ phức tạp cho động cơ tên lửa và thiết kế tên lửa.
Hydro là một chất lỏng đông lạnh.Điểm nóng chảy của nó là -259° C hoặc -435°F, và điểm sôi của nó là -252°C hoặc -423°F.Hydro cần được bảo quản ở nhiệt độ cực lạnh để giữ nó ở dạng lỏng.Do đó, tên lửa hydro cần lớp cách nhiệt xung quanh thùng chứa, do đó làm tăng trọng lượng tên lửa, độ phức tạp trong sản xuất và chi phí.
Hơn nữa, các vấn đề khác phát sinh do nhiệt độ sôi thấp của Hydro.
Trong một chuyến đi dài tới Mặt Trăng và Sao Hỏa, Hydro sẽ sôi lên và bốc hơi.Hơn nữa, trong quá trình Starship quay trở lại trái đất, nhiệt sinh ra sẽ gây ra thách thức kỹ thuật đáng kể để giữ cho Hydro ở dạng lỏng trong thùng nhiên liệu.
Tuy nhiên, Methane không gặp phải những vấn đề này.
Sự giòn hydro là một vấn đề nghiêm trọng.Khi kim loại tiếp xúc với Hydro đông lạnh, kim loại trở nên giòn.Vì vậy, thiết kế tên lửa tái sử dụng sử dụng Hydrogen rất phức tạp và đầy thách thức.Động cơ hydro cần kỹ thuật luyện kim tiên tiến để ngăn chặn hiện tượng giòn này.
Khí mê-tan (CH4) không tạo ra vấn đề giòn này.
Mật độ của Hydro là 70 g/L.Ngược lại, mật độ của Metan là 422 g/L.Do đó, thùng nhiên liệu của tên lửa hydro cần phải lớn hơn đáng kể so với tên lửa chạy bằng khí mê-tan.Một chiếc xe tăng lớn có nghĩa là một tên lửa nặng hơn.
Do đó, tên lửa chạy bằng khí mêtan sẽ nhẹ hơn so với tên lửa hydro.
Hydro là phân tử nhỏ nhất trên trái đất.Nó dễ dàng rò rỉ, chủ yếu qua các mối hàn của thùng nhiên liệu.Vì vậy, nó cần độ chính xác và sự quan tâm đặc biệt để làm cho thùng nhiên liệu không bị rò rỉ.
Khí mê-tan không có vấn đề rò rỉ này.
Hydro cũng đắt so với Metan (CH4).
Như chúng ta có thể thấy, mặc dù Hydrogen hiệu quả hơn nhưng nó có nhiều nhược điểm.
Vì vậy, SpaceX cần một động cơ tên lửa không gặp phải những vấn đề này.
Khi mới bắt đầu thiết kế động cơ, SpaceX không muốn mạo hiểm tạo ra một loại động cơ hoàn toàn mới mà chưa ai phát triển.Vì vậy, họ quyết định sử dụng Kerosene (RP-1) cho tên lửa dòng Falcon của mình.Khi thành công với động cơ Marlin, họ bắt đầu R&D cho Raptor chạy bằng khí mê-tan.
Nói ngắn gọn,Mêtan lỏng (CH4) có một số lợi ích so với Hydro lỏng.Nó dễ dàng hơn để lưu trữ.Một hệ thống làm mát thụ động đủ để giữ khí mê-tan ở nhiệt độ đông lạnh, đậm đặc hơn đáng kể so với hydro.Thùng nhiên liệu tên lửa chạy bằng khí mê-tan nhỏ hơn và ít cồng kềnh hơn.Đó là lý do tại sao SpaceX sử dụng Metan và không sử dụng Hydrogen.
Thời gian đăng: 20-11-2023