Propelan roket cair

Propelan cair adalah zat kimia cair yang digunakan untuk menggerakkan roket. Beberapa propelan berada dalam bentuk cair pada suhu kamar (misalnya minyak tanah), yang lain hanya mempertahankan keadaan cair pada suhu yang sangat rendah; oleh karena itu yang terakhir disebut propelan kriogenik. Berdasarkan jumlah komponennya, propelan cair dibagi menjadi monopropelan, bipropelan, dan tripropelan.

Bipropelan adalah yang paling umum digunakan dan terdiri dari bahan bakar yang terbakar dengan adanya oksidator; kedua komponen tersebut disimpan dalam tangki yang berbeda dan dicampur di ruang bakar. Hidrogen cair, hidrazin, dan beberapa hidrokarbon seperti minyak tanah terutama digunakan sebagai bahan bakar, sedangkan zat pengoksidasi terdiri dari oksigen cair, fluor, asam nitrat, dan nitrous tetroksida. Kombinasi utama yang digunakan adalah: minyak tanah/oksigen cair, hidrogen cair/oksigen cair dan hidrazin/nitrogen tetroksida.

Monopropelan, bagaimanapun, tidak memerlukan oksidator, karena mereka dilewatkan melalui katalis yang menyebabkan dekomposisi dengan produksi relatif gas panas. Pembakaran yang dihasilkan oleh monopropelan tidak mencapai suhu yang terlalu tinggi, sehingga sistem pendingin tidak diperlukan seperti pada bipropelan. Monopropelan lebih disukai pada mesin kecil untuk pengendalian sikap satelit buatan dan pesawat ruang angkasa. Zat utama yang digunakan sebagai monopropelan adalah hidrazin, hidrogen peroksida, dan dinitrogen oksida.

Dalam sistem trippropelan, litium dan fluor digunakan bersama dengan hidrogen cair. Sistem ini memiliki keunggulan efisiensi yang lebih besar namun juga memiliki beberapa kesulitan, karena: komponen disimpan pada suhu yang berbeda (tinggi untuk litium, rendah untuk hidrogen); gas buang membentuk hidrogen fluorida yang sangat beracun; litium dan fluor bersifat korosif dan juga mahal. Karena alasan ini, sistem tripropelan praktis tidak digunakan.

Sekitar 170 propelan berbeda yang terbuat dari bahan bakar cair telah diuji, tidak termasuk perubahan kecil pada propelan tertentu seperti aditif propelan, penghambat korosi, atau stabilisator. Di AS sendiri setidaknya 25 kombinasi propelan berbeda telah diterbangkan.

Banyak faktor yang mempengaruhi pemilihan propelan untuk mesin roket berbahan bakar cair. Faktor utama meliputi kemudahan pengoperasian, biaya, bahaya/lingkungan, dan kinerja.

Propelan tidak memungkinkan dicapainya kecepatan yang sangat tinggi tetapi memberikan daya dorong yang cukup untuk waktu yang diperlukan untuk mengatasi gravitasi dan menempatkan muatan di orbit. Oleh karena itu, mereka biasanya digunakan untuk memberikan dorongan yang diperlukan peluncur untuk lepas landas dan melakukan manuver di luar angkasa.

Hipergolik/non-hipergolik

Hipergolik adalah sepasang propelan yang, ketika bersentuhan satu sama lain, melakukan autokatalisis redoksnya sendiri : pembakaran dimulai secara spontan, tanpa memerlukan sistem penyalaan, yang menyederhanakan pembuatan mesin roket. Keandalan tenaga penggerak ditingkatkan, karena pengendalian gaya dorong dapat dilakukan dengan menggunakan dua katup (satu untuk setiap propelan) tanpa harus menggunakan sistem kendali pengapian yang rumit dan rapuh. Selain itu, sifat propelan mencegahnya terakumulasi dalam bentuk campuran yang mudah meledak yang menyebabkan tekanan berlebih yang merusak pada saat penyalaan (hard start). Di sisi lain, hipergol tersebut umumnya berbahaya untuk ditangani karena reaktivitas kimianya yang tinggi.

Kriogenik/dapat disimpan

Kriogenik adalah propelan yang setidaknya salah satu propelannya harus dijaga pada suhu di bawah −150° C, suhu saat gas tertentu di udara mengembun pada tekanan sekitar. Propelan semacam itu umumnya sangat efisien namun hanya dapat digunakan saat lepas landas dari Bumi, karena bahan bakar tersebut tidak dapat dipertahankan pada suhu yang diperlukan untuk waktu yang lama setelah dimasukkan ke dalam peluncur. Hal ini khususnya terjadi pada hidrogen cair, yang mulai menguap segera setelah berada di dalam tangki.

Sebaliknya, propelan yang dapat disimpan dapat disimpan dalam bentuk cair dalam jangka waktu yang lama tanpa memerlukan fasilitas khusus untuk mengawetkannya.

Minyak tanah

Roket V-2 yang dikembangkan oleh Nazi Jerman menggunakan LOX dan etil alkohol. Salah satu keuntungan utama alkohol adalah kandungan airnya, yang memberikan pendinginan pada mesin roket yang lebih besar. Bahan bakar berbasis minyak bumi menawarkan lebih banyak tenaga daripada alkohol, tetapi bensin dan minyak tanah standar meninggalkan terlalu banyak jelaga dan produk sampingan pembakaran yang dapat menyumbat pipa mesin. Selain itu, bahan bakar tersebut tidak memiliki sifat pendinginan seperti etil alkohol.

Selama awal 1950-an, industri kimia di AS diberi tugas untuk memformulasi propelan roket berbasis minyak bumi yang ditingkatkan yang tidak akan meninggalkan residu dan juga memastikan bahwa mesin akan tetap dingin. Hasilnya adalah RP-1, yang spesifikasinya diselesaikan pada tahun 1954. Bentuk bahan bakar jet yang sangat halus, RP-1 terbakar jauh lebih bersih daripada bahan bakar minyak bumi konvensional dan juga menimbulkan lebih sedikit bahaya bagi personel darat dari uap bahan peledak. Itu menjadi propelan untuk sebagian besar roket dan rudal balistik Amerika awal seperti Atlas, Titan I, dan Thor. Soviet dengan cepat mengadopsi RP-1 untuk rudal R-7 mereka, tetapi sebagian besar kendaraan peluncur Soviet akhirnya menggunakan propelan hipergolik yang dapat disimpan. Pada 2017, itu digunakan pada tahap pertama dari banyak peluncur orbital.

Hidrogen

Banyak ahli teori roket awal percaya bahwa hidrogen akan menjadi propelan yang luar biasa, karena memberikan impuls spesifik tertinggi. Ia juga dianggap paling bersih ketika dioksidasi dengan oksigen karena satu-satunya produk sampingan adalah air. Reformasi uap gas alam adalah metode yang paling umum untuk memproduksi hidrogen massal komersial pada sekitar 95% dari produksi dunia sebesar 500 miliar m3 pada tahun 1998. Pada suhu tinggi (700–1100 °C) dan dengan adanya katalis berbasis logam (nikel), uap bereaksi dengan metana untuk menghasilkan karbon monoksida dan hidrogen.

Hidrogen sangat besar dibandingkan dengan bahan bakar lainnya; biasanya disimpan sebagai cairan kriogenik, sebuah teknik yang dikuasai pada awal tahun 1950-an sebagai bagian dari program pengembangan bom hidrogen di Los Alamos. Hidrogen cair dapat disimpan dan diangkut tanpa mendidih, dengan menggunakan helium sebagai refrigeran pendingin, karena helium memiliki titik didih yang lebih rendah daripada hidrogen. Hidrogen hilang melalui pembuangan ke atmosfer hanya setelah dimuat ke wahana peluncur, di mana tidak ada pendinginan.

Pada akhir tahun 1950-an dan awal tahun 1960-an, bahan ini diadopsi untuk tahap berbahan bakar hidrogen seperti tahap atas Centaur dan Saturn. Hidrogen memiliki kepadatan rendah bahkan sebagai cairan, sehingga memerlukan tangki dan pompa yang besar; untuk mempertahankan suhu dingin yang ekstrem, diperlukan isolasi tangki. Berat tambahan ini mengurangi fraksi massa tahap atau memerlukan tindakan luar biasa seperti stabilisasi tekanan tangki untuk mengurangi berat. (Tangki yang distabilkan tekanan menopang sebagian besar beban dengan tekanan internal daripada dengan struktur padat, terutama menggunakan kekuatan tarik bahan tangki.

Program roket Soviet, sebagian karena kurangnya kemampuan teknis, tidak menggunakan hidrogen cair sebagai propelan sampai tahap inti Energia pada tahun 1980-an.

Metana

Penggunaan metana cair dan oksigen cair sebagai propelan kadang-kadang disebut propulsi methalox. Metana cair memiliki impuls spesifik yang lebih rendah daripada hidrogen cair, tetapi lebih mudah disimpan karena titik didih dan kepadatannya yang lebih tinggi, serta kurangnya embrittlement hidrogen. Ia juga meninggalkan lebih sedikit residu di mesin dibandingkan dengan minyak tanah, yang bermanfaat untuk penggunaan ulang. Selain itu, diharapkan bahwa produksinya di Mars akan dimungkinkan melalui reaksi Sabatier. Dalam dokumen Mars Design Reference Mission 5.0 NASA (antara tahun 2009 dan 2012), metana cair/ LOX (methalox) adalah campuran propelan yang dipilih untuk modul pendarat.

Karena keuntungan yang ditawarkan bahan bakar metana, beberapa penyedia peluncuran ruang angkasa swasta bertujuan untuk mengembangkan sistem peluncuran berbasis metana selama tahun 2010-an dan 2020-an. Persaingan antar negara ini dijuluki sebagai Perlombaan Methalox ke Orbit, dengan roket methalox Zhuque-2 milik LandSpace menjadi yang pertama mencapai orbit.

Hingga Januari 2024, dua roket berbahan bakar metana telah mencapai orbit. Beberapa roket lainnya sedang dalam tahap pengembangan dan dua upaya peluncuran orbital gagal:

• Zhuque-2 berhasil mencapai orbit pada penerbangan keduanya pada 12 Juli 2023, menjadi roket berbahan bakar metana pertama yang melakukannya. Roket ini gagal mencapai orbit pada penerbangan perdananya pada 14 Desember 2022. Roket yang dikembangkan oleh LandSpace ini menggunakan mesin TQ-12.
• Vulcan Centaur berhasil mencapai orbit pada percobaan pertamanya, yang disebut Cert-1, pada 8 Januari 2024.Roket, yang dikembangkan oleh United Launch Alliance, menggunakan mesin BE-4 milik Blue Origin, meskipun tahap kedua menggunakan hydrolox RL10.
• Terran 1 mengalami kegagalan dalam upaya peluncuran orbital pada penerbangan perdananya pada 22 Maret 2023. Roket yang dikembangkan oleh Relativity Space ini menggunakan mesin Aeon 1.
• Starship mencapai orbit transatmosfer pada penerbangan ketiganya pada 14 Maret 2024, setelah dua kali gagal. Roket yang dikembangkan oleh SpaceX ini menggunakan mesin Raptor.

SpaceX mengembangkan mesin Raptor untuk kendaraan peluncur superberat Starship. Mesin ini telah digunakan dalam penerbangan uji sejak tahun 2019. SpaceX sebelumnya hanya menggunakan RP-1/LOX di mesin mereka.

Blue Origin mengembangkan mesin BE-4 LOX/LNG untuk New Glenn dan United Launch Alliance Vulcan Centaur. BE-4 akan menghasilkan daya dorong sebesar 2.400 kN (550.000 lbf). Dua mesin penerbangan telah dikirimkan ke ULA pada pertengahan tahun 2023.

Pada bulan Juli 2014, Firefly Space Systems mengumumkan rencana untuk menggunakan bahan bakar metana untuk kendaraan peluncur satelit kecil mereka, Firefly Alpha dengan desain mesin aerospike.

ESA sedang mengembangkan mesin roket methalox Prometheus 980kN yang diuji coba pada tahun 2023.