easyfly.pl

Pod koniec lat 90tych ubiegłego wieku amerykańska agencja kosmiczna NASA rozpisała konkurs na jednostopniowy “statek kosmiczny” wielokrotnego użytku, który mógłby zapewnić Stanom Zjednoczonym stały i przede wszystkim tańszy dostęp do przestrzeni kosmicznej – orbity. Nowa maszyna, dziecko geniuszu wielu inżynierów miała na początku wieku XXI zastąpić wysłużoną już flotę “promów kosmicznych” (space shuttle). Do rywalizacji stanęło wiele różnych projektów, mniej lub bardziej nowatorskich. Wybrano projekt Venture Star firmy Lockheed Martin. Projekt ten kumulował w sobie wiedzę inżynierską ostatnich lat, ale również projekty znacznie starsze!

Trzeba podkreślić…
…że problem “taniego” wynoszenia na orbitę różnych ładunków jest bardzo skomplikowany, ponieważ oprócz zagadnień czysto technicznych łączy w sobie zagadnienia ekonomiczne.

Rakiety wielostopniowe są najstarszym i najprostszym rozwiązaniem problemu transportu orbitalnego. Jednak z racji swej “jednorazowości” jest to bardzo drogie rozwiązanie. Same testy rakiety (układu napędowego itd.) wykonywane w celu zapewnienia (koniecznego minimum) pewności, że ładunek zostanie umieszczony na orbicie, pochłaniają około połowy kosztów związanych z przygotowaniem takiej “ciężarówki”. Rozwiązaniem problemu miały być wahadłowce kosmiczne, w których (topniejącą) flotę wyposażone są Stany Zjednoczone. Jednak i tutaj koszty nie spadły na tyle, aby umożliwić szerszej rzeszy potencjalnych klientów korzystanie z tego środka transportu. Pomimo tego, iż wahadłowiec (płatowiec) oraz dwie rakiety nośne są ponownie wykorzystywane i tylko główny zbiornik paliwa (centralna cysterna produkowana przez Lockheed’a) każdorazowo jest nowy, koszty eksploatacji wahadłowców nadal są ogromne.
Związane jest to przede wszystkim z koniecznością demontażu takiego statku, kontroli wszystkich systemów i ponownemu, złożeniu wahadłowca. Kolejną dotkliwą przywarą, rzutującą na negatywny bilans finansowy jest decyzja podjęta po katastrofie wahadłowca Chelenger w 1986 r. zabraniająca wykorzystywania wahadłowców do wynoszenia ładunków komercyjnych (satelitów telekomunikacyjnych i innych).

Tak więc mamy rok 1996. Ludzie związani z astronautyką z nadzieją patrzą na zbliżający się nowy XXI wiek. Dla wielu właśnie Venture Star to ucieleśnienie marzeń o częstych, tanich i bezpiecznych wyprawach na orbitę.

Budowa jednostopniowego pojazdu zdolnego osiągnąć orbitę (osiągnąć pierwszą prędkość kosmiczną) wymaga praktycznego wykorzystania całej wiedzy z dziedziny inżynierii materiałowej. Należy zaprojektować takie rozwiązania techniczne i stworzyć takie materiały, dzięki którym masa własna statku zostanie maksymalnie zminimalizowana! Oszczędność nawet kilku procent masy własnej statku przedkłada się na ilość zabranego paliwa. Zmniejszenie masy własnej statku o 1kg to 8kg mniej paliwa potrzebnego do zatankowania, a to z kolei determinuje zmniejszenie objętości zbiorników. W wyniku takiej reakcji łańcuchowej dochodzi do tego, że pierwotnie zaoszczędzony 1kg może zaowocować 40kilogramowym zmniejszeniem masy startowej całego układu (razem z paliwem)!

Venture Star to odważny projekt, zakładający szerokie wykorzystanie kompozytów. Zbiorniki paliwa, miały być wykonane z kompozytów węglowych, ciężki hydrauliczny układ sterowania miał być zastąpiony układem elektrycznym zasilanym prądem o wysokim napięciu. A szeregowy układ silników zapewniał możliwość sterowania pojazdem przy użyciu zmiany ich ciągu, a co za tym idzie możliwość pozbycia się ciężkiego i skomplikowanego przegubowego mechanizmu poruszającego całym silnikiem.

Sam płatowiec to pomysł z lat…60 XX wieku, tak zwany układ “latająca wanna” zrealizowany w projekcie X-24a. Charakteryzuje się tym że powierzchnia nośna, to nie (głównie) skrzydła jak w tradycyjnych projektach aeronautycznych, lecz odpowiednio zaprojektowany kadłub nośny statku.
Skrzydła mają tu pełnić rolę powierzchni sterowych.

Tajemniczy “Aerospike”
Jednostka napędowa to kolejny niedoceniony “hit” z lat 60siątych! Tak zwany silnik z układem (wydechowym) aerostożkowym (aerospike). Kiedyś, przy okazji projektu budowy Space Shuttle, próbowano przeforsować użycie tego typu silnika jednak NASA odrzuciła go, kwitując lakonicznym stwierdzeniem “zbyt nowatorski”! Wydaje się, że stwierdzenie tego typu nie powinno mieć miejsca, jednak NASA słynie z różnych nieudolnych decyzji.

Teoria budowy silnika aerostożkowego, mówi – że aby uzyskać maksymalną sprawność silnika (czyli stosunek ciągu do ilości spalanego paliwa) ciśnienie rozprężających się gazów wylotowych powinno być równe ciśnieniu otaczającej atmosfery. Z tego względu kolejne stopnie rakiet wieloczłonowych mają dysze wylotowe o zróżnicowanym kształcie dostosowanym do warunków pracy. Dysze startowe są szerokie i krótkie, natomiast dysze stopni pracujących coraz wyżej (czyli w coraz rzadszej atmosferze) mają dzwonowe obszerne kształty. Gdyby udało się kontrolować geometrię dyszy, tak aby zoptymalizować jej kształt do warunków pracy, można uzyskać znaczny wzrost sprawności silników, a co za tym idzie obniżenie ilości potrzebnego paliwa.

Silniki z aerostożkowym wydechem są pozbawione bocznych części “dyszy” a cały strumień spalin kierowany jest pod kątem na centralny stożek powietrzny (stąd nazwa) Dzięki temu gaz może swobodnie rozprężać się do takiej wartości jaka panuje na danej wysokości. Proste i skuteczne.

Life goes on
Pierwszym latającym modelem zdolnym uzyskać stratosferę miał być X-33 zbudowany w skali 1:2 w stosunku do Venture Star. Służyć miał do testów praktycznych. Założeniem było zbadanie zachowania się płatowca przy przechodzeniu prze górne warstwy atmosfery, a także kompozytowych zbiorników paliwa, nowych systemów sterowania i silników.

X-33 byłby bezzałogowy i miał nigdy nie osiągnąć orbity. Do tej pory wszelkie testy były przeprowadzane na kilkumetrowej długości modelu oraz na częściach składowych podwieszonych pod F15. Jednak kubeł zimnej wody dopiero miał nadejść, okazało się że w roku 2001 projekt został…s k a s o w a n y.

W przemówieniu 12 kwietnia 2001 roku w Colorado Springs prezes i szef zespołu wykonawczego w Lockheed Martin Corporation Vance D. Coffman w części zatytułowanej “umiarkowany/ostrożny optymizm” mówił:
“(…)kilka tygodni temu NASA zamknęła nasz program X-33(…)oczywistym jest, że jesteśmy rozczarowani tą decyzją – pojazd był w 85% ukończony(…)ekipa była w gotowości do pierwszego lotu w 2003 roku. Wciąż wielu z nas uważa, że budowa jednostopniowego statku orbitalnego jest nadal w interesie narodowym(…), a program powinien być kontynuowany(…)”

Pozostaje mieć nadzieję, że tragedia z 1 lutego 2003 roku uzmysłowi władzom NASA, że warto inwestować w nowe technologie, w nowe pomysły i w ludzi, którzy są podstawą wszelkiego sukcesu, a których bezpieczeństwo przegrało z zimną, wyrafinowaną ekonomią…

Wojtek Szywalski

Artykuł na podstawie:
Świat Nauki 12.1997 (numer specjalny)
http://www.nasa.gov

Ilustracje:
http://www.dfrc.nasa.gov