Coraz taniej w kosmos

AviationWeek opublikował dziś sporą serię artykułów opisujących obecny stan prac nad tańszym dostępem do kosmosu. W sumie nie ma w nich niczego, o czym czytelnicy by już nie wiedzieli, jednak jako że wszystko jest w jednym miejscu, to postanowiłem zrobić podsumowanie najważniejszych projektów nad którymi się obecnie pracuje.

Trzeba oczywiście zacząć od SpaceX, bo ze wszystkich projektów o których będzie mowa, to jedyny który lata i za każdym startem mamy nadzieję że to właśnie ten start rozpocznie nową erę rakiet wielokrotnego użytku (i jak dotąd za każdym razem się rozczarowujemy). Rozwiązanie SpaceX jest najprostszym ze wszystkich – pierwszy stopień po pozbyciu się drugiego hamuje a następnie ląduje. Największą zaletą tego rozwiązania jest jego prostota – do lądowania wykorzystywane są te same systemy co do startu, nie trzeba dźwigać ze sobą nic więcej poza paliwem. Oczywiście nie jest tak pięknie – pierwszy stopień F9 od pewnego czasu dźwiga ze sobą „tarki” – małe stateczniki pozwalające na lepszą kontrolę jego lotu. Dźwiga ze sobą także dodatkowe, małe silniczki na sprężony azot, które są używane do sterowania rakietą poza atmosferą (a także w czasie lotu w atmosferze). Dźwiga także większe niż potrzeba zbiorniki płynu hydraulicznego (mówiąc dokładniej kerozyny pod większym ciśnieniem). Jednak nadal jest to najprostsze z rozwiązań i jedyne które jest prawie gotowe do użycia. 

ULA i ArianeSpace mają podobny pomysł – zamiast ratować cały pierwszy stopień, lepiej się pozbyć zbiornika i uratować tylko silniki i awionikę. Jednak sposób w jaki to ma być wykonane różni się między firmami – ULA ma zamiar używać ładunków wybuchowych do oderwania silników od reszty rakiety a następnie nadmuchiwanej osłony termicznej (składającej się z koncentrycznych „kół ratunkowych” z kevlaru) w celu zabezpieczenia całości podczas wejścia w atmosferę. Potem mają się otworzyć spadochrony a całość ma zostać złapana przez helikopter.

ArianeSpace ma podobny pomysł – odczepienie silników i awioniki od zbiorników pierwszego stopnia + wypuszczenie osłony termicznej zabezpieczającej pojazd. Jednak po wejściu w atmosferę i wyhamowaniu do przyzwoitej prędkości zamiast spadochronu ma się rozłożyć skrzydło a następnie całość ma odsłonić dwa silniki turboodrzutowe. Dzięki temu taki pierwszy stopień może sobie lecieć spory kawałek i nie trzeba się martwić tym gdzie wyląduje. Podobny pomysł mają Australijczycy (pisałem o tym bodajże wczoraj), jednak oni chcą cały pierwszys topień wyposażyć w skrzydło i silnik (tyle że konwencjonalny) ze śmigłem.

Zupełnie inne podejście planują Stratolaunch i Virgin Galactic – obie te firmy planują używać dużych samolotów jako pierwszego stopnia rakiety dostarczając ją na tyle wysoko by można było poprawić efektywność silnika – rozmiar dyszy i efektywność zależy od ciśnienia atmosferycznego – silnik działający efektywnie na powierzchni morza jest nieefektywny (ma za krótką dyszę) w próżni. A do tego rakiety zużywają sporą ilość (nawet 50%) paliwa by wylecieć na wysokość 20 km, w związku z czym wyniesienie ich samolotem pozwala na spore oszczędności tegoż. Stratolaunch obiecuje pokazanie swojego samolotu jeszcze w tym roku, Virgin Galactic samolot już ma (WhiteKingTwo). Stratolaunch nadal nie wie jaką rakietę będzie wystrzeliwać w kosmos; Virgin Galactic pracuje intensywnie nad rakietą LauncherOne napędzaną kerozyną i ciekłym tlenem. Firma ma spory kontrakt od OneWeb, a pierwszy start planowany jest na 2016. Oczywiście w przypadku Virgin  Galactic daty należy traktować z dużą dozą ostrożności. Konkurencją dla Virgin Galactic jest kilka rozwiązań – przede wszystkim rakieta Electron firmy RocketLabUSA, ale także zaprojektowana przez USAF rakieta SuperStrypi – ta ostatnia jest szczególnie niebezpieczna, bo przy podobnym koszcie startu jest znacznie prostsza w budowie = ma większe szanse być niezawodną. 

Właśnie, warto wspomnieć o Super Strypi – ma ona za $12M wynieść na orbitę 475km trzystu-kilogramowy ładunek. Rakieta jest tak prosta jak to tylko się da – wszystkie trzy stopnie są na paliwo stałe, rakieta startuje z wyrzutni prętowej, ma tradycyjne lotki i jest stabilizowana przez kręcenie się (pozwala to na zastosowanie silnika pierwszego stopnia z nieruchomą dyszą). Nawet system samozniszczenia jest uproszczony i w pełni autonomiczny, co obniża koszty startów ($3M zamaist $5M)

Następne pomysły zaczynają zaczepiać o Science Fiction. Na granicy bajek i czegoś co może działać jest oczywiście firma Reaction Engines i jej silnik Sabre. Wydaje się że firma rozwiązała wszelkie problemy działania tego silnika i możliwe że uda się za kilka lat dokonać jego pierwszych testów na ziemi. Aha – pewne wyjaśnienie – o ile pamiętam napisałem wcześniej że ten silnik skrapla powietrze na co jeden z czytelników słusznie zauważył że się mylę. Okazuje się że nie do końca. Silnik „częściowo” skrapla powietrze – doprowadza je do stanu mgły – cześć powietrza jest nadal gazowa, część już ciekła. 

Zdecydowanie bliżej bajek jest firma Escape Dynamics, której rakieta ma zamiar nie brać ze sobą utleniacza. Pomysł jest oparty o kuchenki mikrofalowe – zamiast brać na pokład paliwo i utleniacz i w ten sposób generować energię potrzebną do rozgrzania gazów i wyprodukowania ciągu, dlaczego by nie wziąć ze sobą wyłącznie ciekłego wodoru a energię na jego zagotowanie dostarczać z ziemi za pomocą mikrofali? Pomysł świetny, problem z jego skalowaniem. Rakieta ma mieć wymiennik ciekła z węglików krzemu, który będzie podgrzewał wodór do ponad 2000C. Żeby osiągnąć jakiś przyzwoity ciąg wymagane są niesamowite ilości energii – firma szacuje że do wysłania 200 kg ładunku na orbitę potrzebne jest 65 MWh. Firma planuje budowę macierzy nadajników mikrofalowych, każdy o mocy 500 kw – będzie ich 800! Biorąc pod uwagę to że nie da się wyprodukować nadajników produkujących idealnie skoncentrowany promień fal, to w sporej odległości od tej macierzy wszystko będzie się błyskawicznie gotowało i zapalało. Firma planuje oczywiście użycie wielkich baterii, które będą się najpierw powoli ładowały, a potem w ciągu 4 minut oddawały te 65MWh. To samo w sobie jest bliskie bajek, choć firma zauważa że podobne problemy istniały w czasie budowy reaktorów termojądrowych Tokamak i zostały one rozwiązane = wszystko jest kwestią pieniędzy. Jak na razie firmie udało się wyprodukować 100 kW generator mikrofal pracujący w częstotliwości 92.3 GHz i przesłać energię na odległość 1.5 metra. Do wystrzeliwania rakiet w kosmos jeszcze daleka droga. Jednak rozwiązanie wydaje się bardzo zachęcające – ma zalety silnika nuklearnego (duży impuls specyficzny) bez jego wad (radioaktywność). Ten pomysł może się także kiedyś przydać do lotów na Marsa – można by sobie wyobrazić pojazd napędzany w ten sposób przez wielkie nadajniki mikrofal zasilane ogniwami słonecznymi na orbicie okołoziemskiej.