Pisałem już kilka razy o tym wynalazku, ale powtórzę dla nie pamiętających – co jest takiego niezwykłego w tym rozwiązaniu? Przede wszystkim dość nowatorskie podejście do silnika będącego takim nie-do-końca aerospike. Po drugie równie nowatorskie podejście do powrotu z orbity z wykorzystaniem ciepła generowanego w czasie wejścia w atmosferę do zwiększenia efektywności silnika.
Jak wiecie silniki rakietowe wymagają dwóch kluczowych kawałków żelastwa:
- komory spalania
- systemu dostarczania paliwa i utleniacza pod ciśnieniem wyższym niż to w komorze spalania
To ostatnie jest szczególnie kluczowe – im wyższe ciśnienie w komorze spalania tym wyższa efektywność silnika. A jednocześnie pompowanie dużych ilości paliwa i utleniacza pod dużymi ciśnieniami wymaga olbrzymich ilości energii. I sposób w jaki pozyskuje się tą energię jest właśnie kluczowy dla efektywności silnika. Sposobów jest wiele. Od użycia kompresorów na ziemi i wzięcia ze sobą sporych ilości silnie sprężonych gazów (azot/hel) tak by utrzymywać w zbiornikach ciśnienie większe niż w komorze spalania, poprzez używanie ciepła powstałego w tejże komorze do podgrzania gazów a skończywszy na spalaniu części paliwa i utleniacza w celu produkcji energii. Każde z tych rozwiązań ma swoje zalety i wady. Jednak pomysł użycia energii powstającej w wyniku kompresji atmosfery przy powrocie z orbity wydaje się dość nowatorski. Jak do tej pory wszelkie pojazdy wracające z orbity próbowały ją rozproszyć, wypromieniować i ograniczyć jej absorpcję przez pojazd. Używać tej energii do czegoś przydatnego nie próbował nikt. Nawet SpaceX w Starship planuje trzymać paliwo i utleniacz jak najdalej od nagrzewających się części pojazdu. A Stoke Space idzie inną drogą.
Osłony termiczne w posadach kosmicznych mają jedno zadanie – ograniczyć absorpcję generowanej energii przez pojazd, tak by pojazd się przypadkiem nie roztopił. To w połączeniu z masą pojazdu która musi być na tyle duża by zaabsorbowane ciepło nie podniosło za bardzo temperatury. Pierwsze próby powrotów z orbity używały olbrzymich bloków metalu – nie próbowano ograniczyć absorpcji a jedynie spowodować by łączna ilość zaabsorbowanej energii nie była w stanie podnieść temperatury pojazdu powyżej krytycznej wartości. Jednak pojazdy wracające z orbity zwykle przewożą białko, które się ścina przy kilkudziesięciu stopniach Celsiusza, więc następnym krokiem było połączenie tych dwóch technik – ograniczyć przenikanie ciepła ile to możliwe, tak by po zakończeniu lotu pojazd nie był cieplejszy niż to co są w stanie przeżyć jego pasażerowie. W przypadku pojazdów bezzałogowych jest to troszkę łatwiejsze, bo można pozwolić na rozgrzanie się całości trochę bardziej, choć włókna węglowe nie są jakoś szczególnie bardziej odporne niż ludzie a aluminium też nie pozwala na jakieś większe szaleństwa. Za to stal wybrana przez Muska można dość porządnie nagrzać bez ryzyka że zrobi się plastyczna. Tyle że docelowo Starship będzie miał w środku białko i trzeba będzie to jakoś rozwiązać (pewnie kabina załogowa będzie dodatkowo izolowana).
Kończąc już tą dygresję i wracając do Stoke Space – drugi stopień rakiety jest zbudowany w dużym stopniu jak typowa kapsuła załogowa – ma osłonę termiczną na spodzie. Jednak ta osłona jest znacznie cieńsza / lżejsza co pozwala na przenikanie większych ilości energii. I ta energia idzie na podgrzanie paliwa i utleniacza – zdobycie energii niezbędnej do pompowania tychże do komory spalania. W ten sposób realna efektywność silników się znacząco zwiększa. W czasie lotu na orbitę, energia jest pobierana z gazów spalinowych (jak w typowym aerospike) i efektywność takiego rozwiązania nie jest jakaś szczególnie rewelacyjna, choć jest teoretycznie znacznie lepsza niż w silnikach w których spala się paliwo w celu napędzania turbosprężarek.
Jak pewnie sobie możecie wyobrazić, diabeł tkwi w szczegółach. Przykładem jest słynny silnik Sabre firmy Skylon – jego zasada działania też jest rewolucyjna, jednak masa dodatkowego żelastwa oraz poziom skomplikowania powodują że jak dotąd ten silnik nie wyszedł poza ramy testów. To samo tutaj – trudno powiedzieć czy docelowo uda się zoptymalizować całość tak, by rzeczywiście dało się osiągnąć odzysk drugiego stopnia w rakiecie znacząco mniejszej niż Starship przy jakimś przyzwoitym udźwigu. Jednak jedno jest pewne – jeżeli ten sposób odzysku jest realny, to można oczekiwać że Blue Origin uczepi się go jak rzep psiego ogona, bo firma rozpaczliwie potrzebuje takiego rozwiązania dla New Glenn. Jak pewnie pamiętacie rozważane były przez nich trzy opcje – coś jak Stoke Space, coś jak prom kosmiczny i coś jak Starship. „Coś jak prom kosmiczny” jest rozwiązaniem które rozważa ArianeSpace – wbrew pozorom to nie jest głupie rozwiązanie, promy udowodniły że daje się je używać wielokrotnie, a technologia osłon termicznych poszła daleko do przodu od tamtych czasów i pewnie dało by się bez większych problemów zbudować coś, co mogło by latać równie często jak samolot a koszt targania na orbitę skrzydeł i podwozia nie jest aż taki wielki, szczególnie biorąc pod uwagę inne zalety (np. niskie przeciążenia przy powrocie na Ziemię). Jednak uzyskanie przyzwoitego udźwigu na LEO wymaga rakiety nośnej znacząco większej od New Glenn. A o lotach na GTO można raczej zapomnieć / niezbędny byłby albo jednorazowy trzeci stopień, albo coś co ULA kiedyś chciało zbudować, czyli kosmiczny pchacz obsługujący transfery między tymi orbitami. Ale to uniwersalny problem drugich stopni wielokrotnego użycia, choć SpaceX ma w planach go rozwiązać tankowaniem na orbicie i/lub jednorazowymi Starshipami. I tu właśnie widać zaletę Starship nad tymi wszystkimi rozwiązaniami – bazowa architektura pozwala na budowę wielu wariantów – zarówno jednorazowych, jak i wielorazowych przeznaczonych do powrotów na Ziemię lub obsługi tras międzyplanetarnych. W przypadku rozwiązania ze skrzydłami usunięcie ich wymaga praktycznie zaprojektowania pojazdu na nowo. Podobnie z tym Stoke Space – obsługa GTO prawie na pewno będzie wymagała jednorazowej „kick stage”.
Rozpisałem się, ale mam nadzieję że wyjaśniłem w miarę porządnie dlaczego rozwiązanie Stoke Space jest czymś, czym powinniśmy się umiarkowanie ekscytować. Umiarkowanie!
