Miért van szükség a rakétáknak színpadokra? A küldetés egy pályára való egyszintes felépítésre (SSTO)
Ne értsen félre, a Science Fiction fantasztikus. Mint szinte mindenki, aki az űrkutatás és a csillagászat területén dolgozik, rám is nagy hatással volt a sci-fi. Számomra ez volt a Star Trek és a Star Wars. Volt egy játékfázisom, ami ezt a fantasztikus, nagyon hangos fézerhangot adta, és megállás nélkül játszottam vele, amíg egy nap el nem tűnt. És biztos voltam benne, hogy a padlóm közepén hagytam, mint az összes játékommal, de néhány évvel később megtaláltam egy szekrényben elrejtve, amit nem tudtam elérni. És mindig azon töprengtem, hogyan került oda.
Na mindegy, vissza a sci-fi-hez. A tudományos-fantasztikus irodalom minden inspirációja ellenére néhány ötletet juttatott az agyunkba, amelyek nem teljesen hasznosak. Tudod, a lánchajtások, a mesterséges gravitáció, a teleportáció és a rakéták, amelyek felszállnak, repülnek az űrbe, felkeresnek más csillagok körül keringő bolygókat, és újra leszállnak.
A Millennium Falcon, Firefly és Enterprise Shuttles mind példák az egyfokozatú pályára pályára állító űrhajókra vagy SSTO-kra.
Gondoljunk csak a valóságban létező rakétákra, az Atlaszokra, Sólymokra és Deltákra. Felszállnak egy kilövőállásról, repülnek egy kicsit, amíg el nem fogy az üzemanyag egy rakétafokozatban, majd kidobják azt a fokozatot, és a következő fokozattal lökdösik. A hatalmas Saturn V olyan erős volt, hogy három fokozata volt, mivel így keringett.
A Saturn V hordozórakéta diagramja. Köszönetnyilvánítás: NASA/MSFC
Amint azt egy korábbi cikkünkben tárgyaltuk, A SpaceX azon dolgozik, hogy az első, sőt talán a második szakasz újrafelhasználható legyen , ami óriási előrelépést jelent ahhoz képest, hogy hagyjuk, hogy minden felégjen, de nincs olyan rakéta, amely egyetlen lépcsőben repülne fel és vissza. Valójában a mai technológiát használva ez valószínűleg nem jó ötlet.
Dolgozott már valaki egyetlen pályán a pályán? Milyen technológiai fejlesztésekre lesz szükség ahhoz, hogy ez működjön?
Ahogy korábban mondtam, a rakéta egyetlen fokozata olyan lenne, mint a Millenium Falcon. Üzemanyagot szállít, majd ezzel az üzemanyaggal pályára repül, és világról világra. Amint kifogy az üzemanyag, újra megtöltik, majd újra kikapcsol, megtéve a Kessel Run-ot és elkerülve a birodalmi blokádokat.
Ez a rakétakoncepció a személyes tapasztalatainkhoz illeszkedik minden más járműhöz, amelyen valaha is utaztunk. Körbevezeti az autóját, és tankolja, ugyanúgy, mint a hajók, repülőgépek és a földi közlekedés minden más formájával.
Ám az űrbe repüléshez olyan energiaráfordításra van szükség, amely ellenszegül a megértésnek. Hadd mondjak egy példát. Egy Falcon 9 rakéta körülbelül 22 800 kilogrammot képes alacsony Föld körüli pályára emelni. Ez körülbelül ugyanaz, mint egy teljesen megrakott cementszállító teherautó – ami nagyon sok.
A SpaceX Falcon 9 2017. január 14-én indul, a Return to Flight felbocsátása a kaliforniai Vandenberg légibázisról, tíz Iridium NEXT kombájnnal a pályára. hitel: SpaceX
A teljes üzemanyaggal működő Falcon 9 valamivel több, mint 540 000 kg, ebből több mint 510 000 kg üzemanyag, egy kis plusz tömeggel a motorokhoz, üzemanyagtartályokhoz stb. Képzelje el, ha olyan autót vezetne, amelynek 95%-a üzemanyag volt.
A probléma specifikus impulzus; az a maximális tolóerő, amelyet egy adott típusú motor és üzemanyagtípus elérhet. Nem megyek bele minden részletbe, de a leghatékonyabb vegyi rakétáink, amelyek folyékony hidrogénnel és oxigénnel működnek, alig képesek elegendő tolóerőt leadni ahhoz, hogy pályára álljanak. Maximális fajlagos impulzusuk körülbelül 450 másodperc.
Mivel a rakéta kilövéséhez szükséges üzemanyag mennyisége nagyon magas, a modern rakéták állomásrendszert használnak. Miután egy fokozat kiürítette az összes üzemanyagot, leválik, és visszatér a Földre, így a második fokozat tovább tud működni anélkül, hogy magával kellene húznia az üres üzemanyagtartályok súlyát.
A Falcon 9 rakéta fokozatának szétválása után a lángok alig láthatók a fúvóka körül, mivel a második fokozat hajtóműve kigyullad, és az első fokozat visszazuhan a Földre. hitel: SpaceX
Meglepődhet, ha megtudja, hogy sok modern rakéta egyetlen fokozattal képes pályára állni. A probléma az, hogy nem tudnának jelentős rakományt szállítani.
Végső soron, figyelembe véve a mai vegyi rakétákat, a többlépcsős profil a leghatékonyabb és legköltséghatékonyabb stratégia a lehető legalacsonyabb költséggel a legtöbb hasznos teher űrbe szállítására.
Valaki próbált már SSTO-t fejleszteni a múltban? Egyértelműen. A legtöbbet valószínűleg a NASA X-33/VentureStar programja jelentette, amelyet a Lockheed Martin fejlesztett ki az 1990-es években.
A javasolt X-33 űrhajó. Köszönetnyilvánítás: NASA
Az X-33 célja az volt, hogy egy sor új technológiát teszteljen a NASA számára, beleértve a kompozit üzemanyagtartályokat, az autonóm repülést és az új emelőtest-kialakítást.
Annak érdekében, hogy ez működjön, kifejlesztettek egy újfajta rakétahajtóművet, az úgynevezett „aerospike”. Ellentétben a szokásos rakétamotorokkal, amelyek meghatározott mértékű tolóerőt biztosítanak, az aerospike-ot vissza lehet fojtani, mint egy sugárhajtóművet, kevesebb üzemanyagot használva alacsonyabb magasságokban, ahol a legsűrűbb a légkör.
Az eredetileg az X-33 programhoz épített Linear Aerospike XRS-2200 ikermotorok tesztjét 2001. augusztus 6-án végezték el a NASA mississippi állambeli Sternis Űrközpontjában. A hajtóműveket a tervezett 90 másodpercig lőtték, és elérték a tervezett 85 százalékos maximális teljesítményt. Köszönetnyilvánítás: a NASA Marshall Űrrepülési Központja
A Lockheed Martin egy 1/3-os léptékű prototípuson dolgozott, de sok új technológiával küszködtek. Végül azért, mert nem tudtak folyékony oxigént és hidrogént tartalmazó kompozit üzemanyagtartályt építeni, arra kényszerítette őket, hogy feladják a projektet.
Még ha sikerülne is a technológiát működésbe hozni, tehát az X-33 teljesen újrafelhasználható lett volna, a hasznos teherhordó képessége drámaian alacsonyabb lett volna, mint egy hagyományos többlépcsős rakéta.
Ahhoz, hogy valóban megvalósítsuk az egyfokozatú pályára állítás álmát, el kell hagynunk a vegyi rakétákat, és olyan típusú hajtóművekre kell áttérnünk, amelyek hatékonyabban képesek tolóerőt leadni.
Tudjuk, hogy a sugárhajtóművek hatékonyabban működnek, mint a rakéták, mert csak üzemanyagot kell szállítaniuk. Oxigént vonnak be a légkörből, hogy elégessék az üzemanyagot. Az egyik érdekes ötlet tehát az, hogy olyan rakétát készítsünk, amely a légkörben sugárhajtóműként működik, majd az űrben való kijutás után úgy működik, mint egy rakéta.
És ez a terv a brit Skylon rakétával. Normál kifutóról szállna fel, körülbelül 6600 km/h-ra gyorsulva elérné a 26 kilométeres magasságot. A SABRE motorja mindvégig oxigént vont be a légkörből, és hidrogén üzemanyaggal kombinálta.
Egy művész elképzelése a Reaction Engines Skylon űrhajójáról. Kredit: Reakciómotorok
Ettől a ponttól kezdve átváltana egy belső folyékony oxigéntartályra, hogy oxidálószert biztosítson, és befejezze a repülést a pályára. Mindeközben ugyanazt a rugalmas SABRE motort használjuk. A pályára kerülve elengedi 15 tonnás hasznos terhét, majd visszatér a Földre, és egy kifutópályán landol, mint az űrrepülőgép. Ez egy igazán kreatív ötlet.
Sajnos a Skylon fejlesztése sokáig tartott, a költségvetések zsugorodása korlátozza a tesztek számát. Ha minden jól megy, az első prototípus néhány éven belül repülhet, úgyhogy maradjon velünk a történettel.
Egy másik ötlet, amelyet teszteltek, egy nukleáris rakéta ötlete. Ellentétben a vegyi rakétákkal, amelyek üzemanyagot égetnek el, és hátulról robbantják ki a tolóerő érdekében, egy nukleáris rakéta reaktort hordozna a fedélzetén. Valamilyen üzemi tüzelőanyagot, például folyékony hidrogént felmelegít, majd hátulról kifújja, hogy meghajtót tudjon adni.
A NERVA szilárdmagos nukleáris-termikus motor kulcselemei. Köszönetnyilvánítás: NASA
A NASA néhány évtizeddel ezelőtt néhány tesztet végzett a NERVA nevű nukleáris termikus rakétával, és azt találta, hogy ezek nagyon hosszú ideig képesek nagy tolóerőt fenntartani. Végső prototípusuk több mint 2 órán át folyamatos tolóerőt biztosított, ebből 28 percet teljes erővel.
A NASA számításai szerint egy nukleáris meghajtású rakéta nagyjából kétszer olyan hatékony lenne, mint egy hagyományos vegyi rakéta. 950 másodpercnél hosszabb fajlagos impulzussal rendelkezne. De egy nukleáris rakéta repülése az űrbe jelentős hátránnyal jár. A rakéták felrobbannak. Rossz, ha egy vegyi rakéta felrobban, de ha egy atomreaktor felrobbant, miközben felfelé halad a légkörön, radioaktív törmeléket záporozna le. Egyelőre ez túl nagy kockázatnak számít; a jövőbeli bolygóközi küldetések azonban nagyon jól használhatnak nukleáris rakétákat.
Van még egy egzotikus üzemanyagrendszer, amely igazán izgalmas – a fémes hidrogén. Ez a szilárd forma természetesen megjelenik a Jupiter szívében, a bolygó gravitációjának hihetetlen nyomása alatt. De az év elején a Harvard kutatói végre létrehoztak néhányat a laboratóriumban. Egy apró satu segítségével préselték ki a hidrogénatomokat nagyobb erővel, mint a Föld középpontjában uralkodó nyomás.
Mikroszkópos képek az atomi molekuláris hidrogén létrehozásának szakaszairól: Átlátszó molekuláris hidrogén (balra) körülbelül 200 GPa nyomáson, amely fekete molekuláris hidrogénné alakul, végül 495 GPa nyomáson visszaverődő atomi fémes hidrogén. Köszönetnyilvánítás: Isaac Silvera
Óriási mennyiségű energiára volt szükség ahhoz, hogy a hidrogént szorosan összenyomják, de elméletileg, ha elkészítették, viszonylag stabilnak kell lennie. És itt van a legjobb rész. Amikor meggyújtod, visszakapod ezt az energiát.
Ha rakéta-üzemanyagként használnák, akkor 1700 másodperces fajlagos impulzust adna. Hasonlítsa össze a vegyi rakéták mindössze 450-nel. A fémes hidrogénnel hajtott rakéta egyetlen fokozattal könnyen pályára állna, és hatékonyan eljutna más bolygókra.
A Single Stage to Orbit rakéták fantasztikusak lennének. A sci-fi megjövendölte. Ennek ellenére a nap végén az a legérdekesebb rakétarendszer, amelyik a legtöbb hasznos terhet a legalacsonyabb áron juttatja pályára. És jelenleg ezek a rakéták.
Nagyobb probléma azonban a megbízhatóság és az újrafelhasználhatóság. Ha egyetlen járművet kaphat, amely felszáll, pályára áll, majd visszatér az indítóállásra, akkor ennél egyszerűbbet nem kaphat. Nincs rakéta, amit újra kell rakni, nincs uszály a navigáláshoz. Csak újra és újra ugyanazt a rendszert használja és használja, és ez egy igazán izgalmas ötlet.
Ebben a pillanatban az újrafelhasználható rakéták, például a SpaceX előnyt élveznek, de ha és amikor a Skylon repülni kezd, akkor szerintem komoly verseny lesz.
Amint elsajátítjuk a fémes hidrogént, az űrrepülés egészen másként fog kinézni. A tudományos valóság majdnem megegyezik a sci-fivel, és végre repülhetem a saját Millennium Falconomat.
Podcast (hang): Letöltés (Időtartam: 11:30 – 4,0 MB)
Iratkozz fel: Apple Podcastok | RSS
Podcast (videó): Letöltés (Időtartam: 11:33 – 150,7 MB)
Iratkozz fel: Apple Podcastok | RSS