Odpočítávání pro raketová letadla

Sluncem rozpálené město Mojave v Kalifornii s pouhými 3 700 obyvateli se může pochlubit letištěm, které zabírá téměř stejnou plochu jako Los Angeles International. Rozsáhlá izolovaná lokalita na okraji lemované horami široké pouštní pláně byla domovem několika nezávislých leteckých společností. Vznikl zde Voyager, extrémně lehké letadlo, které v roce 1986 jako první létalo nonstop kolem světa bez doplňování paliva. Nyní, v skromné ​​nízké budově na okraji letiště, se možná rodí budoucnost vesmírné dopravy.

Uvědomte si, že ta budoucnost zatím nevypadá: maličké dvoumístné letadlo, které připomíná proudovou stíhačku s useknutým ocasem a tlustými křidélky nainstalovanými u nosu. Loni v červenci dosáhlo toto lehké plavidlo, nazvané EZ-Rocket, nového leteckého milníku, když pilot Dick Rutan, který také pilotoval Voyager, provedl stěžejním dotykem jeho dva raketové motory a provedl manévr: vzlétnutí, vypnutí motorů, přistání, znovu nastartovat motory a vzlétnout bez zastavení. To představovalo nový průlom v poskytování flexibility a ovladatelnosti raketově poháněnému plavidlu jako v letadle, což je skutečnost, která má zvýšený význam od katastrofy raketoplánu Columbia, která vyvolala nové otázky o životaschopnosti pilotovaného vesmírného programu vlády USA.

Každý z těchto dvou letů trval méně než 15 minut a nikdy nedosáhl výšek vyšších než 3000 metrů. Ukázali však, že Xcor Aerospace, společnost stojící za EZ-Rocket, může mít zatím nejlepší šanci skutečně poskytnout světu znovupoužitelné raketové letadlo, které přináší rutinní operace podobné letecké společnosti do světa raketové techniky a snižuje náklady na start na pouhých jedna desetina startu raketoplánu a dnešních postradatelných raket. Takové plavidlo by mohlo během několika let umožnit levné rozmístění satelitů pro výzkum a komunikaci a nastartovat vesmírnou turistiku. V delším časovém horizontu by nástupnické plavidlo mohlo zajistit osobní let do New Yorku do Tokia, který trvá méně než tři hodiny. A protože vymanit se z gravitace Země je největší náklad každé vesmírné mise, levnější starty jsou nezbytným předpokladem pro takové vizionářské podniky, jako jsou vesmírné solární kolektory, které by přenášely energii na Zemi 24 hodin denně, a těžba drahých kovů z asteroidů.

Lidé se samozřejmě po desetiletí pokoušeli realizovat vizi znovupoužitelného raketového letadla, ale s malým úspěchem. Raketová věda se stala synonymem pro pokročilou technologii, ale faktem je, že od počátku 60. let minulého století bylo v cestě k novému vývoji raket velmi málo, říká prezident Xcor Aerospace Jeff Greason, bývalý výkonný ředitel společnosti Intel. Co je nyní jiné, říká on a další, je to, že ještě předtím, než se Columbia 1. února rozpadla, lidé ve skutečnosti začali stavět a testovat nové designy. Ve skutečnosti více než dvě desítky společností po celém světě, nemluvě o NASA a dalších národních vesmírných agenturách, aktivně vyvíjejí raketová letadla. A se ztrátou Columbie, smrtí sedmi astronautů a následným uzemněním zbývajících raketoplánů pravděpodobně poroste jak počet vývojářů, tak naléhavost jejich úkolu. Potřeba najít nějaký způsob, jak získat nové technologie a nové přístupy k vesmírné dopravě, je pravděpodobně mnohem jasnější, než tomu bylo dříve, říká Greason.

Mnoho soukromých hráčů je pobídnuto vyhlídkou na získání 10 milionů dolarů X-Prize. Tato odměna, kterou nabízí nadace se sídlem v St. Louis, MO financovaná z podpory vesmírné turistiky, bude udělena prvnímu soukromě financovanému raketovému plavidlu, které dopraví tři lidi na okraj vesmíru (výška alespoň 100 kilometrů), vrátí se bezpečně na Zemi a do dvou týdnů to udělá znovu. K pokusu se již přihlásilo 24 hráčů.

Ale 10 milionů dolarů je pokles ve srovnání se skutečnou cenou: vesmírnou turistikou. Minulý rok průzkum zadaný NASA dospěl k závěru, že pokud by byla k dispozici spolehlivá plavidla, 15 000 bohatých hledačů vzrušení by se ročně zaregistrovalo na suborbitální lety, které stojí asi 50 000 dolarů za kus. To představuje 750 milionů dolarů na trhu. A i když by se to nevyrovnalo dnešnímu hlavnímu vesmírnému byznysu s vypouštěním satelitů – v roce 2001 vygenerovalo 39 startů po celém světě tržby téměř 3,3 miliardy dolarů – mohlo by to znamenat začátek něčeho mnohem většího. Vesmírný cestovní ruch má potenciál vyrůst v nové významné odvětví stejně důležité jako civilní letectví, říká Patrick Collins, ekonom z Azabu University v japonském Fuchinobe a dlouholetý zastánce komercializace vesmíru. V blízké budoucnosti, dodává, neexistuje žádná jiná aplikace prostoru s byť jen vzdáleně podobným potenciálem. A ať už se takový trh zhmotní rychle nebo ne – je možné, že mrazivé snímky rozpadlé Kolumbie budou v nadcházejících letech znervózňovat případné vesmírné turisty – samotná technologie zjevně dospívá. Loni v listopadu zpráva prezidentské komise pro americký letecký průmysl uvedla, že opakovaně použitelné nosné rakety, které by mohly přinejmenším podstatně snížit náklady na vysazování satelitů do vesmíru, jsou v tomto desetiletí dobře na dosah.

Historie neúspěchu

Vytváření opakovaně použitelných raketových letadel mělo být úkolem NASA. Ale úsilí NASA – X-33, ambiciózní koncept pro znovupoužitelné raketové letadlo, které mělo do roku 2005 demonstrovat technologie, které by nakonec mohly nahradit program raketoplánů – se stalo největším bílým slonem, jaký kdy americký vesmírný program vyrobil. V letech 1997 až 2001 bylo vynaloženo téměř 1,3 miliardy dolarů na plavidlo s vodíkovým pohonem a prakticky není co ukázat. NASA si osudově vybrala plán, který využíval řadu technicky náročných (čti: riskantních) technologií – včetně unikátních raketových motorů, palivových nádrží a tepelných štítů – a komplexní konstrukci vozidla. Každá z těchto technologií by musela fungovat, aby loď úspěšně vedla cestu k sesazení flotily raketoplánů – nyní již více než dvě desetiletí staré – pro mise, které zahrnují převoz astronautů na Mezinárodní vesmírnou stanici a vypouštění vědeckých nákladu, jako je Hubbleův teleskop. Vesmírný dalekohled.

Ale jedna část, kompozitní palivová nádrž na kapalný vodík postavená společností Lockheed Martin, v testech selhala. V roce 2001 NASA, která čelila vyhlídkám na další rok čekání na novou verzi, opustila úsilí a začala něco nového, říká bývalá přidružená administrátorka agentury pro politiku a plánování Lori Garverová. Pokaždé, když to uděláte, ztratíte půdu pod nohama. Nyní, dva roky po zrušení X-33, se neočekává, že by stále do značné míry nedefinované nové úsilí NASA přineslo náhradu raketoplánu dříve než za dvě desetiletí. Po Kolumbii však nepochybně bude tlak na urychlení tohoto harmonogramu.

Jedním z výsledků debaklu X-33 bylo vážně utlumit soukromé investice v této oblasti. Konvenční moudrost tvrdila, že pokud NASA nedokázala postavit opakovaně použitelnou raketu, nikdo by to nedokázal, říká Collins. Ale svět postrádá raketové letadlo ne proto, že by bylo obtížné ho postavit, říká. Jde jen o to, že prakticky veškerý raketový výzkum prováděla monopolní vládní agentura. Buzz Aldrin, který se v roce 1969 stal druhým člověkem, který se prošel po Měsíci, říká, že Spojeným státům prostě chybí ucelený národní program pro vývoj cenově dostupné, opakovaně použitelné odpalovací technologie. A zatímco příšerný osud Columbie mohl zaostřit pozornost, Aldrin říká, že prozatím jsme každopádně v háji.

Do tohoto nepořádku přichází Xcor Aerospace a jeho konkurenti. Jejich vize: postavit nový druh rakety. Na rozdíl od všech dosud vypuštěných raket by toto plavidlo letělo do vesmíru a vrátilo se domů nedotčené. (Některé návrhy vyžadují dvoufázový proces, při kterém se raketa zpočátku zvedne navazováním na tryskové letadlo.) Dokonce i raketoplány, první a jediná znovupoužitelná kosmická loď na světě, odhazují části dvou pomocných raket a všechny obrovské vnější palivová nádrž při každém startu.

Realizace této vize vypadá na papíře poměrně jednoduše. Raketové motory jsou v podstatě spalovací komory s čerpadly, která přivádějí palivo a okysličovadlo-kyslík nebo chemickou látku bohatou na kyslík, která umožňuje palivu hořet i ve vakuu vesmíru. Nepotřebují vysokorychlostní turboventilátory a kompresory proudových motorů, které poskytují kyslík ze vzduchu ke spalování paliva a tvoří asi 80 procent velikosti, hmotnosti a složitosti motoru. A v důsledku toho mohou rakety létat mnohem výše než tryskáče, které nemohou překročit výšku 16 kilometrů, protože vzduch je příliš řídký na to, aby spaloval letecké palivo a poskytoval vztlak jejich křídel.

Nikdo neříká, že takoví povýšenci, jako je Xcor Aerospace, mohou dosáhnout vesmíru v jednom kroku. Dosažení oběžné dráhy znamená dosáhnout rychlosti 27 800 kilometrů za hodinu, přepravit obrovské množství paliva a odolat extrémnímu namáhání. Řešení těchto výzev bude podle všeho trvat nejméně deset let. Mezitím se však lze mnohé naučit při fotografování na mnohem skromnější cíl: postavit raketově poháněné plavidlo schopné dosáhnout hranice vesmíru – výšky 100 kilometrů – aniž by se skutečně dostalo na oběžnou dráhu. Dosažení této výšky vyžaduje rychlost asi 4 500 kilometrů za hodinu, což není o mnoho vyšší než maximální rychlosti dnešních proudových stíhaček, takže konstruktéři plavidel by měli být schopni přizpůsobit relativně osvědčené systémy a technické postupy stíhaček nová úloha.

Prezident Xcor Aerospace Greason říká, že dosažení designového cíle je možné během několika příštích let. Ve skutečnosti asi před šesti lety opustil rychle se rozvíjející mikročipový průmysl, protože viděl, že vesmírný byznys je tam, kde byly počítače v 70. letech: několik společností ovládalo trh s velkým, drahým, exkluzivním hardwarem a nevšímaly si zásadní změnu přinese několik posedlých absolventů vysokých škol, kteří pracují v garážích a používají běžné díly k výrobě úžasných nových systémů osobních počítačů. Je to velmi podobné počátkům PC, říká Peter Diamandis, předseda a zakladatel nadace X-Prize Foundation. Suborbitální vozidla, která dokážou uskutečnit tisíce letů ročně, vytvoří tržiště změnou pohledu na vesmír: není to jen pro vlády, ale i pro veřejnost.

Malá, svižná soutěž

EZ-Rocket společnosti Xcor Aerospace je jako první počítače – jednoduchý, základní a z hlediska běžného leteckého průmyslu prakticky mikroskopický. Jeho dva raketové motory, poháněné alkoholem a kapalným kyslíkem, samostatně produkují pouze jednu tisícinu tahu každého ze tří hlavních motorů raketoplánu. Ale na rozdíl od jejich raketoplánových protějšků lze motory EZ-Rocket plně ovládat a dokonce je za letu vypnout a znovu nastartovat. Přesto je EZ-Rocket pouze předváděcí vozidlo. Drobné plavidlo je navrženo tak, aby shromáždilo zkušenosti se stavbou dvoumístného suborbitálního vesmírného letadla zvaného Xerus, které je nyní ve vývoji.

Pro Xerus vyvíjí Xcor Aerospace raketový motor s pětinásobným výkonem než EZ-Rocket – motor, který lze škrtit nahoru a dolů v širokém rozsahu rychlostí. Seskupení čtyř nebo pěti takových motorů by zvedlo raketové letadlo do výšky 100 kilometrů; pak by menší rakety umožnily plavidlu udržet stabilitu během výletu na okraji vesmíru.

Xcor Aerospace usiluje o dvoučlenný Xerus, i když nesplní kritérium tříčlenného X-Prize. Cena nebo žádná cena, Greason, Rutan a jejich hrstka spolupracovníků vidí spoustu tržních pobídek. Greason říká, že Xerus by mohl vynést malý náklad satelitu - asi 10 kilogramů - na nízkou oběžnou dráhu pomocí nosné rakety na satelitu. Takové malé satelity se používají pro univerzitní výzkumné projekty, které často musí čekat roky, než se připojí k vypuštění většího satelitu. A samotný Xerus by mohl být také použit pro výzkum – jako je sběr atmosférických dat nebo provádění technických experimentů, které vyžadují krátké časové úseky v prostředích s nulovou gravitací.

Skutečným cílem je však cestovní ruch. Greason říká, že Xerus by mohl turistům poskytnout půlhodinové projížďky – tři minuty beztíže a šanci vidět zakřivení Země a temnotu vesmíru – a pak přistát na obyčejné ranveji. Jen jeden Xerus by podle něj mohl vydělat 24 milionů dolarů ročně na příjmech z turistů při nákladech na vývoj nižších než 10 milionů dolarů. Společnost Xcor Aerospace, poháněná takovými vizemi, doufá, že do tří let zalétá a otestuje Xerus a připraví stroj na výrobu. Rozhodli jsme se udělat ty nejmenší kroky, které jsme mohli, s co největším počtem z nich generujících příjmy, vysvětluje Greason. Pokud Xerus funguje a turistické zisky se dostaví, říká, vývojáři společnosti by se začali potýkat s hlavním úkolem – dostat se na oběžnou dráhu.

Myšlenka nejmenších kroků má samozřejmě určitou historickou rezonanci, pokud jde o vesmírné technologie. Ale zatímco Xcor Aerospace se zaměřuje na inkrementální přístup, několik konkurenčních společností již sleduje velkou vizi: plavidlo, které se může dostat až na oběžnou dráhu. Jedním z hráčů je Pioneer Rocketplane v Solvangu v Kalifornii. Společnost navrhla hybrid rakety a proudového letadla s názvem Pathfinder, který bude startovat s tradičními proudovými motory. Jakmile bude v cestovní výšce asi 5 500 metrů, letadlo s palivovou cisternou se setká s Pathfinderem a načerpá kapalný kyslík do prázdné nádrže na palubě plavidla. Poté, poháněný kombinací kapalného kyslíku a petroleje, Pathfinder zapálí svůj raketový motor a vyletí do výšky 139 kilometrů, kde uvolní bezpilotní horní stupeň, aby na oběžnou dráhu vynesl náklad o hmotnosti 2280 kilogramů.

Stejně jako Xcor Aerospace i Pioneer začíná s menší verzí – Rocketplane XP – která bude soutěžit o X-Prize. Přestože XP ani Pathfinder nedosáhly ani stádia prototypu, Pioneer Rocketplane je považován za seriózního hráče. Jeho generální ředitel, Mitchell Burnside Clapp, byl zodpovědný za návrh Air Force znovupoužitelné rakety podobné letadlu, která se později vyvinula v koncept Pathfinder. Díky této konstrukci je Pioneer Rocketplane předním konkurentem projektu Agentury pro výzkum pokročilých obranných projektů, jehož cílem je vyvinout levný raketový odpalovací satelit. (Očekává se, že agentura oznámí udělení dvou konečných smluv o designu 1. března.)

Většina hráčů na znovupoužitelné rakety uvažuje v termínech přepravy lidí – pilotů i turistů. Ale německé Astrium výslovně vynechává lidský náklad. Místo toho vyvíjí autonomní raketové plavidlo nazvané Hopper, které je navrženo tak, aby poskytovalo levné starty satelitů. Prvním krokem v tomto směru je Phoenix, verze Hopperu v měřítku jedné šestiny.

Phoenix je především testovací lože pro technologii autonomního přistání. Konstruktéři plavidla začleňují laserové výškoměry, výškové senzory a digitální zařízení Global Positioning System spolu s inteligentními navigačními algoritmy, které umožňují plavidlu přistávat na klouzavou dráhu bez pomoci lidí nebo zařízení na zemi. První test vozidla, které je ve výstavbě, se očekává v příštím roce: vrtulník shodí Phoenix z výšky asi 1400 metrů a nechá jej přistát samostatně. Astrium odhaduje, že Hopper v plné velikosti by mohl vypouštět satelity za 15 až 20 let, při polovičních nákladech na vypouštění.

A NASA nesedí na vedlejší koleji. Ačkoli přesný tvar nástupnického programu nešťastného X-33 stále pracuje administrátor agentury Sean O'Keefe, který se ujal kormidla koncem roku 2001, NASA začala vytvářet dlouhodobé plány na větší, ambicióznější plavidlo před katastrofou v Kolumbii. Orbitální vesmírné letadlo je zatím jen prázdný list papíru, ale myšlenka je, že by bylo připraveno do roku 2012 dopravit posádku a malé množství nákladu na Mezinárodní vesmírnou stanici.

Pokud poletí do roku 2012 nebo dříve, orbitální vesmírné letadlo by se dostalo na oběžnou dráhu na vrcholu konvenční vyměnitelné rakety. NASA však doufá, že nakonec tuto raketu nahradí znovupoužitelným systémem. Za tímto účelem výzkumníci z Marshall Space Flight Center NASA v Huntsville, AL, zjednodušují a zefektivňují konstrukci raketových motorů a začleňují vestavěné diagnostické systémy k detekci problémů, jako jsou praskliny, netěsnosti a zaseknuté ventily. Takové systémy by přinesly obrovské úspory ve srovnání s raketoplány, jejichž motory jsou po každé misi demontovány a kontrolovány stovkami inženýrů. Cílem je dostat spolehlivost raketových motorů do stejné kategorie jako dnešní proudové motory, říká Garry Lyles, který má na starosti pohonné systémy pro program NASA na vývoj technologie pro budoucí nosné rakety. Právě teď však plány NASA vyžadují plně znovu použitelnou náhradu raketoplánu do roku 2025.

Private Push

Navzdory špatným výsledkům s raketovými letadly zůstává NASA vážným dlouhodobým konkurentem. Poněkud neuspěchaný harmonogram agentury však ponechal pole pro soukromý sektor široce otevřené. A vzrušení z potenciálu malých společností skutečně vyrábět opakovaně použitelné raketové plavidlo roste. Vítězství X-Prize jedné z těchto společností by rozptýlilo skepticismus a mohlo by také nastartovat investice. Je to psychologický krok, říká Rand Simberg, letecký inženýr a konzultant. Malé společnosti se vracejí zpět a dělají to tak, jak by se to mělo v první řadě udělat.

Jedna firma, která předvídá schopnost malých společností prorazit nové cesty, rezervuje turistické lety raketovými letadly, která dnes existují pouze na papíře. Space Adventures z Arlingtonu, VA, již posílá turisty na lety letadlem s nulovou gravitací do Ruska a zajistila ruské vesmírné lety – každý s cenou 20 milionů dolarů – na Mezinárodní vesmírnou stanici pro amerického obchodníka Dennise Tita v roce 2001 a Jihoafrickou republiku. Minulý rok internetový magnát Mark Shuttleworth. Nyní společnost sází na Xcor: uzavřela smlouvu na 600 turistických letů Xerus a dokonce přijala hotovostní vklady od více než 100 zákazníků.

Byli jsme ohromeni týmem lidí Xcor a jejich schopností vyrábět skutečný létající hardware a provádět demonstrace s nízkým rozpočtem, říká Eric Anderson, prezident Space Adventures. A ačkoli se Anderson zpočátku obával, že by děsivý zánik Kolumbie mohl způsobit, že někteří z jeho zákazníků si dvakrát rozmyslí cestování do vesmíru, v prvních dnech po ztrátě raketoplánu nikdo nepožádal o vrácení peněz – tato skutečnost, jak říká, ukazuje silný lidský závazek k letům do vesmíru. . Místo toho, aby lidi strašil, dodává, že to, co se stalo Columbii, poslouží jako budíček. Za deset let se lidé budou cítit bezpečněji, budou bezpečněji vycházet na oběžnou dráhu v důsledku zlepšení, která nevyhnutelně vyplynou z vyšetřování nehody.

Podpora společnosti Space Adventure Xcor a dalších raketových společností poskytuje synergii, která může být klíčová pro realizaci desetiletí starých vizí znovupoužitelných raket, říká Bruce Lusignan, profesor elektrotechniky na Stanfordské univerzitě a ředitel Centra pro mezinárodní spolupráci ve vesmíru, a. celosvětové konsorcium univerzit. Říká, že příjmy z cestovního ruchu souvisejícího s vesmírem by mohly být použity k financování nové generace nosných raket zaměřených na turisty, a to by mohlo být jádrem budování schopnosti. To by mohla být správná cesta. A to znamená, že EZ-Rocket – to impozantní testovací vozidlo na obrovském letišti Mojave – by se mohlo stát prvním počítačem nového vesmírného věku.

skrýt