Kategorie
Kosmologia

Program promu kosmicznego

Jak widzimy, osiągnięcie korzyści z budowy rakiet nośnych wielokrotnego użytku nie jest tak proste, jakby się wydawało. Połączenie sukcesu technicznego z katastrofą finansową, jakim był program promu kosmicznego, stanowi tego dobitny dowód. Ale czy można zaprojektować układy startowe wielokrotnego użytku tak, aby były ekonomicznie opłacalne? Odpowiedź brzmi: zdecydowanie tak.

Prom kosmiczny okazał się finansowym fiaskiem nie dlatego, że był pojazdem wielokrotnego użytku, ale z tego powodu. Iż jego założenia, zarówno techniczne, jak i programowe, były błędne. Wahadłowiec jest pojazdem startowym tylko w części odzyskiwalnym: jego dolne stopnie zaprojektowane zostały do jednokrotnego użytku lub tylko do częściowego odzysku, podczas gdy jego górny stopień (statek orbitalny) był przeznaczony do wielokrotnego użytku. Niektórym takie rozwiązanie może się wydawać bardzo estetyczne, lecz z punktu widzenia inżynierii konfiguracja ta jest dokładną odwrotnością właściwego sposobu projektowania rakiet nośnych z elementami przeznaczonymi do wielokrotnego użytku. To właśnie dolne stopnie należało przeznaczyć do ponownego wykorzystania, a stopień górny powinien być jednorazowy. Dlaczego? Ponieważ dolne stopnie wielostopniowej rakiety są o wiele masywniejsze niż stopień górny. Jeśli więc decydujemy się na zaprojektowanie stopnia górnego lub dolnego jako części wielokrotnego użytku, musimy pamiętać, że oszczędzimy dużo więcej pieniędzy, korzystając kilkakrotnie ze stopnia dolnego. Ponadto znacznie łatwiej jest przystosować dolny stopień do wielokrotnego użytku, ponieważ lata on znacznie niżej i wolniej, dzięki temu poddawany jest dużo mniejszym naprężeniom podczas ponownego wchodzenia w atmosferę. Na koniec, utrata nośności przy dodaniu układów wymaganych w pojazdach wielokrotnego użytku jest znacznie mniejsza, gdy umieści się je na dolnych stopniach. Na przykład w typowej dwustopniowej rakiecie wielokrotnego użytku każdy dodatkowy kilogram masy właściwej dolnego stopnia pociąga za sobą zmniejszenie masy ładunku dostarczanego na orbitę o jakieś 0,1 kilograma. Natomiast dodatkowy kilogram masy właściwej na górnym stopniu powoduje stratę całego kilograma ładunku. Wahadłowiec jest w istocie stutonową rakietą ziemia-or-bita, ale ponieważ na jej górny stopień składa się orbiter wielokrotnego użytku o masie właściwej równej 80 ton, prom w rzeczywistości może dostarczyć na orbitę jedynie 20 ton ładunku. Prom kosmiczny wytwarza na platformie startowej takie ilości dymu, ognia oraz tak potężną siłę ciągu, że powinien wynosić na orbitę ładunek pięciokrotnie masywniejszy niż rakieta Tytan 4. Ale ponieważ oprócz ładunku układ musi także dostarczyć na orbitę statek orbitalny, zaledwie dorównuje nośnością rakiecie Tytan. Na orbicie okołoziemskiej nie potrzeba dodatkowego obciążenia w postaci 60 ton skrzydeł, urządzeń do lądowania oraz osłon termicznych, tymczasem wahadłowiec i tak je tam ze sobą zabiera (płacąc przy tym 10 milionów dolarów za tonę). Krótko mówiąc, wahadłowiec jest tak niewydajny, ponieważ został zaprojektowany do góry nogami.

Inne przyczyny tak wielkiej niewydajności wahadłowca biorą się stąd, że został on zaprojektowany i zbudowany jako statek mający utrzymać agencję. Potrzeby programu Apollo dały NASA sposobność stania się wielką agencją federalną. Kiedy jednak program Apollo chylił się ku końcowi, zarówno agencja, jak i jej polityczni sprzymierzeńcy potrzebowali jakiegoś zajęcia dla licznej siły roboczej i prywatnych kontrahentów. Niestety, zamiast postawić przed wielką armią talentów technicznych, skupionych w NASA, zadanie godne jej umiejętnościom – założenie załogowych stacji na Księżycu i Marsie – administracja Nixona zdecydowała pozostawić agencję w stanie spoczynku. Konsekwencją tej decyzji było podjęcie programu promu kosmicznego. Innymi słowy, prawdziwym powodem powstania wahadłowca nie było pragnienie uzyskania nowego układu nośnego, lecz chęć znalezienia zajęcia dla pracowników. Agencja osiągnęła swój cel w sposób godny podziwu, sukces ten wykluczał jednak rozwój tańszych metod dostępu na orbitę. Nie ulega bowiem wątpliwości, że niezależnie od tego, w jakim stopniu rakieta jest odzyskiwalna, prowadzenie programu średniej rakiety nośnej startującej osiem razy do roku, programu, który musi pomimo tego utrzymać 50 tysięcy pracowników obsługi naziemnej, nigdy nie będzie dochodowe.

Biorąc to wszystko pod uwagę, możemy uznać, że kluczem do stworzenia opłacalnych systemów startowych wielokrotnego użytku są: (a) wysoka częstotliwość lotów, (b) mała liczba pracowników obsługi naziemnej oraz (c) odzyskiwalny pierwszy stopień rakiety. Jedynym sposobem dotrzymania jednocześnie warunków (a) i (b) jest zbudowanie bardzo prostego systemu, wymagającego jak najmniejszej liczby prac naprawczych i przygotowań między startami. Ponieważ zastosowanie wielu stopni znacznie zwiększa złożoność rakiety, oczywiste jest, że idealny pojazd wielokrotnego użytku powinien mieć tylko jeden stopień. Spełniłoby to zarazem warunek (c), ponieważ pierwszy stopień byłby jedynym stopniem. Płynie stąd wniosek, że najlepszym układem nośnym jest jedno-stopniowy statek kosmiczny wielokrotnego użytku (Single-Stage-To-Orbit, SSTO).

Lot na orbitę jednostopniową rakietą nośną wielokrotnego użytku musi spełniać niezwykle wygórowane wymogi techniczne. Żeby dotrzeć na orbitę, używając wodorowo-tlenowej mieszaniny paliwowej (najbardziej wydajnej mieszanki w rakietach z napędem chemicznym), SSTO musiałby utrzymać właściwą masę strukturalną w granicach 10% masy startowej. Pozostałe 90% masy statku stanowi paliwo. Na podane 10% muszą się składać: silniki, zbiorniki paliwowe, instalacje kanalizacyjne, całokształt struktury, termiczna powłoka ochronna, układy elektroniczne, systemy naprowadzające, urządzenia do lądowania, skrzydła i inne powierzchnie aerodynamiczne, ładownia oraz ładunek. Owe 10% niezwykle trudno osiągnąć. Właściwie nigdy nie udało się tego zrobić i niektórzy weterani startów rakietowych mówią, że osiągnięcie takiego stosunku mas jest niemożliwe. Z tym drugim stwierdzeniem nie mogę się zgodzić. Uważam, że stanowi ono kolejny dowód na stagnację panującą w przemyśle kosmicznym. Dysponujemy dziś nowymi materiałami i technikami konstrukcyjnymi, które mogą zrewolucjonizować konwencjonalne metody i spowodować, że uzyskanie dziesięcioprocentowej masy właściwej potrzebnej do wyniesienia na orbitę SSTO stanie się realne. Ponieważ jednak SSTO jest statkiem jednostopniowym, jego nośność – w porównaniu z rakietą jednokrotnego użytku czy nawet pojazdu dwustopniowego (Two-Stage-To-Orbit, TSTO) o tych samych rozmiarach -będzie znacznie mniejsza.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.