211service.com
Kolejny wielki skok w lotnictwie
Pomimo swojej aury jako najnowocześniejszego przemysłu, lotnictwo przez dziesięciolecia pozostawało w stagnacji. W lotach komercyjnych i wojskowych nadal przeważają te same typy samolotów odrzutowych, które weszły do służby w latach 60-tych. W Stanach Zjednoczonych nie było żadnego znaczącego nowego programu silników rakietowych od czasu opracowania głównego silnika promu kosmicznego 20 lat temu. Nic w Boeingu 777 nie wprawiałoby w zakłopotanie projektantów samolotów ery Eisenhowera.
Dziś jednak dostępność niezawodnych silników rakietowych wielokrotnego użytku może umożliwić kolejny ważny krok w transporcie lotniczym: rakietowy samolot. Samoloty rakietowe łączą napęd rakietowy z lotnictwem, dzięki czemu samoloty startujące i lądujące z konwencjonalnych lotnisk mogą latać w górę iz atmosfery. Rakietowe samoloty obniżą koszt wystrzelenia satelity, przyspieszą dostarczanie przesyłek i ostatecznie umożliwią ludziom przemieszczanie się z jednego krańca świata na drugi w mniej więcej godzinę. Choć może się to wydawać naciągane, technologia jest na wyciągnięcie ręki.
Pomysł samolotu rakietowego nie jest nowy. Pierwszy taki samolot – niemiecki Heinkel He-176 – poleciał w 1939 roku. To w napędzanym rakietą X-1 Chuck Yeager po raz pierwszy przełamał barierę dźwięku 50 lat temu w październiku ubiegłego roku. W latach 80. i na początku lat 90. NASA i Departament Obrony Stanów Zjednoczonych współpracowały przy projekcie National Aerospace Plane Project – przedsięwzięciu, które zostało anulowane, aby opracować technologie, które umożliwiłyby pojazdowi, który startowałby jak zwykły samolot, przyspieszał na orbicie. ziemi, a następnie wróć przez atmosferę do lądowania na pasie startowym.
Jednak ostatnie postępy w technologii — od bardziej wydajnych rakiet po bardziej niezawodne i solidne osłony termiczne — przybliżyły samolot rakietowy do praktycznej rzeczywistości. Jednocześnie rozwija się rynek usług, które mógłby oferować taki pojazd. Konieczność ekonomicznego wystrzeliwania satelitów może stanowić pierwszy bodziec do opracowania samolotu rakietowego. Jednak w przyszłości głównym codziennym zastosowaniem tych naddźwiękowych pojazdów może być dostarczanie pasażerów i wartościowych paczek na całym świecie.
Nie jest tajemnicą, dlaczego projektanci samolotów tak długo przyjmowali technologię silników rakietowych. Po pierwsze, rakiety są nieefektywne, zużywają paliwo siedem razy szybciej niż turboodrzutowiec przy pełnej mocy. I podczas gdy silnik odrzutowy oddycha powietrzem z atmosfery, aby spalić swoje paliwo, rakiety są zaprojektowane do pracy w próżni kosmicznej, a zatem muszą przenosić nie tylko paliwo, ale także utleniacz — zwykle w postaci ciekłego tlenu. Wymóg ten nakłada na rakietę większą wagę niż na odrzutowiec.
Po drugie, rakiety generalnie nie okazały się tak niezawodne jak silniki z turbiną gazową. Ta zawodność wynika po części z faktu, że silniki te pracują w ekstremalnie wysokich temperaturach. Ponadto projektanci i inżynierowie samolotów mają stosunkowo niewielkie doświadczenie z rakietami w porównaniu z miliardami godzin doświadczenia z silnikami odrzutowymi.
Ale rakiety mają pewną równoważącą przewagę. Chociaż trawią paliwo, ważą tylko ułamek tego, co robią turbiny gazowe. Najlepsze obecnie opracowywane silniki odrzutowe generują około 9 razy większy ciąg niż masa silnika. Dla kontrastu, nawet bardzo ciężki silnik rakietowy wytwarza stosunek ciągu do masy wynoszący 50. Co więcej, przy obecnej technologii tylko rakieta może osiągnąć prędkość 25 Macha niezbędną do pokonania siły grawitacji i wejścia na ziemską orbitę. (Mach 1 to prędkość dźwięku w powietrzu w przybliżeniu 740 mil na godzinę, czyli 1200 kilometrów na godzinę). Nawet najszybszy silnik odrzutowy oddychający powietrzem kręci się z prędkością zaledwie około 4 machów.
Wstać do dzikiego czarnego tam
Odnoszące sukces komercyjny rakiety będą zależeć od rozwoju dwóch kluczowych technologii: niezawodnego silnika rakietowego wielokrotnego użytku oraz solidnego systemu ochrony termicznej, aby zapobiec uszkodzeniom podczas ponownego wejścia na pokład. W obu przypadkach zaawansowane rozwiązania są na wyciągnięcie ręki.
Amerykańscy naukowcy skupili się na ulepszaniu technologii komponentów i zaawansowanych materiałów, a nie na wytwarzaniu rzeczywistych produktów do silników rakietowych. Jednak w byłym Związku Radzieckim naukowcy nadal rozwijają rodziny silników rakietowych. W szczególności sowiecki program promu kosmicznego doprowadził do powstania nowej generacji zaawansowanych silników rakietowych wielokrotnego użytku, napędzanych naftą (czyli konwencjonalnym paliwem do silników odrzutowych), wodorem lub ich kombinacją. Na przykład RD-120 wielokrotnego użytku, spalający naftę silnik, opracowany jako silnik wyższego stopnia dla wzmacniacza Zenit, został certyfikowany przez amerykańskiego importera Pratt and Whitney jako dobry na 10 lotów – plus kolejnych 10 po gruntownym remoncie.
Inżynierowie z branży lotniczej zdają sobie również sprawę, że system ochrony termicznej promu kosmicznego nie jest odpowiedni dla naprawdę solidnego pojazdu. Chociaż prom jest wielokrotnego użytku, jego osłona termiczna łatwo ulega uszkodzeniu. Co więcej, zwykłe warunki pogodowe, takie jak deszcz i kurz napędzany wiatrem, uszkadzają osłonę termiczną. Po każdym lądowaniu prom musi przejść kosztowną i czasochłonną renowację z użyciem toksycznych chemikaliów i specjalnych procedur, aby zastąpić utracone i uszkodzone płytki, aby statek kosmiczny mógł bezpiecznie wznieść się ponownie na orbitę.
Wysiłki NASA mające na celu naprawienie tych problemów przyniosły imponujące rezultaty. Projektanci mają znacznie szerszy wybór płytek, koców, powierzchni metalowych oraz zaawansowanych kompozytów i ceramiki, z których wszystkie mogą stworzyć samoloty rakietowe nowej generacji, zdolne wytrzymać wiatr i warunki pogodowe, które w ciągu kilku minut zdarłyby osłonę termiczną z promu. Jeden z nowych materiałów — płytka termoizolacyjna AETB-TUFI-C opracowana przez Centrum Badawcze Ames NASA — przetrwała bez uszkodzeń lot testowy F-15. Ten wynik był tym bardziej niezwykły, że myśliwiec przeleciał przez ulewę, która zmyła farbę z jego powierzchni.
Takie postępy wzmocniły perspektywy budowy samolotu rakietowego wielokrotnego użytku. Ale inne pytania dotyczące projektowania pozostają, zanim takie rzemiosło stanie się praktyczne. Po pierwsze, aby wykorzystać biliony dolarów istniejącej infrastruktury lotniska, rakieta musi być w stanie startować i lądować w konwencjonalny, poziomy sposób.
Co więcej, silnik rakietowy najlepiej sprawdza się w próżni kosmicznej; im gęstsze powietrze, tym więcej paliwa musi spalić rakieta, aby uzyskać taką samą siłę ciągu. Gęsta zupa powietrza w atmosferze nakłada również karę oporu, zmuszając rakietę do marnowania ogromnych ilości paliwa. Tak więc samolot z napędem rakietowym potrzebuje innych środków napędu, aby unieść go z ziemi w wyższe partie atmosfery; po dotarciu na obrzeża atmosfery rakieta mogła się zapalić i wyrzucić statek w kosmos.
Aby to osiągnąć, inżynierowie lotnictwa opracowali trzy główne schematy. W jednym rakieta jest przymocowana do brzucha samolotu odrzutowego, który startuje i leci na dużą wysokość. Następnie rakieta odpada, aby dokończyć swój lot. Chuck Yeager zastosował tę technikę w 1947 roku, aby dokonać pierwszej podróży człowieka z prędkością ponaddźwiękową.
We współczesnej odmianie tego podejścia samolot odrzutowy holuje rakietę na dużą wysokość za pomocą uwięzi, podobnie jak konwencjonalne samoloty uruchamiają szybowce. Ten schemat jest opracowywany w Kelly Space and Technology w San Bernardino w Kalifornii. Samolot Eclipse Kelly jest holowany przez Boeinga 747 na wysokość około 14 kilometrów. Tam Eclipse odpala silnik rakietowy, odłącza się od liny holowniczej i wznosi się na około 150 kilometrów. Eclipse następnie szybuje do lądowania bez napędu.
Zaletą tych dwóch technik jest to, że sam samolot rakietowy potrzebuje tylko jednego silnika – rakiety. Z drugiej strony każdy pojazd, który jest zależny od innego samolotu do uruchomienia, ma poważną wadę. Jeśli na przykład rakieta wyląduje w niewłaściwym miejscu, będzie musiał poczekać na przybycie samolotu transportującego lub holującego, zanim będzie mógł ponownie wzbić się w powietrze. Ponadto start w takiej konfiguracji tandem wymagałby dłuższych i szerszych pasów startowych niż te na istniejących lotniskach. Co więcej, jeśli silnik rakiety nie zapali się po odłączeniu od statku powietrznego, rakieta prawdopodobnie zostałaby zgubiona.
Nasza firma – Pioneer Rocketplane – preferuje inny system wspomagania startu. W podejściu Pioneera samolot Pathfinder wystartowałby w konwencjonalny sposób i wzbił się do dziewięciu kilometrów z mocą konwencjonalnych turbowentylatorowych silników odrzutowych. Tam spotkałby się z dużym samolotem poddźwiękowym, takim jak transportowiec KC-135 lub Boeing 747, który służyłby jako latający tankowiec. Aby przygotować się do drugiej fazy lotu, rakieta zadokowałaby z tym tankowcem i wyssała z niego około 290 000 kilogramów ciekłego tlenu. Takie transfery są powszechną praktyką w lotnictwie wojskowym, chociaż przenoszonym paliwem jest paliwo do silników odrzutowych, a nie ciekły tlen.
Po odłączeniu od tankowca, samolot odpalił swój silnik rakietowy i wzniósłby się na 150 kilometrów, osiągając prędkość 12 Macha. Samolot przeleciałby wówczas nad najbardziej zewnętrznymi granicami atmosfery, w tym czasie satelita przymocowany do małej rakiety scena może zostać zwolniona do przeniesienia na orbitę. Samolot miał wtedy opaść z powrotem w atmosferę. Po zwolnieniu do prędkości poddźwiękowej silniki turbowentylatorowe uruchomiłyby się ponownie, napędzając samolot na lądowisko. Ponieważ mógł wystartować z dowolnego lotniska średniej wielkości, samolot rakietowy Pioneer zapewniłby dużą elastyczność w wyborze miejsca startu i opcji przerwania lotu.
Jazda rakietą dla zabawy i zysku
Pierwszą rzeczą, która przychodzi do głowy wielu osobom myślącym o samolotach rakietowych, jest możliwość szybkich podróży osobistych. Chociaż taka możliwość istnieje, inne aplikacje obiecują stabilniejszy strumień przychodów i prawdopodobnie będą się rozwijać jako pierwsze.
wystrzeliwanie satelitów: Pomimo dobrej koniunktury dzięki wystrzeliwaniu rządowych i komercyjnych satelitów, międzynarodowy przemysł wystrzeliwania w kosmos przez ostatnie dwie do trzech dekad przeżywał okres niemal całkowitej stagnacji technologicznej. Większość systemów startowych będących obecnie w użyciu – w tym Delta, Atlas, Titan, Soyuz, Molniya i Proton – latała już w mniej więcej obecnej formie w połowie lat sześćdziesiątych. Podczas gdy kilka dodatkowych systemów, takich jak europejska Ariane, zostało wprowadzonych w ciągu minionych dziesięcioleci, ulepszenia technologiczne były tak niewielkie, że starsze systemy są nadal konkurencyjne. W rezultacie stawki frachtu z powierzchni Ziemi na orbitę utrzymują się na poziomie od 10 000 do 20 000 USD za kilogram – tak samo jak w latach 60. XX wieku. Ten stale wysoki koszt poważnie hamuje komercyjny rozwój przestrzeni.
Tworzenie nowego przemysłu kosmicznego
Ponieważ samoloty rakietowe są technologią krótkoterminową o szerokim zastosowaniu komercyjnym, powinno być możliwe finansowanie ich rozwoju przede wszystkim z inwestycji prywatnych. Niemniej jednak rozwój nowatorskich systemów lotu zawsze wiąże się ze znacznym ryzykiem biznesowym, które może zostać złagodzone przez udział rządu.
Odniesienie do naszej obecnej epoki jako Epoki Kosmicznej jest mylącym nazywaniem lat 1910. Epoką Powietrza. Z wyjątkiem wojska, świat tak naprawdę nie odczuł wpływu podróży lotniczych, dopóki technologia nie stała się rutynowa i powszechna oraz dostępna dla więcej niż nielicznej elity. Podobnie, jeśli nadejdzie prawdziwa epoka kosmiczna, musi istnieć rynek technologii pojazdów rakietowych, który będzie wspierał produkcję komponentów statków kosmicznych nie w wielu jednorazowych lub dwójkach, ale w setkach lub tysiącach.
Producenci tych samolotów będą musieli zacząć stosować metody produkcji powszechne w lotnictwie komercyjnym, a nie kosztowne techniki produkcji małoseryjnej, które dziś dominują w przemyśle kosmicznym. Co więcej, będziemy potrzebować ogólnoświatowej infrastruktury startowej, która obsługuje nie setki lotów rocznie, ale setki lotów dziennie. Jedynymi rynkami wystarczająco dużymi, aby stymulować inwestycje w takie moce produkcyjne i infrastrukturę startową, są dostawy przesyłek na duże odległości i transport pasażerski.
Z tego samego powodu, dla którego samoloty wojskowe, a następnie pocztowe wyprzedziły samoloty pasażerskie, rakiety startowe z satelitami, wojskowe i samoloty z szybką dostawą paczek bez wątpienia wyprzedzą rakiety pasażerskie. Niemniej jednak z pewnością nadejdzie dzień, w którym tysiące rakietowych samolotów codziennie przemierza glob, obsługując podróżnych biznesowych i wakacyjnych z Nowego Jorku po Tokio – być może nawet na orbitę.