Odliczanie do samolotów rakietowych

Spalone słońcem miasto Mojave w Kalifornii, liczące zaledwie 3700 mieszkańców, może pochwalić się lotniskiem, które zajmuje prawie tyle samo obszaru, co Los Angeles International. Rozległe, odizolowane miejsce, położone na obrzeżonym górami skraju rozległej równiny pustynnej, było domem dla kilku niezależnych firm lotniczych. Voyager, niezwykle lekki samolot, który w 1986 roku jako pierwszy latał bez międzylądowania dookoła świata bez tankowania, pojawił się tutaj. Teraz, w skromnym niskim budynku na skraju lotniska, prawdopodobnie rodzi się przyszłość transportu kosmicznego.

Pamiętaj, że ta przyszłość nie wygląda jeszcze na wiele: maleńki dwumiejscowy samolot, który przypomina myśliwiec z odciętym ogonem i krótkimi skrzydełkami zainstalowanymi w pobliżu nosa. W lipcu zeszłego roku ten lekki statek, nazwany EZ-Rocket, osiągnął nowy kamień milowy w lotnictwie, gdy pilot Dick Rutan, który również pilotował Voyagera, wykonał decydujący manewr dotyku i startu z dwoma silnikami rakietowymi: start, wyłączenie silników, lądowanie. ponowne uruchomienie silników i start bez zatrzymywania. Stanowiło to nowy przełom w zapewnieniu samolotowej elastyczności i sterowności statkom napędzanym rakietami, fakt, który ma zwiększone znaczenie od czasu katastrofy promu kosmicznego Columbia.

Każdy z tych dwóch lotów trwał mniej niż 15 minut i nigdy nie osiągnął wysokości większej niż 3000 metrów. Pokazali jednak, że Xcor Aerospace, firma stojąca za EZ-Rocket, może mieć jak dotąd najlepszą szansę na zapewnienie światu samolotu rakietowego wielokrotnego użytku, który przenosi rutynowe, przypominające linie lotnicze operacje do świata rakietowego i obniża koszty startu do zaledwie jedna dziesiąta startów promu kosmicznego i dzisiejszych rakiet jednorazowych. Taki statek mógłby w ciągu kilku lat pozwolić na tanie rozmieszczenie satelitów do celów badawczych i komunikacyjnych oraz szybkiego rozpoczęcia turystyki kosmicznej. W dłuższej perspektywie czasowej następna jednostka może zapewnić lot pasażerski New York CityTokyo, który zajmie mniej niż trzy godziny. A ponieważ uwolnienie się od ziemskiej grawitacji jest największym kosztem każdej misji kosmicznej, tańsze starty są niezbędnym warunkiem wstępnym dla takich wizjonerskich przedsięwzięć, jak kosmiczne kolektory słoneczne, które przesyłają energię na Ziemię 24 godziny na dobę, czy wydobycie metali szlachetnych z asteroid.

Oczywiście, ludzie od dziesięcioleci próbowali zrealizować wizję samolotu rakietowego wielokrotnego użytku, z niewielkim sukcesem. Nauka o rakietach stała się synonimem zaawansowanej technologii, ale faktem jest, że od wczesnych lat 60. niewiele było na drodze do rozwoju nowych rakiet, mówi prezes Xcor Aerospace, Jeff Greason, były dyrektor Intela. Teraz, jak mówi on i inni, zmieniło się to, że jeszcze przed rozpadem Columbia 1 lutego ludzie zaczęli budować i testować nowe projekty. Rzeczywiście, ponad dwa tuziny firm na całym świecie, nie wspominając o NASA i innych krajowych agencjach kosmicznych, aktywnie rozwijają samoloty rakietowe. A wraz ze stratą Columbia, śmiercią siedmiu astronautów, a następnie uziemieniem pozostałych wahadłowców, zarówno liczba deweloperów, jak i pilność ich zadania prawdopodobnie wzrosną. Potrzeba znalezienia sposobu na zdobycie nowych technologii i nowego podejścia do transportu kosmicznego jest prawdopodobnie o wiele wyraźniejsza niż wcześniej, mówi Greason.

Wielu prywatnych graczy zachęca perspektywa zdobycia 10 milionów dolarów X-Prize. Nagroda ta, oferowana przez fundację z St. Louis, z siedzibą w MO, ufundowaną przez organizatorów turystyki kosmicznej, zostanie przyznana pierwszemu prywatnie finansowanemu pojazdowi rakietowemu, który przewozi trzy osoby na skraj kosmosu (na wysokości co najmniej 100 kilometrów). bezpiecznie na Ziemię i robi to ponownie w ciągu dwóch tygodni. Do tej pory zapisało się już 24 graczy.

Ale 10 milionów dolarów to kropla w morzu w porównaniu z prawdziwą nagrodą: turystyką kosmiczną. W zeszłym roku sondaż zlecony przez NASA wykazał, że gdyby dostępne były niezawodne statki, 15 000 bogatych poszukiwaczy mocnych wrażeń rocznie zapisałoby się na loty suborbitalne, które kosztowałyby około 50 000 dolarów każdy. To oznacza rynek o wartości 750 milionów dolarów. I chociaż nie równałoby się to dzisiejszemu głównemu biznesowi kosmicznemu polegającemu na wystrzeliwaniu satelitów – w 2001 r. 39 wystrzeleń na całym świecie przyniosło prawie 3,3 miliarda dolarów przychodów – może oznaczać początek czegoś znacznie większego. Jak mówi Patrick Collins, ekonomista z Uniwersytetu Azabu w Fuchinobe w Japonii i wieloletni zwolennik komercjalizacji kosmosu, turystyka kosmiczna ma potencjał, by stać się ważną nową gałęzią przemysłu, równie ważną jak lotnictwo cywilne. Dodaje, że w najbliższym czasie nie ma innego zastosowania przestrzeni o chociażby podobnym potencjale. Bez względu na to, czy taki rynek szybko się zmaterializuje – możliwe, że przerażające obrazy rozpadającej się Columbii będą przez lata denerwować potencjalnych turystów kosmicznych – sama technologia wyraźnie dojrzewa. W listopadzie ubiegłego roku raport prezydenckiej komisji ds. przemysłu lotniczego USA stwierdził, że rakiety nośne wielokrotnego użytku, które mogłyby przynajmniej znacznie obniżyć koszty umieszczania satelitów w kosmosie, są w naszym zasięgu w tej dekadzie.

Historia awarii

Tworzenie samolotów rakietowych wielokrotnego użytku powinno być zadaniem NASA. Jednak wysiłek NASA – X-33, ambitna koncepcja samolotu rakietowego wielokrotnego użytku, który do 2005 r. miał zademonstrować technologie, które mogłyby ostatecznie zastąpić program promu kosmicznego – stał się największym białym słoniem, jaki kiedykolwiek wyprodukowano w ramach amerykańskiego programu kosmicznego. W latach 1997-2001 na statek napędzany wodorem wydano prawie 1,3 miliarda dolarów i praktycznie nie ma na to żadnego dowodu. Niestety NASA wybrała plan, który wykorzystywał wiele technicznie trudnych (czytaj: ryzykownych) technologii – w tym unikalne silniki rakietowe, zbiorniki paliwa i osłony termiczne – oraz złożony projekt pojazdu. Każda z tych technologii musiałaby zadziałać, aby statek z powodzeniem utorował drogę do wysadzenia floty promów kosmicznych – mającej już ponad dwie dekady – w przypadku misji obejmujących przewożenie astronautów na Międzynarodową Stację Kosmiczną i wystrzeliwanie ładunków naukowych, takich jak Hubble. Kosmiczny Teleskop.

Ale jedna część, kompozytowy zbiornik paliwa na ciekły wodór, zbudowany przez Lockheed Martin, nie przeszedł testów. W 2001 r. NASA, stojąc przed perspektywą czekania przez kolejny rok na nową wersję, zrezygnowała z wysiłków i zaczęła coś nowego, mówi były współpracownik agencji ds. polityki i planowania, Lori Garver. Za każdym razem, gdy to robisz, tracisz grunt. Teraz, dwa lata po anulowaniu X-33, nie oczekuje się, że wciąż w dużej mierze nieokreślone nowe wysiłki NASA wyprodukują zastępczy wahadłowiec kosmiczny wcześniej niż za dwie dekady. Jednak po Kolumbii bez wątpienia pojawi się presja, aby przyspieszyć ten harmonogram.

Jednym ze skutków fiaska X-33 było poważne osłabienie prywatnych inwestycji w terenie. Konwencjonalna mądrość głosiła, że ​​jeśli NASA nie mogłaby zbudować rakiety wielokrotnego użytku, nikt nie mógł, mówi Collins. Ale na świecie brakuje samolotu rakietowego nie dlatego, że jest trudny do zbudowania, mówi. Tyle, że praktycznie wszystkie badania rakietowe zostały przeprowadzone przez monopolistyczną agencję rządową. Buzz Aldrin, który w 1969 roku został drugim człowiekiem, który chodził po Księżycu, mówi, że w Stanach Zjednoczonych po prostu brakuje spójnego krajowego programu rozwoju niedrogiej technologii wystrzeliwania wielokrotnego użytku. I chociaż okropny los Columbii może wyostrzyć uwagę, Aldrin mówi, że i tak na razie jesteśmy w bałaganie.

W ten bałagan wkracza Xcor Aerospace i jego konkurenci. Ich wizja: zbudować nowy rodzaj rakiety. W przeciwieństwie do każdej dotychczas wystrzelonej rakiety, ten statek poleciałby w kosmos i wrócił do domu w stanie nienaruszonym. (Niektóre projekty wymagają dwuetapowego procesu, w którym rakieta początkowo wznosi się w górę, wsiadając na odrzutowiec.) Nawet wahadłowce kosmiczne, pierwszy i jedyny na świecie statek kosmiczny wielokrotnego użytku, odrzucają części bliźniaczych rakiet startowych i wszystkie ogromne zewnętrzne zbiornik paliwa przy każdym uruchomieniu.

Zrealizowanie tej wizji na papierze wydaje się stosunkowo proste. Silniki rakietowe to zasadniczo komory spalania z pompami, które dostarczają paliwo i tlen utleniający lub substancję chemiczną bogatą w tlen, która umożliwia spalanie paliwa nawet w próżni kosmicznej. Nie potrzebują szybkich turbowentylatorów i sprężarek silnika odrzutowego, które dostarczają tlen z powietrza do spalania paliwa i odpowiadają za około 80 procent wielkości, wagi i złożoności silnika. W rezultacie rakiety mogą latać znacznie wyżej niż odrzutowce, które nie mogą przekraczać wysokości 16 kilometrów, ponieważ powietrze staje się zbyt rozrzedzone, aby spalać paliwo lotnicze i zapewniać wznoszenie ich skrzydeł.

Nikt nie mówi, że tacy nowicjusze jak Xcor Aerospace mogą jednym krokiem dotrzeć w kosmos. Osiągnięcie orbity oznacza osiągnięcie prędkości 27 800 kilometrów na godzinę, niosąc ogromne ilości paliwa i wytrzymując ekstremalne obciążenia. Pod każdym względem sprostanie tym wyzwaniom zajmie co najmniej dekadę. W międzyczasie jednak można się wiele nauczyć, strzelając do znacznie skromniejszego celu: zbudowania statku napędzanego rakietami, który byłby w stanie dotrzeć do krawędzi kosmosu – na wysokość 100 kilometrów – bez faktycznego wchodzenia na orbitę. Osiągnięcie tej wysokości wymaga prędkości około 4500 kilometrów na godzinę, niewiele większej niż prędkości maksymalne dzisiejszych myśliwców odrzutowych, więc projektanci statku powinni być w stanie dostosować stosunkowo wypróbowane systemy i procedury inżynieryjne myśliwców do warunków nowe zadanie.

Prezes Xcor Aerospace Greason mówi, że osiągnięcie celu projektowego jest możliwe w ciągu najbliższych kilku lat. Prawdę mówiąc, około sześć lat temu opuścił dynamicznie rozwijający się przemysł mikroprocesorów, ponieważ postrzegał biznes kosmiczny jako miejsce, w którym komputery były w latach 70.: kilka firm kontrolowało rynek dużego, drogiego, ekskluzywnego sprzętu i nie zwracało uwagi na Niewielka zmiana, która ma być spowodowana przez kilku obsesyjnych rezygnatorów ze studiów pracujących w garażach, używających gotowych części do produkcji niesamowitych nowych systemów komputerów osobistych. Jest bardzo podobny do wczesnych dni PC, mówi Peter Diamandis, prezes i założyciel X-Prize Foundation. Pojazdy suborbitalne, które mogą wykonywać tysiące lotów rocznie, stworzą rynek, zmieniając perspektywę kosmosu: nie tylko dla rządów, ale dla społeczeństwa.

Mała, zwinna konkurencja

EZ-Rocket firmy Xcor Aerospace jest jak te wczesne komputery PC – jest prosty, podstawowy iz punktu widzenia zwykłego przemysłu lotniczego, praktycznie mikroskopijny. Jego bliźniacze silniki rakietowe, napędzane alkoholem i ciekłym tlenem, wytwarzają osobno tylko jedną tysięczną ciągu każdego z trzech głównych silników promu kosmicznego. Ale w przeciwieństwie do swoich odpowiedników wahadłowców, silniki EZ-Rocket można w pełni kontrolować, a nawet wyłączać i uruchamiać ponownie podczas lotu. Mimo to EZ-Rocket to tylko pojazd demonstracyjny. Mały statek ma na celu zebranie doświadczenia w budowie dwumiejscowego suborbitalnego samolotu kosmicznego, zwanego Xerus, który jest obecnie w fazie rozwoju.

Dla Xerusa firma Xcor Aerospace opracowuje silnik rakietowy o mocy pięciokrotnie większej niż EZ-Rocket — silnik, który można regulować w górę iw dół w szerokim zakresie prędkości. Zestaw czterech lub pięciu takich silników podniósłby samolot rakietowy na wysokość 100 kilometrów; wtedy mniejsze rakiety pozwoliłyby statkowi zachować stabilność podczas wypadu na skraj kosmosu.

Xcor Aerospace dąży do dwuosobowego Xerusa, mimo że nie spełni on trzyosobowego kryterium X-Prize. Nagroda lub brak nagrody, Greason, Rutan i ich garstka współpracowników widzą wiele bodźców rynkowych. Greason mówi, że Xerus mógłby wystrzelić małego satelitę – około 10 kilogramów – na niską orbitę za pomocą rakiety startowej umieszczonej na satelicie. Takie małe satelity są wykorzystywane w uniwersyteckich projektach badawczych, które często muszą czekać latami na przeniesienie się do większego satelity. A sam Xerus może być również wykorzystywany do badań, takich jak zbieranie danych atmosferycznych lub przeprowadzanie eksperymentów inżynieryjnych, które wymagają krótkich okresów czasu w środowiskach o zerowej grawitacji.

Prawdziwym celem jest jednak turystyka. Greason mówi, że Xerus mógłby zapewnić turystom półgodzinne przejażdżki – trzy minuty nieważkości i szansę zobaczenia krzywizny Ziemi i ciemności kosmosu – a następnie wylądować na zwykłym pasie startowym. Mówi, że sam Xerus może zarobić 24 miliony dolarów rocznie przychodu z turystyki przy kosztach rozwoju poniżej 10 milionów dolarów. Kierując się takimi wizjami, Xcor Aerospace ma nadzieję, że w ciągu trzech lat będzie latać i przetestować Xerusa oraz przygotować pojazd do produkcji. Zdecydowaliśmy się na najmniejsze kroki, jakie mogliśmy, aby jak najwięcej z nich generowało przychody, wyjaśnia Greason. Jeśli Xerus zacznie działać, a zyski z turystów wzrosną, jego zdaniem, deweloperzy firmy zaczną rozwiązywać ostateczne zadanie, jakim jest wejście na orbitę.

Idea najmniejszych kroków ma oczywiście pewien historyczny wydźwięk, jeśli chodzi o technologię kosmiczną. Ale podczas gdy Xcor Aerospace koncentruje się na podejściu przyrostowym, kilka konkurencyjnych firm już realizuje wielką wizję: statek, który może przejść całą drogę na orbitę. Jednym z graczy jest Pioneer Rocketplane z Solvang w Kalifornii. Firma zaprojektowała hybrydę rakietowo-odrzutową o nazwie Pathfinder, która wystartuje z tradycyjnymi silnikami odrzutowymi. Po osiągnięciu wysokości przelotowej około 5500 metrów samolot tankowiec spotka się z Pathfinderem i wpompuje ciekły tlen do pustego zbiornika na pokładzie statku. Następnie, napędzany kombinacją ciekłego tlenu i nafty, Pathfinder zapali swój silnik rakietowy i wzniesie się na wysokość 139 kilometrów, gdzie uwolni bezzałogowy górny stopień, aby wynieść na orbitę 2280 kilogramów ładunku.

Podobnie jak Xcor Aerospace, Pioneer zaczyna od mniejszej wersji – Rocketplane XP – która będzie rywalizować o nagrodę X. Chociaż ani XP, ani Pathfinder nie osiągnęły nawet etapu prototypu, Pioneer Rocketplane jest uważany za poważnego gracza. Jego dyrektor generalny, Mitchell Burnside Clapp, był odpowiedzialny za projekt dla Sił Powietrznych przypominającej samolot rakiety wielokrotnego użytku, która później przekształciła się w koncepcję Pathfinder. Z tego powodu Pioneer Rocketplane jest czołowym konkurentem dla projektu Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony, który ma na celu opracowanie niedrogiej rakietowej wyrzutni satelitów. (Oczekuje się, że agencja ogłosi przyznanie dwóch ostatecznych kontraktów na projekt 1 marca)

Większość graczy z rakietami wielokrotnego użytku myśli w kategoriach przewożenia ludzi – zarówno pilotów, jak i turystów. Ale Astrium w Niemczech wyraźnie pomija ludzki ładunek. Zamiast tego opracowuje autonomiczny statek rakietowy o nazwie Hopper, który ma zapewniać tanie wystrzeliwanie satelitów. Pierwszym krokiem w tym kierunku jest Phoenix, wersja Hoppera w skali jednej szóstej.

Phoenix to przede wszystkim stanowisko testowe dla technologii autonomicznego lądowania. Projektanci jednostki zastosowali laserowe czujniki wysokości i wysokościomierzy oraz cyfrowy sprzęt Global Positioning System wraz z inteligentnymi algorytmami nawigacyjnymi, które umożliwiają jednostce lądowanie na pasie startowym bez pomocy ludzi lub sprzętu na ziemi. Pierwszy test pojazdu, który jest w budowie, spodziewany jest w przyszłym roku: śmigłowiec zrzuci Phoenixa z wysokości około 1400 metrów, pozostawiając go do samodzielnego lądowania. Astrium szacuje, że pełnowymiarowy Hopper mógłby wystrzelić satelity za 15 do 20 lat, przy połowie dzisiejszych kosztów wystrzelenia.

A NASA nie siedzi z boku. Chociaż dokładny kształt programu następcy niefortunnego X-33 wciąż jest opracowywany przez administratora agencji Seana O'Keefe, który przejął ster pod koniec 2001 roku, NASA zaczęła kształtować długoterminowe plany większego, bardziej ambitny statek przed katastrofą Columbia. Orbitalny samolot kosmiczny jest w tej chwili tylko czystą kartką papieru, ale pomysł jest taki, że byłby gotowy dostarczyć załogę i niewielkie ilości ładunku na Międzynarodową Stację Kosmiczną do 2012 roku.

Jeśli poleci do 2012 roku lub wcześniej, orbitalny samolot kosmiczny znalazłby się na orbicie na szczycie konwencjonalnej rakiety jednorazowej. Ale NASA ma nadzieję, że w końcu zastąpi tę rakietę systemem wielokrotnego użytku. Aby to zrobić, naukowcy z NASA Marshall Space Flight Center w Huntsville, AL, upraszczają i usprawniają konstrukcję silników rakietowych oraz włączają wbudowane systemy diagnostyczne do wykrywania problemów, takich jak pęknięcia, przecieki i zablokowane zawory. Takie systemy przyniosłyby ogromne oszczędności w porównaniu z promami kosmicznymi, których silniki są demontowane i sprawdzane po każdej misji przez setki inżynierów. Celem jest przeniesienie niezawodności silników rakietowych do tej samej kategorii, co dzisiejsze silniki odrzutowe, mówi Garry Lyles, który odpowiada za systemy napędowe w programie NASA, którego celem jest opracowanie technologii dla przyszłych pojazdów nośnych. W każdym razie w tej chwili plany NASA przewidują wymianę promu kosmicznego w pełni wielokrotnego użytku do 2025 roku.

Prywatne Push

Pomimo słabych osiągnięć z samolotami rakietowymi, NASA pozostaje poważnym długoterminowym konkurentem. Jednak nieco niespieszny harmonogram agencji pozostawił pole do popisu dla sektora prywatnego. A podekscytowanie potencjałem małych firm do faktycznej produkcji rakiet wielokrotnego użytku rośnie. Zwycięstwo jednej z tych firm w X-Prize rozwiałoby sceptycyzm, a także mogłoby przyspieszyć inwestycje. To krok psychologiczny, mówi Rand Simberg, inżynier lotnictwa i konsultant. Małe firmy wracają i robią to tak, jak powinno być.

Rzeczywiście, przewidując zdolność małych firm do przecierania nowych ścieżek, pewna firma rezerwuje loty turystyczne samolotami rakietowymi, które dziś istnieją tylko na papierze. Firma Space Adventures z Arlington w stanie Wirginia już wysyła turystów na loty samolotami o zerowej grawitacji do Rosji i zorganizowała rosyjskie loty kosmiczne – każdy z ceną 20 milionów dolarów – na Międzynarodową Stację Kosmiczną dla amerykańskiego biznesmena Dennisa Tito w 2001 r. i RPA Internetowy potentat Mark Shuttleworth w zeszłym roku. Teraz firma stawia na Xcor: zakontraktowała 600 lotów turystycznych Xerus, a nawet przyjęła wpłaty gotówkowe od ponad 100 klientów.

Jesteśmy pod wrażeniem zespołu ludzi Xcor i ich zdolności do produkcji prawdziwego sprzętu latającego i przeprowadzania demonstracji przy niskim budżecie, mówi Eric Anderson, prezes Space Adventures. I chociaż Anderson początkowo obawiał się, że przerażająca śmierć Columbii może spowodować, że niektórzy z jego klientów zastanowią się dwa razy nad podróżą kosmiczną, żaden nie poprosił o zwrot pieniędzy w ciągu pierwszych kilku dni po zaginięciu promu – jak mówi, fakt ten wskazuje na silne zaangażowanie człowieka w lot kosmiczny . Dodaje, że to, co stało się z Columbią, zamiast straszyć ludzi, posłuży jako dzwonek alarmowy. Za dziesięć lat ludzie będą czuli się bezpieczniej, bezpieczniej wyjdą na orbitę w wyniku usprawnień, które nieuchronnie wynikną ze śledztwa w sprawie wypadku.

Wsparcie Space Adventure dla Xcor i innych firm rakietowych zapewnia synergię, która może być kluczowa dla realizacji kilkudziesięcioletnich wizji rakiet wielokrotnego użytku, mówi Bruce Lusignan, profesor inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie Stanforda i dyrektor Centrum Współpracy Międzynarodowej w Kosmosie. światowe konsorcjum uniwersytetów. Twierdzi, że dochody z turystyki związanej z przestrzenią kosmiczną można by wykorzystać do finansowania nowej generacji turystycznych pojazdów nośnych, co może być podstawą budowania zdolności. To może być właściwa droga. A to oznacza, że ​​EZ-Rocket – ten niepozorny pojazd testowy na ogromnym lotnisku Mojave – może stać się pierwszym komputerem PC nowej ery kosmicznej.

ukryć