godzina...

 

.
Technika podróży kosmicznych


Technika podróży kosmicznych

Co lepsze: rakieta jednorazowa czy wielokrotnego użytku
Jakie są najpotężniejsze obecnie używane rakiety
Dlaczego tak trudno zbudować rakietę jednostopniową
Czy odpala się rakiety z samolotów
Jak rakieta wchodzi na orbitę skoro startuje pionowo
Jakie paliwa stosuje się we współczesnych rakietach
Dlaczego rosyjskie rakiety przewożone są na start w pozycji poziomej
Czym jest "rakieta balistyczna"
Jakie są obecne używane kosmodromy
Jak długo może pozostawać w kosmosie satelita geostacjonarny
Co nazywamy "lądowaniem balistycznym"

Co lepsze: rakieta jednorazowa czy wielokrotnego użytku

To jest lepsze, co jest ekonomicznie lepiej uwarunkowane.
Decyduje komercyjnie oszacowany koszt wyniesienia ładunku w kosmos na zadaną orbitę oraz możliwa do osiągnięcia częstotliwość startów danego środka transportowego.

Transportowiec wielokrotnego użytku koncepcji zbliżonej do amerykańskiego projektu VentureStar zapewniłby dużą częstotliwość startów i niskie koszty wyniesienia ładunku na LEO przy jednocześnie małych nakładach na obsługę naziemną, ale niestety aktualna technologia, przy akceptowalnym poziomie finansowania, nie pozwoliła ukończyć przedsięwzięcia z sukcesem.
Inną drogą jest próba podjęcia seryjnej produkcji rakiet jednorazowych budowanych ze znormalizowanych części składowych, przy wykorzystaniu w pełni zautomatyzowanych linii produkcyjnych. Tę ideę obecnie wdrażają Amerykanie dla rodziny rakiet Delta-4 i Atlas-5, a Rosjanie dla Angary. W przewidywalnej przyszłości 10-15 lat transport kosmiczny należeć będzie nadal do koncepcji "brutal force" reprezentowanej przez wielostopniowe rakiety startujące pionowo, ale wytwarzane tanio, seryjnie, przy bardzo dużym współczynniku niezawodności. Możliwe są tylko takie modyfikacje tej metody, że mogą być podejmowane próby odzyskiwania bądź to pierwszego stopnia rakiety ("core stage"), bądź tylko drogich silników stopnia pierwszego, ale nie wcześniej niż za 10 lat.


Jakie są najpotężniejsze obecnie używane rakiety

Największy ładunek na niską orbitę okołoziemską wynosi obecnie amerykański system STS (wahadłowiec). W chwili odłączenia zbiornika zewnętrznego, wraz ze swoim ładunkiem, wahadłowiec ma masę około 115 ton. Masa samego ładunku użytecznego w ładowni może wynosić około 25 ton, natomiast masa startowa całego kompleksu STS wynosi około 2050 ton

Wśród klasycznych, jednorazowych rakiet prym dzierży rosyjski Proton-M, z czwartym stopniem Briz-M. Jego udźwig na LEO wynosi około 24 ton. Masa startowa wynosi około 950 ton.
Jeśli chodzi o udźwig na GEO, to prym wiedzie Titan-4B, który zdolny jest bezpośrednio dostarczyć na orbitę geostacjonarną ładunek o masie ponad 5,7 tony.


Dlaczego tak trudno zbudować rakietę jednostopniową

Budowa rakiety jednostopniowej, bądź ogólnie pojętego jednostopniowego środka transportu kosmicznego, boryka się z następującymi trudnościami:
  • Silniki muszą pracować optymalnie zarówno w atmosferze jak i w kosmosie przy bardzo dużym zakresie prędkości (normalna rakieta w każdym stopniu ma inne silniki).
  • Wymagane są superlekkie i przy tym wytrzymałe materiały konstrukcyjne na kadłub i na zbiorniki paliwa, bo nie ma się czego pozbywać podczas lotu.
  • Przy tak wielu nakładach na jednostopniowość wręcz wymagane jest pełne odzyskiwanie rakiety, co dokłada kolejne problemy z zapewnieniem jej bezpiecznego wyhamowania i przelotu przez atmosferę oraz bezpiecznego lądowania w wyznaczonym miejscu.
Z takich to powodów jedynie USA podjęły wyzwanie i pod koniec XX w. ruszył projekt X-33/VentureStar - uskrzydlonego, jednostopniowego, wielokrotnego użytku wahadłowca kosmicznego. Niestety, nie udało się skonstruować wymaganych zbiorników paliwa oraz osiągnąć zamierzonych rezulatatów w innych dziedzinach jego konstrukcji i projekt został zaniechany.
W USA, także pod koniec lat 90-tych XX w., prywatna firma Rotary Rocket próbowała skonstruować pojazd jednostopniowy o nazwie "Roton", charakteryzujący się tym, że procedura lądowania atmosferycznego wspomagana była u niego przez wirnik (rotor) jak u śmiegłowca przyziemiającego z wykorzystaniem zjawiska autorotacji. Problemy finansowe u inwestorów i potencjalnych klientów Rotary Rocket (firmy promujące telefonię satelitarną jak np. Iridium) zmusiły jednak do zaprzestania prac nad tym dość awangardowym pomysłem.


Czy odpala się rakiety z samolotów

Obecnie używaną rakietą starującą z platformy lotniczej (samolot L1011) jest amerykańska rakieta Pegasus (stosuje się ją w trzech wariantach, najczęściej model XL). Pierwszy jej stopień wyposażony jest w powierzchnie aerodynamiczne (skrzydła) poprawiające ekonomiczność zużycia paliwa w fazie lotu atmosferycznego.
Istniał też i radziecki prototyp o nazwie "Burłak" przeznaczony do odpalania spod bombowca strategicznego TU-160 lub przy wykorzystaniu wersji pasażerskiego TU-144, ale wraz z upadkiem ZSRR projektu zaniechano.

Starty tego typu rakiet odbywają się typowo na wysokości od 10 do 15 km przy prędkościach bliskodźwiękowych, co umożliwia ominięcie problemów z pokonywaniem gęstych warstw atmosfery ziemskiej i potrzeby stosowania stopni startowych o dużej mocy.


Jak rakieta wchodzi na orbitę skoro startuje pionowo

Rakiety kosmiczne startują pionowo i ich lot w pierwszej fazie odbywa się po trajektorii zbliżonej do pionu ze względu na to, że opłaca się jak najszybciej opuścić gęste warstwy ziemskiej atmosfery, które powodują duże straty energetyczne. W fazie lotu, gdy rakieta przekracza prędkość dźwięku, występuje też maksymalny opór aerodynamiczny (MAX-Q), po ustąpieniu którego, przy prędkości naddźwiękowej, korygowana jest trajektoria wzlotu na coraz bardziej horyzontalną. W pełni prostopadły do pionu wektor ciągu rakieta osiąga dopiero podczas pracy drugiego stopnia, gdy rozpędza się ona do prędkości pozwalającej jej (ładunkowi rakiety) znaleźć się bądź na stabilnej, bądź na prawie stabilnej (wymagającej dalszej korekty - ukołowienia) orbicie wokółziemskiej.


Jakie paliwa stosuje się we współczesnych rakietach

Po okresie eksperymentowania z różnymi paliwami, aktualnie używane są następujące:
  • Nafta + ciekły tlen; uważane za najbardziej "ekologiczne paliwo", w nowoczesnych silnikach pozwala uzyskać duży ISP(impuls właściwy)=338s i ciąg F=4152 kN (silnik RD-180); stosowane w rakietach rodziny Sojuz, Zenit, Atlas-5.
  • Ciekły wodór + ciekły tlen; bardzo efektywne paliwo stosowane w górnych stopniach rakiet, w silnikach SSME wahadłowca oraz w najnowocześniejszym amerykańskim silniku RS-68 (rakieta Delta-IV), ISP=420s F=3312kN.
  • UDMH + N2O4; paliwo "przechowywalne" stosowane na początku do bojowych rakiet balistycznych, a obecnie w rakietach Ariane-4, Długi Marsz, Proton-K; ISP=316s F=1635kN (silnik RD-253-11D48).
  • Paliwa stałe; używane w startowych stopniach STS (wahadłowca), Ariane, Delta; ISP=269s F=11520kN (rakieta SRB dla STS).
Jeśli chodzi o paliwo UDMH+N2O4 to największym jego przeciwnikiem w historii astronautyki był S.P.Korolow, który czuł do tej substancji wręcz osobisty wstręt, nazywając ją "trupim jadem". Żadna z rakiet nośnych Korolowa nie była napędzana silnikami wykorzystującymi to kontrowersyjne paliwo.


Dlaczego rosyjskie rakiety przewożone są na start w pozycji poziomej

Istnieją dwie przyczyny, powodujące przewożenie rosyjskich rakiet na miejsce startu w pozycji poziomej.

Po pierwsze, rakiety te są przystosowane do startów w znacznie trudniejszych warunkach klimatycznych, niż rakiety amerykańskie. Widok rosyjskich rakiet kosmicznych (i to z załogą na pokładzie!), startujących podczas burzy śnieżnej, przy wietrze wiejącym z prędkością 80 km/h i temperaturze rzędu -20°C, nie jest zjawiskiem odosobnionym.
Ponieważ nienapełnione materiałami pędnymi rakiety wywożone są na stanowisko startowe zaledwie 2 dni (rakiety rodziny R-7, np. Sojuz; w przypadku Protona jest to 5-6 dni) przed startem, to w warunkach klimatycznych panujących w Plesiecku czy na Bajkonurze (długotrwałe mrozy i opady śniegu), najczęściej oznacza to konieczność wywozu pustej rakiety z kompleksu montażowo-obsługowego (MIK) w takich właśnie trudnych warunkach. Pusta rakieta stojąca pionowo byłaby bardzo wrażliwa na uszkodzenie, lub nawet przewrócenie przez stosunkowo niewielki powiew wiatru. Po ustawieniu na platformie startowej, rakieta mocowana jest potężnymi obejmami, a po napełnieniu jej paliwem, jest stabilna i niewrażliwa na porywy wiatru.

Drugim powodem jest odmienna od amerykańskiej filozofia budowy niektórych kompleksów startowych. W przypadku ciężkich rakiet (Saturn V, Space Shuttle) są one montowane w pozycji pionowej od razu na platformie startowej i razem z nią transportowane na wyrzutnię. Masa takiego zestawu sięga 6-7 tysięcy ton. Kompleksy rosyjskie są wyposażone w stałe, masywne platformy startowe.


Czym jest "rakieta balistyczna"

Jest to rakieta, której lot składa się z dwóch faz:
  • fazy silnikowej, gdy nabiera ona prędkości i ustawia się pod wymaganym kątem względem pionu, celem osiągnięcia docelowego punktu jej trajektorii,
  • fazy balistycznej, gdy lot odbywa się po trajektorii wyznaczonej jedynie poprzez działające siły bezwładności i grawitacji.
Rakiety takie mają najczęściej zastosowanie bojowe, przenosząc w głowicach ładunki wybuchowe (konwencjonalne, jądrowe, chemiczne) o zasięgu od setek kilometrów po odległości międzykontynentalne.
Pierwsze amerykańskie próbne loty załogowe na granicę kosmosu odbywały się po trajektoriach balistycznych; później dopiero przystąpiono do prób satelizowania statku załogowego. Chiny poszły inną drogą i po serii testowych bezzałogowych lotów orbitalnych nastąpił lot z załogą (1 osoba) na pokładzie w pełnym zakresie misji.

Rodząca się obecnie komercyjna turystyka kosmiczna także będzie z początku wykorzystywać trajektorie balistyczne dla załogowych pojazdów kosmicznych, które osiągać będą pułapy do 200 km, zapewniając turystom kilku-kilkunastominutowy stan nieważkości w przestrzeni formalnie uznawanej już za kosmos.

Pierwszy taki lot wykonano 2004-06-21 na statku kosmicznym "SpaceShip One" (statek dwuczłonowy składający się z samolotu odrzutowego transportującego na wysokość ok. 15 km uskrzydlony człon rakietowy zdolny do powrotu lotem ślizgowym i lądowania na pasie lotniska), skonstruowanym przez firmę Scaled Composities i konstruktora Burta Rutana. Statek osiągnął pułap 100,1241 km, co kwalifikuje lot podług wymogów FAI jako kosmiczny. Lot w stanie nieważkości trwał około 3,5 minuty, a pilotował go Mike Melvill.
2004-10-04 statek "SpaceShip One" zdobył nagrode X-Prize w wysokości 10 mln. USD, odbywając dwukrotnie lot na pułap powyżej 100 km z pilotem na pokładzie i balastem rownoważnym dwóm pasażerom.
Loty kosmiczne SpaceShipOne (podług FAI)
Data Pilot Pasażer-1 Pasażer-2
Wysokość [m]
2004-06-21 Michael W. Melvill - -
100124
2004-09-29 Michael W. Melvill - -
102958
2004-10-04 Brian Binnie - -
111996



Jakie są obecne używane kosmodromy

Za definicję komodromu przyjmiemy "miejsce, z którego startują obiekty kosmiczne zdolne przynajmniej do satelizacji wokół Ziemi".

Aktualnie wykorzystywane kosmodromy:
  • Rosja: Bajkonur (Tiuratam)[*], Plesieck, Swobodnyj - razem 3;
  • USA: Cape Canaveral/Kennedy Space Center, Vandenberg, Kodiak - razem 3;
  • Francja/ESA: Kourou (Gujana Francuska) - razem 1;
  • Brazylia: Alcântara - razem 1;
  • Japonia: Tanegashima, Kagoshima - razem 2;
  • Chiny: Taiyuan, Xichang, Jiuquan - razem 3;
  • Indie: Sriharikota - razem 1;
  • Izrael: Palmachim - razem 1;
  • Pozostałe(mobilne): Sea Launch (pływająca platforma morska "Odyssey"; okolice równikowe na Pacyfiku),
    Pegasus - rakieta startuje z samolotu L-1011 "Stargazer". Samolot może wzlecieć z dowolnego lotniska, co pozwala na maksymalnie efektywne wykorzystanie rotacji Ziemi do osiągnięcia orbity o planowanej inklinacji. Samolot startuje zazwyczaj z Vandenbergu lub Cape Canaveral, lecz zdarzały się też jego starty z Wallops, czy też Wysp Kanaryjskich,
    Morze Barentsa - rakiety Wołna i Sztil, startujące z pokładu rosyjskich okrętów podwodnych.
Razem: 15 kosmodromów "stacjonarnych" i 3 mobilne.

 [*] Kosmodrom Bajkonur znajduje się w niepodległym Kazachstanie i jest dzierżawiony przez Rosję.


Jak długo może pozostawać w kosmosie satelita geostacjonarny

Techniczną żywotność tych satelitów głównie wyznaczają zapasy paliwa do silniczków korekcyjnych, wszak wpływy grawitacyjne układu Ziemia-Księżyc nie są do zaniedbania, jeśli trzeba utrzymywać precyzyjnie pozycję takiego satelity (w tzw. slocie). Dawniej, gdy stosowano hydrazynę, żywotność satelity GEO nie przekraczała 5-10 lat i tak też było w praktyce. Obecnie coraz powszechniej stosuje się do korekcji silniki jonowe. Pozwala to utrzymywać satelicie stabilną pozycję przez minimum 15 lat. To dziś standard. Ograniczenia wynikają też z żywotności nadawczych układów mikrofalowych, ale jakoś się z tym już uporano na tyle, że 15 lat nie stanowi poważnego problemu.
Wyeksploatowany satelita GEO jest "kopniakiem śmierci" (resztkami paliwa) przenoszony na orbitę wyższą niż GEO i tam zasila liczebnie inne latające wraki.
Trudno zaś powiedzieć, ile te wraki będą latać na swych orbitach, gdyż nie podlegają one hamowaniu przez atmosferę ziemską, a jedynie wpływom grawitacyjnym układu Ziemia-Księżyc, które w bardzo długim przedziale czasowym mogą na tyle zaburzyć ich orbity, że staną się one na tyle eliptyczne, że dojdzie do zauważalnego wpływu atmosfery ziemskiej. Jednak spokojnie można szacować ten czas na setki tysięcy lat.

Co nazywamy "lądowaniem balistycznym"

Jest to powrót z orbity bez wykorzystania w pełni własności aerodynamicznych lądownika. Dla przykładu lądownik statku kosmicznego Sojuz posiada doskonałość aerodynamiczną w zakresie 0,2-0,5, co pozwala na znaczną redukcję przeciążeń podczas lądowania, nazywanego lądowaniem sterowanym, bądź pilotowanym. Warunkiem osiągnięcia tej doskonałości jest jednak prawidłowe wykonanie manewru hamującego:
  • statek musi być idealnie usytuowany,
  • impuls hamujący musi być wykonany bardzo precyzyjnie, zarówno co do czasu trwania jak i wielkości (ciągu silnika),
  • lądownik powinien być ustawiony pod właściwym kątem względem atmosfery w momencie wejścia w nią i powinien rotować wokół osi pionowej z minimalną prędkością.
Niespełnienie choćby jednego z tych warunków odbija się od razu na współczynniku aerodynamicznym, co skutkuje powrotem po bardziej stromej trajektorii, kiedy to przeciążenia są znacznie większe, osiągają lub przekraczają wartość 8 G. Lądowanie takie nazywamy lądowaniem balistycznym, doskonałość aerodynamiczna spada wtedy prawie do zera. Powrót awaryjny polega głównie na wydaniu impulsu hamującego, gwarantującego szybki powrót z orbity i odbywa się m.in. w ten sposob, że zakłada się niepełny ciąg silnika hamującego i niezbyt dokładną orientację w przestrzeni. Aby zagwarantować w tych warunkach powrót na Ziemię, przedłuża się czas pracy silnika hamującego, co oczywiście w konsekwencji powoduje powrót po bardziej stromej trajektorii.

W praktyce przeciążenia podczas lądowania Sojuzów wynosiły zazwyczaj 3,5-4,5 G, ale zdarzały się od tej reguły wyjątki:

Sojuz 1, Sojuz 5, Sojuz 18-1, Sojuz 33, Sojuz TM-31, Sojuz TMA-1.

 


2006 iwiedza