Przyszłość w klasie najcięższych rakiet nośnych

Zapraszamy do artykułu opisującego możliwe kierunki rozwoju największych rakiet nośnych.

Bardzo ciężkie rakiety nośne – wczoraj i dziś

Pod pojęciem ciężkich rakiet rozumie się najczęściej rakiety o udźwigu ponad 20 t na niską orbitę okołoziemską (LEO). Obecnie w użyciu jest kilka rakiet tego rodzaju, są to najcięższe wersje Delty IV Heavy (Lockheed Martin, USA), Ariane 5 (Europa), Proton (Rosja), Chang Zheng 5 (Chiny) oraz Angary (Rosja). Nie jest to klasa najczęściej używanych rakiet, ale są one regularnie stosowane do umieszczania satelitów telekomunikacyjnych na orbicie geostacjonarnej (GEO) oraz ciężkich ładunków na LEO, na ogół związanych z programami załogowymi.

Osobną klasę stanową rakiety bardzo ciężkie, które można zdefiniować przez udźwig na LEO ponad 40 t. Rzecz w tym, że takich rakiet obecnie nie ma. Tym niemniej trwają prace nad kilkoma tego rodzaju systemami transportu kosmicznego, które są przewidziane przede wszystkim na potrzeby eksploracji kosmosu, głównie załogowej. Stąd też obrazki tych rakiet, chętnie generowane przez ich projektantów, budzą tak duże zainteresowanie mediów. To te rakiety umożliwią za jakiś czas powrót człowieka na Księżyc, podróż na Marsa, a może i dalsze loty. Jednak ze względu na skalę problemów technicznych, a zarazem finansowych związanych z ich budową, proces ich powstawania musi trwać kilkanaście lat i pochłonąć wielomiliardowe środki.

Tabela 1 Dawne bardzo ciężkie systemy transportu kosmicznego (kliknij by powiększyć) / Credits – Jan Szturc

Pierwszą tego rodzaju rakietą był legendarny Saturn 5, który wysłał pierwszych ludzi na Księżyc. Miał on udźwig w późniejszych, silniejszych wersjach wynoszący 140 t na LEO. Ostatni jego start odbył się w 1973 r. Przygotowywany w tajemnicy radziecki odpowiednik i konkurent Saturna V, czyli o wiele mniej znana rakieta N1, nie zdołała nawet pomyślnie wystartować – po czterech nieudanych próbach program zamknięto.

Prom Endeavour na wyrzutni LC-39A. Zdjęcie z 22 marca 2011. / Credits – NASA

Po kilku latach przerwy wielkim sukcesem technicznym okazał się program Space Transport System (STS), czyli popularne wahadłowce wielokrotnego użytku, które w latach 1981-2011 wykonały ponad 130 lotów na orbitę, umieszczając na niej każdorazowo, łącznie z załogowym orbiterem, ponad 100 t. Tym razem rosyjska odpowiedź, czyli rakieta Energia – okazała się udanym projektem, ale po przeprowadzeniu zaledwie dwóch startów, w tym jednego z Buranem, rosyjskim odpowiednikiem wahadłowca, program został zamknięty ze względów finansowych – były to lata zmierzania Związku Radzieckiego do upadku. Projekty Energia i Buran na zawsze pozostały niedokończone.

Grafika przedstawiająca strukturę rakiety SLS / Credits: NASA/MSFC

Przez wiele następnych lat sytuacja polityczna na świecie nie sprzyjała finansowaniu tak ambitnych przedsięwzięć jak załogowe loty na Księżyc. W Stanach Zjednoczonych program powrotu na Księżyc nazwany Constellation, ogłoszony przez prezydenta Georga Busha, rodził się z wielkimi problemami, aż formalnie został zamknięty przez następnego prezydenta Baracka Obamę, który kontynuował prace w tym kierunku ale zmieniając priorytety: miała nim być nim podróż na Marsa z pominięciem Księżyca. Wiązało się to m.in. z zamknięciem programu budowy rakiet Ares I i V, z których druga miała być przewyższyć osiągi dawnego Saturna 5. Obecnie trwają prace, już mocno zaawansowane, nad systemem nazwanym Space Launch System (SLS). W 2019 r. spodziewany jest pierwszy start tej rakiety w najlżejszej wersji, która wyniesie w kierunku Księżyca statek Orion, na razie bez załogi.

Tabela 2 Budowane i projektowane rządowe bardzo ciężkie systemy transportu kosmicznego (kliknij by powiększyć) / Credits – Jan Szturc

Do głosu dochodzi prywatny kapitał

Sytuacja jednak zmieniła się kilka lat temu, gdy pojawili się prywatni przedsiębiorcy, którzy postanowili zdecydowanie wejść na rynek ciężkich rakiet nośnych, który do tej pory ze względów finansowych, dużego ryzyka i długiego czasu oczekiwania na przychody zarezerwowany był dla agencji państwowych.

Elon Musk na IAC 2016 przedstawia ITS / Credits – Blue Dot Solutions

Te dwie postaci to oczywiście Elon Musk (ur. 1971) i Jeff Bezos (ur. 1964). Startowali oni z różnych pozycji. Jeff Bezos, współzałożyciel Amazona, dzięki sprzedaży części akcji w 2000 r. założył firmę Blue Origin, natomiast Elon Musk, założyciel w 2002 r. Space Exploration Technologies (SpaceX) wystartował z niewielkim jak na tę branżę kapitałem rzędu kilkuset mln USD, które zarobił głównie na spółce PayPal. Obaj postawili na innowacyjność jeśli idzie o technologię, której finalnym celem miało być przede wszystkim znaczące, jeśli nie rewolucyjne obniżenie kosztów transportu kosmicznego. Ma to uczynić z ludzi społeczność otwartą najpierw na korzyści płynące z dostępu do kosmosu: tańszej łączności, ale także na turystyki, komercyjnej eksploatacji (górnictwo), a w długoplanowej perspektywie – kolonizacji kosmosu, którą uważają za konieczną dla przetrwania naszego gatunku.

Obydwie firmy postawiły na model, w którym firma z branży astronautycznej jest w miarę możliwości samowystarczalna, a więc produkuje nie tylko same rakiety, ale także silniki do niej oraz statki kosmiczne, w tym załogowe. To różni je zdecydowanie od innych firm, niegdyś tylko lotniczych, które na ogół znacznie dłużej działają na tym rynku, takich jak Boeing, Lockheed Martin czy Orbital ATK, które np. korzystają w dużej części z rosyjskich silników rakietowych, co obecnie jest przedmiotem dużej krytyki ze względu na uzależnienie się od rosyjskich dostawców.

SpaceX kontra Blue Origin (czy raczej: Elon Musk kontra Jeff Bezos)

Różne są modele finansowe tych dwóch firm. Blue Origin starał się utrzymywać swe prace w tajemnicy, w związku z czym nie starał się nawet o finansowanie rządowe poprzez NASA, które zmuszałoby do ujawnienia części danych firmy. Finansowanie mógł w tym wypadku zapewnić sam właściciel, Bezos, który dzięki Amazonowi jest jednym z najbogatszych ludzi świata (na najnowszej liście czasopisma „Forbes” jest na trzecim miejscu z majątkiem wycenianym na niemal 73 mld USD). Jak Bezos sam ostatnio wyznał, inwestuje w swoją firmę ok. miliarda USD rocznie. (Musk jest „zaledwie” na 80. miejscu „Forbesa” z majątkiem wartym niemal 14 mld USD).

Elon Musk, który nie dysponował nigdy taką gotówką, postawił na czerpanie funduszy z programów rządowych i bliską współpracę z NASA. Robił to i robi nadzwyczaj skutecznie: jego firma została beneficjentem kilku dużych programów NASA, takich jak Commercial Orbital Transportation Services (COTS), Commercial Resupply Services (CRS), kilku rund programu Commercial Crew Program (CCP), a ostatnio programu CRS-2. Poza programem CCP, dotyczącym opracowania i wykonania systemów do załogowego transportu orbitalnego (czyli dostarczania załóg na Międzynarodową Stację Kosmiczną ISS), reszta dotyczy transportu cargo na Stację. Służy do tego sztandarowy produkt SpaceX – zestaw rakieta Falcon 9 i statek Dragon.

Firma SpaceX nie mając zapewnionego stałego dopływu gotówki, kilkakrotnie w swej historii ocierała się o skraj bankructwa, np. w wyniku kilkuletnich trudności z wdrożeniem rakiety Falcon 1, a później z powodu kilkuletnich opóźnień w realizacji programów COTS i CRS. Jednak obecnie, nawet pomimo dwóch dramatycznych katastrof rakiety Falcon 9 w latach 2015 i 2016, wydaje się, że dzięki zgromadzeniu odpowiedniej liczby klientów zachęconych już stosunkowo niskimi cenami usług, firma osiągnęła stabilność.

Start suborbitalnej rakiety New Shepard – 22 stycznia 2016 / Credits – Blue Origin

Firmy Blue Origin i SpaceX różni też podejście do szczegółowych kierunków, w jakich rozwijane są ich technologie. Wprawdzie obie postawiły na rakiety nośne, czyli maszyny startujące pionowo w odróżnieniu od technik polegających na budowie samolotów kosmicznych czy startu z powietrza spod samolotu (co usiłują wdrażać takie firmy jak Virgin Galactic czy Stratolaunch Systems). Różni się jednak strategia tych firm: Blue Origin rozpoczął od małych, balistycznych rakiet New Goddard i obecnie New Shepard, który z powodzeniem ląduje po lotach na wysokość ponad 100 km, a niedługo planuje to samo robić na dużych orbitalnych rakietach New Glenn. Tymczasem SpaceX od razu rozpoczął z rakietami orbitalnymi Falcon 9, których pierwszy stopień już niemal rutynowo łagodnie ląduje kilka minut po starcie rakiety, a nawet podjęto już powtórny start raz użytego stopnia. W tym sensie SpaceX osiągnął przewagę (mimo że wcześniej łagodnie lądował New Shepard), ale pierwszy stopień Falcona 9 jest wielokrotnie większy i osiąga znacznie większą prędkość w drodze na orbitę niż New Shepard w balistycznym locie. Rywalizacja ta odbiła się echem w mediach.

Kierunek: Mars

Koncepcja Interplanetary Transportation System zaprojektowana przez SpaceX (SpaceX)

Ale to dopiero początek rywalizacji. We wrześniu 2016 r. Elon Musk naszkicował wreszcie swoją wizję masowych podróży na Marsa, o której mówił już od lat, iż stanowi jego główny cel. Ma powstać Interplanetary Transport System (ITS), który będzie w stanie umieścić na LEO nawet do 550 t. Rok, w którym wizja ta ma zacząć się urzeczywistniać, to 2022! Oczywiście nikt z nawet największych fanów SpaceX nie wierzy w tę obietnicę, mając choćby na uwadze historię dat różnych wydarzeń zapowiadanych już przez Muska. Tym niemniej odpowiedź na pytanie, czy ta wizja ma szanse by w ogóle zostać zrealizowana, nie jest już jednoznaczna. Jak każda wizja, ta również doczeka się wielu modernizacji, ale przy znanym już wielkim uporze Muska, można traktować ją poważnie. Jeff Bezos o aż tak ambitnych zamierzeniach raczej jeszcze nie mówi. Tym niemniej z ogłoszonych przez niego po raz pierwszy we wrześniu 2015 r. zamierzeń firmy można odnieść wrażenie, że nosi się z podobnymi planami.

Tabela 3 Budowane i projektowane bardzo ciężkie prywatne systemy transportu kosmicznego (kliknij by powiększyć) / Credits – Jan Szturc

Nowe silniki rakietowe

Jeśli idzie o najbliższe cele w zakresie bardzo ciężkich rakiet, to SpaceX ma generalnie dwa: wprowadzenie wreszcie do służby rakiety Falcon Heavy oraz dokończenie prac nad silnikiem Raptor, na którym ma oprzeć się cały plan marsjański. Natomiast Blue Origin pracuje nad silnikiem BE-4, który będzie służył jako podstawowa jednostka napędowa przyszłej bardzo ciężkiej rakiety orbitalnej New Glenn, a w dalszej przyszłości superciężkiej New Armstrong, która będzie miała zabrać ludzi na Księżyc i dalej. Szczegółów tej rakiety jeszcze nie znamy. Różnica jest taka, że Blue Origin pomija etap budowy rakiet klasy Falcon 9 i Heavy opartych na małym silniku, co dla SpaceX było niezbędne do pozyskania funduszy państwowych.

Silnik BE-4 produkcji Blue Origin / Credits: Blue Origin

Zatem obie te firmy opierają swój rozwój na silnikach, które są jeszcze w budowie: SpaceX Raptor i Blue Origin BE-4. Obydwa będą napędzane metanem, przy czym prawdopodobnie Raptor będzie silniejszy. Obecnie stosowany przez SpaceX stosunkowo niewielki Merlin, który będzie wykorzystywany też w Falconie Heavy, nie stanowi przyszłościowego narzędzia właśnie ze względu na małą moc – rakieta Falcon Heavy potrzebuje ich aż 27 przy starcie (można przypomnieć, że jedną z głównych przyczyn porażki wspomnianego radzieckiego projektu N1 upatruje się właśnie w zbyt wielkiej liczbie 30 silników pierwszego stopnia). Tak więc Falcon Heavy, mimo iż w momencie debiutu w tym lub przyszłym roku, będzie zdecydowanie największą obecnie działającą rakietą nośną, to stanowi on ostatni etap rozwoju linii opartej na Merlinie; nie stanowi on etapu w drodze do ITS.

Tabela 4 Budowane prywatnie duże silniki rakietowe (kliknij by powiększyć) / Credits – Jan Szturc

Zakończenie

Prace nad silnikiem BE-4 wydają się być bardziej zaawansowane niż nad Raptorem i co więcej, od razu jest dla niego zastosowanie w rakiecie New Glenn. Ponadto BE-4 ma duże szanse stać się podstawową jednostką napędową dla przyszłej ciężkiej rakiety Vulcan projektowanej obecnie przez United Launch Alliance (ULA) – spółkę Boeninga i Lockheed Martina. Zatem wydaje się, że tak naprawdę rywalizacja pomiędzy SpaceX a Blue Origin pojawi się dopiero wówczas, gdy będą wdrażane silniki tych firm. One bowiem zdeterminują dalsze prace nad ambitnymi systemami transportu, które oparte będą na tych silnikach.

Ważne: artykuł chroniony prawem autorskim, co oznacza że wszelkie prawa, w tym Autorów i Wydawcy są zastrzeżone. Zabronione jest dalsze rozpowszechnianie tego artykułu w jakiejkolwiek formie bez pisemnej zgody ze strony właściciela serwisu Kosmonauta.net – firmy Blue Dot Solutions. Napisz do nas wiadomość z prośbą o wykorzystanie. Niniejsze ograniczenia dotyczą także współpracujących z nami serwisów.