Przegląd komercyjnych propozycji systemów transportu orbitalnego

0

Planowane zmiany w amerykańskim programie kosmicznym dotyczące lotów załogowych na niskie orbity okołoziemskie spowodowały znaczny wzrost zainteresowania koncepcjami prywatnymi, które aktualnie są opracowywane przez mniejsze firmy, znacznie różniące się od rynkowych potentatów pokroju United Launch Alliance czy nawet Arianespace. Mowa tutaj zarówno o projektach uczestniczących w ramach umowy COTS oraz dopiero pretendujących do tego miana.

Dwa najbardziej zaawansowane już teraz mogą się poszczycić podpisaniem kontraktów z amerykańską agencją kosmiczną NASA na dostarczanie ładunków do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, co w przypadku ciągle niepewnej przyszłości lotów wahadłowców kosmicznych ma duże znaczenie dla jej funkcjonowania. Tym bardziej, że najbardziej prawdopodobny scenariusz zakłada, że będzie ona w użyciu co najmniej do 2020 roku.

Trzeba również zaznaczyć, że poszczególne systemy nie ograniczają się do jednej, podstawowej koncepcji – wśród projektów można zauważyć zarówno kapsuły, jak i takie, które wykorzystują kadłub nośny. W przypadku systemu przeznaczonego jedynie do transportu ładunku na orbitę (bez możliwości powrotu na Ziemię) można również mówić o module ciśnieniowym, zbliżonym do wykorzystywanego w europejskim oraz japońskim pojeździe zaopatrzeniowym (ATV oraz HTV).

Space Exploration Technologies Corporation (SpaceX)

Firma, która jest obecnie najbliżej celu, jakim jest umieszczenie prywatnego pojazdu orbitalnego na LEO (niskiej orbicie okołoziemskiej) to z pewnością założona przez twórcę serwisu PayPal – Elona Muska – Space Exploration Technologies Corporation, w skrócie często nazywana SpaceX. Do jej sukcesów z pewnością można zaliczyć opracowanie lekkiej rakiety nośnej Falcon-1, która obecnie jest przez nią oferowana do wynoszenia niewielkich ładunków o masie do około jednej tony.

Rozwinięciem tej konstrukcji jest obecnie testowana na wyrzutni (pierwszy start powinien odbyć się w przeciągu miesiąca) rakieta Falcon-9, wyposażona w dziewięć silników Merlin-1C, wykorzystywanych także w swojej mniejszej kuzynce (Falcon-1e). Co ciekawe – paliwem tych rakiet jest nafta (RP-1), co jest pewnym odejściem od przyjętego przez NASA systemu napędowego opartego na ciekłym tlenie i wodorze (wykorzystywanego przez wahadłowce oraz rakiety Delta) i jest bardziej charakterystyczne dla konstrukcji rosyjskich.

Innym ciekawym elementem tej rakiety jest jej planowana odporność na uszkodzenia silników. Konstrukcja jest zdolna do wejścia na planowaną orbitę nawet w przypadku katastrofalnej usterki dwóch Merlinów i dodatkowo posiada wokół każdej jednostki wbudowany kołnierz ochronny, którego zadaniem jest niedopuszczenie do zniszczenia innych silników przez odłamki (urządzenia te pracują pod bardzo wysokim ciśnieniem).

Falcon-9 może być wystrzelony w misjach zarówno na orbity LEO (także polarne) jak i geosynchroniczne orbity transferowe. Jest również przystosowany do obsługi konstrukcji załogowych.

SpaceX zaprojektował do tego celu własny pojazd – Dragon, którego egzemplarz zostanie przetestowany podczas najbliższego lotu. Składa się on z kapsuły wyposażonej w ablacyjną osłonę cieplną, co daje jej możliwość powrotu na Ziemię, oraz sekcji serwisowej (zawierającej większość głównych systemów pojazdu). Choć kapsuła teoretycznie jest przystosowana również do wynoszenia załogi, to jednak na obecnym etapie jest to niemożliwe z kilku przyczyn – przede wszystkim brak jest odpowiedniej infrastruktury naziemnej oraz systemu ucieczkowego LAS (Launch Abort System), którego zadaniem jest oddalenie pojazdu od rakiety w przypadku jej poważnej awarii. Oprócz planowanego wykorzystania jako pojazdu transportowego do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, firma SpaceX planuje również jego użycie na życzenie innych klientów niż NASA, na przykład jako orbitalnej platformy, która byłaby w stanie przenosić eksperymenty w warunki mikrograwitacji, a następnie powrócić na Ziemię, gdzie zespoły naukowców miałyby szansę dokładnie przeanalizować rezultaty.

Firma Elona Musk’a może się również poszczycić posiadaniem dwóch wyrzutni startowych, w tym jedną noszącą oznaczenie LC-40 i położoną na Przylądku Canaveral. Obecnie trwają testy jej infrastruktury przed planowanym lotem demonstracyjnym w niedalekiej przyszłości.

Interesującym jest również fakt, że zarówno pierwszy stopień rakiety, jak i sama kapsuła zostały zaprojektowane w sposób umożliwiający ich ponowne użycie.

W ramach COTS firma uzyskała fundusze od amerykańskiej agencji kosmicznej w wysokości 278 milionów dolarów.

Orbital Sciences Corporation (Orbital)

Kolejną firmą, która otrzymała kontrakt na dostarczanie ładunków do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej jest Orbital Sciences Corporation, założona przez Davida Thompsona, Bruce’a Fergusona oraz Scott’a Webstera w 1982 roku. Oprócz prac nad małymi oraz średnimi satelitami, firma ta zaprojektowała i zbudowała jak dotąd jedyny system wynoszenia niewielkich satelitów, oparty o samolot nosiciel oraz rakietę nośną – Pegasusa.

Dzięki zaangażowaniu w programy wojskowe Orbital posiada również dostęp do wycofanych rakiet balistycznych na paliwo stałe “Peacekeeper”, które po wyposażeniu w dodatkowy stopień napędowy są przez nią wykorzystywane do wynoszenia ładunków wojskowych (system ten nosi oznaczenie Minotaur IV). Firmal ma również dostęp do komercyjnych silników rakietowych na paliwo stałe, opartych konstrukcyjnie o silnik pierwszego stopnia rakiety “Peacekeeper” i budowanych przez firmę Thiokol na potrzeby rakiety nośnej “Taurus“, wykorzystywanej przez Orbital.

Rakieta ta stanowi w zasadzie złożenie pierwszego stopnia Castor-120 z Pegasusem, pozbawionym jednak skrzydła i stabilizatorów. Jej rozwinięciem – znacznie jednak się różniącym – budowanym na potrzeby pojazdu transportowego jest Taurus II – znacznie potężniejsza, dwustopniowa rakieta mająca startować z ośrodka w Wallops na wschodzie Stanów Zjednoczonych.

Na potrzeby Taurusa II zaprojektowano zupełnie nowy pierwszy stopień, w którym zrezygnowano z silnika na paliwo stałe i zastąpiono go dwoma, niezależnie sterowanymi silnikami na paliwo ciekłe (naftę) Areojet AJ26-62. Górny stopień ma wykorzystywać jednak nadal silnik na paliwo stałe – Castor-30, konstrukcyjnie zbliżony do swojego większego kuzyna Castora-120. Pierwszy lot ma dojść do skutku na początku przyszłego roku.

Oprócz rakiety nośnej firma równolegle pracuje nad bezzałogowym pojazdem transportowym, który składać się będzie z właściwej, transportowej sekcji ciśnieniowej opartej o moduł PCM (Pressurized Cargo Module) oraz modułu serwisowego Cygnus, stanowiącego napęd pojazdu i zawierającego większość jego systemów. Konstrukcja jest zatem zbliżona do europejskiego pojazdu zaopatrzeniowego ATV (lecz jest mniejsza), choć w przeciwieństwie do niego nie jest zdolna do automatycznego dokowania i będzie cumowana podobnie jak HTV – poprzez pochwycenie pojazdu ramieniem Stacji. Sekcja PCM jest oparta o wykorzystywane podczas niektórych misji wahadłowców moduły MPLM (Multi Purpose Logistics Module) i budowana przez tego samego producenta (Thales Alenia Space). Taurus II nie będzie jednak w stanie wynosić sekcji wielkości MPLM, więc PCM będzie jego mniejszym wariantem.

Aby umożliwić starty Taurusa II w ośrodku Wallops budowana jest nowa wyrzutnia startowa, która powinna być gotowa do końca bieżącego roku.

Program uzyskał wsparcie finansowe z NASA w wysokości 170 milionów dolarów.

Sierra Nevada Corporation / SpaceDev (SNC)

Sierra Nevada Corporation przejęła firmę SpaceDev, która pracowała nad pojazdem Dream Chaser, będącym w zamierzeniu rozwinięciem koncepcji studiowanej wcześniej przez NASA. Mini-wahadłowiec zbudowany przez SNC, wykorzystuje rozwiązanie oparte o kadłub nośny (gdzie siła nośna jest generowane przez cały pojazd), którego testy sięgają lat sześćdziesiątych oraz siedemdziesiątych i które były następnie rozwijane przez Centrum Badawcze Langley w projektach HL-10 oraz HL-20.

Sam Dream Chaser oparty jest bezpośrednio na kształcie kadłuba opracowanym w projekcie HL-20, nad którym prace trwały w latach 90-tych, gdy rozważano wprowadzenie mniejszej wersji samolotu kosmicznego jako uzupełnienie floty wahadłowców. Jest jednak od HL-20 lżejszy, o masie poniżej 10 ton, przez co mógłby zostać wystrzelony za pomocą zaadaptowanej do lotów załogowych rakiety Atlas V, wyposażonej w rakiety pomocnicze na paliwo stałe. Koncepcja ta z grubsza przypomina zatem wczesne założenia programu X-20. Wspominaliśmy o tej konstrukcji już w tym artykule.

Mini-wahadłowiec wykorzystywać będzie silniki hybrydowe, będące rozwinięciem urządzeń wykorzystanych między innymi w SpaceShip One – wykorzystywać będą HTPB (paliwo będące rodzajem gumy) oraz NO2 (podtlenek azotu). Obie te substancje są nietoksyczne i bezpieczne, co usprawni proces przygotowania pojazdu do kolejnego lotu. Dodatkowym jego atutem jest z pewnością modularna budowa, która umożliwia szybką wymianę elementów, tak, aby czas pomiędzy misjami został maksymalnie skrócony.

Pojazd planowo ma przenosić sześć osób załogi. W tylnej jego części umieszony zostanie system dokujący, umożliwiający cumowanie do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Firma SNC otrzymała wsparcie w wysokości 20 milionów dolarów.

Blue Origin

Kolejnym graczem, zyskującym na kontrakcie z NASA jest Blue Origin, założona przez Jeffa Bezos’a (właściciela serwisu Amazon). Sytuacja w przypadku tej firmy jest o tyle skomplikowana, że choć w obecnych publikacjach figuruje jako pracująca nad koncepcją kapsuły wynoszonej za pomocą rakiety Atlas V, to znana jest również z tego, że w przeszłości pracowała nad pojazdem w koncepcji VTOL (pionowego startu i lądowania), podobnym w założeniach do DCX, nazywanym “New Shepard”, a którego założenia były testowane przez demonstracyjne urządzenie “Goddard”.

Blue Origin pracuje również nad koncepcją “pchającego” systemu LAS oraz kapsułą wykonaną z materiałów kompozytowych. Amerykańska agencja kosmiczna finansuje projekt w wysokości 3,7 miliona dolarów.

Boeing/Bigelow Aerospace

W grę wchodzą również duże firmy, mające doświadczenie w budowie pojazdów załogowych. Jednią z nich jest Boeing, który wspólnie z Bigelow Aerospace zaproponował własną wersję pojazdu orbitalnego, zdolnego do przenoszenia ładunków lub astronautów.

Choć szczegóły techniczne nie są w tej chwili znane, to na podstawie dostępnych ilustracji można zauważyć, że pojazd podzielony jest na dwie wyraźne sekcje. Pierwszą z nich jest ciśnieniowa kapsuła załogowa, która jest w stanie zapewnić transport siedmioosobowej grupie astronautów i wyposażona jest w system cumowniczy, który umożliwia dokowanie do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Drugą jest sekcja serwisowa, wyposażona w zestaw radiatorów oraz cześć systemu napędowego. Wspominaliśmy już o tej kapsule w tym artykule.

Ciekawostką jest fakt, że według ilustracji pojazd nie zostanie wyposażony w ogniwa fotowoltaiczne, co oznacza, że będzie posiadał inne źródło zasilania.

Pojazd ma być na tyle lekki, by mógł być umieszczany na orbicie za pośrednictwem rakiet Falcon-9, Atlas V lub Delta.

Partnerem Boeinga jest firma Bigelow Aerospace, która umieściła na orbicie dwie eksperymentalne stacje kosmiczne Genesis I oraz Genesis II, zbudowane jako konstrukcje ‘nadmuchiwane’, tzn. wyposażone w ściany zbudowane z wielu warstw materiałów elastycznych. Dzięki temu można ograniczyć ich masę, jednocześnie zwiększając wymiary – po napełnieniu ciśnienie gazu powoduje, że utrzymują one swój kształt.

Projekt kapsuły załogowej otrzymał finansowanie w wysokości 18 milionów dolarów.

United Launch Alliance

W związku z planowanym wykorzystaniem dostępnych rakiet nośnych Atlas lub Delta, Boeing oraz Lockheed-Martin (firmy tworzące ULA) mają zaprojektować moduły EDS (Emergency Detection Systems), których zadaniem będzie w gruncie rzeczy ochrona załogi w razie problemów załogi. Urządzenia te analizują setki parametrów rakiety i w przypadku wykrycia potencjalnej usterki wyświetlają odpowiednią informację w kabinie załogi, lub – jeśli sytuacja tego wymaga – mogą nawet podjąć własną decyzję o wszczęciu procedury awaryjnej.

EDS jest niezbędnym elementem procesu tzw. ‘man-ratingu’, czyli przystosowania rakiet do wynoszenia załogi – termin ten narodził się niemal na samym początku programu załogowego, kiedy przystosowywano rakiety balistyczne do wynoszenia kapsuł załogowych.

Wkład NASA w program wynosi 6,7 miliona dolarów.

Paragon Space Devevlopment Corporation (Paragon)

Pewnym uzupełnieniem powyższego zestawienia jest również firma Paragon, która choć nie zajmuje się budową pojazdu orbitalnego, to tworzy zaawansowane systemy podtrzymywania życia, zajmujące się między innymi kontrolą poziomu CO2 i jego usuwaniem, kontrolą wilgotności atmosfery w pojeździe, wykrywaniem skażeń, filtrowaniem powietrza z różnych drobin oraz jego cyrkulacją i chłodzeniem.

Dzięki finansowaniu NASA w wysokości 1,44 miliona dolarów powstanie model inżynieryjny, który następnie zostanie dokładnie przetestowany, zanim będzie można go używać w przyszłych pojazdach załogowych.

Oprócz wspomnianych firm istnieją oczywiście inne, które obecnie również pracują nad własnymi systemami orbitalnymi. Do takich firm należy między innymi Excalibur Almaz, prywatna firma, która ma zamiar wykorzystywać zmodernizowane pojazdy TKS, powstałe na potrzeby programu szpiegowskich stacji orbitalnych Almaz (zbliżonych do amerykańskiego programu MOL) oraz prawdopodobnie dodatkowe moduły orbitalne (tworząc system nieco podobny do Soyuzów czy też Shenzhou). Jeśli prace będą przebiegać bez przeszkód, pierwsze loty zostaną przeprowadzone w 2013 roku.

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:
Space Exploration Technologies

Orbital Sciences Corporation

Sierra Nevada Corporation
/ SpaceDev
Blue Origin

Boeing
/ Bigelow Aerospace
United Launch Alliance

Paragon Space Development Corporation

Excalibur Almaz

Wyrzutnia startowa LC-40 mieszcząca się na Przylądku Canaveral,  credits: SpaceX

Prezentacja makety mini-wahadłowca Dream Chaser, credits: Sierra  Nevada Corporation / SpaceDev

Pojazd testowy 'Goddard' podczas prób w 2006 roku, credits: Blue  Origin

Projekt kapsuły załogowej Boeinga / Bigelow Aerospace, credits:  Boeing

Share.

Comments are closed.