Skylon – nadzieją na przyszłość ?

W roku 2012 nadeszła garść dobrych wieści dotyczących brytyjskiego projektu Skylon. Być może za kilka lat nadejdzie, długo oczekiwany, przełom. Astronautyka wyjdzie z okresu dziecięcego.

O tym samolocie orbitalnym pisałem już ponad rok temu pirx.nowyekran.pl/post/37841,bogactwa-kosmosu-dlaczego-nie-dla-nas , przy okazji omawiania koncepcji SSTO (czyli jednostopniowy pojazd orbitalny).

 

Skylon ma szansę przełamać impas.

Barierą rozwoju przemysłu kosmicznego nadal pozostaje cena, umieszczenia satelity na orbicie kosztuje 10-20 tysięcy dolarów za kilogram. Najniższa na rynku  oferują Rosjanie przy użyciu rakiety nośnej Proton: 4300 $ (za kilogram). Ale oferta ta dotyczy ładunków o specyficznych gabarytach.

Tak więc mamy do czynienia z ceną zaporową. 

Właśnie Skylon ma szansę przełamać ten impas, obniżając cenę dziesięcio a nawet dwudziestokrotnie.

Niestety jego budowa się wlecze.

Istniało wiele planów, powstają i nadal. Niestety projekt SSTO to przedsięwzięcie wieloletnie, złożone i kosztowne. Wielkie organizacje rządowe (NASA, ESA, Roskosmos) wykazały swoją indolencję. Firmom prywatnym brakuje kapitału, czego przykładem może być krach SSTO ROTON, którego konstruktorzy wpadli w pułapkę ekonomiczną w roku 2001. W tym samym czasie anulowano również obiecujący projekt koncernu Lockheed-Martin o nazwie VentureStar.

 

Europejska Agencja Kosmiczna. 

Dobrą wiadomością roku 2012 jest wyraźne, choć moim zdaniem jeszcze nieśmiałe, wsparcie projektu przez Europejską Agencję Kosmiczną ESA. Euro-inżynierowie wreszcie wypowiedzieli się pozytywnie.

Oczywiście "każdy kij ma dwa końce", uzależniona od struktur europejskich agencja może utopić projekt w oceanie biurokracji wypaczając jego pierwotny, zdrowo-ekonomiczny charakter. Pokładam jednak nadzieję w sprytnych Brytyjczykach 🙂

 

Przełom w konstrukcji silnika.

Skylon ma startować z lotniska jak samolot a wchodzić na orbitę jak rakieta.  

Kluczem jest konstrukcja silnika SABRE (na rysunku powyżej). W atmosferze ma działać jak odrzutowy, strumieniowy, pobierający tlen wraz z wpadającym doń powietrzem. Poza atmosferą jak silnik czysto rakietowy pobierający tlen z wewnętrznego zbiornika.

Granicą prędkości samolotów odrzutowych była dotychczas potrójna prędkość dźwięku. Chlubnym wyjątkiem był amerykański szpiegowski SR-71, zwany Blackbird. Osiągał nawet 3.3 macha.

Otóż proszę sobie uprzytomnić iż termiczna prędkość molekuł powietrza, w normalnych warunkach to około 500 m/s. Przy prędkości przekraczającej 5 mach (czyli jakieś 3 razy większej) powietrze wpadające do silnika ogrzewa się do temperatury nawet 1800 stopni (Celsiusza). To już nie powietrze a płomień.

Brytyjscy inżynierowie rozwiązali ten trudny problem projektując "pre-cooler" schładzający gorące powietrze, w błyskawicznym tempie o ponad 1000 stopni.

Prototyp został przetestowany. Działa.

 

Sekretem są specjalnie zaprojektowane rurki z chłodnym helem. Prawdopodobnie będzie chłodzony paliwem, które dzięki temu już wstępnie ogrzane trafi do silnika. W testach zamiast ciekłego tlenu lub wodoru użyto (do chłodzenia krążącego helu) ciekłego azotu.

Właśnie ten sukces brytyjskich konstruktorów zaowocował pozytywną opinią ekspertów ESA. 

Nie wątpię iż projekt jest monitorowany przez służby wywiadowcze głównych graczy światowej areny. Konstrukcja silnika SABRE to nie tylko klucz do lotów orbitalnych ale także samolotów hipersonicznych, czyli poruszających się z wielokrotną prędkością dźwięku. Inżynierowie projektu SKYLON rozwiązują podstawowe problemy.

 

 

Jakie znaczenie ma Skylon ?

Loty kosmiczne są za drogie. Stać nanie tylko wielkie instytucje rządowe bądź tez międzynarodową ESA. Sytuacja ta nie zmienia się od ponad czterech dekad. Nadal króluje technologia rakiet wielostopniowych rodem z lat 50/60-tych. Co najwyżej swoje zdanie mogą powiedzieć księgowi …

Tłoczymy coraz bardziej się na tej małej planecie. Kurczą się zasoby surowców naturalnych, narasta problem z energią …

A tymczasem tuż za Ziemią mamy niewyczerpane źródło energii słonecznej, tylko brać.

Wąskim gardłem techniki stają się metale ziem rzadkich. A przecież występują obficie już na powierzchni Księżyca. pirx.nowyekran.pl/post/44529,celem-jest-ksiezyc-chcemy-go-eksploatowac 

Punktem krytycznym jest wydostanie się ze studni grawitacyjnej Ziemi i osiągnięcie orbity.

Skylon może sprawić, że ceny lotów kosmicznych spadną 10 – 20 razy a w perspektywie i więcej. 

Konkretne oszacowania (2011): ładunek użyteczny 12-15 ton (na niskiej orbicie 300 km), w wersji pasażerskiej nawet do 30 osób. Cena wyniesienia 1 kg ładunku:  £ 650 (funtów brytyjskich).

Sukces ekonomiczny projektu wykreuje całą chmarę naśladowców. Wyobraźmy sobie loty orbitalne w cenie porównywalnej z lotami miedzykontynentalnymi, no moze z parę razy droższe oraz masowo produkowane statki kosmiczne w cenie, powiedzmy, Dreamliner’a.

Start Skylona może stać się kamieniem milowym w historii cywilizacji.

Astronautyka wyjdzie wreszcie z wieku dziecięcego, w którym przebywa już ponad pół wieku. pirx.nowyekran.pl/post/75885,cicho-minela-kolejna-rocznica. Powstały by nowe gałęzie gospodarki związane z przemysłem kosmicznym dające miliony miejsc dobrze płatnej pracy. Można by oczekiwać wieloletniego okresu prosperity. 

Zainteresowanych tematem zapraszam do dyskusji. W tekście, który napisałem z rok temu, pusciłem odrobinę wodze wyobraźni:  pirx.nowyekran.pl/post/37841,bogactwa-kosmosu-dlaczego-nie-dla-nas .

Pamiętajmy jednak iż historia wcale nie musi potoczyć się optymistyczną drogą.

Spektakularna katastrofa w Lakehurst praktycznie zamknęła obiecującą gałąź aeronautyki jaką były sterowce. Na początku lat 90-tych spodziewaliśmy się rozwoju procesorów RISC, niestety walke o rynek wygrały gnioty firmy Intel. Paradoksalnie, po dwóch dekadach, technologia ta wraca, za sprawą smartfonów wymagajacych szybkich procesorów o poręczniejszej i mniej prądożernej konstrukcji.

 

Konkurencja.

W maju 2012 byliśmy świadkami historycznego, pierwszego komercyjnego lotu statku orbitalnego wyprodukowanego przez firmę prywatną. SpaceX.

To właśnie Dragon.

Ambitnym celem firmy jest uzyskanie w pełni odzyskiwalnego pojazdu wielokrotnego użytku. Aczkolwiek konstrukcja bazuje na starej koncepcji rakiety wielostopniowej jednakże odzyskiwany ma być każdy jej segment. Po uzupełnieniu paliwa całość zostanie ponownie zestawiona do następnego startu.

Całość możemy obejrzeć na animacjach poniższego video:

Jeśli się uda – będzie to faktycznie krok naprzód i obniżka cen usług orbitalnych.

Nie jest to jednak az tak rewolucyjna idea jak SSTO Skylon.

 

Dream Chaser firmy Sierra Nevada. Wspaniała "westernowa" nazwa firmy, nie ?

Ten kosmiczny kapeć ma startować klasycznie – nasadzony na szczycie wielostopniowej rakiety nośnej. Później jednak, schodząc z orbity, ma zachowywać się jak wahadłowiec.

W dążeniu do redukcji kosztów konstrukcyjnych inżynierowie decydują się na silniki rakietowe typu hybrydowego. Czyli coś jakby połączenie silnika na paliwo stałe z koncepcją silnika na paliwo płynne dwuskładnikowe. Komora spalania zawiera stałe paliwo, do którego doprowadzany jest ciekły utleniacz.

Przyznam się, iż to właśnie najmniej mi się podoba. Jak to powiadaja "ni pies ni wydra". Trudno będzie osiągnąć impuls właściwy tej klasy co w silnikach Space Shuttle.

Pomoć nad czymś pracuje, w tajemnicy, Pentagon. Dochodzą też wieści o hinduskim projekcie samolotu kosmicznego Avatar. Niestety są one skąpe. 

Pozostali uczestnicy klubu kosmicznego twardo trzymają się konstrukcji rakiet wielostopniowych tkwiących technicznie jeszcze w latach 60-tych. Co najwyżej księgowy policzy śrubki, by obniżyć koszt produkcji. Czego przykładem może być europejska Vega.

 

Dyskusja.

Zapraszam do dyskusji.

Czy czeka nas zwrot cywilizacyjny, czy też nadal będziemy się tłamścić na jednej planecie ?

Polska nie ma szans na pierwszą ligę przemysłu kosmicznego. Na drugą też. A może jednak mamy jakąś szansę na punktowane miejsce w trzecieciej lidze ?

Co robić byśmy nie obudzili sie "z ręką w nocniku" ?

Jakie jest Wasze zdanie ?

 

 

Zielone akapity.

Wrócę tutaj do koncepcji zielonego paragrafu, gdzie czytelnikom odległym od technicznych problemów astronautyki spróbuję je przybliżyć.

Aby umieścić przedmiot na orbicie wokół Ziemi należy wynieść go ponad atmosferę, czyli na wysokość przynajmniej paruset kilometrów oraz nadać mu prędkość około 8 kilometrów na sekundę. Ponad 28 000 kilometrów na godzinę. Współczesny liniowiec pasażerski osiąga do 1000 kilometrów na godzinę, naddźwiękowe odrzutowce wojskowe około 2500 km/h.

Natomiast najlepsze chemiczne paliwo, jakim jest mieszanka wodoru i tlenu, daje prędkośc wylotową około 4 km/s. To i tak dużo w porównaniu z prędkością kuli karabinowej … Niestety w stosunku do potrzeb astronautyki trochę mało.

W rezultacie paliwo stanowi absolutną większość masy rakiety. trzeba pamiętac iż rakieta ma osiagnąć prędkość ze dwa razy większą niż wypływ spalin odrzutowych, musi także dźwigać niezużyte jeszcze paliwo. Tak więc większość paliwa zużywa się do dźwigania właśnie pozostałego paliwa.

Rozwiązaniem stosowanym od lat 50-tych jest rakieta wielostopniowa.

Wyobraźmy sobie w sposób uproszczony: pierwszy, największy stopień rozpędza całość do połowy prędkości. Drugi, dużo mniejszy rozpędza o następną połowę. Oczywiście trzeba, dodatkowo, wynieść całość na wysokość kilkuset kilometrów … trzy stopnie jak nic.

W rezultacie otrzymujemy wielką, ciężką rakietę, której malutki koniec wchodzi na orbitę. W rozwiązaniach klasycznych wszystkie jej człony są jednorazowego użytku. Po prostu spadają na ziemię i nadają się, co najwyzej na złom.

Weźmy na przykład najnowszy produkt ESA z roku 2012 – rakietę VEGA. Z 1500 ton masy startowej, masa użyteczna to tylko 1,5 tony. Czyli na orbitę trafia zaledwie 1% (jedna setna !) tego co startuje. Reszta idzie na straty.

Oczywiście, nad tą rakietą popracowali księgowi. Użyto silniki na paliwo stałe. Ich konstrukcja jest prosta, więc są sporo tańsze od silników na paliwo płynne (tlen + wodór). Niestety efektywnośc też jest mniejsza.

W przypadku ciężkiej rosyjskiej rakiety Proton, na orbitę trafia około 2% masy startowej. I to jest rekord.

Firma Elona Muska powiedziała takiemu marnotrawstwu stanowcze NIE. Wszystkie stopnie rakiety Falcon będą odzyskiwane, do ponownego użytku.

Na obrazku widzimy test miękkiego lądowania pierwszego członu tej rakiety, po wykorzystaniu.

 

Jedną z zasadniczych różnic pomiędzy samolotem odrzutowym a rakietą jest to iż samolot zabiera tylko paliwo – czerpiąc tlen z powietrza, natomiast rakieta oprócz paliwa musi jeszcze dźwigać tlen (lub inny utleniacz). Co ciekawsze, jeśli używamy mieszaniny tlenu i wodoru – masa tlenu ośmiokrotnie przewyższa masę wodoru,czyli paliwa. Co zresztą łatwo sprawdzić porównując ich masy atomowe w molekule H₂O.

A więc na każdą tonę wodoru rakieta dźwiga osiem ton tlenu. 

I tu tkwi podstawa koncepcji Skylon. Popatrzmy na dane techniczne:

pusty samolot:    41 035 kg
tlen:            150 235 kg
wodór:            66 807 kg
paliwo manewrowe:  2 357 kg

Skylon nie musi dźwigać aż tyle tlenu ile musiała by zabrać rakieta (ponad 500 ton), ponieważ sporą część pobiera bezpośrednio z atmosfery. Zaczyna pobierać tlen ze zbiornika dopiero po jej opuszczeniu, w próźni.