Nowy przepis na rakietę

Od początku kosmicznych lotów rządzą nimi te same reguły. Napęd co najmniej dwustopniowemu (składającemu się z praktycznie dwóch połączonych rakiet pracujących na różnych wysokościach nad ziemią) pojazdowi zapewnia silnik czerpiący paliwo i utleniacz z niesionych w rakiecie zbiorników. Choć to na razie jedyny sposób, aby dostać się na orbitę, to jest on dosyć skomplikowany i ma spore ograniczenia. Utleniacz wiele waży, a więcej stopni rakiety to m.in. wyższe ryzyko awarii i niepowodzenia w momencie ich rozdzielania. Silniki rakietowe to także główny napęd dla lotów poza bliskie okolice Ziemi, ale niestety niewiele można je w tym zastosowaniu ulepszyć. Dlatego bada się inne rozwiązania, aby móc efektywniej podróżować na orbitę i w daleką przestrzeń. Niektóre pomysły powstały już dawno, lecz dopiero teraz przybierają nową postać, a inne to nowość. Czy mają szanse?

Z szablą w kosmos

Niedawno ESA razem z UK Space Agency zapowiedziały testy głównej części silnika SABRE. Jego nazwa to akronim, który rozwija się w: synergetic air-breathing rocket engine (synergiczny, zasilany powietrzem silnik rakietowy), ale skrót też ma swoje znaczenie – po angielsku to „szabla”, a napęd rzeczywiście przypomina kształtem krzywiznę szabli. Jak wskazuje nazwa, nie jest to zwykły silnik rakietowy. W pierwszej fazie lotu – do wysokości 25 km i osiągnięcia pięciokrotnej prędkości dźwięku – ma działać podobnie jak tradycyjny silnik odrzutowy. Do spalania paliwa (w tym wypadku ciekłego wodoru) będzie wykorzystywać tlen znajdujący się w powietrzu atmosferycznym. Dopiero później przełączy się w tryb rakietowy, w którym z pokładowych zbiorników pobierze nie tylko paliwo, ale także utleniacz (ciekły tlen). Jaka z tego korzyść? Otóż dzięki temu potrzeba o wiele mniej utleniacza niż w przypadku zwykłego silnika rakietowego. Konstrukcja pozwoli więc na znaczne zmniejszenie masy samego pojazdu, a to oznacza, że da się zabrać więcej ładunku.

Projektująca napęd brytyjska firma Reaction Engines nakreśla wizję, w której będzie on pracował na pokładzie orbitalnego pojazdu, startującego z pasa i lądującego na nim podobnie jak tradycyjny odrzutowiec. Trudna do przecenienia zaleta takiego „samolotu” polegałaby na tym, że po misji wracałby na Ziemię. Tymczasem to właśnie koszt rakiety, która w całości lub częściowo ulega zniszczeniu po wykonaniu zadania, głównie decyduje o cenie lotu. Budowa takiego pojazdu to jednak zupełnie osobne wyzwanie. Na razie firma skupia się na silniku.

Kosmiczna superchłodnica

Jednym z najważniejszych elementów napędu SABRE jest przełomowy układ chłodzący, który przy pięciokrotnej prędkości dźwięku będzie musiał w ułamku sekundy obniżyć temperaturę wlatującego do silnika powietrza o ponad 1000°C. Sekret urządzenia, nazwanego pre-cooler, polega na wykorzystaniu tysięcy cienkościennych, ułożonych w kształt pierścienia rurek z płynem chłodzącym. To wokół nich przepływa pobierane z atmosfery rozgrzane powietrze. Niedawno Reaction Engines przeprowadziła pierwszy wysokotemperaturowy test tego układu. Na razie inżynierowie zasymulowali prędkość 3,3 razy wyższą od prędkości dźwięku, przy której pre-cooler musiał poradzić sobie z powietrzem o temperaturze 420°C. Jak podają konstruktorzy, oznaczało to wymianę ciepła o mocy 1,5 MW (tyle mniej więcej wynosi zapotrzebowanie energetyczne tysiąca gospodarstw domowych). Test zakończył się pełnym sukcesem.

Wirujący wybuch

Na innym podejściu opiera się natomiast silnik pulsacyjny, który podobnie jak SABRE teoretycznie mógłby pracować w trybie napędu odrzutowego i rakietowego. Pierwsze prymitywne silniki tego typu powstały już w czasie II wojny światowej w nazistowskich Niemczech do napędzania rakiet V-1, czyli tzw. latających bomb. Był to napęd odrzutowy, w którym powietrze wpadało do komory spalania przez ruchome żaluzje. Eksplozja w komorze powodowała zamknięcie żaluzji i fala ciśnienia przemieszczała się do rury wylotowej, wywołując ciąg. Powstające później podciśnienie w komorze otwierało żaluzje, które wpuszczały kolejną porcję powietrza. Niestety konstrukcja ta, choć prosta i niedroga, oferowała przerywaną siłę ciągu, potrzebowała dużo paliwa i wcześniejszego rozpędzenia rakiety przed zapłonem.

Podobnych wad być może nie będzie mieć ulepszony silnik tego rodzaju. Otóż w różnych ośrodkach badawczych rozwijana jest idea napędu z wirującą detonacją, w którym nieustanna eksplozja w postaci ciągłej fali rozchodzi się wokół pierścieniowej komory spalania. Umożliwia to efektywniejsze wykorzystanie paliwa, a także uzyskanie stałego ciągu. To nie koniec zalet konstrukcji. Taki napęd, podobnie jak SABRE, mógłby pracować w trybie silnika odrzutowego, kiedy pobierałby powietrze z atmosfery, oraz w trybie rakietowym – z utleniaczem dostarczanym ze zbiornika. Niedawno zespół z University of Sydney, współpracujący ze specjalistami z innych ośrodków w ramach projektu International Responsive Access to Space, zapowiedział budowę pierwszego silnika z wirującą detonacją, który pozwoli na wynoszenie ładunków w przestrzeń. Dotychczas grupie udało się przeprowadzić komputerowe symulacje, które pokazały, jak uzyskać pożądany przebieg detonacji, i teraz zespół zamierza przejść do prac nad realnym urządzeniem, a następnie do naziemnych testów. Trudno na tym etapie wyrokować, czy przedsięwzięcie zakończy się powodzeniem, ale niewykluczone jest, że w niedalekiej przyszłości to właśnie takie silniki będą napędzały rakiety.

Klinem na orbitę

Wielostopniowe konfiguracje, zaproponowane już na początku XIX w. przez rosyjskiego uczonego Konstantina Ciołkowskiego, mają dwie główne zalety. Pierwsza z nich jest taka, że w dogodnym momencie pozwalają na pozbycie się ciężkiego balastu w postaci pustych zbiorników paliwa i silnika pierwszego stopnia. Jednocześnie umożliwiają uzyskanie w miarę optymalnej wydajności silników w czasie lotu. To niemała zaleta, ponieważ kształt strumienia gazów – wyrzucanych z dyszy i napędzających rakietę – zależy od ciśnienia atmosferycznego, a jednocześnie decyduje o tym, ile energii uda się spożytkować na rozpędzenie rakiety, a ile się zmarnuje. Niestety silniki, które mają dobrą wydajność na małej wysokości, wyżej nad ziemią stają się mało efektywne. Dlatego konstrukcje jednego typu działają w gęstej atmosferze, a innego typu uruchamiane są bliżej orbity.

Wielostopniowe rakiety to także pewne wady. Więcej silników to większa masa, a bardziej złożona konstrukcja to wyższe zagrożenie awarią. Do tego dochodzi ryzyko związane z samym rozdzieleniem członów. Tymczasem, jak proponują niektórzy, można zbudować jednoczłonową rakietę z użyciem napędu typu aerospike. Podczas gdy w zwykłym silniku gorące gazy wylatują przez dyszę w kształcie dzwonu, to w napędzie aerospike poruszają się wzdłuż ścian elementu przypominającego stożek lub klin. W ten sposób z jednej strony strumień gazów kształtują ściany tego elementu, a z drugiej – powietrze atmosferyczne. W miarę wznoszenia się rakiety i spadku ciśnienia zmienia się także oddziaływanie powietrza na strumień, co powoduje, że samoczynnie dopasowuje się on do danej wysokości. Choć w porównaniu z tradycyjnym silnikiem działającym na optymalnej dla niego wysokości aerospike ma nieco mniejszą wydajność, to utrzymuje ją w trakcie całego lotu.

Czy to ma sens?

Ten pomysł także znany jest od dawna. Brano go np. pod uwagę przy projektowaniu wahadłowców i zastosowano go już w X-33. Był to budowany przez firmę Lockheed Martin pojazd demonstrujący technologie tworzone z myślą o kolejnej generacji wahadłowców. Niestety, kiedy prototyp X-33 był niemal gotowy, NASA anulowała projekt z powodu różnorodnych problemów technicznych, niestabilności lotu i zbyt dużej wagi konstrukcji. Pierwszą orbitalną rakietę z silnikiem aerospike chce natomiast zbudować firma ARCA Space Corporation. Pojawiają się tutaj jednak istotne problemy. Po pierwsze, na ubiegły rok przedsiębiorstwo planowało wykonanie lotu suborbitalnego z silnikiem aerospike, a tymczasem dopiero przygotowuje wystrzelenie rakiety z tradycyjnym napędem. Po drugie, planowana rakieta Haas 2CA ma, co prawda, docierać na orbitę w konstrukcji jednostopniowej, ale masa wynoszonych ładunków nie może przekroczyć 100 kg. Tymczasem np. Falcon 9 SpaceX pozwala na wyniesienie 23 t na niską orbitę okołoziemską, a Falcon Heavy – 64 t. Co więcej, rakieta ARCA nie będzie odzyskiwana po locie.

W daleką przestrzeń

Największe szanse na wprowadzenie do użycia ma natomiast inny napęd, który jednak nie będzie służył do startów z Ziemi, ale do dalszych podróży, rozpoczynanych już po dotarciu na orbitę. Chodzi tu o silniki jonowe. Ich zastosowanie może pozwolić na zredukowanie masy napędu aż o 90%. Ten znany od wielu dekad pomysł jest już nawet wykorzystywany. Silniki jonowe umożliwiają np. sterowanie satelitami na orbicie, a także napędzały niektóre sondy, jak Hayabusa, która dostarczyła na Ziemię próbki asteroidy Itokawa, Dawn, wysłana do planetoidy Westa i planety karłowatej Ceres, czy lecąca w stronę Merkurego BepiColombo.

Tego rodzaju jednostka może jednak zaoferować o wiele więcej niż tylko napędzanie satelitów czy bezzałogowych sond badawczych. NASA prowadzi daleko posunięte prace nad nową generacją takiego napędu o nazwie advanced electric propulsion system (AEPS). To silnik Halla – rodzaj napędu jonowego, w którym elektrony są w specjalnej komorze rozpędzane polem magnetycznym z wykorzystaniem zjawiska Halla. Do komory wprowadza się ksenon (obojętny chemicznie gaz), którego atomy są jonizowane przez poruszające się z dużą prędkością elektrony. Dodatnie jony z pomocą pola elektrycznego są następnie wyrzucane z prędkością przekraczającą 100 tys. km/h. Energia pochodzi z baterii słonecznych. I tutaj właśnie leży sekret możliwości silnika jonowego – nie trzeba zabierać paliwa do produkcji energii, a do wytworzenia skutecznej ilości jonów wystarczy stosunkowo niewielka porcja substancji wyjściowej. Konstrukcje tego typu oferują co prawda niewielki ciąg, ale mogą działać kilkadziesiąt tysięcy godzin i w ten sposób nadawać pojazdom wysokie prędkości. Na początku przyszłej dekady AEPS, razem z tradycyjnym napędem, będzie najprawdopodobniej działał na pokładzie Power and Propulsion Element. To moduł mający zasilać planowaną stację orbitującą wokół Księżyca – Lunar Orbital Platform-Gateway – i pozwalać na jej przemieszczanie. Później ma umożliwić loty na jeszcze większe dystanse, nawet takie jak załogowe misje na Marsa.

Marek Matacz
niezależny dziennikarz popularnonaukowy, z wykształcenia biotechnolog