Od početka kosmičkog doba, ponovna upotreba elemenata kosmičkih letilica bila je nužna za smanjenje ogromnih troškova misija. Ustvari, isprva se mislilo da je najprirodniji način povratka iz kosmosa spustiti se vertikalno istom raketom kojom se uzletelo (treba samo pogledati stripove poput ikoničnog Flash Gordona ili 'Tintina na Mesecu' iz '53.). Ali realnost jednačine Ciolkovskog dovela je do otrežnjenja od ovih snova u korist raketa sa jednokratnim stepenima, efikasnijim i lakšim za izgradnju. S druge strane, tehnologija 50-ih jednostavno nije ogućavala automatsko spuštanje prvih raketnih stepeni, sem ako nisu nosili ljude, ali čak i tada je to predstavljalo veliki izazov. Zato nije čudno što su prvi projekti za ponovno korišćenje elemenata raketa uključivali upotrebu jednostavnih padobrana ili krilatih letilica koje bi iskoristile atmosferu za povratak kući.
Tintinova nuklearna raketa na Mesecu, klasičan je primer kako bi SSTO/VTOVL sistem trebalo da izgleda.
Bez obzira na to, prvi projekti sa sistemima za višekratno vertikalno sletanje pojavili su se još 60-ih godina prošlog veka. Najpoznatiji su nesumnjivo bili koncepti koje je stvorio emigrant sa Sicilije, američki inženjer Philip Bono (1921-93) iz 'Douglas Space and Missiles Company'[1]. Bono je osmislio niz brodova koji su mogli da dosegnu orbitu uz pomoć samo jednog stepena – to su bili tzv. Single-Stage To Orbit (SSTO) sistemi – i da vertikalno uzlete i isto tako slete – VTOVL (Vertical Take Off and Vertical Landing). Broj VTOVL/SSTO sistema koje je Bono osmislio bio je neverovatan. Jedan od prvih projekata je nosio skraćeni naziv ROOST (Recoverable One-stage Orbital Space Truck) iz kojeg su izvedeni ostali ambiciozniji i poznatiji sistemi, poput ROMBUS-a (Reusable Orbital Module Booster and Utility Shuttle), 'Ithacusa', 'Hyperiona' ili 'Pegasusa'.
Bono pored makete SSTO/VTOVL lansirnog sistema ROMBUS.
ROMBUS spreman za lansiranja.
Svima njima je bilo zajedničko korištenje spoljnjih odbacivih rezervoara goriva kako bi se smanjili zahtevi sistema, i njegova potencijalna vojna primena (bez ulaženja u temu, 'Ithacus' je trebao da služi kao suborbitalni vojni transporter). Većina korišćenih motora bila je raspoređena u krug oko središnjeg konusa, po konceptu poznatom kao aerospike, koji omogućava izvlačenja maksimuma iz motora na bilo kojoj visini. Takođe, u pitanju su bili zaista gigantski sistemi: neke verzije su bile sposobne da odnesu više od 450 tona u nisku orbitu.
Naravno, Bono nije bio jedini koji je radio sa VTOVL sistemima. Poznati inženjer rođen u Nemačkoj,Krafft Ehricke[2], iz kompanije 'General Dynamics', zamislio je otprilike u isto vreme 'Nexus', ogromnu raketu visoku 121 metru koja je trebala da izbaci 900 tona (!) korisnog tereta u orbitu[3].
Suborbitni VTOVL sistem 'Ithacus' za transport vojske. Desno je prikaz broda u ratnoj zoni. Vojnici skaču sa rampe koristeći rančeve na mlazni pogon!
Interkontinentalni transpotrni sistem VTOVL 'Pegasus'.
  |
| Ehrickeova ogromna raketa 'Nexus'. (Video) |
Počev od 1965. godine, 'Boeing' je započeo sa predlozima ambicioznih teških lansirnih sistema tipa VTOL, generalno nazvanih MLLV (Multipurpose Large Launch Vehicle) i AMLLV (Advanced Multipurpose Large Launch Vehicle), verovatno najmonstrumskijih sistema za lansiranje ikad osmišljenih, sa orbitnom nosivošću između 900 i 1800 tona (!!). Cilj ovih kolosa je bio odnošenje u orbitu elemenata budućih orbitalnih stanica solarne energije (SPS) koji su se 70-ih godine činili kao panacea za rešavanje već tada evidentnih energetskih problema čovečanstva. Sa svoje strane, korporacija 'Martin Marietta'[4] je predložila RENOVA-u, jednostepeni VTOVL sistem koji bi koristio čak 40 ramjet motora radi smanjenja početne mase pri uzletanju i koji je trebalo da na visinu od 185 km ponese teret od ~423.000 kg.
'Boeingov' predlog AMLLV je trebalo da bude lansiran sa vode. 12 bustera na čvrsto gorivo prečnika 9,5 m trebala su da pomognu da se podigne teret od 1900 tona. Naivni postsaturnovski megalomani su predviđali 10 letova godišnje tokom prvih 20 godina. (Video)
Do sada realizovani džinovi su smešni za 'Boeingov' predlog AMLLV. Radi predstave o veličini raketa, negde ispod bustera se vidi i Zorkić.
Jedan od 'Boeingovih' džinovskih SSTO/VTOVL sistema planiranih za postavljanje solarne elektrane u orbitu.
Levo je 1,5-stepena varijanta 'General Dynamicsa'. U sredini je njihov 'Nexus'.
Desno je 'Martin-Mariettina' RENOVA. Obrati pažnju na usisnik vazduha po obodu gde vrh ulazi u trup. (300 ft = 91 m).
Sledeći Bonov projekt vertikalnog sletanja bio je jednostepeni i višekratni SASSTO (Saturn Application Single-Stage-to-Orbit) iz 1967, manji i realističniji koncept – ili bolje rečeno, serija koncepata – čija je tehnologija iskorišćena za S-IVB, dodatni stepen raketa iz porodice 'Saturn' (proizveo ga je 'Douglas', Bonova kompanija). SASSTO je poslužio kao inspiracija za mnoge druge projekte iz 70-ih i 80-ih, uključujući BETA[5], 'Phoenix' i SERV. Letilice serije 'Phoenix', od kojih su neke bile predviđene da nose i posade, bile su opremljene kriogenim gorivom (tečni vodonik i kiseonik) kako bi povećale performanse sistema, pa su upotrebljavale motore RL-10 stepena 'Centaur' ili J-2 'Saturna V'. Sa svoje strane, SERV (Single-stage Earth-orbital Reusable Vehicle) iz 1969. bio je dizajn Charlesa Tharratta, konstruktora iz 'Chrysler Corporation'. SERV je bio deo studije koju je financirala NASA radi pronalaženja alternative spejs šatlovima. Koristio je aerospike motore i imao karakteristični spljošteni oblik koji je izgledao više kao 'Apollo' kapsula nego raketa.
Zapadnonemačka balistička jednostepena raketa BETA. Bila je moguća i putnička verzija. Pogonski sistem je imao 12 ili više LH2/LOX motora. Visina – 48 m; prečnik – 7,65 m.
Američka SSTO/VTOVL raketa 'Phoenix' iz 80-ih. Planirano je da sleće i na Mesec i Mars
'Chryslerov' SERV – bivši kandidat za šatl.
1972. godine u Nasinom Marshallovom kosmičkom centru rođen je ATV(Aerospace Test Vehicle, kasnije preimenovan u Aerospike Test Vehicle). Ova raketa, koju je kao i 'Phoenixa'konstruisao inženjer George Detko, bila je mnogo manja – pa stoga i praktičnija – i takođe je koristila kriogeno gorivo i aerospike motore. Upravo sredinom osamdesetih godina koncept 'Phoenixa' se ponovno pojavio, ovog puta koristeći kriogene motore za aerospike.
Levo: 'Phoenix' sistem. Desno: raketa ATV (Aerospike Test Vehicle) iz 1972. Trebala je da nosi 22 tone tereta, a mogla bi da nosi i 2 putnika.
Nijedan od ovih projekata nikada nije ugledao svetlost dana, uglavnom zato što su bili previše ambiciozni i (pre)skupi. Nadalje, bilo je jasno da je tadašnja tehnologija smatrala sistem vertikalnog sletanja strahovito složenim, pa je većina dizajna preferirala tradicionalnije horizontalno sletanje. No devedesetih godina pojavile su se prve pukotine u tradicionalnom shvatanju višekratnosti kosmičkih sistema. Nakon neuspelog pokušaja spejs šatlova da smanje troškove pristupa svemiru, prevladavalo je mišljenje da bi rakete budućnosti trebale da budu višestruko korisnije od šatlova a istovremeno jednostavnije. Ali kako realizovati ta dva oprečna zahteva? Pa, upravo koristeći SSTO i VTOVL tehnologije.
Prvi stvarni projekat razvoja orbitalne rakete za višekratnu upotrebu koja bi mogla vertikalno da sleti bio je 'McDonnell Douglasov' DC-X 'Delta Clipper'. Projekat je rođen 1991. godine kada je mamutska Organizacija za stratešku odbrambenu inicijativu (SDIO), poznatija kao Reganovi 'Ratovi zvezda', odlučila da 'McDonnell Douglasu' dodeli ugovor vredan \(58,9 (ondašnjih) miliona za stvaranje jednokratnog jednostepenog broda[6] u potpunosti namenjenog iznošenju malih vojnih tereta u orbitu (seti se da je Sovjetski Savez tada još uvek postojao).
'Delta Clipper'. Visina – 14 m; težina – 16,3 t. Letilica (triput manji prototip) prvi put je poletela u avgustu 1993. Od 12 lansiranja uspelo je 8. Poslednji let je bio u julu 1996.
'Delta Clipper' je trebala da bude raketa visine 38,7 metara i s masom od oko 35 'suvih' tona, koja bi mogla da ponese do 425 tona tečnog vodonika i kiseonika. Raketa bi koristila između 10 i 12 motora raspoređenih u prstenu oko centralnog konusa prateći sistem aerospikea. Kao i kod ostalih SSTO sistema, nosivost do orbite je bila skromna, samo desetak tona. Jednostavan pogled na njegov dizajn dovoljan je da shvatimo da je 'Delta Clipper' zapravo direktni naslednik prethodnih projekata poput 'Phoenixa' ili ATV-a. U stvari, 'Delta Clipper' nije nastao niotkuda, već je bio nastavak eksperimentalnog projekta SSX (Space Ship Experimental) inženjera Maxwella Huntera (konstruktora nuklearnih projektila i mlaznih bombardera), predloženog krajem 80-ih nakon katastrofe šatla 'Challenger'.
Orbitne aplikacije 'Delta Clippera'. Vojska je odustala od projekta jer je zaključila da je za njih neupotrebljiv (primarni zahtev je bio 'abort once around', sposobnost vraćanja na mesto lansiranja nakon svake orbite), što je značilo financijsku smrt letilice.
Važna inovacija u odnosu na prethodne koncepte je bila da brod ne ulazio ponovno u atmosferu repom napred već nosom[7], koristeći svoj oblik potisnog tela da bi manevrisao tokom povratka. Tek kada bi se brod spustio na visinu od oko 6 km, okrenuo bi se u vertikalni položaj za ateriranje. Odnosno, 'Delta Clipper' ne bi bila samo raketa koja može vertikalno da sleće, već bi mogla i da leti! 'McDonnell Douglas' je planirao i misije sa posebnim modulima za astronaute.
'Delta Clipper' je bila vrlo ambiciozna jednostepena letilica za ono vreme, pa je kompanija odlučila da najpre izradi prototip pod nazivom DC-X – u čast poznatog aviona DC-3[8], veličine jedne trećine finalne letilice DC-Y. Sa dimenzijama 14×4,1 metar i masom od 16,3 tone, DC-X bi kao pogonski sistem koristio 4 modifikovana RL-10A-4 kriogena motora (RL-10A-5). Njihov cilj bi bio testiranje tehnologija povezanih sa vertikalnim sletanjem kako bi se izradio konačni dizajn 'Delta Clippera'. Neki od njih, kao što je bio slučaj sa tankovima vodonika izrađenim od kompozitnih materijala, pokazali su se složenijim nego što je predviđano.
 |
 |
| DC-X tokom prvog leta u leto 1993. | |
DC-X je tri puta poleteo između avgusta i septembra 1993. iz baze White Sands, dostigavši maksimalnu visinu od 870 metara, ali testovi su morali da budu otkazani zbog manjka budžeta (logično, jer je Hladni rat već bio završen). Nakon što je ponovno dobio sredstva, prototip je između 1994. i 1995. obavio još 5 letova, od kojih su neki bili prilično grubi, što je ipak prvi put dokazalo da je moguće kao u stripovima Flash Gordona spustiti raketu vertikalno nakon poletanja. 1995. NASA je preuzela financiranje projekta i tako je rođen DC-XA(Clipper Advanced/Clipper Graham), koji je uključivao poboljšanja originalne konstrukcije, uključujući aluminijum-litijumski rezervoar za tečni kiseonik kojeg im je isporučila ruska kompanija RKK 'Energija'. Nažalost, izvršena su samo 3 leta. Nakon dva početna u kojima je dostignita visina od 3140 metara, 31. jula 1996. prototip je uništen kada je pao na bok i eksplodirao nakon što se jedna od nogu stajnog trapa slomila (jedna od slabih tačaka svih VTOVL sistema).
Prvo sletanje DC-XA u maju 1996.
Naslednik ove neustrašive kosmičke letilice, nazvan DC-X2, nije otišao napred, niti je DC-Y bio pravi orbitalni sistem lansiranja koji bi predstavljao korak pred izgradnju operativnog 'Delta Clippera'. Jedna varijanta 'Clippera' je prikazana na Nasinom konkursu organizovanom za odabir dizajna za projekat SSTO X-33, ali je odbijena u korist 'VentureStara', predloga 'Lockheed Martina', tradicionalnije krilate letilice (koja nije uspela).
'McDonnell Douglasov' predlog (zajedno sa 'Boeingom') za X-33 baziran na 'Delta Clipperu'. Bio je jednostepen, planiran za više lansiranja. Projektovan je za vertikalno uzletanje i sletanje.
DC-X/'Delta Clipper' je pokazao da raketa može da sleće vertikalno kao u filmovima naučne fantastike, ali malo drugačije. Sistemi SSTO su izašli iz mode krajem 90-ih, uglavnom zbog ogromnih tehničkih izazova u njihovom stvaranju i njihove ograničene nosivosti (cilj je bila geostacionarna, a ne niska orbita). Međutim, postojao je još jedan poslednji, prilično ekstravagantan pokušaj nazvan 'Roton'. Ova neobična kreatura sa dvojicom pilota, koju su smislili Gary Hudson i Bevin McKinney iz raketne kompanije 'Rotary Rocket',predstavljala je sistem SSTO/VTOVL koji je podsećao na 'Delta Clipper', ali umesto da sleće uz pomoć svojih motora, koristila je helikoptersku elisu. Ova ideja, koja možda izgleda luda, već je nekoliko puta bila sugerisana tokom istorije svemira (recimo, Sergej Koroljev je predlagao nešto slično da bi osigurao sigurno sletanje kapsule 'Vastok'.) Iako je izrađen prototip pod imenom ATV (Atmospheric Test Vehicle), koje je nekoliko puta tokom testiranja dospeo do visine od 23 metra, kompanija 'Rotary Rocket' je nestala 2001. ostavši bez para, a 'Roton' nije više nikada ponovno poleteo.
Prototip 'Rotona' u akciji. Hlađenje je bilo – vodom! Plan je bio da u orbitu nosi teret po ceni od \)1000/kg, što je 1/5 današnje cene. Nosivost je bila relativno skromna – samo 2,7 tona.
Smatralo se da letilicom ne bi umeo da rukuje niko sem pilota kompanije.
U novije vreme, teksaška startap kompanija 'Armadillo Aerospace' video-gejmera i inženjera Johna Carmacka razvila je između 2006. i 2009. male VTOVL rakete 'Pixel' i 'Mod'[9] za lunarnu misiju u okviru Ansari X-nagrade[10] koje nikada nisu urodile plodom. Godine 2011. 'Armadillo' je iz ovih prototipova stvorio bespilotni višekratni 'SuperMod'. 'Armadillove' male rakete su bile dizajnirane za misije na nebeskim telima bez atmosfere poput Meseca, a ne za lansiranja na Zemlji.
'Armadillova' raketa 'Pixel', raketa 'Mod' i 'SuperMod'.
I tako dolazimo do današnjih dana, gde dominiraju (uglavnom uspešni) pokušaji kompanija 'SpaceX' i 'Blue Origin' da naprave vertikalni sistem za lansiranje[11]. Nestali su pokušaji razvijanja SSTO raketa. Cilj je postao da se stvori prvi stepen za ponovno korišćenje, ne bi li se tako smanjili operativni troškovi. Kao što već znamo, 'SpaceX' je od početka pokušavao da obnavlja prve stepene raketa 'Falcon 9' nakon orbitalnih misija, dok je Bezosov 'Blue Origin' odlučio da započne s suborbitalnim letovima za kosmičke turiste.
Uz testiranje tehnike kako sačuvati prve stepene svojih raketa (svaki je nosio po 9 motora Merlin 1D) u konvencionalnim orbitalnim letovima, 'SpaceX' je 2013. počeo sa testiranjem tehnologije vertikalnog sletanja koristeći letove prototipova 'Grasshopper 1 i 2', tokom kojih je postignuta visina od jednog kilometra.
Prototip 'Grasshopper 2'. (Video)
Prvi pokušaji 'SpaceX-a' u 'spašavanju' prvog stepena nisu bili laki.
23. novembra 2015. kompanija 'Blue Origin'je postala prva u istoriji koja je uspela da vertikalno prizemlji raketu posle svemirske misije u kojoj je premašena granična visina od 100 km, uprkos činjenici da je trajektorija bila suborbitalna. Jednostepeni lanser 'New Shepard'je uspeo da sleti pomoću kriomotora BE-3. Konačno, 22. decembra, samo mesec dana kasnije, prvi stepen 'SpaceX-ovog' 'Falcona 9 FT' uspeo je da sletina rampu na Cape Canaveralu tokom orbitalne misije ORBCOMM-2
Prvo vertikalno sletanje 'Blue Origina'.
Dijagram recovery manevra prvog stepena 'SpaceX-a'. (Video)
Ne bih više duljio o ovoj temi… Elem, hteo sam samo da u najkraćim crtama opišem otvaranje jedne nove faze u kojoj vertikalno sletanje raketa lansiranih u stvarnoj misiji više nije nešto tipično samo za SF priče. Budućnost će odrediti je li to samo još jedan puki ćorsokak u istoriji istraživanja kosmosa ili se suočavamo s početkom potpuno nove ere.
Prvo lansiranje 'Crew Dragona' 2019. i prvi stepen 'Falcona 9' nakon sletanja. (Video)
[1] U skladu sa nekim komentarima na sajtu da kažem da je Bono smislio sistem koji bi prvenstveno mogao da u roku od najviše 45 minuta prenese čitav bataljon vojske u krizne zone.
[2] Jedan od nacista koje su Amerikanci odveli u Novi Meksiku u SAD da rade za njih. Zajedno sa Fon Braunom bavio se kosmičkim raketama, a vizija im je bio put na Mars. Bio je jedan od glavnih inženjera koji su radili na raketi 'Orion' na nuklearni pogon. Smatrao je Meses 7. Zemljinim kontinentom i razmišljao je o kolonizaciji i industrijalizaciji. Kad je 1997. umro, jedna raketa je odnela njegov pepeo u Zemljinu orbitu.
[3] Nemac je zamislio ovu raketu kao sledeći korak posle 'Saturna V', koja bi mogla da ponese 8 puta veći teret od lunarne rakete.
[4] Danas su deo 'Lockheeda', najvećeg proizvođača naoružanja na svetu. Oko 85% poslova im dolazi od Pentagona.
[5] BETA ('Ballistisches Einstufiges Träger-Aggregat') – nemačka orbitna SSTO/VTOVL raketa koju jeprojektovao Dietrich Koelle koji je radio u BMM (Messerschmitt-Bölkow-Blohm). Trebala je da nosi 2 tone u orbitu.
[6] Uslovi SDIO bili sledeći: napraviti suborbitnu višekratnu raketu koja može da podigne teret od 3000 funti (1360 kg) na visinu od 1,5 miliona fita (460 km), koja će da se vrati na mesto lansiranja i meko sleti i koja će moći ponovo da bude lansirana za 3-7 dana.
[7] Spejs šatlovi su koristili jedinstvenu tehniku ulaska u atmosferu, ulaskom 'dupetom' i na leđima, da bi onda, serijom manevara usporavao i orijentisao tako da sleće kao običan avion.
[8] Elisni avion iz II sv. rata koje je posle rata u putničkoj verziji imao i JAT. Neki lete i danas.
[9] O ovome sam pisao u prošloj priči o privatnicima. 'Armadillo' je uspešno učestvovao u Nasinom Lunar Lander Challenge § 2009, ali preciznost sletanja nije bila dovoljna da osvoji prvu nagradu već samo drugu (\(500.000), dok je Masten i njegov lender 'Xoie' osvojio prvo mesto i \)1 milion.
[10] Ukratko, nuđeno je $10 miliona svakom privatniku koji uspe da u dve nedelje pošalje ljude dvaput u orbitu. Nagradu je ponudio iranski parajlija A. Ansari koga se sećam da je i sa Rusima pravio dil o lanjsiranjima suborbitnih letilica radi komercijalnih poslova. Nagradu je dobio Burt Rutan 2004. za projekat Tier One.
[11] Naravno, tako se kaže, ali ko je pročitao skorašnju priču o najmanjoj velikoj raketnoj kompaniji na svetu saznaće da je ipak najviše uspešnih vertikalnih lansiranja i sletanja na svetu izvršio mali privatnik iz Kalifornije.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
