Astronautika: misije

U bivšem Sovjetskom Savezu korišćene su dve porodice raketa za lansiranje lunarnih i interplanetarnih letilica. Prva je bila ona bazirana na Р-7 „Семёрки“, intekontinentalnoj balističkoj raketi razvijanoj tokom pedesetih pod rukovodstvom Sergeja Koroljeva. Druga je bila bazirana na „Протону“, koju je sredinom šezdesetih razvio Vladimir Čelomej. Rakete obe ove porodice su i danas u upotrebi.

Nadavno sam napisao ilustrovani tekst o najpoznatilim raketama–nosačima na svetu. Nešto pre toga i tekst o prvoj raketi na tečno gorivo u SSSR–u konstruktora Mihajla Tihonravova. Danas bih priču zaokružio osvrtom na sovjetski deo kolača. Kako je Koroljev još 1933. vizionarski napisao: „Prva sovjetska raketa na tečno gorivo je poletela ... Sovjetske rakete moraju da osvoje kosmos!“

Levo: Sovjetski „Спутник 3“ (1958). Težina: 1.327 kg. Оvо је trebalo da bude prvi satelit koji su Sovjeti poslali u kosmos, ali pošto je raketa–nosač već čekala, a pošto su se Rusi plašili da bi ih Amerikanci mogli preteći, Koroljev je napravio mnogo jednostavniji „Спутник 1“ i lansirao njega. Desno: Američki „Pioneer 4“ (1959). Težina: 6,1 kg. Prvi američki satelit koji je pobedio Zemljinu gravitaciju i poleteo ka Mesecu.

Superiornost raketa–nosača obezbedila je početnu prednost sovjetskog kosmičkog programa. Ogromna lansirna snaga R–7 i „Протона“ dozvoljavala je ogromne i teške kosmičke aparate, opremljene složenom naučnom opremom. Iako su težili minijaturizaciji i uvođenju još više eksperimenata, sovjetski naučnici nisu bili toliko opterećeni težinskim ograničenjima svojih nosača

Raketa „Молния“

Koristeći balistički projektil R–7, Sovjeti su 1957. godine lansirali satelit „Спутник 1“. R–7 je bio 3 puta jači od najveće američke rakete tog vremena, što je mnoge Zapadne stručnjake zateklo potpuno nespremnim. R–7 je bio konstruisan da nosi različitu vojnu i naučnu opremu:

Mada je raketa R–7, poznata kao „Sedmica“ (rus. „Семёрка“), bila prva interkontinentalna balistička raketa na svetu, njeno sporo pripremanje za lansiranje (punjenje tečnim kiseonikom zahtevalo je vreme) učinilo ju je mnogo značajnijom kao raketom za naučne potrebe.

Redom: „Спутник“, „Луна“ i „Молния“. Svima je isti koren: raketa R–7.

 „Луна 1“, lansirana raketom sa Bajkonura januara 1959. godine, bila je prva svemirska letilica koja je dostigla brzinu bega paljenjem dodatnog, trećeg stepena[1]. Astronomi iz Mađarske i Švedske javljali su da vide oblak dima koji se vije iz sonde, ali to je bio veliki crveni oblak (1 kg) natrijuma koji je na daljini od 119.500 km od Zemlje ispušten radi ispitivanja njegovog širenja. Od tada su se u sovjetskoj literaturi sve letilice kadre da premaše brzinu bega („drugu kosmičku brzinu“) pokadkad nazivale „kosmičkim raketama“.

U želju da se stigne do Venere i Marsa, raketa „Moлния“ (8К78) dugačka 43,2 metra i teška 305 tona dobila je četvrti stepen („Блок Л“), koje je konstruisao V.P. Mišin. „Молия“ je predstavljala modifikovanu varijantu trostepenе rakete „Восток“, tj. slavne R-7. Bila je to prva letilica kod koje je primenjena sugestija Ciolkovskog da se ka međuplanetnoj trajektoriji lansiranje izvodi sa tzv. privremene parkirne orbite. Ta tehnika, prvi put u svetu upotrebljena od strane Sovjeta, povećala je lunarni kapacitet sa 400 kg na 1.800 kg, kao i planetni kapacitet sa 200 kg na 1.000 kg. Za startovanje motora IV stepena u uslovima bestežinskog stanja prvo je paljen mali pomoćni (ullage) motor na čvrsto gorivo, koji je stvarao ubrzanje i „gurao“ gorivo na dno rezervoara, sprečavajući da mehurići goriva u gasovitom stanju dospevaju u komoru za sagorevanje.

Počevši od 1960. godine, „Молния“ i njene varijante su učestvovale u lansiranju mnogih planetnih misija: od „Венере 1“ do „Венере 8“, od „Луне 4“ do „Луне 14“, „Марса 1“, i od „Зонда 1“ do „Зонда 3“. Tu su spadale i prva sonda koja je sletela na Mesec („Luna 9“ 1966.) i koja je sletela na Veneru („Венерa 7“ 1970.). Rakete ove porodice su letele sve do 30. septembra 2010. godine, vozeći posade i teret na Međunarodnu orbitnu stanicu.

Levo: stepeni „А“, „Б“, „В“, „Г“ i „Д“. Desno: Gluškovljev raketni motor РД–107 sa 1 turbopumpom i 4 komore za sagorevanje, korišćeni u busterima. Koristili su tečno gorivo iz centralnog rezervoara. Centralno jezgro („Блок A“) imal o je 4–komorni motor РД–108.

Sagorevanjem kerozina i tečnog kiseonika (LOX), 32 komore za sagorevanje rakete R-7 (20 velikih i 12 „vernier”) stvaralo je potisak od preko 450 tona. Iako je ova raketa često nazivana „dvostepenom”, konfiguracija je zapravo bila bazirana na ideji Ciolkovskog o „klasterovanju”. Jedna od prednosti takve konstrukcije bila je u tome da se nijedan motor nije morao da pali u vakuumu, jer se svih pet bustera palilo jednovremeno na zemlji. Čim potroše svo gorivo (posle ~120 sec), 4 bočna stepena (blokovi „Б“, „В“, „Г“ i „Д) su se otkačinjala i odlazila sa strane, a centralni stepen (blok „А“) je nastavljao da stvara potisak do orbite.

Svaki motor РД-107 (8Д728) je imao 4 bronzane komore za sagorevanje, hlađene kriogenim gorivom, što je bio još jedan od sovjetskih „specijaliteta“. Jedan zajednički set pumpi za gorivo i oksidator imao je osovinu koja se okretala 8.300 puta u minutu a koju je pokretala vodonik–peroksid/parna turbina snage 5.100 KS. Toplota koju je stvarala turbina isparavala je tečni azot te tako održavala pritisak u tankovima za gorivo kako su se ovi praznili. Upravljanje raketom obavljano je preko malih „vernier” raketnih motora – četiri na centralnom busteru (РД-108) i po dva na svakom bočnom busteru (РД-107), kao što se idi i na gornjoj slici.

Sovjeti su imali nekoliko lokacija za lansiranje svojih projektila u Aziji i Evropi, ali prvi i najveći na svetu bio je bajkonurski kosmodrom, osnovan davne 1955. godine. Nalazi se zapravo u Tjuratamu u Kazahstanu, ali je ime dobio po udaljenom rudarskom naselju da bi se zbunili zapadnjački obaveštajci. Kosmodrom i danas sadrži železničku stanicu, aerodrom, balistički kontrolni i računarski centar, kao i mnoštvo specijalizovanih lansirnih rampi, raspoređenih u 9 kompleksa, za različite tipove raketa. Rakete „Молния“ i „Союз“ se lansiraju sa sa ogromnih betonskih rampi hlađenih tonama vode. Kada raketa stigne do rampe vozom i hidraulikom se uzdigne, biva okružena čeličnim nosačima koji se zbog oblika nazivaju „lala“ a koji se uklanjaju pred sam start. Naime, 17 sekundi nakon paljenja motora raketa stvara dovoljno potiska da se odlepi od zemlje. Pošto njena težina više ne pritiska konstrukciju koja je drži uspravno, ona se pod uticajem gravitacije sama otkačinje i oslobađa raketu.

Raketa „Протон“

Levo: lansiranje „Протона“ sa sondom „Зонд 5“. Desno: moderno lansiranje.

Za teže planetne misije korišćena je četvorostepena verzija „Протона“. Ime je dobila po prvim satelitima istog imena koje je nosila u orbitu. Konstruktivno, njeni koreni su u teškom balističkom projektilu koji je trebalo da nosi bojeve glave od 100 i više megatona na udaljenost od 13.000 km. Raketa je kompletirana 1965. godine, bila je visoka 58,8 metara, a njenih 6 motora pravilo je potisak od 9,3 miliona kilograma (9,34 MN). Mada je na prvi pogled asocirala na klasterovani dizajn, cilindri oko jezgra rakete nisu bili busteri već tankovi goriva, punjeni organskim aminom 1,1 dimetil-hidrazinom (UDMH). Središnje jezgro je sadržavalo oksidator, azot-tetraoksid, prepoznatljiv po narandžastom dimu prilikom sagorevanja. Iako su ove komponente bile visokotoksične, prednost im je bila u tome što nisu morale da budu kriogene već su mogle da se čuvaju na običnoj temperaturi. UDMH je hemijski veoma aktivan a palio se spontano čim je dolazio u kontakt sa oksidatorom. Time je bio izbegnut problem grubog starta (pojava eksplozije u komorama za sagorevanje koja se javlja kada se mešavina goriva prebrzo ubrizgava u njih).

Nakon okončanja Nasinog programa „Saturn V”, „Протон“ је postao najveći sistem za lansiranje na svetu i to je bio sve dok 1987. nije prvi put poletela ruska „Энергия”, odn. 1989. američki „Titan IV”.

Rakete „Протон“ su učestvovale u lansiranjima „Лунe-15“ do „Лунe 24“, „Венерe 9“ do „Венерe 16“, „Вегe 1“ i „Вегe 2“ (ka Veneri i Halejevoj kometi), i „Марсa 2“ do „Марсa 7“. „Марс 3“je bila prva sonda koja je 1971. godine sletela na Mars, a „Венера 9“ je bila prva koja je 1975. godine fotografisala površinu Venere. Druga generacija lunarnih misija[2] uključivala je robote za prikupljanje uzoraka i njihovo dopremanje na Zemlju, kao i robotizovane rovere. Do danas su ovom raketom lansirane ukupno 382 misije, od čega je svega 43 završeno nekim kvarom ili neuspehom, što je čini jednom od najpouzdanijih uređaja za lansiranje danas (89%).

Rakete ovog tipa su se tokom godina usavršavale i pojavilo se nekoliko verzija. U nisku orbitu oko Zemlje mogu da ponesu oko 22 tone korisnog tereta, a u geostacionarnu oko 6 tona.

Sve rakete ove porodice proizvode se u Hruničevljevim fabrikama „Энергомаш” u Moskvi, a odatle se vozovima (u delovima) transportuju u Bajkonur.

Gluškovljev raketni motor na tečno gorivo РД-253 koji su se na početku koristili za prvi stepen „Протона“. Bio je to prvi ne-kriogeni motor na svetu. Danas svaki košta oko $1,5 milion. Desno: šematski prikaz motora sa zatvorenim ciklusom (staged combustion cycle).

Jedna od najvećih inovacija ove rakete bili su famozni РД-253, prvi motori zatvorenog cilkusa. Eksperimente sa motorima takve konstrukcije (rus. замкнутая схема) još 1949. godine izvodio je A.M. Isajev, a nešto kasnije za Koroljevljeve potrebe i slavni N.D. Kuznjecov. U tim motorima, manja količina goriva se u komori za predsagorevanje mešala sa oksidatorom, pokrećući tako turbopumpu za gorivo snage 25.000 konjskih snaga. Vreli izduvni gasovi bogati oksidatorom upumpavaju se u glavnu komoru za sagorevanje gde se mešaju sa primarnim dotokom goriva. Na taj način se ne gubi energija koju nose gasovi iz turbopumpe. Kritičan segment ove tehnologije jesu specijalni materijali za zaštitu od temperature i korozije.

Takođe na mnogo načina i raketno gorivo utiče na specifični impuls (I_sp[3]) nekog motora (temperatura reakcije, zapremina izbačenog gasa, specifična temperatura, itd.). Raketni konstruktor Valentin Gluško je eksperimentisao sa motorima gornjih stepena „Протона“ upotrebljavajući kao oksidant tečni fluor, postižući za 25% veći specifični impuls. Međutim, LF₂ je bio pretoksičan i prekorozivan da bi mogao praktično da se koristi. Takođe je eksperimentisao i sa gorivima ultra–visokih performansi, kao što je recimo pentabor (B₅H₉), ali se i on pokazao previše opasnim.

Pouzani i izdržljivi, sovjetski motori konstruisani tokom šezdesetih godina ostali su nenadmašeni u kvalitetu. Oni ne samo da su i danas u upotrebi u Rusiji, već i najnovija generacija američkih raketa koristi ruske motore. Nasine rakete „Atlas III“ i „Atlas IV“ upotrebljavaju danas РД-180, moćne motore sa sovjetske mega–rakete za Mesec, „N–1“ (11A52), koji su prepravljeni za savremenu namenu.

Sa leva na desno: balistička R-7, Спутник, Восток (Луна), Восток, Восход, Moлния, Союз, Progress, Союз-Фрегат, УР500, Протон-K, Протон-K Блок-Д (Зонд), Протон-K Блок-ДM (Интеграл), Зенит-2, Зенит-3СЛ, УР-100N Роскот, РТ-21М/SS–20 „Saber“, SS-25, Старт-1-1, Start, ljudska figura u razmeri (1,8 m visine).

Jonski motori

Još 1958. godine Koroljev je naglašavao da će razvoj jonskog pogonskog sistema kad–tad postati neophodan za efikasno kosmičko putovanje. Tvrdnju je zasnivao na radovima K. Ciolkovskog iz 1903. gde je dokazano da je brzina kosmičkog broda proporcionalna specifičnom impulsu njegovih motora. On je još 1911. godine iznosio predloge o korišćenju električnog pogona[4].

Pulsni plazmeni trasteri su prvi put iskorišćeni u kosmosu kao motori za kontrolu položaja letilica na relaciji Zemlja–Mars „Зонд 2” i „Зонд 3” 1964/65. godine (levo). Motori su bili na argon odn. helijum. Desno: stacionarni plezmeni traster СПД-100 (Стационарный Плазменный Двигатель) prečnika 100 mm. Za više od 30 godina nijedan ruski plazmeni motor se nije pokvario, tako da ih danas na svojim misijama koristi i Evropa i Amerika.

Kao i u mnogim drugim slučajevima, pioniri električnog raketnog pogona (ЭРД) bili su Sovjeti, koji su prvi termoelektrični („resistojet“) motor proizveli 1929. godine, dok su sa plazmnim i jonskim motorima eksperimentisali sredinom pedesetih. Prva primena električnog pogona u kosmosu vezuje se za Marsovu automatsku sondu „Зонд 2“, lansiranu 1964. godine. Ona je imala šest plazmenih trastera male snage koji su služili za orijentaciju solarnih panela tokom leta do Marsa. Bilo je moguće uključiti ih radi eksperimenta, ali i isključiti i koristiti konvencionalne hidrazinske trastere. Tokom 70 minuta rada u kosmosu, motori su proizveli mlaz plazme temperature oko 3 × 10⁴ K, koji je izlazio iz mlaznica brzinom od oko 16 km/s. Ovi motori su bili veoma efikasni ali su proizvodili potisak od samo nekoliko grama. Princip njihovog rada zasnivao se na strujnim impulsima visokog napona koji su jonizovali tanke slojeve teflonskog goriva. Ove motore su proizvodili akademici i profesori iz Kurčatovljevog instituta za atomsku energiju predvođeni Aleksandrom M. Andrijanovim.

Prvi put korišćeni 1972. godine[5], stacionarni plazmeni motori (СПД) su služili za održavanje orijentacije i položaja sovjetskih komunikacionih i meteoroloških satelita. Моmentni žiroskopi su bili u stanju da i sami održavaju kontrolu orijentacije (prvi put korišćeni kod „Венере 1“), ali orbitna podešavanja su ipak zahtevala potisnike. Ti motori su ubrzavali jonizovani ksenon pomoću snažnog magnetnog polja, a neki modeli su davali potisak od preko 18 kg. Njihov specifični impuls je oko 8 puta veći od hemijskih raketnih motora.

Američki međuplanetni lansirni sistemi

Američki planetni istraživački program je u početku patio od raketa–nosača male snage, ali već od sedamdesetih godina dobili su sisteme koji su mogli da se mere sa sovjetskim „Протоном“. Spejs šatlovi su odneli u orbitu nekoliko sondi, ali je kasnije zaključeno da je lansiranje sondi sa dodatnim stepenima prepunih gorivom šatlovima sa ljudskom posadom ipak nesigurno.

Redom: Raketa „Atlas-Agena” je u periodu 1960-1978 lansirana 119 puta, i to sve u vojne svrhe. Bila je to tzv. „two-and-a-half stage” raketa, sa „stage-and-a-half” projektilom „Atlas“kao prvim stepenom i RM-81 „Agena” kao drugim. Raketa „Atlas-Centaur” je lansirana 167 puta između 1962. i 2004. Vodila se kao 21/2 stepena raketa. „Centaur” je bio dodatni stepen koji je ubrzavao svoj teret do geostacionarne orbite ili do brzine bega. Odrednica „Titan-Centaur“ označava raketu porodice „Titan“ i gornji stepen „Centaur“. Odnosi se na dve rakete: „Titan IIIE” i „Titan IV”.

„Atlas“ je bio jednostepeni interkontinentalni balistički projektil, pojačan orbital/escape stepenom „Agena“. Sa potiskom od oko 140 tona, „Atlas“ je imao samo trećinu lansirne nosivosti sovjetske rakete „Молния“. Na prvoj gornjoj slici prikazano je lansiranje na Veneru (završeno neuspehom) sonde „Mariner 1“ iz 1962. godine. Dodatni stepen koji je obezbeđivao dostizanje druge kosmičke brzine i beg od Zemlje, „Centaur“, bio je sofistikovano napredan, pokretan motorom RL–10 na tečni vodonik (LH₂). Njegov razvoj je bio težak i često odlagan, što je dovelo do oslanjanja na manji „Arena“ sistem mnogo duže nego što se to želelo. Na srednjoj slici je prikazan „Pioneer 10“ neposredno pred lansiranje ka Jupiteru 2. marta 1972. godine. Teške rakete porodice „Titan“ bile su znatno snažnije od „Atlasa“. Poslednja slika pokazuje lansiranje Nasine sonde „Viking 1“ ka Crvenoj planeti izvršeno 1975. godine. Sa ukupnom težinom od 3.400 kg, bila je to najteža sonda koju su Amerikanci lansirali do tada[6] (ali ipak otprilike upola manje od dve sovjetske sonde „Фобос“[7] lansirane raketama „Протон“).

Uloga nemačkih raketnih inženjera

Posle prekida vojnih operacija 1945, nemački raketni stručnjaci su se našli na vetrometini. Vojne obaveštajne snage pobednika su se utrkivale na zgarištima vrbujući i nudeći kule i gradove za prebeg. Amerikanci su prednjačili, i u „Operaciji Spajalica“ („Paperclip“) odveli hiljade naučnika i članove njihovih porodica u New Mexiko, na čelu sa Fon Braunom. U narednim godinama njih preko 3.500 će postati američki državljani. Malo se, međutim, zna da je oko 6.000 naučnika (sa porodicama ukupno oko 20.000 duša) otišlo za SSSR. Iako je ondašnja (a i današnja) propaganda tvrdila da su odvlačeni na silu, istina je da su mnogi od njih bili oduševljeni levičarskim i antifašističkim idejama ali i neviđenim uspesima sovjetskog razvoja te otišli u boljševičku zemlju iz ideala. Bilo kako bilo, ostaje interesantno pitanje koliko su nemački inženjeri koji su radili na projektu „Fau 2“, predvođeni Helmutom Gröttrupom, uticali na sovjetske konstruktore. Očigledno mnogo, ali je možda najbolji odgovora dao čovek koji ih je lično poznavao i sa mnogima razgovarao nakon što su se vratili iz Sovjetskog Saveza:

„Nemački naučnici koji su odvedeni u Rusiju očigledno nisu ni bili svesni velikog i važnog programa balističkih projektila koji je uzimao maha u Rusiji. Oni nisu, u bilo kakvom značajnijem obimu, aktivno participirali u razvoju i proizvodnoj fazi programa projektila u sovjetskoj Rusiji.“

–        Dr Wernher Magnus Maximillian Freiherr von Braun, svedočenje pred Kongresom, 1958.

Uprkos svemu, i sovjetski i američki inženjeri su učili od „Fau 2“. Sovjeti su tada već imali postavljene temelje nacionalnog raketarstva, a Koroljev nije ni voleo ni želeo da sarađuje sa Nemcima, od kojih je uostalom većina puštena kući do kraja četrdesetih. U Americi, pionirski radovi Roberta Goddarda su bili potpuno ignorisani od vojske a on, i pored lične želje, nije ni učestvovao u drugim projektima sem u svom ličnom. Retko se pominje da kada je 1934. osnivano američko Interplanetno udruženje Godard nije ni pozvan da prisustvuje. Posle rata, Amerikanci su mnogo više zavisili[8] od nemačkih eksperata nego Sovjeti. Uz to, Amerikanci su zavrbovali većinu najboljih nemačkih naučnika, inženjera i konstruktora, dok su Gröttrup i njegova ekipa više smatrani tehničarima i „osobljem“.

„N–1“. Sovjetska raketa za Mesec.

 Ideja da su se Sovjeti u prvim godinama kosmičke utrke odlepili zahvaljujući učešću nemačkih stručnjaka bila je popularna hladnoratovska propagandna poštapalica, a jedna od žešćih antikomunističkih napada opisivala je raketu R–7 kao „običnih pet projektila ’Fau–2’ spojenih zajedno“. Podjednako apsurdne su bile i slične optužbe bazirane na Gröttrupovim projektima nikadizgrađene rakete G–4 iz 1949. godine.

Priča da je džinovska četvorostepena raketa za Mesec „N–1“ stvorena prema planovima nemačke 24–metarske rakete G–4 naivno se zasnivala na njihovom zajedničkom konusnom obliku i odsustvu stabilizatora. Konstruisanje, proizvodnja i testiranje rakete izuzetno je složen poduhvat, koji zahteva mukotrpan rad hiljada tehničkih stručnjaka na stotinama sistema i podsistema. Naprimer, nije bilo lako konstruisati raketne motore veće od originalnog „Fau 2“ motora. Trebalo je rešiti probleme napajanja gorivom, efikasnog sagorevanja, hlađenja obloge motora, sprečiti destruktivne vibracije, izbeći eksplozivni start motora, itd. U vreme kada je započeto konstruisanje „N–1“, znanja i iskustva sovjetskih raketnih stručnjaka daleko su prevazilazila nemačka znanja iz četrdesetih godina. Netačno je i nefer pripisivati njima zasluge za tako nešto, mada niko ne spori da su neke ideje i tehnička rešenja „prepisana“ iz zaplenjenih nemačkih planova a da su u njihovoj ralizaciji učestvovali i nemački stručnjaci[9].

Sergej Koroljev i Helmut Gröttrup. Da li su bii saradnici ili konkurenti?

P.S.

Ovo je zanimljiva tema i sigurno ću da joj se vratim. Srodnih tekstova na sajtu već ima, a neke koje možda nije loše pročitati pogledaj ovde: Džin-koji-nikad-nije-poleteo, Razvoj-reaktora-i-motora itd.

Author: Draško Dragović

Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi:

• 2010-03-10 - CIVILIZACIJE
• 2024-08-15 - Koliko ima čestica u kosmosu?
• 2018-01-24 - Bor na ispitu
• 2021-08-15 - Može li da se čita uz zvezde?
• 2017-02-14 - Kako da deaktivirate atomsku bombu?