Džinovske rakete – deo II
'Sea Dragon', stvarno VELIKA raketa
Koja je maksimalna veličina koju raketa može da postigne uz pomoć konvencionalne tehnologije? 1962. godine inženjer po imenu Robert Truax poželeo je da sazna odgovor na ovo pitanje i krenuo je u projekt koji će dovesti do najveće ikad zamišljene kosmičke rakete: 'Sea Dragona'. Postojalo je mnogo planova za džinovske rakete, ali većina su ostala samo fantazija ili lepi ali ne(o)stvarni modeli iz računara. To nije bio slučaj sa 'Sea Dragonom', dizajniranim za izgradnju tehnologijom iz 60-ih. Koliko je bila velika ova raketa? Pa, da bi stvorili sliku, recimo da bi jednim lansiranjem 'Sea Dragona' moglo da se u orbitu odnese pet lunarnih misija 'Apolla'. Ili, drugačije rečeno, bilo bi moguće izvršiti misiju na Mars sa samo dve ili tri lansiranja ovog čudovišta.
Ovo je za mene zapravo vrlo interesantna tema, ne samo po pitanju samog hardvera. Ko nije živeo u to vreme ne seća se ogromnog poleta u svim oblastima u čitavom svetu, naročito u tehnologiji i konstrukcijama. Put na Mesec je izgledao kao da je 'tu iza ćoška', a put na Mars kao prost i logičan sledeći korak. Osvajanje planeta solarnog sistema se podrazumevalo, a ozbiljno se pričalo čak i o potovanju ka drugim zvezdama. Polet u društvu je bio ogroman i svi su mislili da je osvajanje kosmosa naš zajednički zadatak. Svi problemi vezani za to su bili rešivi i dostupni, jer mi smo Homo sapiensi, razumni ljudi. Nažalost, zinuli smo više nego što smo mogli da progutamo, a to o razumnim ljudima... trebaće tek da dokažemo.
Američke 'superrakete', smišljene pre leta na Mesec. Posle osvajanja tog cilja 1969, interes (i pare) za džinove je naglo splasnuo, a danas više ni pare ne pomažu...
Današnji prostor i vreme ću da posvetim idejnom projektu iz 1962, koji je sve do 2018. godine, među razrađenim konceptima raketa, predstavljao daleko najveću ikad zamišljenu i, obzirom na koristan teret na niskoj orbiti oko Zemlje od 550 tona, uporediv jedino sa Maskovim međuplanetnim transportnim sistemom 'Millennium' (prethodnikom 'SpaceX Starshipa'). Radi se o 'Sea Dragonu', pomenutom u prvom delu ovog serijala.
'Sea Dragon' pored nosača aviona. Stari američki sindrom: veličina je bitna.
Mornarički raketni inženjer Robert Truax, otac 'Morskog zmaja'. Zalagao se za jeftine raketne motore i rakete.
Inženjer Robert Truax, koji je u to vreme radio za kompaniju 'Aerojet', odlučio je da prouči faktore koji ograničavaju veličinu konvencionalnih raketa na tečno gorivo. Očito je da što su veće dimenzije, to su veći troškovi lansera. Ali Truax je zaključio da to nije jednostavan linearni odnos. Jednako važan faktor je bila i složenost. Što raketa ima više stepeni, motora i podsistema, to će biti skuplja. Stoga je prvi cilj Truaxovog tima bio da konstruišu najveću i najjednostavniju moguću raketu. Kao rezultat, 'Sea Dragon' je imao samo dva stepena i dva gigantska motora. Naravno, jednostavnost sobom nosi značajnu kaznu: gubitak efikasnosti. Izazov za Truaxa je bio da konstruiše jednostavnu raketu koja će istovremeno biti dovoljno efikasna da u orbitu odnese značajan deo svoje početne težine.
Čitajući o projektima velikih raketa od pre pola veka, često sam nailazio na frazu Veliki glupi busreti (Big Dumb Buster, BDB). To se odnosi na vrstu raketa baziranih na konceptu da je jeftinije koristiti veliku raketu proste konstrukcije nego manju i složeniju, uprkos manje efikasnosti korisnog tereta. Iako su velike rakete napravljene uz minimalne troškove (Minimum Cost Design, MCD) manje efikasna za all around operacije, ukupni troškovi rada su jeftiniji jer ju je lakše proizvesti, raditi s njom i održavati je, uz prednost visoke pouzdanosti zbog smanjenog broja delova.
Koncepte ovog tipa su krajem 50-ih razrađivale američke kompanije 'Aerospace Corp.', TRW i 'AerojetGeneral'. Sve one su koristile specijalne ojačane legirane čelike za konstrukciju, pressure-fed motore koji su koristili N2O4 / UDMH a kasnije LOX / RP-1, sa pintle injektorima kasnije korišćenim za sletni motor lunarnog modula (LMDE).
Kompanija TWR (danas 'Northrop Grumman') napravila je nekoliko motora, uključujući u njihov TR-106, robustan i jeftin motor potiska 2890 kN. TWR je takođe imao planove za jeftinu raketu sličnu šatlu koja je trebala da odnese 29 tona u orbitu za cenu od samo \(59 miliona.
Konstrukcija 'Sea Dragona'.
Detalj ogromnog motora prvog stepena i balastni sistem (NASA).
|
|
Prvi stepen
|
Drugi stepen
|
|
Potisak
|
36300 tona (356 kN)
|
6400 tona (63 kN)
|
|
Vreme rada
|
81 sec
|
260 sec
|
|
Težina goriva
|
3500 tona (kerozin)
|
726 tona
|
|
Težina oksidatora
|
8000 tona (tečni kiseonik)
|
3600 tona
|
|
Delta V (ΔV)
|
1,77 km/sec
|
5,36 km/sec
|
|
Maksimalno ubrzanje
|
4,21 g
|
5,2 g
|
|
Ukupna težina
|
18120 t (višekratna verzija)
18010 t (jednokratna verzija) |
|
|
Teret
|
500 t (višekratna verzija)
509 t (jednokratna verzija) |
|
Karakteristike 'Sea Dragona'.
Ena, ja, 'Saturn V' i 'Sea Dragon'. Čitav II stepen 'Saturna V' mogao je da stane u motor I stepena i mlaznicu 'Sea Dragona'.
Vrlo rano u početnoj fazi projektovanja, Truax je shvatio da ogroman deo uloženog budžeta investiranog u raketu odlazi na održavanje objekata za lansiranje. Za doista masivnu raketu biće potrebna ogromna lansirna rampa i zgrada za montažu. Rešenje ovog problema bilo je prosto: potpuno ukinuti infrastrukturu za lansiranje. 'Sea Dragon' bi se sastavljao i prevozio na vodi, poput džinovske vodene slagalice. Ali kako lansirati raketu bez lansirne rampe? Nema problema, razmišljao je Truax. Raketa bi se postavila u vertikalni položaj korišćenjem balasta sličnog onom na naftnim platformama pre punjenja njihovih tankova. Na kraju bi 'Sea Dragon' uzletio iz okeana s prvim stepenom potopljenim u vodu.
Eliminisanjem težinskih ograničenja usled transporta i montaže, 'Sea Dragon' je mogao da se gradi od konvencionalnih aluminijuma i čelika, umesto skupih i laganih legura koje su mogle da se sretnu u vazduhoplovnoj industriji. Bila je to monstruozna raketa, lansirne težine 20.000 tona i dimenzija 163×23 metra ('Saturn V' je imao 111×10 metara). Njena nosivost do niske orbite dosezala je preko 500 tona, u poređenju sa 120 tona 'Saturna V'. Dvadeset hiljada tona nije mala stvar. Trup 'Titanica' je imao težinu od oko 24.000 tona. Govorimo o raketi veličine okeanskog broda. Zapravo, 'Sea Dragon' je trebalo da se gradi u brodogradilištu slično nuklearnim podmornicama tog vremena i mogao je da na robustan i jednostavan način u orbitu odnese velike brodove izrađene od čelika. I da je došlo do toga, 'Sea Dragon' bi više izgledao kao sprava iz steampunk retro-romana nego kao moderna kosmička raketa.
Sastavljanje rakete u brodogradilištu (levo) i montirnanje balasta.
Faze lansiranja džina.
Nije za svako lansiranje potrebna lansirna rampa.
Glavni problem 'Morskog zmaja' bio je njegov pogonski sistem. Masivni motor prvog stepena bio je makar deset puta veći i snažniji od F-1 'Saturna V'. Projektovanje takve zveri predstavljao je izazov za tadašnju tehnologiju, ali Truaxov tim je zaključio da bi njegova izgradnja bila ipak tehnički moguća, iako bi u praksi problemi nestabilnosti sagorevanja bili ogromni. To nije nikakvo iznenađenje, jer govorimo o komori za sagorevanje veličine kuće. Da bi pojednostavili dizajn – setimo se koliko je jednostavnost bila moto projekta – motor prvog stepena je bio kerolox (sagorevao je kerozin i tečni kiseonik u odnosu 2,3:1), poput F-1.Snabdevanje gorivom vršio bi eksterni sistem za pritisak sličan onom koji se koristi kod malih motora.
Balastni sistem bi držao raketu uspravnom prilikom lansiranja iz okeana.
Zbog visoke cene po lansiranju, Truax je pretpostavio da bi jedino sistemom za višekratnu upotrebu mogao da skrene pažnju vlade i vojske na 'Sea Dragon'. Za razliku od današnjih 'Atlasa' za jednokratnu upotrebu, njegov 'Sea Dragon' je bio dizajniran tako da može gotovo u potpunosti da se ponovno koristi. To znači da čim bi raketa poletela, pripreme svakog njenog komada za ponovno korišćenje bi započinjalo čim bi se završio njegov korisni deo rada tokom lansiranja.
Počevši od balastne jedinice. Odmah nakon lansiranja balastna jedinica bi potonula, ali kada bi se unutrašnji flotacioni baloni daljinski naduvali, počelo bi njeno podizanje. Nakon što bi isplivala na površinu, bila bi odvučena natrag u luku radi sledeće misije.
Potom je sledio prvi stepen. Nakon što bi se motor ugasio, ventili pogonskog goriva bi se zatvorili, sačuvavši pritisak u rezervoarima, oko 7 atm u LOX tanku i 20 atm u kerozinskom tanku. Prazan stepen, ali pod pritiskom, dostigao bi maksimalnu visinu od oko 102 km pre nego što bi počeo da pada natrag ka okeanu. Kako bi ublažio silinu udara, 'Aerojet' je proučio nekoliko alternativa. Padobran je isključen, jer bi kupola dovoljno velika da zaštiti stepen od razbijanja morala da ima prečnik od 822 metra, sa 13-metarskim 'drogue'padobranom koji bi se nadzvučno otvarao negde između 1,8 do 2,0 Maha, te su šanse za neuspešno otvaranje bile velike. Odbačeno je i rešenje sa velikim dodacima na mlaznice koji bi služili kao kočnice prilikom pada, jer bi to bilo preveliko težinsko opterećenje.
Savršeno rešenje je bio aerodinamični usporavač na naduvavanje, vrlo pouzdan i jednostavan sistem[1]. Bila je to velika konusna 'suknja' promera 90 metara sa uglom od 55 stepeni. Obod suknje je činio torus prečnika 9 metara, koji je bio ukrućen manjim cevima na naduvavanje prečnika samo 3 metra. Sklop je bio napravljen od ojačane gumirane najlon-dakronske tkanine sa spoljnjom oblogom od ablativnog gumiranog azbestnog platna koje je moglo da izgori i bude žrtvovano radi termozaštite do 540 stepeni Celzijusa. Presurizacija suknje je vršena iz istog metanskog tanka kao i rezervoari za gorivo prvog stepena, a trebalo je svega 2 atm da bi postala prikladno kruta. To bi takođe osiguralo da stepen udari kako treba – vrhom prema napred. Zahvaljujući usporenju, unutrašnjem pritisku i ispravnoj orijentaciji udara, prvi stepen bi preživeo povratak na Zemlju. Doživeo bi ubrzanje od samo 6,5 g i brzinu udara od oko 90 metara u sekundi, pavši oko 330 km od mesta lansiranja. Radio-farovi na baterije pomogli bi timovima da ga pronađu. Nakon pronalaska, u stepenu bi bio uspostavljen odgovarajući pritisak radi stabilizacije, suknja bi se delimično izduvala i stepen bi bio odvlačen natrag u lagunu.
Spašavanje drugog stepena bi teklo slično, iako bi njegov povratak na Zemlju započinjao uključivanjem malih retroroketa u nosu, budući da se kući vraćao iz orbite. Nakon ponovnog ulaska u atmosferu, suknja slična onoj sa prvog stepena usporila bi ga do željene brzine udara od 64 metra u sekundi. Ponovo, pritisak u rezervoarima – u ovom slučaju 4 atm – zaštitio bi ga od udara. Takođe bi ga tegljači odvukli u lagunu radi obnove i ponovne upotrebe. 'Aerojet' je zamišljao – kao i inženjeri danas – da bi njihovi stepeni mogli da lete makar po 10 puta.
Letna sekvenca 'Sea Dragona'. Spašavanje prvog stepena. Kočiona konusna 'suknja' prečnika 90 m.
Montaža rakete u brodogradilištu. Danas se tako grade podmornice, a u horizontalnom položaju rakete grade i Rusi. Amerikanci to rade vertikalno.
Neverovatno, i ono što mene lično zadivljuje, to je da iako je koncept 'Sea Dragona' proučavan nakon što je samo nekolicina ljudi napustilo Zemlju, nijedan deo sistema nije smatran tako komplikovanim, tako velikim ili toliko beznadežno futurističkim da inženjerijsko rešenje nije bilo moguće. Tačno, bio je to behemot[2], ali izvodljiv.
'Aerojet' je imao plan da iskoristi što je više moguće postojećih objekata, od brodogradilišta do pomorskih puteva, iako bi zasigurno bila potrebna i neka nova infrastruktura. 'Sea Dragon' je zahtevao izgradnju vrlo specifičnih delova za raketu, kao i kriogenih skladišta u blizini mesta izgradnje. A montažna laguna je takođe trebala da bude potpuno novo postrojenje, iako jr mogla da koristi postojeću opremu na pristaništu i brodove srednje veličine sa dodanim posebnim instalacijama. Za poređenje, VAB (vertikalna hala u Kenedijevom centru gde se grade rakete danas) izgrađena je 1966. za nešto manje od godinu dana za \)117 miliona, ili oko 925 miliona današnjih dolara. Izgradnja lagune bi bila slična.
Kada je izveštaj objavljen 1963. godine, 'Aerojet' je predviđao da bi sistemi mogli da budu operativni za samo 68 meseci (nešto više od pet ipo godina) uz ukupni trošak od \(2,8 milijardi, tj. oko 22,4 milijardedanašnjih dolara[3]. Raketa je bila isplanirana da može da u LEO orbitu ponese oko 550 tona korisnog tereta. To bi značilo da bi teret te 1963. koštao između \)59 i \(600 po kilogramu, što je otprilike između \)500 i \(5000 po kg u sadašnjim dolarima. Nažalost, iako brojevi nisu bili loši, radovi na superteškoj raketi su prekinuti.
Kao što znamo 'Sea Dragon' nikada nije poletio. Na kraju, to je bila samo konceptualna studija koja nije imala mesto u tadašnjoj stvarnosti. NASA je dominirala kosmičkon igrom uz podršku vojske, a njezin fokus je bio čvrsto na odlasku na Mesec, a ne na raketi koja bi mogla da stvori rutinski put u kosmos, ali bez neposrednih lunarnih aplikacija.
'Sea Dragon' bi bio tehnološki izazov u 60-im, ali bi danas zasigurno mogao biti izgrađen. Prema trenutnim procenama, cena ovog čudovišta bi iznosila možda milijardu dolara po lansiranju, ali njegova ogromna nosivost smanjila bi cenu svakog kilograma u orbitu za trećinu.
Nažalost, glavni problem 'Sea Dragona' 60-ih isti je i danas: ne postoji potražnja za takvom nosivošću[4]. Ako jednog dana odlučimo da putujemo kroz Sunčev sistem, možda će nam trebati takav lanser. Tako bi 'Morski zmaj' mogao da postane stvarnost stvarnost.
[1] Dokaz da dobre ideje nikad ne umiru može da se vidi i u mojoj e-knjizi o sovjetskoj misiji 'Mars-69'. Tu se govori o fenomenalnim kinetičkim penetratorima (nosili su po 10 instrumenata!), koji su koristili isti sistem na naduvavanje kao predložena američka raketa, samo što su oni imali 55 kg a raketa je mogla da nosi 550 tona!
[2] Mitološka zver, monstrum haosa koga je savladao bog na početku stvaranja sveta. Metaforički, ime se koristi za svaki ekstremno veliku i snažnu stvar. Koren reči je staroegipatsi, pa su ga preuzeli Jevreji
[3] Otkazani projekat rakete 'Constellation' koštao je oko \)250 milijardi.
[4] Koliko znam, najteži civilni komunikacioni satelit ima 'samo' oko 7 tona. Hablov teleskop ima oko 11 tona, špijunski sateliti KH-11 oko 19,6 tona, a sovjetski orbiter 'Buran' je imao 105 tona...
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
