Milyen lesz a jövő űrrepülője? – Az űrsiklótól a vágyott HTHL SSTO RLV-ig

Az űrrepülőgép szót említve leginkább a NASA mintegy harminc évet felölelő űrsikló programja jut eszünkbe. A sokat vitatott projekt két évvel ezelőtti leállításával az űrrepülőgépek első korszaka is lezárult. A sci-fikben megálmodott űrkiruccanások ideje viszont, úgy tűnik, hamarosan elérkezik.

A szerzőről

Ha azt mondjuk: űrrepülőgép, akkor sokaknak vagy az Ezeréves Sólyom, vagy jobb esetben a NASA űrsiklója ugrik be. Bizonyos értelemben mindkét szerkezet a múlté, de az még mindig nem dőlt el, hogy milyen lesz az a jármű, amivel az emberiség körberepkedheti a kozmoszt. Szakértőnek felkértük az ismert univerzumok legdögösebb űrmérnökét és űreszköztervezőjét, Krammer Anettet, hogy írja le nekünk, szerinte milyen űrhajóval ugorjuk át a Kármán-vonalat meg zúzunk el a Marsra a következő évtizedekben. A Puli Space Technologies bájos rendszermérnökével interjút is olvashattok a Playeren, érdemes. Mindenki csatolja be a biztonsági öveket, kilövünk!

Egy klasszikus: az űrsikló

Az űrsikló saját, beépített hajtóművének nyers erejével (a hatalmas külső tartály a folyékony hajtóanyagot tartalmazta), és két szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéta segítségével indult a magasba, majd küldetése befejeztével, a légkörbe való visszajutás után, vitorlázóként ereszkedett a földfelszínre. A rendszer tervezése során a gazdaságosság volt a fő cél: olyan újrahasznosítható űrjárműre volt szükség, melyet rendszeresen lehetett a világűrbe indítani. Bár maga az űrsikló (hivatalos megnevezéssel orbiter, azaz keringőegység) és a két szilárd fokozat újra használható volt, a külső tartály viszont teljesen megsemmisült. Összességében rettenetes költségekbe került a program fenntartása, és az űrrepülőgép veszélyesnek is bizonyult: a szolgálatot teljesítő ötből két űrsikló legénységével a fedélzeten semmisült meg.

A szovjet copypaste: Buran

A szovjetek is megépítették a saját űrsikló-verziójukat. A Buran alakra szinte amerikai társának mása, ennek a gépnek viszont nem volt főhajtóműve és külső tartálya, ugyanis egy Enyergia- hordozórakétához kapcsolták. Ez a megoldás rugalmasabbnak bizonyult, de a gép csupán egyszer járt az űrben, sikeres tesztrepülést végrehajtva, majd 1993-ban leállították a szintén túl költséges programot.

Ezek után sokan úgy gondolták, az űrrepülőgép-fejlesztés zsákutca. De vannak, akik nem csüggednek, főleg most, hogy a magánszektornak is van beleszólása az űrtevékenységbe: jelenleg több nagyon izgalmas és inspiráló projekt is fejlesztési fázisban van.

Hol kezdődik a világűr?

A világűr nemzetközileg elismert határának a száz kilométeres magasságban húzódó Kármán-vonalat tekintik. E magasság felett már nem lehet a felhajtóerő segítségével repülni, a fennmaradáshoz el kell érni az első kozmikus sebességet. Ez 7,9 km/s, a legkisebb sebesség, amivel egy űreszköz körpályára állhat a Föld körül. Az űrjármű, mely ezt a száz kilométeres határt meghaladja, de nem áll körpályára (sebessége nem éri el az első kozmikus sebességet), szuborbitális űrrepülést, más néven űrugrást végez. Összehasonlításképpen: egy utasszállító repülési magassága tíz kilométer körül van, míg a Nemzetközi Űrállomás – mely az űrsiklók fő kiszolgálója volt – alacsony Föld körüli pályán kering, 300400 kilométeres magasságban.

HTHL SSTO RLV – erre vágyunk

Az űrrepülőgépnek pontos specifikációi nincsenek: űrrepülőgépnek egy többször felhasználható, szárnnyal rendelkező, avagy repülőgépek által inspirált űrjárművet nevezünk. A ballisztikus rakéták nyomdokait követő űreszközök nyers erejével és a földre visszazuhanó űrkabinokkal ellentétben az űrrepülőgépek elegánsan közlekednek, kihasználják a légkör által nyújtott előnyöket.

Álmaink űrrepülője – kényelmi szempontból mindenképpen – egy HTHL SSTO RLV. HTHL (Horizontal Takeoff, Horizontal Landing): vízszintesen induló és landoló, akárcsak egy mezei utasszállító; SSTO (Single Stage To Orbit): leváló gyorsítórakéták és üzemanyagtartályok nélkül, egyetlen fokozattal a világűrbe jutó és pályára álló; RLV (Reusable Launch Vehicle): többször felhasználható űrjármű. Azaz, egy, a légkörben és a világűrben egyaránt üzemelő gép, amely a rakéták és repülők tulajdonságait ötvözi. Ránézésre néhányuk alig hasonlít repülőgépre tömzsi vagy éppen vasalódeszka alakjával és csökevényes szárnyaival. Ezek az úgynevezett emelőtestek (lifting body): a felhajtóerő a test kialakításának köszönhető.

Súlyos terhek a siker útjában

A mai napig csupán többfokozatú, kémiai meghajtású rakétákkal sikerült elérni a világűrt. Míg a repülőgépnek csak az üzemanyagot kell magával vinnie és a légköri oxigént használja annak elégetésére, a rakéta a gép és a hasznos teher tömegén felül a repüléshez szükséges tüzelőanyagot és oxidálószert is magával hordozza, ami rendkívül költséges. Az oxidálószer leggyakrabban cseppfolyós oxigén, ami az űrsikló esetében például a külső tank tömegének 85 százalékát tette ki.

Ők lehetnek a jövő ászai

A légköri tulajdonságok kihasználására egy megoldás a hagyományos repülők segítségének igénybevétele. A repülőre erősített rakétahajtású űrjármű így megspórolja az alacsonyabb, sűrűbb légrétegek áttöréséhez szükséges hajtóanyag hurcolását.

Ilyen levegőből indított űrrepülő a SpaceShipTwo, ami  gyakorlatilag egy űrugrásra alkalmas vitorlázógép rakétamotorral. A WhiteKnightTwo-ról, egy speciálisan erre a célra fejlesztett sugárhajtású hordozó repülőgépről indul, 15 km-es magasságban. Erre a gépre a Virgin Galactictól 200 ezer dollárért vehetünk jegyet. Az első szerencsések talán már az év végén indulhatnak is, igaz, a start időpontját már több alkalommal elhalasztották.

A Swiss Space Systems kis űrsiklója a tervek szerint egy Zero-G repülésre alkalmas Airbus tetejéről indulna. A rendszer, melynek első tesztjeit 2017-re tervezik, kis műholdakat állít majd pályára.

Emelkedés közben miért ne használnánk ki a légköri oxigén jelenlétét? Erre alapoznak a légbeszívásos (air-breathing) meghajtású rendszerek, mint a scramjet, ami egy hangsebesség feletti tolósugaras hajtómű.

Ma bármely utasszállítóra ülve szubszonikus sebességgel utazunk, azaz hangsebesség alatt. A hang terjedési sebessége függ a levegő helyi állapotától (ez tengerszinten kb. 1225 km/h, de felfelé haladva csökken). A Mach-szám a gépsebesség és a helyi hangsebesség hányadosa. Ha a két sebesség egy adott közegben megegyezik, a Mach-szám 1. Ha szerencsénk van vadászgépre ülni, akkor szuperszonikus sebességet is megtapasztalhatunk. Mach 5 felett, ami a hangsebesség ötszöröse, már hiperszonikus sebességről beszélünk.

Katonai céllal

A scramjet hajtómű hiperszonikus sebességre képes. Nincsenek mozgó alkatrészei: lényegében egy cső, ami egy darabon beszűkül, ahol a beletorlódó levegő összesűrűsödik. Ebbe a besűrűsödött levegőbe fecskendezik az üzemanyagot. Egyszerűnek hangzik, de mivel nincsenek mozgó alkatrészek, a hajtómű nem szívja be a levegőt magától, mint egy sugárhajtómű tenné, ezért a scramjet álló helyzetből nem indul be. Egy segédhajtómű, például egy rakéta segítségével kell felgyorsítani, méghozzá Mach 4-re.

Akkor, a már meglévő sebesség miatt, a mozgás során folyamatosan préselődik át rajta levegő. A technológia a repülésben és az űrrepülésben is jelentős szerephez juthat, de leginkább katonai célú felhasználási lehetőségek miatt finanszírozott. Az elmúlt néhány évben jó néhány scramjet programról szivárgott ki hír: Oroszország, Franciaország, Németország, Japán, Kína, India és Brazília is dolgozik ilyen hiperszonikus gépeken.

A legelső sikeres scramjet repülés egy brit–ausztrál csapat munkájának köszönhető, akik egyszerűen egy rakéta tetejére erősítették gépüket 2002-ben, a HyShot nevű projekt keretében. Mielőtt darabokra hullott, pár másodpercen keresztül üzemelve a hajtómű elérte a 7,6 Mach sebességet.

Természetesen az Egyesült Államok sem marad el: a legjelentősebb amerikai eredmények az X–sorozat kísérleti repülőgépei között találhatóak. Időről időre készülnek különleges, titkos repülőgéptervek, új technológiákat felhasználva: ezek az X-repülők. Néhány közülük sosem épült meg, de rengeteg tapasztalatot sikerült a segítségükkel felhalmozni.

Az 1950-es években fejlesztették ki az X–15-ös rakétahajtású gépet, mely meghaladta a száz kilométeres magasságot. Mivel az USA a nyolcvan kilométert meghaladó repülések résztvevőit már asztronautának tekinti, az e magasság fölé emelkedő nyolc tesztpilótát űrhajóssá avatták. A program tapasztalatai több repülőgép és űrhajó tervezésében segítettek.

Az X–43 scramjet 2004-ben állította fel a leggyorsabb, légbeszívásos meghajtással haladó gép rekordját. Egy B–52 hátáról indult, és egy módosított Pegasus rakéta segítségével gyorsult fel, majd saját hajtóművével közel Mach 9,7-es sebességet ért el. Tíz másodpercig bírta ezt az iramot.

Tavaly nyáron a Boeing X–51 Waveriderről (Hullámlovas) hallhattunk a hírekben, amikor harmadik tesztje során a gép irányíthatatlanná vált és darabokra szakadt. Az X–51 egy elődjeinél hosszabb működésre tervezett scramjet, mely 2010-es tesztje alatt a remélt 300 helyett csak 200 másodpercig bírta a Mach 5-ös sebességet.

A legtöbb jelenleg fejlesztés alatt álló űrrepülő nem alkalmas Föld körüli pályára állásra, ahogyan azt az űrsikló tette, csupán űrugrásra. A szuborbitális SpaceShipTwo sebessége Mach 3, az alacsony Föld körüli pálya eléréséhez viszont Mach 25 kell, az ehhez szükséges energia pedig a sebesség négyzetével arányosan nő. A scramjetek legnagyobb sebessége Mach 12–20 körülire becsült, mindenképpen szükséges rakétameghajtás a pályára juttatáshoz, de újrafelhasználhatóságuk miatt így is gazdaságosabbnak ígérkeznek az űrsiklóknál.

A brit Reaction Engines álmodott meg egy új megoldást, amellyel egyetlen fokozattal elérhetővé válik a világűr. A Skylon nevű űrrepülő vízszintesen indítható, saját erőforrásokkal hajtott, többször felhasználható űrjármű – a hőn áhított HTHL SSTO RLV! A 82 méter hosszú, áramvonalas gép rövid szárnyai végén található Sabre-hajtómű hidrogént és oxigént elégetve biztosítja a tolóerőt. A Sabre különlegessége, hogy két módban üzemel: az oxigént induláskor még a levegőből szippantja be, majd a ritkább légrétegekben a tartályából használja fel.

A tervek szerint a Skylon képes lesz a Mach 25 elérésére, és szubszonikus, szuperszonikus és hiperszonikus sebességen is hatékonyan működik majd. Levegő-felhasználó módban, a gép egy utasszállítóhoz hasonlóan indul, és 11 és fél perc múlva már 620 kilométerre jár felszállóhelyétől. Ilyen mértékű gyorsulásnál a Sabre-nek 1000°C-os beáramló levegővel kell megbirkóznia. Ezt a forró levegőt nagyon gyorsan le kell hűtenie -150°C-ra, hogy aztán a folyékony hidrogénnel el tudja égetni. Ezt a problémát egy újszerű előhűtő hőcserélővel oldják meg, melynek működését tavaly sikeresen demonstrálta a Reaction Engines, a sugárhajtómű óta a legnagyobb áttörésnek nevezve az eredményt. 28 kilométeres magasságban, Mach 5 feletti sebességnél a rendszer átáll tisztán rakétameghajtásra. A Skylon összesen körülbelül egy óra alatt eléri a 300 kilométeres magasságot.

Egy kilogramm rakomány alacsony Föld körüli pályára állításának költsége jelenleg 10–25 ezer dollár, a Skylon azonban azt ígéri, hogy ezt 1000 dollár alá csökkenti.

Hasznos teher mellett űrturisták szállítására alkalmas verzióban is gondolkodik a Reaction Engines. Sőt, a LAPCAT A2, mely Mach 5-ös sebességre és 300 utas befogadására lenne képes, a Skylon által is használt technológiákra alapozva, hiperszonikus utasszállítóként működne majd.

A  Német Légi- és Űrkutatási Központ (DLR) nem pepecselne légbeszívásos technológiákkal, a SpaceLinert álmodta meg: egy teljes egészében rakéta meghajtású űrrepülő repülőt, mely ötven utassal földi állomások között közlekedik majd. A rendszer egy rakétából és az orbiternek keresztelt űrrepülőből áll (ami a név ellenére, szubszonikus mivolta miatt, soha nem áll pályára). Nem csak az űrrepülő lenne újrafelhasználható, de a gyorsítórakéta is visszatérne a Földre.

Hogy milyen is lesz pontosan a jövő űrrepülőgépe, melyik megoldás válik kifizetődővé, az elkövetkező egy–két évtizeden belül valószínűleg kiderül; de ha meg tudjuk fizetni, és elég elszántak vagyunk, már jóval hamarabb csomagolhatunk űrrepülős kiruccanásunkra.

(Fotók a szervezetek hivatalos oldalairól)

Füst, Fény, Hollywood

Magasélet

Tech
Tech
Tech
Highlife
Highlife
Highlife
Otthon
Otthon