Tudi če je popravljen, raketoplan, ki je nagnjen k katastrofam, morda ne bo smel leteti tako dolgo, kot zahteva NASA. Načrti agencije, da jo zamenja, so v neskladju. Toda koncepti so na risalni deski.
Ilustracije Bob Sauls/Frassanito & Associates
Predlog družbe Northrop Grumman vključuje dva povratna ojačevalnika na tekoče gorivo in osrednjo raketo, ki v orbito potisne vozilo za prevoz posadke ali tovora. Tudi osrednja raketa in rezervoar za gorivo se vrneta na Zemljo za prihodnjo uporabo, kar ustvari sistem, ki ga je mogoče popolnoma ponovno uporabiti. Nasprotno pa zunanji rezervoar za gorivo sedanjega raketoplana zgori, ko se vrne v atmosfero, potem ko je bil odvržen.
Lani novembra je NASA sprejela odločne ukrepe glede svojega dve leti in pol starega načrta za zamenjavo starajočega se raketoplana.
To je izrezalo srce projekta.
NASA je nenadoma in tiho ukinila del svoje tako imenovane pobude za izstrelitev v vesolje (SLI) – zadnjega v nizu zasnovanih razvojnih programov po katastrofi Challengerja leta 1986 – in preusmerila večino skoraj 5 milijard dolarjev, ki jih je agencija že namenila za program, za plačilo trenutnega shuttlea izboljšave. Med njimi: varnostne nadgradnje, za katere so upali, da bodo raketoplanu omogočili letenje brez nesreč do leta 2020 ali dlje. Ker so načrti za nov raketoplan na čakanju, je NASA objavila, da se bo SLI osredotočil predvsem na izdelavo orbitalnega vesoljskega letala, skromnega, razmeroma poceni vozilo za večkratno uporabo, ki bi lahko sprejelo majhno posadko (in malo drugega) in bi ga lahko izstrelili raketa. NASA upa, da bo OSP, ko bo leta 2010 pripravljen, služil kot vmesni, alternativni transport, "vesoljski taksi", dokler agencija ne izdela raketoplana naslednje generacije.
Nasina odločitev je bila zadnja možnost. Najnovejše ocene agencije za načrtovanje in gradnjo novega raketoplana so s 6 milijard dolarjev narasle na 35 milijard dolarjev. In tudi to je bila le najboljša domneva, pravi Garry Lyles, Nasin vodja programa za tehnologijo izstrelitve naslednje generacije. Vrzel med številkami, pravi Lyles, odraža težave Nase s proračunskimi napovedmi: "Razviti moramo tehnološki program, ki zagotavlja natančne podatke za naše modele stroškov.« Medtem ko je cena SLI-ja obkrožala toliko negotovosti, je bil strošek raketoplana – 500 milijonov dolarjev na izstrelitev – vsaj znan. količino. Posledično so uradniki NASA verjeli, da nimajo druge izbire, kot da še enkrat stavijo na 30 let star sistem.
Toda tri mesece kasneje je Columbia razpadla ob ponovnem vstopu, pri čemer je umrla njena sedemčlanska posadka, odločitev agencije, da opusti nov program raketoplana, pa je dobila zaskrbljujoč učinek. Trije preživeli shuttli so zdaj prizemljeni in ko bodo spet poleteli, bo njihovo delovanje stalo več kot prej. Dodani bodo varnostni, vzdrževalni in inšpekcijski protokoli, in ker je en shuttle manj skupno število letov se bo zmanjšalo, stroški fiksnega osebja in infrastrukture pa bodo ostali enako. Zaključek: s toliko ekonomskimi in inženirskimi vprašanji, ki obremenjujejo koncept raketoplana, Nasini načrti, da bo z njim letela še nadaljnjih 20 let, nenadoma dišijo po slepem optimizmu.
Kar pomeni, da se mora NASA soočiti veliko prej kot nekdanji
pričakoval velik izziv, kaj bo nadomestilo raketoplan. Idej ne zmanjka. SLI in njegovi predhodni programi zamenjave raketoplana so bili ustavljeni predvsem zato, ker je NASA vztrajala, da je kateri koli novi sistem bi bil velik napredek v primerjavi s shuttlom, namesto da bi bil le bolj učinkovit in stroškovno učinkovito. Zaradi tega so bili ti projekti pogosto predragi in ambiciozni. Toda veliko teh predlogov je vsebovalo kritične tehnološke informacije, ki kažejo na izvedljivost izdelave trajnejšega, manj zapletenega vesoljskega plovila za večkratno uporabo – z izboljšani raketni motorji, poenostavljeni postopki zemeljske podpore in sodobni diagnostični sistemi za izboljšanje varnosti, med drugim – za manj denarja kot NASA 35 milijard dolarjev strah. »Praktično vsako leto je bil en predlog za nov sistem za izstrelitev v vesolje, kot je raketoplan, od prvega raketoplana poletel,« pravi Bob Parkinson, ki je vodil projekt nosilne rakete za večkratno uporabo Hotol za British Aerospace v 1980. "In vsi bi bili boljši od tega, kar imamo."
Skok naprej, nato padec
Da bi razumeli, kaj je narobe s šatlom, je pomembno razumeti, kako deluje. Vesoljski transportni sistem, kot se raketoplan uradno imenuje, je orbiter – posadka s krili – in vozilo za prevoz koristnega tovora – nameščeno na velik zunanji rezervoar za gorivo, ki ima na vsakega pritrjen raketni ojačevalnik njegovih straneh. Ob vžigu se sprožijo oba ojačevalnika rakete na trdno gorivo, ki zagotavljata večino potiska za dvig raketoplana z izstrelitvene ploščadi, in trije glavni motorji orbiterja; raketne pospeševalne motorje poganja trdo gorivo, mešanica amonijevega perklorata in aluminija, iz lastnih rezervoarjev, motorje orbiterja pa poganjata vodik in kisik iz zunanjega rezervoar. Približno dve minuti po izstrelitvi, ko je raketoplan približno 28 milj visoko, tik nad robom vesolja, raketnim pospeševalcem na trdno gorivo zmanjka goriva in se ločijo od zunanjega rezervoarja. Skočijo s padalom v ocean in jih poberejo za uporabo na prihodnjih misijah. Orbiter in zunanji rezervoar se še naprej dvigujeta še sedem minut, nato pa se zunanji rezervoar loči in razpade v zgornji atmosferi. Motorji orbiterja postavijo raketoplan v orbito od 150 do 300 milj nad zemeljsko površino. Na koncu misije raketoplan pristane kot letalo.
Ko je bil zasnovan v zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, je bil vesoljski raketoplan ogromen korak naprej. Bilo je prvo vesoljsko plovilo za večkratno uporabo, obsežna nadgradnja potrošnega sistema majhnih vozil na velikem lansirnem sistemu iz obdobja Apollo. Z nosilnostjo do 50.000 funtov bi lahko prepeljal več opreme, članov posadke in tovora kot katera koli druga vesoljska ladja s posadko.
Toda raketoplan je imel tudi pomembne pomanjkljivosti, ki so sčasoma postale očitne. Za začetek je bolj neučinkovito in dražje za delovanje, kot je NASA prvotno predvidevala. Za vodenje leta raketoplana je potrebnih na tisoče ljudi, deloma zato, ker so se nekatere tehnološke izbire, ki so jih prvotno sprejeli inženirji raketoplana, izkazale za problematične. Razmislite o ogromni paleti računalnikov: vsak sistem na vozilu – električni, motorji, letalska elektronika, komunikacije, če jih omenimo le nekaj–je ločena komponenta in jo mora spremljati posameznik tla. Še več, med obnovo je potrebnih na stotine vzdrževalnih delavcev, da pregledajo in popravijo vse od staromodnih raketnih pospeševalnikov na trdno gorivo – ker uporabljajo trdo gorivo jih ni mogoče zapreti, ko so vžgane, zato jih je treba pred vsakim poletom utrditi pred okvarami – do krhkega sistema ploščic, ki naj bi preprečil, da bi raketoplan med ponovni vstop.
Slabost je tudi prevelika teža in velikost orbiterja. Ko je bil sistem zgrajen, je Pentagon vztrajal pri zmožnosti uloviti onesposobljene satelite in jih vrniti na Zemljo, kar je zahtevalo večji in močnejši orbiter. Toda shuttle komajda kdaj uporabljal za to. Nasin cilj je bil poslati raketoplan v vesolje 30- do 50-krat vsako leto na znanstvene misije in misije za izstrelitev in reševanje satelitov za javni in zasebni sektor. Agencija je ugotovila, da bo stroške vzdrževanja velikega tovora in prevelikih orbiterjev več kot nadomestila dolga vrsta strank, ki bodo zaposlovale raketoplan in njegovo posadko. Toda v resnici je raketoplan v povprečju izstrelil le petkrat na leto, z malo strankami, ki so plačale; ekonomija obsega, za katero je NASA upala, se ni nikoli uresničila. "Redko vidite primer, ko pride v uporabo najsodobnejša tehnologija," pravi Keith Cowing, urednik Nasawatch.com. "Živiš s katerim koli trenutkom v času, ko zamrzneš svoj dizajn."
Že leta 1986 so zvezni uradniki poskušali raketoplan nadomestiti z vesoljskim plovilom, imenovanim National Aerospace Plane. To elegantno vozilo naj bi bilo videti kot letalo in bi moralo poleteti v orbito z motorjem za dihanje zraka, imenovanim nadzvočni ramjet z zgorevanjem ali scramjet. Ta prizadevanja so bila preklicana leta 1993, ko je postalo jasno, da je bila odločitev o nadaljevanju tehnologije scramjet nekoliko preuranjena. Od takrat so bile obravnavane številne druge zamisli (glejte stransko vrstico, stran 81), vendar je SLI ustvaril serijo modelov, ki so prvič ponudili popolnoma oblikovano sliko o tem, kaj bo prihodnji raketoplan verjetno imel biti. Koncepte so med drugim oblikovali Lockheed Martin, Northrop Grumman, Boeing in Orbital Sciences. Vsi uporabljajo ojačevalnike za prenos tovora v orbito, a tu se podobnosti z raketoplanom končajo. Na primer, zanimiva zasnova je bila Boeingova "bimese" nosilna raketa za večkratno uporabo (RLV), ki ima skoraj dve identične rakete s krili, zložene skupaj z orbiterjem ali vsebnikom koristnega tovora na vrhu zgornjega dela raketa. Nosilna raketa za večkratno uporabo vzleti navpično z vsemi prižganimi motorji. Ko v vsaki pospeševalni raketi zmanjka goriva, se ta loči od RLV in zdrsne nazaj na Zemljo, da pristane na vzletni stezi. Prednost bimese pristopa je v tem, da je treba zgraditi, preizkusiti, upravljati in vzdrževati samo eno zasnovo krilatega pospeševalnika, ker se obe raketi praktično ne razlikujeta. Z enim sklopom motorjev, podvozjem, krmiljenjem in drugimi sistemi je veliko enostavnejše vesoljsko plovilo za upravljanje kot raketoplan.
Northrop Grumman je bil med SLI še posebej zaposlen. Predlagal je več vozil, vključno z lansirno napravo, ki uporablja ogromen reaktivec, opremljen s šestimi motorji in preveliko krilo, da ponese pospeševalnik do 40.000 čevljev, kjer bi se izklopil in izstrelil svoje rakete za zadnji skok v orbito. In Northropovo sodelovanje z Orbital Sciences je proizvedlo RLV z dvema identičnima ojačevalnikoma v obliki rezervoarja, ki sta nameščena pod vesoljskim letalom na zgornji stopnji, ki nosi orbiter. Ti tako imenovani povratni ojačevalniki so opremljeni z reaktivnimi motorji, ki jih poganjajo nazaj na Zemljo, potem ko ojačevalci raketirajo višjo stopnjo nad atmosfero.
Vozilo, prikazano na naši naslovnici, koncept Gryphon podjetja Andrews Space & Technology, je bolj dosegljivo. Letalu podoben lansirnik pospeši orbiter do 6 machov, preden se spusti na veliko višino. Gryphonov inovativni pogonski sistem kot gorivo uporablja tekoči kisik, črpan in stisnjen iz zraka.
Najpomembnejše pri kandidatih za SLI je, da so razvijalci izdelali vse najbolj zevajoče pomanjkljivosti v trenutni zasnovi shuttlea. Prvič, zastareli raketni ojačevalniki na trdno gorivo, ki zahtevajo intenzivno rekonstrukcijo po vsakem uporabe–so izginili, nadomestili so jih sodobni raketni motorji na tekoče gorivo, ki delujejo pretežno na vodik oz kerozin; so veliko varnejši, ker jih je mogoče izklopiti ali ponovno dušiti, ko se vžgejo. Še ena dolgotrajna izboljšava: inženirji SLI so odpravili občutljiv in negotov sistem toplotno odpornih ploščic. Namesto tega uporabljajo lahke "skodle" s kožo iz nikljeve zlitine nad izolacijskimi odejami iz keramičnih vlaken, da zaščitijo orbiter in ojačevalnike višje stopnje pred nevarnostmi ponovnega vstopa. Za razliko od krhkih ploščic je mogoče skodle s kovinsko oblogo varno priviti na ogrodje letala.
Tudi računalniki v raketoplanih naslednje generacije so bili popolnoma prenovljeni. Da bi zmanjšali ogromno delovne sile, ki je potrebna za spremljanje vsakega najmanjšega dogodka v misiji na tleh, vsakega instrumenta, ki meri temperaturo, tlak, napetosti ali tresljajev, med drugim ima v vozilih SLI lasten vgrajen računalnik, ki deluje kot vozlišče v omrežju, ki se razteza po celotnem RLV. To omrežje je sestavljeno iz ekspertnih sistemov. Ti programi lahko nenehno berejo signale iz vsakega računalnika v omrežju, izolirajo težave v realnem času in napovedujejo napake. Skupaj s sistemi za pobeg, ki jih današnji raketoplan nima, bi lahko računalniki morda rešili življenja posadke med nesreči tako, da signalizira, kdaj je treba rešiti, ali celo z ločitvijo kapsule posadke od drugih delov RLV, ki so v nevarnost. "Obstajajo tri stopnje varnosti," pravi Doug Young, direktor vesoljskih sistemov Northrop Grumman. »Prvi je narediti vozilo bolj zanesljivo. Drugi je zagotoviti posadki sistem za izhod v sili in tretji je zagotoviti, da posadka ve, kdaj mora izstopiti.«
V morda največjem prelomu s raketoplanom sta nova zasnova lansirnika in orbiterja veliko več ustrezno prilagojeno resničnim potrebam Nase – to je za zmanjšano in včasih brez posadke za večkratno uporabo nosilna raketa. Trenutni shuttle se je le redko približal svoji polni nosilnosti in pogosto posadka ni potrebna. Koncepti SLI vključujejo manjši orbiter, ki potuje brez posadke, če je nalogo na krovu – kot je postavitev satelita v orbito ali izvajanje znanstvenega eksperimenta na daljavo – mogoče avtomatizirati.
**To je računovodstvo, bedak
**
Ali bo NASA kdaj zamenjala raketoplan z novim vozilom, bo odvisno od sposobnosti agencije, da izboljša svoje slabe sposobnosti proračuna. V poročilu o SLI, ki je bilo izdano septembra lani, je kongresni generalni računovodski urad grajal Naso, ker nima sodobnega finančnega nadzora. Zato ni presenetljivo, da je NASA preklicala program zamenjave raketoplana, ne nujno zato, ker je bil predrag, temveč zato, ker agencija v resnici ni vedela, koliko bi to stalo. »SLI je bil varljivo preprost,« pravi Kevin Neifert, direktor za napredne vesoljske in izstrelitvene sisteme pri Boeingovi Phantom Works, »vendar so bili cilji glede varnosti in zanesljivosti zelo agresivni.
in operativni stroški.«
Ko je NASA predlagala zamenjavo raketoplana, se je izognila osnovnemu pravilu poslovne šole: »Kakovost, hitrost in stroški – izberite dvoje.« Pod Nasinim merila za program, ki je predvideval novo vesoljsko plovilo v desetletju, je agencija želela zagotoviti, da posadka ne bo več izgubljena kot enkrat v 10.000 poletih – 40- do 70-krat bolje od predvidene zmogljivosti raketoplana in 180-krat bolje od tistega, kar ima raketoplan doslej dosežen. Agencija je zahtevala operativne stroške v višini samo 500 milijonov dolarjev letno za floto treh ali štirih vozil, ki se lansirajo vsakih nekaj tednov. To bi bila približno cena enega leta shuttlea – odlična ideja, a nemogoča zahteva. "Že dvakratno izboljšanje stroškov bi bilo čudovito," je dejal Antonio Elias, generalni direktor za napredne programe pri Orbital Sciences, preden je bil SLI zmanjšan. "Če bi NASA lahko zmanjšala svoje 3 milijarde dolarjev na leto [proračun za raketoplan] na 1,5 milijarde dolarjev, bi to upravičilo stroške" nove nosilne rakete za večkratno uporabo.
Strokovnjaki za letalstvo trdijo, da če NASA spremeni svoj poslovni model in izboljša svoje razumevanje ekonomije novega raketoplana, bi lahko zasnove RLV, ki so zdaj v uporabi, zgradili za precej manj kot 35 milijard dolarjev, kolikor je agencija napovedala, da bo nov raketoplan stroški. Na primer, namesto da zahtevate nerealno brezhibno in preveč zanesljivo vozilo, ki bo dodalo stotine milijonov dolarjev glede na ceno RLV bi lahko bila boljša možnost, da bi NASA sprejela veliko cenejši in enostavnejši za vzdrževanje računalniško voden pobeg posadke. sistem. Tako bi bil RLV varnejši od sedanjega raketoplana in cenejši za izdelavo.
Resnica je, da je NASA zaskrbljena zaradi posledic nesreče Columbia in je še vedno nejasna glede svojih namenov glede raketoplana. Na agenciji pravijo, da bo do prihodnjega leta sprejeta odločitev o nadomestnem urniku shuttlea. Ena od možnosti bi lahko bila petletna prizadevanja za razvoj ključnih komponent, kot so lahki rezervoarji za gorivo in naprednejši raketni motorji. Potem, leta 2009, bi NASA lahko določila, ali naj nadaljuje z izgradnjo RLV v polnem obsegu, ki temelji na teh tehnologijah; nadomestni shuttle bi lahko poletel do leta 2015. Druga možnost je, da če se NASA odloči, da bo nov RLV odložila za daljši čas, bi lahko porabila vmesni čas za razvoj "široko zasnovanih tehnologij z daljšim dosegom", kot so izboljšani kompozitni materiali in scramjet.
Toda NASA-ino dolgoročno upanje, da bo nadomestila vesoljska plovila za večkratno uporabo, ki jih ima, z zračno dihajočimi, s scramjet pogonom, enostopenjsko vozilo v orbito – nova različica predlaganega letala National Aerospace Plane – še vrsto let ne bo obrodilo sadov. Agencija je še zelo daleč od premagovanja kritičnih tehnoloških ovir, kot je vzdrževanje potiska pri hiperzvočnih hitrostih in razvoju kompozitnih materialov, ki lahko prenesejo tako visoke obremenitve aplikacije. Ker scramjet verjetno ne bo naslednji RLV, ki ga zgradi vesoljska agencija, ali morda celo tisti za tem, vesoljski strokovnjaki trdijo, da si Nasa ne more privoščiti čakanja in tveganja, da bi jo ujeli praznih rok, brez vesoljskega letala za večkratno uporabo v svojem arzenal. "NASA se mora nehati zabavati," pravi Paul Czysz, profesor Univerze St. Louis, ki že od petdesetih let prejšnjega stoletja načrtuje hiperzvočna letala in vesoljska letala, "in zgraditi vozilo."
Bill Sweetman je sodelujoči urednik pri Poljudno znanost.
