Raketoplán - možnosti inovácie - blog Bernda Leitenbergera
Raketoplán sa od ostatných amerických dopravných systémov líši nielen tým, že je obsadený, ale aj to, že je tiež jediný, ktorý sa 30 rokov staval takmer nezmenený, čo by ste inak našli iba u konkurencie v Európe, Číne a predtým. vie všetko o Rusku. Samozrejme to spolu súvisí. Bezpečnostné požiadavky nebránia zmenám, sú však zdĺhavé a nákladné. Dnes by som chcel objasniť, aké možnosti boli a čo priniesli, čo sa realizovalo.
Orbiter
Orbiter boli dve veci: opakovane použiteľné vozidlo a hrot užitočného zaťaženia. Základným problémom celého systému bolo, ako sa dostal na obežnú dráhu. V optimálnom prípade tvoril orbiter 70% z celkovej hmotnosti. Z toho bolo zrejmé, že aj pri mierne vyšších požiadavkách, ako je vyššia obežná dráha a vyšší sklon, užitočné zaťaženie prudko pokleslo. Dalo sa s ním však urobiť len málo. V novom kokpite došlo k mnohým malým zmenám, znížil sa počet obkladov tepelnej ochrany. Vo váhovej bilancii sa ale príliš nezmenili. Základný problém už existoval počas prvého letu. Počítalo sa s tým, že trajekty by mali vážiť prázdnych okolo 68 t. V skutočnosti to bolo 78 až 82 t. Teda o 10 až 14 t viac. To znamenalo, že užitočné zaťaženie muselo klesnúť v rovnakom rozsahu, teda maximálne na 16 až 20 t. Kolumbia bola asi o 4 tony ťažšia ako nasledujúca. Challenger 3 t. Nasledujúce orbity dostali vylepšenia a boli ľahšie.
Takže ste začali s aktualizáciami hneď od vývojovej fázy. Jediný systém, ktorý to dokázal, boli hlavné motory. Stalo sa to prostredníctvom tlaku v spaľovacej komore a tým aj ťahu. Prvých päť letov bolo s pôvodnými motormi. Nasledovala prvá generácia so zníženými nárokmi na údržbu. NASA plánovala program modernizácie, ktorý by v núdzových situáciách zvýšil ťah na 109% a 112%. Spolu s LWT by to zvýšilo užitočné zaťaženie dvoch ľahších obežných dráh Discovery a Atlantis na 28,7 t, čo je blízko cieľa 29,5 t. Po strate Challengeru mala bezpečnosť prednosť a úsilie sa teraz zameriavalo na vyššiu spoľahlivosť, aby sa od vyššieho ťahu upustilo. U SLS sú však motory prevádzkované na úrovni 109%. S raketoplánom to bolo iba 104,5%. Každé ďalšie percento zvyšuje užitočné zaťaženie o 600 kg.
Posilňovač tuhého paliva
Masívny zosilňovač bol založený na technológii zosilňovača Titan 3. Rovnako ako tieto, pozostávali z oceľových segmentov, ktoré boli spojené so skriňou zosilňovača pomocou zásuvných spojov. Jedinou novinkou bola namiesto sekundárneho vstrekovania hydraulicky otočná tryska. Zosilňovače tiež používali starú palivovú zmes na báze PBAN.
Existoval plán na ich výmenu za nové zosilňovače založené na technológii Titan 4B Booster. Na puzdro použili materiály z CFRP a zmes bohatú na hliník so spojivom HTPB. Zosilňovače Titan 4 boli ľahšie ako ich predchodcovia, mali vyšší tlak v spaľovacej komore a zmes mala aj vyšší špecifický impulz. Neprekročili fázu projektu, hoci plánovanie vychádzalo z konzervatívnych predpokladov (zníženie hmotnosti o 11,3 t, čo zodpovedá 15% - pri podobných plánoch pre Ariane 5 by mal podporný modul CFK znížiť prázdnu hmotnosť o 30%) plány boli zrušené v roku 1993. Aj neskôr sa upustilo od plánov prepracovať iba predchádzajúce zosilňovače znížením počtu segmentov na polovicu a ich zváraním, podobne ako to bolo pri Ariane 5 s variantom Boosters verzie Evolution a prepnutí palivovej zmesi na HTPB. Tieto zosilňovače by zvýšili užitočné zaťaženie o 5,4 t.
Pokiaľ ide o dodávku ISS a posledné lety, nakoniec sa plánovalo rozšíriť zosilňovače o jeden segment, teda zo štyroch na päť. To bolo nekriticky možné, ťažko to ovplyvnilo zvyšok systému a predovšetkým to bolo technicky nenáročné na implementáciu. Užitočné zaťaženie by sa pre ISS zvýšilo o 9,1 t, najmä v dôsledku nižších strát na výstupe. Po strate Kolumbie bol celý program prerušený a spolu s ním aj 5-segmentové zosilňovače, ktoré sa teraz používajú v SLS.
Vonkajšia nádrž
Trajekty leteli s SWLT viac ako 25 rokov. Iba s výstavbou ISS to už nestačilo. Vodíková nádrž, ktorá tvorí asi polovicu hmotnosti nádrže, bola teraz prepnutá na lítium-hliníkovú zliatinu 2195 a bola tak o ďalších 2,7 t ľahšia. Hmotnosť stredného úseku nádrže bola znížená aj novým procesom zvárania. Tank je preto jediný systém, ktorý bol v priebehu svojej prevádzkovej histórie výrazne vylepšený. Všetky prijaté opatrenia spoločne znížili jeho hmotnosť o 7,2 t, čo predstavuje o 6,7 t väčšie užitočné zaťaženie. Bez nej by užitočné zaťaženie ISS kleslo na 12 t.
Vyššie ročníky
Raketoplán ako systém bol schopný dosiahnuť iba nízku obežnú dráhu Zeme. Kvôli vysokej prázdnej hmotnosti orbitera užitočné zaťaženie prudko pokleslo ako pri väčšom sklone, tak aj pri vyšších výškach obežnej dráhy. So slnečnými synchrónnymi dráhami okolo 15 ta výškou obežnej dráhy 611 km Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu o 13 t. Potrebovali ste teda vyššie ročníky. Keď bol raketoplán vyhlásený do verejnej súťaže, možnosti sa vyhodnotili. Objavili sa návrhy na prispôsobenie existujúcich vyšších úrovní, ako sú Agena, Transtage a Centaur, a na nové vyššie úrovne. Mysleli ešte ďalej a naplánovali systém, ktorý zachytáva satelity (prieskumy Zeme a poveternostné satelity) na vyššej obežnej dráhe na účely údržby alebo obnovy na nižšej obežnej dráhe a potom ich transportuje späť tam. Systém sa dostal na titulné stránky, keď sa pokúsil zachrániť vesmírnu stanicu Skylab. Malo to ale rovnaký problém ako vo vyšších triedach - NASA už mala problém s financovaním raketoplánu. Celý vývoj pozastavila. Jedinou pokročilou úrovňou, ktorá bola vyvinutá, bola armáda a bol to IUS.
Na papieri bol IUS ideálnou pokročilou úrovňou pre raketoplán. Bol to dvojstupňový pevný horný stupeň, a teda kompaktný a ponechával veľa priestoru pre užitočné zaťaženie. Tuhé palivá boli navyše bezpečné a bez vznietenia by nevybuchli. Špecifický impulz bol porovnateľne vysoký a mierne menší ako v prípade stupňov so skladovateľnými kvapalnými palivami. Ale to bolo na vašom papieri. IUS by malo robiť niečo, čo by nemal robiť žiadny solídny horný stupeň - prepravu z LEO do GEO s vysokou presnosťou. Bol tiež trojosý stabilizovaný a mal svoj vlastný RCS a riadenie. To ich na jednej strane predražovalo a na druhej strane bola prázdna hmotnosť vysoká. Aj vývoj bol drahý, rovnako ako vyššia škola.
Druhou hornou úrovňou bol Kentaur. NASA sa rozhodla prispôsobiť Centaur D, v ktorom bola vodíková nádrž zväčšená na priemer nákladného priestoru. Boli dve verzie s nádržami rôznych dĺžok. Menší pre veľké užitočné zaťaženie letectva a väčší pre vesmírne sondy NASA. Aj keď boli pri hodnotení certifikovaní Centaurovia s nízkym rizikom, po nehode Challenge mali zakázané štartovať. Problémom nebolo pódium. Žiadny Kentaur nikdy nevybuchol, ani keď bol predčasne vypnutý kvôli chybe ako pri štarte Marinera 8. Problémom boli scenáre ukončenia. Pretože potom bol Kentaur a užitočné zaťaženie oveľa ťažšie ako 14,5 t, ktoré bolo možné pristáť maximálne. Potom by ste pri núdzovom pristávaní museli čiastočne vypustiť palivo, čo je riskantné.
V skutočnosti neexistovala adekvátna horná úroveň. Podľa môjho názoru z koncepcií, ktoré sú predmetom štúdie, bola Agena najlepšou voľbou. Agena mala vďaka aktívnej propagácii nižšiu suchú hmotnosť ako Transtage. Boli by prevedené na modernú zmes NTO/UDMH a prúd motora by sa predĺžil. Boli určené dve verzie, pričom druhá mala ďalšie prídavné nádrže. Táto koncepcia by uľahčila opätovné použitie pódia jednoduchým pridaním nových ďalších tankov. Plánovaná bola kyvadlová doprava medzi GTO/LEO a GEO/LEO. Aj potom sa v GTO mohlo prepraviť takmer 1 800 kg (IUS: 2270 kg). Keby sa to znova nepoužilo, bolo by to až 6 t. Jedinou nevýhodou tejto Ageny s prídavnými nádržami bolo, že bola o 1,2 m dlhšia ako Transtage ako konkurenčný model. Nemohli ste prepraviť niekoľko agen na jeden let.
Prvým komerčným letom však dominovala PAM-D. PAM-D bol vyvinutý ako horná úroveň, ktorá prenáša iba satelit triedy Delta z LEO do GTO. Tam satelit zapálil svoju vlastnú jednotku. Existovali tiež plány na PAM-A s užitočným zaťažením Atlas. Dráha GTO bola úplne postačujúca pre komerčné satelity s integrovaným pohonom. Teoreticky by raketoplán mohol niesť až štyri z týchto satelitov. Niesli sa maximálne traja. Po nehode Challengeru bola prerušená aj táto preprava. Niekoľko zostávajúcich spustení potom využívalo IUS.