Kanapowy Inżynier 5 - Avatar

Tradycyjny, chemiczny silnik rakietowy wykorzystuje energię chemiczną - oddziaływania między atomami żeby nadać gazom wylotowym energię kinetyczną. Zapewnia ona ciąg, choć w sumie bardziej pasowałoby pych, a najlepiej w ogóle odpych, bo gazy wylatując z dyszy jednocześnie popychają rakietę w kierunku przeciwnym.

Już w czasach programu Apollo poważnie rozważano silniki nuklearne-termalne. W takim silniku źródłem energii są reakcje jądrowe. Raczej wszyscy mamy świadomość jak niewiarygodną potęgę niesie w sobie energia nuklearna, w porównaniu do chemicznej. Ciepło energii rozpadu jądrowego w takim silniku ogrzewa gaz, na przykład lekki wodór, nadając jego atomom ogromną prędkość, czyli energię kinetyczną. Następnie ten rozpędzony wodór kierowany jest do dyszy i wszystko działa jak w klasycznym silniku, czyli “na odpych”.

Silnik taki ma istotne ograniczenie - by uniknąć stopienia rdzenia, maksymalna temperatura jaką można nadać wodorowi to około 2300’C. To około tysiąca stopni mniej niż osiąga się spalając wodór i tlen w silniku rakietowym. To poważnie ogranicza ciąg. Dzieje się tak dlatego, że silniki chemiczne można sprawniej chronić przed stopieniem przepuszczając przez nie kriogeniczne paliwo zanim dotrze do komory spalania. W przypadku silnika nuklearnego mechanizm jest podobny, ale mówimy o samym wodorze i to w mniejszych ilościach, więc nie może tak skutecznie chłodzić rdzenia jak chemiczny odpowiednik.

Silnik nuklearny nigdy nie wyniesie rakiety na orbitę. Skąd zatem w ogóle zainteresowanie taką technologią? Bo poza ciągiem, rakiety mają jeszcze jeden niezwykle ważny parametr - impuls właściwy (specific impulse). To miara tego ile pędu można nadać rakiecie określoną masą paliwa. I tu błyszczą silniki nuklearne. Jednym z czynników jest lekkość paliwa - wodór+tlen to woda, czyli cząsteczka dziewięciokrotnie cięższa od cząsteczki wodoru H2, co daje jej trzykrotnie lepsze wyniki na papierze, ale z najróżniejszych powodów technicznych silniki nuklearne powinny dawać mniej więcej dwukrotnie większy impuls właściwy. To i tak istotna przewaga nad rakietami chemicznymi, nie dziwi zatem, że cieszą się pewnym zainteresowaniem. W ramach projektu DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), firma Lockheed Martin planowała w 2027 roku przeprowadzić test takiego silnika na orbicie nie niższej niż 700 kilometrów. Obecnie jednak projekt został zawieszony w ramach cięć budżetowych.

Jakie wyzwania czekają nas przy budowie i w eksploatacji takich silników? Liczne. Silnik taki oczywiście będzie bardzo odmienny od reaktorów jądrowych jakie znamy z Ziemi. Musi działać w nieważkości, stawiać na niską masę, operować w znacznie wyższych temperaturach (i większym ich zakresie), sprawie oddawać energię gazom napędowym… Ponadto ziemskie reaktory przez większość czasu pracują dość jednostajnie. W przypadku silników w rakietach marzy nam się regulowanie ciągu, odpalanie ich, zatrzymywanie itd. Regulowanie mocy takiego silnika polega na regulowaniu krytyczności - konkretniej mówiąc, jak dużo neutronów pałęta się po rdzeniu. W tym celu stosuje się bębny kontrolne. Na Ziemi typowo używa się prętów kontrolnych, które wsuwa się i wysuwa z rdzenia. Ich rola to pochłanianie neutronów, które w przeciwnym razie trafiałyby w jądra uranu i rozbijały je na części. Orbitalne silniki, jeśli powstaną, będą mieć bębny kontrolne - cylindry naokoło rdzenia, których jedna strona odbija neutrony, a druga je pochłania. By zmniejszyć krytyczność rdzenia odwracamy je tak by wyłapywały neutrony, jeśli chcemy zwiększyć ciąg odbijamy neutrony do środka machiny.

A to tylko wierzchołek góry lodowej. Bo sam wodór jest niezłym pochłaniaczem neutronów. Wpływ na pracę takiego silnika ma praca pompy, temperatura komory i szereg innych elementów ze swoimi sprzężeniami zwrotnymi itd. Sprawia to, że rozruch silnika nuklearnego może trwać kilka minut. Podobnie nie można go po prostu wyłączyć, odcinając dopływ wodoru i obracając bębny. W rdzeniu zachodzi cała kaskada procesów rozszczepienia jąder. Nawet po “wyłączeniu” trzeba przez jakiś czas jeszcze odprowadzać energię, czyli wyrzucać rozgrzany wodór z dyszy.

Idąc dalej, w miarę wypalania paliwa w reaktorze (nie mylić z paliwem wodorowym do napędzania rakiety) będą zmieniać się jego parametry. Ciąg, czas rozruchu i wygaszenia będą ulegać zmianie. W silniku może dojść do zatrucia ksenonowego. Jednym z produktów rozszczepienia paliwa jest izotop ksenonu-135, który świetnie pochłania neutrony. Jeśli nagromadzi się w silniku, będzie utrudniać ponowne uruchomienie silnika. Więc po dłuższym odpaleniu silnika może być konieczne odczekanie kilkunastu lub kilkudziesięciu godzin przed kolejnym manewrem.

Wszystko to składa się na silnik, którego każde odpalenie jest skomplikowanym manewrem, gdzie istnieje szereg czynników, które mogą wpłynąć na to jaką zmianę prędkości zaserwujemy naszej rakiecie. A przecież nawet jeszcze nie poruszyliśmy kwestii promieniowania. Czy takie silniki nadają się do rakiet, które mają przewozić ludzi? Pamiętajmy, że masa jest szalenie ważnym czynnikiem w kosmosie, a osłony przed promieniowaniem są ciężkie. Nawet elektronika ma ograniczoną odporność na promieniowanie. Amerykańskie plany z lat 60tych zakładały, że silniki takie będa odczepiane od statku w pobliżu ciała niebieskiego. Reszta statku miałaby manewrować używając tradycyjnych silników chemicznych i dokować ponownie w celu dalszej drogi czy powrotu…

Nawet zakładając, że wszystko idzie zgodnie z planem, nuklearne silniki wydają się być ciężkie, wymagać masy planowania i być toporne i nie w pełni przewidywalne w użyciu. A co, jeśli coś pójdzie źle? Nawet nie z winy silnika, katastrofalne usterki rakiet wciąż się zdarzają niemal każdego roku. Dostajemy wtedy małą brudną bombę i duży problem. Czy to wszystko gra warta świeczki? Jeśli zależy nam na impulsie właściwym, to może trzeba trzymać się silników jonowych - mają komicznie słaby ciąg, ale od trzech do dziesięciu razy większy impuls właściwy. Jeśli prace nad silnikami nuklearnymi będą kontynuowane, będę się im przyglądać z zainteresowaniem. Ale nie spodziewam się by takie silniki zbyt szybko wyszły z fazy testowej.

Kanapowy Inżynier 4 - Avatar

Dawno, dawno temu, James Cameron nakręcił film “Avatar”, zarobił wszystkie pieniądze świata, obiecał ciąg dalszy i zniknął. Aż tu nagle, kiedy chyba nikt już nie czekał, wyskoczył ze zwiastunem kontynuacji. Dzisiejszy wpis nie będzie konkretnie o filmie z 2008 ani o kontynuacji, która wejdzie do kin czternaście lat później. Postanowiłem poświęcić go statkowi kosmicznemu, który kursuje między Ziemią o Pandorą. Choć na ekranie pojawia się na jakieś trzydzieści pięć sekund, w tym przez dwadzieścia pięć w pełnej krasie (trzy ujęcia), to jeden z najlepiej przemyślanych designów jakie widziało kino SF.

Przemyślano tu niemal wszystko, oraz dołożono starań by unikać stosowania nierealistycznych technologii. W zasadzie można powiedzieć, że twórcy odnieśli sukces. Ze sporym naciskiem na Camerona, bo już w jego “scriptmencie” (połączenie słów “script” oraz “treatment” czyli coś między skrótem a scenariuszem), liczącym 114 stron pojawia się I.S.V. PROMETHEUS i widać, że sporo z tego wymyślił sobie już wtedy. W tekście z 1995 roku (gdy Cameron jeszcze nie wierzył, że coś takiego w ogóle da się nakręcić) na orbicie wokół Pandory spędzaliśmy dobrych sześć stron… Zabawne, że ostatecznie zostało z tego raptem pół minuty.

Jeśli w ogóle interesuje Was osobny tekst o tym jak mógł wyglądać “Avatar” według wizji z 1995 roku, to dajcie znać. Wiele poprawiono, wiele przepadło, ogólnie podglądanie produkcji tego filmu była szalenie ciekawym doświadczeniem.

Zacznijmy może od tego co wpierw rzuca się w oczy, gdy Venture Star sunie w kierunku widza - wielkie żarzące się czerwienią radiatory. Spróbujcie wymienić pięć filmów SF, gdzie statki kosmiczne były wyposażone w wymienniki ciepła. Powodzenia. Tymczasem jest to bardzo istotny element w kosmosie, gdzie nie ma powietrza i nie ma jak łatwo pozbyć się zbędnego ciepła. W przypadku promów kosmicznych wielkie drzwi ładowni stanowiły radiatory. ISS poza ogromnymi ciemnymi panelami słonecznymi posiada też całkiem spore białe harmonijki (na pewno je widzieliście, niemal na pewno nie pamiętacie). Zatem w Avatarz już na starcie widz dostaje po oczach realizmem.

Kolejny element rzucający się w oczy to duże sferyczne zbiorniki. Znajduje się tam paliwo. A raczej aparatura do przechowywania paliwa. Słówko o skali - ISV Venture Star ma ponad 1600 metrów długości. Średnice tych kul przekraczają sto metrów. Rozmiar pozwala na odpowiednią izolację i utrzymanie paliwa - schłodzonego do kriogenicznych temperatur wodoru oraz umieszczonej w pułapkach magnetycznych antymaterii.

Wreszcie docieramy do napędu. Dwie dysze, tuż za wymiennikami ciepła ciągną za sobą statek (o tym za chwilę). Są odchylone o kilka stopni, tak żeby nie strumień plazmy nie spopielił statku, pasażerów i ładunku. W tym miejscu muszę wspomnieć o pewnej różnicy w tym jak rozwiązano napęd w wersji z 1995 i 2008 roku. Większość tej notki opieram o materiały z sieci, które są w miarę spójne względem siebie. Nie idą one jednak w parze z tym co można przeczytać w oficjalnej publikacji “Avatar: A Confidential Report on the Biological and Social History of Pandora” - fajnym, książkowym suplemencie, opisującym faunę i florę Pandory, kulturę Na’vi ludzki sprzęt itd. Możemy tam też przeczytać, że statek używa hybrydowego napędu. Opuszczając układ słoneczny korzysta z antymaterii, anihilującej z materią, cała masa zostaje zamieniona na czystą energię - choć fotony nie mają masy, to mają pęd więc można nimi rozpędzać statek. Ponadto do strumienia dorzuca się wodór, co wzbogaca plazmę. Strumień miał 30 kilometrów długości i uchodził za jeden z najpiękniejszych widoków jakie można było zobaczyć na nocnym niebie. Oczywiście ukierunkowanie strumienia zapewniają silne pola magnetyczne. Po pierwszych wyprawach na Pandorę stało się to łatwiejsze dzięki unobtainium.

Hamowanie odbywało się z użyciem fuzji jądrowej, na Pandorze natomiast ludzie zbudowali rafinerię deuteru, żeby móc zatankować przed odlotem (Scriptment z 1995). Tymczasem internetowe materiały również mówią o hybrydowym napędzie, ale zgoła innym. Napęd antymateryjny (z wstrzykiwaniem dodatkowego wodoru) używany jest w czasie hamowania w, oraz odlotu z Alfy Centauri. Odlot z Ziemi i hamowanie przy powrocie do Układu Słonecznego zapewnia napęd laserowy. To znaczy, że statek wyposażony jest w żagiel fotonowy - czasza jest napięta przez ruch obrotowy i ma aż 16 kilometrów średnicy. Napęd zapewnia potężna bateria laserów umieszczonych na Ziemi.

Żagiel z nanorurek węglowych o powierzchni 200 kilometrów kwadratowych wydaje się być najmocniej naciąganym elementem, ale jakieś sto lat w przyszłości… czemu nie. A do tego pomysł jest fajny - pozwala zaoszczędzić niewyobrażalnie dużo masy na paliwie i silnikach. Do tego dobrze się klei z widoczną w filmie, lustrzaną powierzchnią, która osłania z jednej strony statek, tak żeby nie spalił go ziemski laser.

Za silnikami widzimy bardzo długie rusztowanie, na oko ma siedemset metrów. Po pierwsze to bardzo sprytne rozwiązanie problemu promieniowania pochodzącego z silników. Z promieniowaniem można sobie radzić za pomocą ekranowania, ale to zwiększa masę. Promieniowanie jednak szybko słabnie w miarę jak oddalamy się od jego źródła. Jeśli zwiększymy odległość dwukrotnie, promieniowanie robi się cztery razy słabsze. Jeśli oddalimy się czterokrotnie, promieniowanie jest szesnaście razy słabsze. Więc zamiast robić pancerny przedział pasażerski, można go po prostu odsunąć od silników.

Wrócmy jednak do kwestii umieszczenia silników z przodu. Decyzja jest podyktowana tym, że konstrukcja wytrzymała na rozciąganie pod wpływem danej masy będzie lsżejsza niż konstrukcja wytrzymała na ściskanie pod wpływem takiej samej masy (gdyby silniki pchały statek od tyłu). Chcąc oszczędzić masę lepiej umieścić silniki na dziobie, nie na rufie.

Przesuwamy się dalej wzdłuż statku. Za punktem gdzie dokują promy powierzchnia-orbita, znajduje się sekcja z ładunkiem i pasażerami w stanie hibernacji (ok to jeszcze jeden element “mocno z SF”, chociaż wiemy, że ssaki mogą hibernować, więc nie jest to jakoś baardzo naciągane). Tuż za nimi widzimy wreszcie wirówkę - dwie sekcje gdzie generowana jest sztuczna grawitacja. Znajdują się tam kwatery załogi, która jest przytomna w czasie niecałych siedmiu lat podróży (dzięki Einsteinowskim efektom, przy prędkości 70% światła, z perspektywy załogi mija tylko pięć lat). W czasie przyspieszania i hamowania rotacja jest wstrzymywana a przeguby ustawiają te przedziały wzdłuż osi statku. Półroczne przyspieszenie odbywa się w przeciążeniu 1,5 g, więc załoga dosłownie nie ma lekkiego życia.

No i wreszcie docieramy do zwierciadła. Jak się okazuje nie chroni ono tylko przed światłem lasera. W czasie przelotu statek obraca się o 180 stopni i tarcza rozdziela się na cztery warstwy rozsunięte o 100 metrów. Chronią one Venture Star przed kosmicznymi śmieciami, mikrometeorytami itd. Przy tak absurdalnej prędkości kolizje byłyby zabójczo groźne, jednak wielowarstwowa osłona zapewnia, że nic nie powinno spenetrować więcej niż dwóch powłok.

Wiele z tych rozwiązań pozwala oszczędzać masę. W kosmosie każdy kilogram jest na wagę złota. Szczególnie tutaj, bo każdy zaoszczędzony kilogram pozwala doładować dodatkowy kilogram urobku bezcennego nadprzewodnika w drodze powrotnej, a to płaci za całą eksplorację Pandory. Jakie znacie inne równie dobrze przemyślane statki kosmiczne w fantastyce naukowej?

Neutron Update

Przedwczoraj Rocket Lab zamieścił w sieci prezentację aktualnego stanu projektu rakiety Neutron. Raz jeszcze prezenterem był Peter Beck ze swoim nowozelandzkim akcentem. W niecałe dziesięć minut pokazano, że firma nie próżnowała. Neutron wciąż istnieje tylko “na papierze”, ale projekt uległ sporym zmianom. Jest tu kilka naprawdę ciekawych pomysłów.

Beck kilka razy używa określenia, że to rakieta skrojona na rok 2050. Wystarczająco dużo razy, że zacząłem się bać, że przyjdzie nam czekać na nią trzydzieści lat. Chyba nie będzie tak źle, bo pierwsze testy nowego silnika planują na 2022 rok.

Przyjrzyjmy się zatem najciekawszym informacjom o Neutronie.

Jeśli pominąć niektóre rządy, nie ulega żadnej wątpliwości, że przyszłością są rakiety wielokrotnego użytku. I o ile Neutron nie celuje w pełną re-używalność, to cały projekt jest wyraźnie podporządkowany tej idei. Chyba najciekawszym pomysłem jest podejście do owiewki. Zamiast odrzucanej osłony na drugim stopniu rakiety, Neutron przenosi ją na pierwszy stopień i otwiera, zamiast odrzucać. Ponadto będzie czwórdzielna, o ile projekt nie ulegnie zmianie, a po wypuszczeniu ukrytego wewnątrz drugiego stopnia i ładunku będzie ponownie ulegać zamknięciu.

Pomysł kojarzy mi się trochę z tym jak SpaceX postanowił “przenieść” nogi do lądowania z pierwszego stopnia na “stopień zerowy” czyli naziemną infrastrukturę, która ma łapać booster Starshipa. Dzięki tak rozwiązanej owiewce nowa rakieta Rocket Lab ma dysponować “najlżejszym” drugim stopniem. Nie wiem według jakiej miary, szkoda się nad tym rozwodzić, gdy rakieta wciąż jest głównie w głowach inżynierów. Nie zmienia to jednak elegancji pomysłu. Dzięki temu można niemal całkowicie olać aerodynamikę i wytrzymałość drugiego stopnia na atmosferę a przez to uprościć jedyny element, który będzie spisany na straty.

Rocket Lab pozostaje przy kompozytach węglowych. Tu nastąpił showmański fragment prezentacji, gdzie Beck pokazał jak żelazny taran obchodzi się z metrem kwadratowym stali nierdzewnej, aluminium i ich kompozytu węglowego. Chyba nie trzeba się rozwodzić nad tym jak niemiarodajne jest takie porównanie. Nie oznacza to jednak, że pozostawanie przy tym materiale jest złe a droga SpaceX jest lepsza. Szczególnie biorąc pod uwagę, że Rocket Lab chwali się sprawnym procesem produkcji, nakładając całe metry włókien węglowych w ciągu minut.

Rakieta jest baryłkowata co daje jej dobre właściwości aerodynamiczne, kluczowe przy ponownym wchodzeniu w atmosferę. Mniejsza waga kompozytowej rakiety to kolejny atut. Wszystko to ma sprawić, że siedem silników Archimedes może pracować bez skrajnego obciążenia. Archimedes na ten moment też istnieje tylko na papierze, ale ma mieć ciąg miliona Newtonów i być silnikiem z generatorem gazu. Oznacza to, że część paliwa i tlenu będzie trafiać do preburnera, który będzie napędzać turbopompy odpowiadające za wtłaczanie tlenu i paliwa do silnika. To zmiana w stosunku do pierwszej rakiety Rocket Lab. Electron używał elektrycznych pomp. Te jednak źle się skalują wraz z rozmiarem rakiety, więc o ile świetnie pasowały do malutkiego (ot 18 metrów wysokości / 1,2m średnicy) Electrona, to grubasek (40m wysokości / 7m średnicy) potrzebuje bardziej klasycznych rozwiązań.

Paliwem będzie metan, co powinno ułatwić wielokrotnie używanie silników (więcej o zaletach metanu przeczytacie tutaj - Kanapowy inżynier - paliwa rakietowe) ponadto Beck kilkukrotnie podkreślał, że nie będą zamęczać siedmiu Archimedesów niosących rakietę. Podobnie jak w przypadku fragmentu poświęconego materiałom, brzmi to jak przytyk do SpaceX, gdzie Musk stara się wycisnąć absolutne maksimum z Raptora (ostatni rekord ciśnienia w spalania komorze był porównywalny z ciśnieniem na głębokości czterech kilometrów). W tym wypadku silniki mają odwalać dobrą robotę bez ekstremalnych warunków, co zapewni im sprawność przy wielu lotach.

Neutron po uwolnieniu drugiego stopnia ma wracać na do bazy startowej. I tu padły słowa, że nie będzie potrzebny transport “drogimi barkami”, co obecnie robi tylko SpaceX. Nie bez powodu, bo powrót w to samo miejsce wymaga zużycia większej ilości paliwa, ale czas pokaże czy Rocket Lab dobrze sobie to wykalkulował. Zamiast rozkładanych nóg, są lekko wysuwane. Jak zauważył Scott Manley, możliwe, że idące wzdłuż rakiety nogi mogą dublować również jako kanały dla części okablowania i hydrauliki pojazdu. Dwie z nóg stanowią też niewielkie dodatkowe powierzchnie aerodynamiczne, co pewnie będzie wspierać lot powrotny.

Rocket Lab generalnie jak mówi, że coś zrobi to to robi. Czasem nawet jak mówią, że czegoś nie zrobią to i tak próbują to zrobić. Dlatego ja na Neutrona czekam z wielkim zaciekawieniem.


https://www.youtube.com/watch?v=7kwAPr5G6WA - Prezentacja Rocket Lab
https://www.youtube.com/watch?v=GcZ19f-yqfs - Scott Manley i jego komentarz

Kanapowy Inżynier 3 - paliwa rakietowe

Wysyłanie rzeczy w kosmos jest trudne i drogie. Liczy się każdy kilogram. Jeśli chcemy realnie myśleć o kosmicznym przemyśle, podboju, badaniach na dużą, to ogromnym ułatwieniem będzie wykorzystywanie surowców, które już tam są. A jedną z pierwszych rzeczy, która ułatwiłaby hasanie po układzie słonecznym, byłaby możliwość tankowania rakiet na na orbicie, Księżycu lub jakiejś pobliskiej asteroidzie. Lecąc na poza orbitę Ziemi znaczną większość paliwa zużyjemy przebywając pierwszych ~300 kilometrów. Przebycie kolejnych 380 000 km do Księżyca, czy milionów kilometrów do Marsa, to niemal pestka jak już tylko jesteśmy na orbicie. No ale musimy się tam dostać. I wtaszczyć tam paliwo na resztę wycieczki.

Woda to najbardziej rozpowszechniony związek chemiczny we wszechświecie. Wodór i tlen to odpowiednio pierwszy i trzeci, co do zarówno masy jak i liczebności pierwiastek, więc nic dziwnego, że była masa okazji by atomy tlenu łapały sobie po dwa atomy wodoru. Tak się składa, że takie połączenie (czyli po prostu spalanie, utlenianie wodoru) wydziela masę energii. Dlatego wodór jest jednym z trzech popularnych typów ciekłego paliwa rakietowego. Innymi słowy, we wszechświecie jest pełno paliwa rakietowego, które zalega sobie razem ze swoim utleniaczem na planetach, asteroidach, pierścieniach i obłokach kosmicznych. To prawie tak jakby drewno albo liście i trawa były idealnym paliwem samochodowym. Moglibyśmy sobie jeździć po świecie i tankować na większości poboczy po prostu zrywając trawę. Wiadomo, trzeba się trochę pomęczyć, ale nie trzeba pakować ze sobą tylu ton paliwa, że samochód nie byłby w stanie ruszyć z miejsca.

Naturalnie zatem może się wydawać, że paliwem przyszłości (jeśli idzie o rakiety) powinna być mieszanka wodoru i tlenu. To dość popularny motyw w SF, które nie ucieka się do silników napędzanych technobełkotem. Dlatego od lat moją wyobraźnię rozpalała wizja Księżyca jako bazy wypadowej w głęboki kosmos - bo wiemy, że w kraterach do których nie dociera Słońce i pod powierzchnią może być dość lodu by odwiedzić cały układ słoneczny. Wreszcie koniec z poleganiem na wieloletnich asystach grawitacyjnych, wyciskaniem każdego ułamka prędkości z korzystnych układów ciał niebieskich. Marzyłem o holowaniu komet na orbitę Ziemi, by ich lód rozbijany na wodór i tlen przy użyciu energii słonecznej napędzał eksplorację planet i księżyców.

Czemu zatem SpaceX postawił na metan w swoim silniku Raptor? W ten sposób skazuje Starshipa, na paliwo tego typu. Czy Elon Musk jest tak zafiksowany na bogatym w dwutlenek węgla Marsie (co umożliwi produkcję metanu na miejscu), że postanowił olać wszystkie inne cele? Niezupełnie. Okazuje się, że metan ma wiele zalet a wodór brzmi ładnie kiedy zapiszemy sobie 2H₂ + O₂ => 2H₂O + dużo rakietowej radości, gorzej jeśli wejdziemy trochę głębiej…

Współcześnie, wśród rakiet napędzanych paliwem ciekłym mamy w zasadzie trzech graczy. RP-1 (od Rocket Propellant-1 lub Refined Petroleum-1), czyli wysoce rafinowaną naftę, wypasioną wersję paliwa lotniczego. Drugim jest ciekły metan, a trzecim ciekły wodór. Przyjrzymy się im w różnych ujęciach. W tym miejscu ważna informacja - tekst oparłem w znacznej mierze na absolutnie świetnym, godzinnym filmie Everyday Astronaut “Is SpaceX's Raptor engine the king of rocket engines?”. Jeśli bariera językowa nie jest problemem i wolicie ruchome obrazki (plus świetne wizualizacje), to nie marnujcie czasu tutaj i idźcie od razu tam. Porównanie paliw jest tylko częścią jego materiału. Wartości które będą się przewijać są wyidealizowane lub uśrednione i mogą się różnić dla poszczególnych praktycznych silników.

Wydajność i produkty spalania
Duża ilość energii wydzielana przy spalaniu wodoru jest jego ogromną zaletą. Wypada świetnie na tle konkurencji. Do mierzenia wydajności w przypadku rakiet stosuje się miarę tak zwanego impulsu właściwego, który mierzy przyrost pędu rakiety dzięki zużyciu jednostki masy paliwa. Matematyka jednostek sprawia, że wartość ta jest mierzona w sekundach:
RP-1    370s
Metan   459s
Wodór   523s

Widać tu wyraźną przewagę wodoru. Ponadto produktem spalania wodoru i tlenu jest… para wodna. Jest to bardzo ważne, bo jeśli chcemy poważnie podchodzić do latania w kosmos, to silniki i rakiety muszą być wielokrotnego użytku. Para wodna nie jest specjalnie groźna dla hydrauliki silnika. Natomiast nafta, mieszanina węglowodorów w czasie spalania w wysokiej temperaturze wytwarza parę wodną, dwutlenek węgla i bardziej złożone związki węgla, czyli w uproszczeniu sadzę, która lubi się osadzać w różnych miejscach i nie robi dobrze silnikowi. Taki oklejony, upaćkany silnik wymaga czyszczenia lub napraw. Metan praktycznie nie produkuje sadzy, jedynie dwutlenek węgla i parę, więc można powiedzieć, że idzie tu w parze z wodorem.

Temperatura spalania
Jest jeszcze jeden parametr w którym wodór wysuwa się na prowadzenie. Jest to temperatura spalania. Niższa temperatura spalania generalnie zapewnia większą żywotność silnika. RP-1 spala się w temperaturze ok 3670°K, podobnie jak metan dla którego jest to 3550°K, natomiast wodór spala się w temperaturze “zaledwie” 3070°K.

Gęstość
Niska gęstość oznacza, że ta sama masa paliwa mieści się w większej objętości, co z kolei oznacza większy zbiornik paliwa. Większy czyli cięższy. A każdy kilogram w drodze w kosmos jest bezcenny. Wodór ma gęstość ponad jedenastokrotnie mniejszą od RP-1 i sześciokrotnie mniejszą od metanu. Trzeba też uwzględnić, że stosunek tlenu do poszczególnych paliw jest różny. Gram RP-1 najlepiej spala się z 2,7 grama tlenu, gram metanu spala się z 3,7 grama tlenu a wodór spala się z aż sześcioma gramami tlenu. Jeśli uwzględnimy oba parametry możemy zobaczyć jak wygląda stosunek wielkości zbiorników z tlenem do zbiorników z paliwem.

Gęstość [g/L]  Tlen:Paliwo     Tlen:Paliwo
              [stosunek masy] [stosunek objętości]
RP-1    813    2,7 : 1         1 : 0,52
Metan   422    3,7 : 1         1 : 0,73
Wodór    70    6 : 1           1 : 2,7

Metan i RP-1 wypadają dość podobnie, wodór… nie. Ale wielkie zbiorniki to tylko jeden z problemów jakie wiążą się ze stosowaniem wodoru. Drobniutkie molekuły wodoru są straszliwie trudne do utrzymania w ryzach. Wodór lubi przeciekać i przeciskać się przez każdą, najmniejszą szczelinę, co za tym idzie wymaga licznych i skomplikowanych uszczelek. A większa złożoność to większe koszty i dodatkowe elementy, które mogą zawieść.

Gęstość tlenu jest na tyle podobna do metanu i RP-1, że oba te rodzaje paliwa mogą być tłoczone do silnika z pomocą jednej turbopompy ze wspólnym wałem. W przypadku wodoru, potrzebna jest osobna turbopompa, znacznie większa i bardziej skomplikowana. (Ta notka jest i tak zbyt długa, żeby pisać o turbopompach i preburnerach więc przyjmijmy, że to dodatkowe elementy silnika, potrzebne by w odpowiedni sposób doprowadzać tlen i paliwo do komory spalania.) Czyli walczymy z przeciekami, które mogą doprowadzić do zapłonu mieszanki nie tam gdzie trzeba. Dodajemy kolejne układy, zabezpieczenia, komplikacje, których można uniknąć w silnikach napędzanych metanem lub RP-1.

Punkt wrzenia
Mówimy dzisiaj o rakietach napędzanych paliwami ciekłymi. Tak się składa, że stan ciekły jest czymś “oczywistym” tylko w jednym przypadku i jest to RP-1. Jego temperatura wrzenia wynosi bowiem 216 stopni Celsjusza. W przypadku metanu trzeba go utrzymywać w temperaturze około -162°C. To jednak nic w porównaniu z wodorem, który trzeba schładzać poniżej -250°C…

Wodór po schłodzeniu trzeba też utrzymywać w niskiej temperaturze, jeśli zacznie się gotować może rozsadzić zbiornik. Czyli potrzeba izolacji - kolejna komplikacja, kolejny ciężar. Tymczasem temperatura ciekłego tlenu i ciekłego metanu są na tyle zbliżone, że można używać wspólnej przegrody między zbiornikami. Pisałem o tym już tutaj. W Starshipie ciekły metan znajduje się nad zbiornikiem z tlenem. Metan na górze przy -180°C jest na granicy zamarzania, natomiast ciekły tlen poniżej przy -180°C jest na granicy wrzenia. Nad ciekłym tlenem formuje się warstwa gazowego tlenu, która działa jak dodatkowa izolacja.

Często mówi się próżni jako o czymś bardzo zimnym, ale to pewne uproszczenie. Próżnia jest przede wszystkim stosunkowo… pusta. A co za tym idzie, nie lada wyzwaniem w kosmonautyce jest pozbywanie się ciepła w przestrzeni kosmicznej. Ludzie, elektronika, powierzchnie oświetlone przez Słońce - wszystko to jest źródłem ciepła, któremu trudno jest gdzieś uciec. Dlatego nawet jeśli myślimy o kosmosie jako o miejscu mroźnym, utrzymanie wodoru w stanie ciekłym na orbicie może być trudne. Żeby nie było - z metanem też nie będzie lekko.


Podsumowując, to okrutnie uproszczone zestawienie… wodór jest bardzo kuszący, na pierwszy rzut oka. W kontekście współczesnej technologii nie wygląda już tak różowo. Ale to tylko rozważania kanapowego inżyniera (dosłownie tak się złożyło, że pisząc ten konkretny tekst siedzę na kanapie, a nie przy biurku). Możliwe, że przyszłość lub bardziej wnikliwe umysły sprawią, że to wodór przejmie prym. Nie będę narzekał, jeśli opracowane zostaną metody sprawnego pozyskiwania, przechowywania i wykorzystywania wodoru i tlenu. Szczególnie jeśli otworzy to przed nami układ słoneczny. Na ten moment jednak wydaje się, że decyzja SpaceX jest bardzo racjonalna, a osiągi ich silnika Raptor są naprawdę imponujące. A Raptory są wciąż ulepszane i rozwijane.

SpaceX - update #6 (sukcesy, plany i Księżyc)

Stało się. Mamy pierwsze w pełni udane lądowanie Starshipa po którym nie doszło do eksplozji. SN15 wzbił się w powietrze, zniknął w chmurach, potem zniknął też obraz nadawany z kamery, żeby po pewnym czasie wynurzyć się i w pełnej glorii siąść na stanowisku. Zamiast wklejać wideo do notki wrzucę samego linka do oficjalnego filmiku SpaceX. Fantastycznym dodatkiem jest kamera przyczepiona do flapek.

SN15

Nie zabrakło dodatkowych emocji, bo jeszcze przez chwilę gaszono płomienie pod skirtem (ściąga terminologii tutaj) widać było kilka rozbłysków, ale ponoć to tylko wypalające się resztki metanu zgromadzonego pod wspomnianym skirtem. Lądowanie odbyło się na dwóch silnikach, było najgładszym do tej pory, choć prototyp przeszurał trochę po betonie. Mimo tego nóżki spisały się idealnie gnąc się i przejmując energię w zaplanowany sposób.

Jeszcze przed tym testem zastanawiałem się jaki będzie dalszy los SN15 jeśli nie skończy w spektakularnej eksplozji. Czy poleci raz jeszcze? Wiele jednak wskazywało na to, że nie ma takich planów. SpaceX wyciska prototypy w takim tempie, że niemal potykają się o siebie, wszędzie w Boca Chica zalegają komponenty kolejnych modeli, w tym SN20 który miałby polecieć już na orbitę… BN1 poszedł do rozbiórki bez choćby testu ciśnieniowego więc nie… odrzuciłem marzenia o drugim locie SN15. A kwadrans później Elon napisał, że może jednak poleci jeszcze raz.

W momencie gdy powstaje ten tekst SN15 jest już na padzie startowym. Co nie przesądza jeszcze niczego, ale podnosi szanse. Wpierw oględziny, sprawdzenie COPV, potem obstawiam static fire, żeby upewnić się w jakim stanie są silniki. Co do jednego są uzasadnione wątpliwości - ponoć wyłączył się wcześniej, w czasie lądowania nawet nie podjął próby zapłonu. Czy w takim razie czeka go wymiana? Co zabawne, na swój sposób można by w takim wypadku powiedzieć, że już na tym etapie Starship wykazał się niezawodnością w obliczu awarii jednego silnika.


SN16, SN17, biurokracja i boostery

Trochę zamieszania wywoływały zgody na poprzednie testy. Autoryzacja FAA, zgoda na lot itd. Jednak w przypadku SN15 nastąpił chyba wyraźny progress, bo FAA klepnęła od razu całą “nową generację” prototypów dając zielone światło SN15, SN16 i SN17. Ten ostatni niedługo się nim nacieszył. Wygląda na to, że SN15 poradził sobie tak dobrze, że poszedł do rozbiórki. Także jeśli idzie tę generację czekamy teraz na praktycznie ukończony SN16.

Przejdźmy do boosterów Super Heavy. BN1 zgodnie z przewidywaniami i zapowiedziami poszedł do rozbiórki. BN2 który miał trafić na pad przed końcem kwietnia będzie jedynie zbiornikiem testowym. Ale plany co do BN3 wciąż są w mocy. I w sumie nie mam zamiaru się z nich nabijać…


SN20 na orbitę

Otóż biorąc pod uwagę jak sprawnie poradziły sobie ze startem Starhopper, SN5 i SN6, SN8 i w sumie wszystkie kolejne, nie dziwi mnie, że pierwszy kompletny Super Heavy, BN3 ma od razu być pełnoprawnym pierwszym stopniem całego Starshipa.

Michael Baylor opublikował na Twitterze planowany profil lotu. BN3 ma działać przez niecałe trzy minuty, po separacji SN20 będzie grzał przez ponad pięć. Nie okrąży Ziemi całkowicie, z orbity zejdzie wcześniej i ma wodować na północ od Kauai, jeden z wysp Hawajskich. Oba elementy dokonają wodowania, jak nie pójdą na dno, na pewno zostaną wyłowione do ekspertyzy.

Kiedy? Jakoś nie wierzę w lipcowo-sierpniowe plany. Ale myślę, że na pewno w 2021 roku.


Ile załogowych lądowników księżycowych?

W 2024 w ramach programu Artemis NASA chce zabrać ludzi na Księżyc. W przetargu na Human Landing System (HLS) brały udział trzy zespoły SpaceX, Dynetics i "National Team" składający się z Blue Origin, Lockheed Martin, i Northrop Grumman. Po tym jak NASA postanowiła, że wybiera propozycję SpaceX jako jedyną rozgorzała burza. Protesty, oburzenie, w tym nawet krytyka, że prototypy Starshipa się rozbiły, chociaż konkurencja jest ledwie na etapie makiet, nie mówiąc o czymkolwiek funkcjonalnym. Obaj rywale SpaceX postulują też użycie rakiet, które jeszcze nigdzie nie poleciały...

Ale może z tego być jeszcze pożytek. Waszyngtońska senator (to stan w którym siedzibę ma Blue Origin) chce dość radykalnego zwiększenia budżetu HLS, tak by NASA wybrała jeszcze jednego konkurenta. Miałoby to zapewnić stymulującą konkurencję. Albo że Blue Origin przytuli bardzo dużo pieniążków.

Jeśli idzie o mniejsze pieniążki, to SpaceX otrzymał też $50 milionowy kontrakt na opracowanie technologii transferu paliwa kriogenicznego na orbicie [tweet]. Orbitalne tankowanie Starshipów planowane jest od dawna i jest kluczowym elementem planowanych lotów na Marsa.

SpaceX - update #5 (kraksa SN11 i ogłoszenia)

Lot SN11

Tekst piszę ledwie trzy godziny po teście, więc informacje są jeszcze bardzo ograniczone. Na ten moment trudno nie mieć wrażenia, że SpaceX pokpił sprawę i chciał mieć SN11 z głowy, żeby zająć się nową generacją, czyli SN15. Była mgła, rakieta poleciała i pierdyknęła w powietrzu nad lądowiskiem. Obecnie w Boca Chica jest pięknie i słonecznie.

Ale racjonalnie patrząc wygląda na to, że warunki nie miały związku z kraksą. Pierwsze przecieki mówią, że tym razem nie odpaliły aż dwa silniki. Więc mgła nie ma nic do rzeczy. Wygląda na to, że to najgorszy test Starshipa do tej pory. Rakieta bez dwóch silników nie wyprostowała, zadziałał FTS - Flight Termination System, który wysadził rakietę nad ziemią (przypominam - to wstępne informacje, mogą ulec zmianie).

Szybko po locie Elon rozbrajająco napisał, że “At least the crater is in the right place!” Żartem czy serio, moim zdaniem pokazuje stosunek do tej maszyny i pozostawia pewien niesmak. Zastanawiam się, jeśli problem tkwi w silnikach, to jak szybko poleci SN15, który ma mieć dziesiątki usprawnień. Bo co nam po usprawnieniach rakiety, jeśli silniki nie chcą odpalać. No chyba, że oczywiście usprawnienia zajmą się skutecznie kwestiami ciśnienia w zbiornikach…

Tak czy inaczej już po SN11, a SpaceX i Elon postanowili posypać różnymi newsami, co wygląda na odwracanie uwagi od nieudanego testu. Trochę dziwne, bo w tym przypadku PRem nie powinni się przejmować, ale co tam przynajmniej dowiedzieliśmy się kilku ciekawych rzeczy.


BN1 i BN2

Jeśli Elon ma czegoś więcej niż kasy, to jest to optymizm. Ponoć BN1 idzie do rozbiórki, brzmi jakby nawet nie miał być testowany ciśnieniowo. Musk zatweetował o licznych usprawnieniach które zostaną uwzględnione w BN2 dzięki temu czego nauczyli się przy pierwszym prototypie.

Oraz, że BN2 powinien znaleźć się na stanowisku startowym przed końcem kwietnia…

Oraz, że jak się poszczęści to może być gotowy do wejścia na orbitę… Tia… Już BN3 i lipiec były obłędnie optymistycznymi celami, to jest trochę groteskowe. No ale trzymamy kciuki :)

Ale przynajmniej mówiąc o SN20+ Elon jasno daje znać, że pewnie czeka ich wiele rozbitych prototypów zanim któryś przetrwa wejście w atmosferę przy mach 25 i lądowanie.

Starbase poszukuje ludzi

W kolejnym tweecie wujek Elon zachęca do przeprowadzania się do Brownsville lub South Padre. Starbase (nie kojarzę wcześniej takiej nazwy dla placówki bo Boca Chica), ma się rozrosnąć o kilka tysięcy pracowników w najbliższych dwóch latach, więc potrzebni będą nie tylko technicy, inżynierowie i budowniczy, ale też przedstawiciele innych branż. W związku z tym Elon Musk przekaże $20 milionów na lokalną szkołę i $10 milionów na rewitalizację śródmieścia.


Taras widokowy na Dragonie

… a przynajmniej okienko. Świeżutki tweet SpaceX pokazał dragona, który na nosku zamiast śluzy do ISS ma bańkę do cieszenia się widokiem kosmosu. Czyżby pierwszy załogowy lot w kosmos całkowicie obsadzony przez cywilów, czyli Inspiration4 miał się odbyć na pokładzie takiego, zmodyfikowanego Dragona?


Linki:
youtube.com/watch?v=cN7855POvJ8 - Lot SN11 (filmik)
twitter.com/elonmusk/status/1376894241792737280 - O kraksie SN11, SN15 i SN20
twitter.com/elonmusk/status/1376902791906611200 - BN1/BN2
twitter.com/elonmusk/status/1376901399867441156 - Starbase czeka na ludzi
twitter.com/SpaceX/status/1376902938635870209 - Dragon z widokiem
inspiration4.com/ - misja Inspiration4

SpaceX - update #4 (orbita w 2021?)

Nie sądziłem, że poprzednia notka przyda się tak szybko. Kiedy piszę te słowa SN11 szykuje się do static fire i niewykluczone, że poleci nawet w tym tygodniu. SN15 jest w zasadzie na ukończeniu, podobnie jak BN1. Wtedy wjeżdża artykuł od nasaspaceflight.com cały na biało… Relacjonują oni plany SpaceX, które są tak ambitne, że nawet jak się na nich mocno poślizgną, to i tak zapowiada się fascynujący rok.

SN11 poleci jako przestarzały model. Ma jednak szansę usiąść lepiej niż poprzednik. Jednak to SN15 ma być nową pierwszym z nowej generacji starshipów. Nie znamy jednak zbyt wielu detali. Wiemy, że znacznej zmianie uległ projekt thrust pucka. Tak czy inaczej oczekiwania wokół finalizowanego właśnie prototypu będą spore. A to między innymi dlatego, że według doniesień SpaceX chciałby, żeby SN20 poleciał na orbitę jako drugi człon kompletnego Starshipa (czasem określanego mianem full stack czyli pełny stos) gdzie pierwszym członem miałby być BN3. Miałoby do tego dojść przed 1 lipca 2021.

Zakładając, że firma nie zgubi po drodze numerków, tak jak w przypadku SN12-SN14, to SN20 byłby dziesiątym lotem wyżej niż na kilkaset metrów. Warto jednak pamiętać, że istnieje ogromna różnica między lotem na 10km czy 15km a lotem na orbitę. Pisałem o tym w cyklu [Od Newtona do Bransona]. Nie wierzę za bardzo w lipcowe ambicje, ale pozwala to uznać, że realny jest orbitalny lot jeszcze w tym roku!

Co zaskakujące BN1 ma nawet nie wykonać skoku. Według doniesień może przejść test static fire, jeszcze przed lotem SN15. Polecieć miałby dopiero BN2. Podobno przy prototypach SN15-SN17 i BN1-BN2 firma koncentruje się nie tylko na ulepszeniach pojazdów ale w znacznej mierze na samym procesie produkcji. Elon od samego początku wydaje się nie mieć wątpliwości co do Starshipa, zamiast tego powtarza, że wyzwaniem jest masowa produkcja rakiet, a ta jest konieczna do kolonizacji Marsa.

Co do gubienia numerków, NASAspaceflight zwraca uwagę, że nigdzie nie wspomina się o SN18 i SN19, więc kto wie, może też zostaną przeskoczone. Światło dzienne ujrzały też plany rozbudowy kompleksu. Nieźle komponują się z parciem na szybką i masową produkcję i testy. Zawierają między innymi drugie sub-orbitalne stanowisko startowe, drugie lądowisko, drugie stanowisko orbitalne, drugą farmę paliwową… pierwsze stanowisko dopiero wystaje nad ziemię a obok niego powstają fundamenty pod wieżę do integracji boosterów ze starshipami…

Pozostaje wiele pytań. Wieże integrujące mają mieć możliwość łapania boosterów, zgodnie z planami Elona. Tyle, że praktycznie nie ma szans, żeby taka infrastruktura powstała do lipca. Czy BNy jednak dorobią się nóżek? Czy może będą spisywane na straty dopóki firma nie opracuje metody łapania ich za lotki?


Tekst powstał głównie w oparciu o tekst NASAspaceflight
Autorzy natomiast przypisują swoje informacje głównie Mary (BocaChicaGal)
Plany rozbudowy kompleksu nałożone na fotki RGV Aerial Photography:
https://www.easyzoom.com/imageaccess/3604b6fc2dd948a48065d44e4f2a8e3f

Wprowadzenie do Starshipa (ściąga)

Powtórzę to po raz kolejny - zachwyca mnie, że wokół nowej rakiety Elona Muska powstał cały ekosystem. I nie mówię tu jedynie o tym, że malutka wioska w teksasie zmieniła się w wielki kompleks rozwojowo-testowy dla rakiety nowej generacji. Mówię tu o tym, że poza jego granicami pojawiły się kamery, które 24/7 relacjonują postępy prac. Nie są rozstawione przez CNN z BBC, ale przez entuzjastów podboju kosmosu. Powstały kanały na YT, które zajmują się w całości lub w sporej mierze tylko rozwojem Starshipa.

Wspomniany ekosystem ma już nawet swój żargon, masę aspektów uznaje za oczywiste. SpaceX pozostaje niezwykle otwarte i może nie informuje o wszystkim, ale pracownicy mają świadomość, że są obserwowani przez fanów i czasem nawet umieszczają zabawne napisy na elementach prototypów, dość duże by zdalne kamery były w stanie zobaczyć. Dzięki temu historia dzieje się na naszych oczach.

Dlatego przyszło mi do głowy, żeby przygotować niewielką ściągę / wprowadzenie dla tych z Was, którzy mają swoje życie i niby się interesują, ale nie aż tak, żeby wiedzieć o czym mówią zapaleńcy mówiący o “hederach, loksach i flapsach”. Liczę że dzięki temu może łatwiej będzie Wam zrozumieć przyczyny niepowodzeń poszczególnych testów lub informacje o zmianach w kolejnych prototypach. No to jedziemy.

Nosecone - Czubek rakiety, nosek. Według ostatniego wywiadu Muska z Joe Roganem jest bardziej spiczasty, żeby było śmieszniej, bo aerodynamicznie nie ma to wielkiego znaczenia, potencjalnie rakieta jest przez taki kształt minimalnie gorsza.

LOX header tank - czołowy zbiornik z tlenem (Liquid OXygen). To dodatkowy zbiornik, który używany jest przy lądowaniu. Kiedy ciekłego tlenu jest już mało uzyskanie odpowiedniego ciśnienia i ułożenia w ogromnych zbiornikach głównych szczególnie, kiedy pojazd wykonuje ostry manewr, byłoby ciężkie, stąd header tanki. Niestety rozwiązanie okazało się i tak niewystarczające. Jeden z silników SN8 otrzymał za mało paliwa, co doprowadziło do kraksy. W związku z tym SpaceX wprowadził system regulowania ciśnienia za pomocą helu.

Flaps / fins - górne i dolne (a raczej dziobowe i rufowe) “skrzydełka”. Nie są skrzydłami. To raczej lotki, bo mają pomagać o kontrolowaniu pozycji i opadania maszyny. Sterowane elektrycznie, nie pneumatycznie ani hydraulicznie.

Cargo bay - Ładownia. Starship ma być rakietą w kategorii “super heavy”. To kategoria w której znajdują się głównie planowane pojazdy oraz nie latające już sowiecka Energia i Saturn V. Starship ma przebić je wszystkie i móc wynieść na orbitę ponad 100 ton lub ładunek o objętości blisko 800 metrów sześciennych. Nie przywiązujcie się do tych liczb - rozrzut w różnych źródłach jest ogromny.

Forward dome - przegroda dziobowa (przednia). Oddziela ładownię od zbiornika z paliwem.

CH4 tank / Fuel tank - Starship używa metanu jako paliwa. Od dawna planuję tekst wyjaśniający dlaczego to dobry pomysł. I co zmieniło moje zdanie po tym jak faworyzowałem wodór.

CH4 header tank - czołowy zbiornik wodoru jest wtulony w dno głównego zbiornika paliwa. Po wspomnianej modyfikacji, gdzie sprężony hel miał zwiększyć ciśnienie, doszło do innej problematycznej sytuacji. Do silników tym razem dostało się trochę helu zamiast metanu, co zdusiło ciąg, przez co SN10 grzmotnął w stanowisko szybciej niż powinien.

Common dome - wspólna przegroda oddzielająca zbiorniki paliwa od głównego zbiornika z tlenem. Metan na górze przy -180°C jest na granicy zamarzania, natomiast ciekły tlen poniżej przy -180°C jest na granicy wrzenia. [To tak naprawdę gigantyczne uproszczenie, gdyż nie chciałem rozciągać nadmiernie notki ale... Metan krzepnie bliżej -182°C, natomiast dla tlenu pod ciśnieniem panującym w zbiorniku temperatura wrzenia jest bliższa -160°C, ponadto pod kopułą z reguły znajduje się warstewka gazowego tlenu, która dodatkowo izoluje ten ciekły poniżej, więc z reguły sytuacja jest pod kontrolą.]

LOX tank / Oxygen Tank - główny zbiornik z ciekłym tlenem.

Aft dome / thrust puck - przegroda rufowa i stożek napędowy. Tu zaczyna się robić ciekawie i skomplikowanie. Doprowadzenie paliwa i utleniacza do trzech silników w odpowiednim tempie i proporcjach to nie lada sztuczka. Docelowo Starship będzie mieć sześć silników - trzy przystosowane do pracy w atmosferze i trzy przeznaczone do działania w próżni. Prawdziwa zabawa jednak się zacznie przy budowie docelowych boosterów (pierwszy stopień rakiety), które będzie napędzać 28 silników (chyba że znów zmienią ich liczbę).

Skirt - “spódniczka”, czyli wystający poniżej zbiornika z tlenem, “okrywający” silniki pierścień stali.

Landing legs - nóżki do lądowania. Obecny design okazał się dalece niedoskonały. Podczas lądowania SN10 połowa nie zatrzasnęła się po rozłożeniu. Aczkolwiek warto podkreślić, że to nie one przypieczętowały los prototypu, ale jego zbyt wysoka prędkość opadania.

Silniki raptor - to temat na osobny wpis. Potencjalnie ten sam w którym wyjaśnię zalety metanu. W skrócie - jest to szalenie skomplikowany silnik o wysokiej wydajności spalania zarówno paliwa jak i utleniacza. Jest zdecydowanie najbardziej złożonym elementem rakiety i wciąż trwa jego udoskonalanie.

Mam nadzieję, że ten krótki przegląd konstrukcji będzie dla Was przydatny. Dla uzupełnienia jeszcze kilka haseł:

SNx - prototypy drugiego stopnia rakiety oznaczane są zwyczajowo jako Serial Number 1, 2, 3 itd. Obecnie szykujemy się do lotu SN11. Postęp w pracach jest tak szybki, że SN12-SN14 straciły rację bytu i jako kolejny poleci SN15, który ma mieć sporo ulepszeń wobec generacji SN8-SN11.

BNx - prototypy boostera (pierwszego stopnia) Starshipa zwanego SuperHeavy będa nosić nazwy Booster Number … pierwszy BN1 jest już prawie skompletowany, gdzie “prawie” oznacza, że brak mu najbardziej skomplikowanej części - thrust pucka (już wiecie co to jest). Choć w tym i tak będa tylko cztery silniki. Zaobserwowano też pierwsze elementy BN2.

COPV - Composite overwrapped pressure vessel - kompozytowe zbiorniki pod wysokim ciśnieniem, które czasami wylatują sobie radośnie, jak mordercze pociski zagłady, z kuli ognia wybuchającego prototypu. Mogą zawierać na przykład hel.

Heat tiles - heksagonalne płytki ceramiczne, których coraz większe ilości pokrywają kolejne prototypy. To też temat na osobną notkę bo ich właściwości są interesujące. SpaceX niejako powtarza drogę promu kosmicznego, ale koniecznie chce to zrobić lepiej, taniej i prościej.

301 / 304L / 30X - to różne stopy stali nierdzewnej. Materiał nieporównywalnie tańszy i łatwiejszy w obróbce od kompozytów z których konstruowane są niektóre rakiety. Różne odmiany to różna podatność na spawanie, różna wytrzymałość w kriogenicznych temperaturach itd. SpaceX wpierw stosował 301, teraz co najmniej częściowo przeszli na 304L, ale docelowo Elon zapowiada przejście na 30X, czyli ich własny stop o którym nie wiadomo zbyt wiele. Ma być lepszy. No i Cybertrucki też mają robić z 30X.
Static Fire - test silników bez lotu. To krótkie, próbne odpalenie, które pozwala wykryć wady silnika lub problemy z jego połączeniem ze zbiornikami i hydrauliką maszyny. Obecnie SpaceX czasem wykonuje więcej niż jeden w ciągu dnia, kiedy prototyp jest szykowany do lotu.



Źródła: Brendan Lewis regularnie prezentuje stan prac nad poszczególnymi prototypami
Klasyfikacja stali
Elonx "Starship Compendium"

Od Newtona do Bransona - Samolotem w kosmos

To już koniec trylogii o umieszczaniu ładunków na orbicie. Część pierwszą możesz przeczytać tutaj: Jak dostać się na orbitę. Część drugą tutaj: Tyrania wzoru Ciołkowskiego. Wiemy, że osiągnięcie orbity wiąże się z uzyskaniem bardzo wysokiej prędkości, wiemy też, że zbawienne okazało się zastosowanie rakiet wielostopniowych. Dziś skupimy się na interesującym podejściu i nowej krwi w biznesie pod postacią Virgin Orbit.

Nasze rozważania zaczęliśmy od kul wystrzeliwanych z armaty i zwodniczości tego, że mamy zakorzeniony obraz rakiet, które startują pionowo. Dzieje się tak dlatego, że w przypadku prędkości o których mówimy opór powietrza na kolosalne znaczenie. Żeby wejść na orbitę okołoziemską na wysokości powiedzmy 400 km musimy rozpędzić naszą rakietę do około 28 000 km/h to jest ponad dwudziestokrotność prędkości dźwięku.

Concorde latał z dwukrotną prędkością dźwięku. Opór powietrza rozgrzewał go na tyle, że robił się 30 centymetrów dłuższy w czasie lotu. Wojskowe Blackbirdy wciąż są najszybszymi samolotami na świecie. Ich maksymalna prędkość to niecałe 3,5 macha. By to umożliwić konstruowano je ze stopów tytanu i materiałów kompozytowych.

Dlatego rakiety startują pionowo - by wznieść się ponad stawiające opór powietrze. W miarę wznoszenia się stopniowo odchylają kurs tak, żeby zacząć nabierać prędkości poprzecznej, która pozwoli ich ładunkowi utrzymać się na orbicie. Mam ogromną sympatię do fotki, gdzie internauta dopasował długą ekspozycję startu Falcona 9 do logo SpaceX.

Na przestrzeni dekad pojawiło się wiele konceptów obchodzenia ograniczeń rakiet. Choć SpaceX zrewolucjonizował (a raczej wciąż rewolucjonizuje) kwestię wielokrotnego użycia, to przewinęło się wiele pomysłów na “samoloty kosmiczne”. Jakimś wariantem były promy kosmiczne. Drogie i w zasadzie wynoszone na orbitę przez potężne boostery jednokrotnego użytku, wracające na ziemię jak klasyczny samolot. Jednym z ciekawszych pomysłów, któremu może kiedyś poświęcę osobny tekst jest Skylon. Ma być prawdziwym kosmicznym samolotem - startującym z pasa startowego i na nim lądujący. Jego silniki mają używać atmosferycznego tlenu a dopiero na pewnej wysokości działać już jak silniki rakietowe.

Virgin Orbit ostatnio skutecznie zaprezentował jeszcze inne podejście. Użyli w tym celu “Cosmic girl”, nieznacznie zmodyfikowanej wersji Boeinga 747, która na wysokości 10700 metrów wystrzeliła rakietę Launcher One, która następnie umieściła na orbicie okołoziemskiej dziesięć CubeSatów. To niewiele bo poniżej 20kg. Docelowo Launcher One ma mieć możliwość wynoszenia kilkuset kilogramów na orbitę (wciąż nie jest to zawrotna ilość, ale chętnych raczej nie zabraknie).

Jeśli jednak pomyślicie, że te dziesięć kilometrów wysokości i około 900 km/h prędkości początkowej to dość by Launcher One był rakietą jednostopniową, będziecie w błędzie. By sięgnąć kosmosu tu również zastosowano dwa stopnie. Koszt jednego lotu wyceniany jest na $12 milionów. Można powiedzieć, że technologicznie nie jest to rewolucja (ani rewelacja). To kolejna rakieta orbitalna jednorazowego użytku. Ma jednak wiele ciekawych zalet o których warto powiedzieć.

Zastosowanie Boeinga 747 jest ogromnym atutem. Samoloty te mają za sobą już pewnie miliony godzin. Pomijam fakt, że Virgin Orbit jako część Virgin Group ma łatwy dostęp do tych maszyn. Świat jest pełen ludzi, którzy potrafią nimi latać i którzy potrafią je naprawiać.

Samolot ten nie wymaga nawet szczególnie wielkich modyfikacji, bo zaprojektowano je w taki sposób, by mogły transportować dodatkowy silnik, więc na dzień dobry były gotowe na podczepienie dużego ciężaru pod skrzydłem.

Większość rakiet orbitalnych musi startować z ściśle określonych stanowisk. Integracja ładunku, jego dostarczenie na miejsce lub wraz z rakietą to często trudny i kosztowny proces. Teraz platforma startowa może przylecieć do klienta. Może też dobrać odpowiedni punkt w którym samolot wypuści rakietę, ułatwiając osiągnięcie odpowiedniej orbity.

Innymi słowy, Virgin Orbit ma szanse by stać się interesującą cenowo opcją dla określonego wycinka kosmicznego rynku. Przy okazji warto wspomnieć, że jak przystało na rakietę orbitalną Launcher One jest duży. Naprawdę duży. Electrony, które wystrzeliwuje nowozelandzki Rocket Lab mają wysokość 17 metrów. LauncherOne ma ponad 21 metrów. Mogą być małe w porównaniu z 70-metrowym Falconem 9, ale to i tak wysokość ~7 pięter.

To by było na tyle. Mam nadzieję, że miło się Wam czytało. Jeśli chcielibyście poczytać na Węglowym o jakimś innym rakietowym albo kosmicznym temacie to śmiało podsuwajcie pomysły pod tym wpisem lub na fanpage!


Źródła:
Virgin Orbit reaches orbit for the first time
Cosmic_Girl_(aircraft)
LauncherOne
Air-launch-to-orbit

Od Newtona do Bransona - Tyrania wzoru Ciołkowskiego

Jeśli jesteś tu przypadkiem, to wiedz, że to druga część cyklu, który w możliwie najprostszej formie przybliża podstawowe kwestie związane z umieszczaniem ładunków na orbicie. Część pierwszą możesz przeczytać tutaj: Jak dostać się na orbitę.

Wiemy już, że kluczową kwestią w osiąganiu orbity jest prędkość. Teraz zajmijmy się czysto fizycznymi ograniczeniami, którym trzeba stawić czoła, by wysłać coś w kosmos co doprowadzi nas do jednego z rozwiązań jakim są rakiety wielostopniowe.

Z określeniem “The Tyranny of the Rocket Equation” po raz pierwszy spotkałem się w tekście Dona Pettita, amerykańskiego astronauty, który przed lotem w kosmos zdobył doktorat z inżynierii chemicznej. Zatem jak mało kto rozumiał to co działo się, gdy siedział zapięty pasami na pokładzie promu kosmicznego. W swoim artykule wyjaśnia, że wzór Ciołkowskiego (po angielsku określany mianem rocket equation) przekłada działanie zasad dynamiki Newtona na rakiety.

Silniki rakietowe korzystają z energii wyzwalanej przy spalaniu paliwa. Energia wiązań chemicznych w paliwie zostaje gwałtownie uwolniona, ciśnienie gazów w komorze spalania rośnie, kierowane są one w kierunku przeciwnym do pożądanego ruchu rakiety. Spalone paliwo stanowi tak zwaną masę reakcyjną. Gazy i rakieta odpychają się wzajemnie, a przy okazji masa rakiety maleje.

Wzór Ciołkowskiego wiąże ze sobą trzy kluczowe wartości. Pierwsza to pożądana idealna prędkość jaką osiągnie rakieta po zużyciu całego paliwa. Często określa się ją mianem delta V (ΔV) bo informuje o ile może zmienić prędkość rakiety (ułatwia to obliczanie gdzie można polecieć - na orbitę, Księżyc, Marsa itd, ale to temat na inną notkę). Mówimy “idealna” bo pomijamy tu takie drobnostki jak siła ciążenia czy opory powietrza. Druga zmienna w równaniu to prędkość gazów wylotowych, można ją też traktować jako miarę energii zgromadzonej w paliwie, często nazywanej impulsem właściwym). Trzecia to stosunek masy całej rakiety do masy paliwa. Wyrażona jako logarytm naturalny.

ΔV = v_e ln (m_całości/m_{bez_paliwa})

Może wyglądać groźnie, ale nie jest. Przynajmniej z matematycznego punktu widzenia. Z inżynierskiego jest cholernie groźnie. Matematycznie mamy tu dość proste mnożenie. Im większą prędkość osiąga spalane paliwo które wyrzucamy z dyszy, tym lepiej (szybciej) polecimy, prawda? Podobnie im więcej paliwa w ten sposób spalimy tym bardziej będziemy się mogli rozpędzić, prawda?

Haczyk tkwi w logarytmie. Macie prawo nie pamiętać jaki wykres tworzy logarytm, dlatego zamieściłem go obok. Jak widać nie wartości nie rosną liniowo ale… no cóż, logarytmicznie. Czyli bardzo powolutku. Innymi słowy jeśli dorzucimy do naszej rakiety drugie tyle paliwa wcale nie oznacza, że polecimy dwa razy szybciej. W końcu rakieta musi podnieść całe to dodatkowe paliwo, więc jest znacznie cięższa. A to jeszcze zanim uświadomimy sobie, że więcej paliwa to większy i cięższy zbiornik… Podwojenie paliwa zwiększy naszą deltę-V zaledwie o jakiś ułamek.

Żeby wejść na orbitę okołoziemską na wysokości powiedzmy 400 km musimy rozpędzić naszą rakietę do około 28 000 km/h to jest ponad dwudziestokrotność prędkości dźwięku. Fizyka ogranicza energię, którą można wycisnąć z paliw chemicznych. Najbardziej energetycznym jest mieszanka tlenu i wodoru. W idealnych warunkach 83% masy rakiety napędzanej w ten sposób musiałaby stanowić jedynie masa reakcyjna. W pozostałych 17% trzeba by zawrzeć silniki, zbiorniki, całą elektronikę, no i ładunek... Ale przecież warunki nigdy nie są idealne. Paliwo nie spala się idealnie, z dysz silników wylatuje stożek gazu, więc część ciągu się marnuje (więcej o tym w tekście Silnik wywrócony na lewą stronę), rakietę hamuje opór powietrza… Co za tym idzie stosunek paliwa do masy może zbliżyć się do 100%. A wtedy na orbitę możemy wysłać najwyżej paczuszkę orzeszków albo solidnie zestresowanego dziobaka. A to bez sensu.

Na szczęście na Ziemi mamy sprytnych inżynierów, którzy wymyślili rakiety wielostopniowe. Zamiast tylko dodawać paliwa w walce o ułamki prędkości końcowej, czemu nie zatknąć na czubku rakiety drugiej rakiety? W ten sposób, po spaleniu części paliwa możemy odrzucić zbędną masę w postaci zbiorników oraz silników, przystosowanych do pracy na niskich wysokościach i uruchomić silniki dopasowane do pracy w minimalnym ciśnieniu atmosferycznym lub w próżni.

Wspominałem w poprzedniej części, że nasza intuicja w kwestii lotów w kosmos bywa zawodna. Nic dziwnego, gdy niemal wszystkie słynne pojazdy kosmiczne w fantastyce są typu single-stage-to-orbit (SSTO). Startują z powierzchni i lecą sobie w kosmos. W rzeczywistości jednak wszystkie czynne rakiety, zarówno te prywatne jak i te budowane przez narodowe agencje kosmiczne są rakietami wielostopniowymi. Wszystkie podejścia do SSTO albo porzucono albo są w fazie rozwojowej.

Nawet z tymi wszystkimi sztuczkami rakiety kosmiczne z trudem toczą walkę z grawitacją Ziemi. Ładunek dostarczany na niską orbitę okołoziemską z reguły stanowi mniej niż 5% masy zatankowanej rakiety. Gdyby nasza planeta była trochę większa, jak dziesiątki już odkrytych planet pozasłonecznych, nie dałoby się skonstruować rakiety zdolnej do lotów w kosmos. A przynajmniej rakiety napędzanej paliwem chemicznym.

To wszystko na dziś. Po Newtonie i Ciołkowskim w trzeciej części cyklu przyjrzymy się temu co w ramach kombinowania ze stopniami wymyślił Virgin Orbit, część konglomeratu Richarda Bransona, oraz jak kombinowali i kombinują inni gracze.


Źródła:
The Tyranny of the Rocket Equation
Od Newtona do Bransona - Jak dostać się na orbitę
Silnik wywrócony na lewą stronę
Silnik z krążącą detonacją
Why Single Stage to Orbit rockets SUCK.

Od Newtona do Bransona - Jak dostać się na orbitę

Firma Virgin Orbit dołączyła do wąskiego grona prywatnych firm oferujących dostarczanie ładunków na orbitę okołoziemską. 17 stycznia 2021 rakieta LauncherOne umieściła kilka niewielkich satelitów NASA na orbicie. Stwierdziłem, że to dobra okazja by popełnić tekst cykl o dość fundamentalnych kwestiach związanych z lotami w kosmos. Możliwe, że dla wielu z Was to kwestie oczywiste. Myślę jednak, że warto uporządkować kilka kwestii, bo nasza intuicja potrafi być myląca.

Dlaczego Księżyc nie spada nam na głowę? Czemu wisi sobie nieruchomo nad naszymi głowami? Czy jest tak daleko, że nie dosięga do niego siła grawitacji, która trzyma nas na Ziemi? Nic z tych rzeczy. Geniusz Newtona, polegał między innymi na tym, że zrozumiał, że te same prawa rządzą zarówno jabłkiem spadającym z drzewa jak i planetami krążącymi w kosmosie.

Księżyc spada nam na głowę cały czas. To co ratuje nas przed kolizją, to jego prędkość orbitalna. Wspominałem o zawodnej intuicji. Rakiety startują pionowo, wahadłowce startowały pionowo. Filmy raczą nas tymi pierwszymi chwilami lotu a następnie ukazują nam jak w pewnym momencie astronauci na pokładzie zaczynają odczuwać nieważkość. To buduje pewne skojarzenia, szczególnie u młodszej widowni, że jak polecimy odpowiednio wysoko to w pewnym momencie jesteśmy na orbicie, nagle zaczyna panować nieważkość i możemy sobie krążyć wokół Ziemi.

Żeby zrozumieć wejście na orbitę najlepiej prześledzić eksperyment myślowy, który Newton przeprowadził w 1687 na stronach Matematycznych pryncypiów filozofii naturalnej. Z doświadczenia wiem, że trafia on do każdego. Wyobraźmy sobie armatę skierowaną poziomo w bok. Jeśli wystrzelimy z niej, kula przeleci jakiś dystans i spadnie na ziemię. Jeśli chcemy by poleciała dalej mamy co najmniej dwie opcje - załadować więcej prochu i wystrzelić ją z większą prędkością, albo umieścić armatę wyżej. Pociągnijmy ten tok myślenia dalej i wyobrazimy sobie nierealistycznie wysoką górę z naszą armatą na szczycie.

Jeśli prędkość wylotowa kuli nie będzie odpowiednio duża, kula po prostu spadnie na ziemię. Jest jednak odpowiednia graniczna prędkość (zakładamy brak oporu powietrza lub innych zakłóceń), która sprawi, że kula znajdzie się na stabilnej orbicie okołoziemskiej. Wtedy po odpaleniu za jakiś czas okrąży naszą planetę i będzie trzeba odsunąć siebie i armatę by nie oberwać z tyłu.

Odpowiednio wysoka prędkość pozioma w połączeniu z siłą grawitacji Ziemi w teorii sprawi, że Newtonowska kula będzie bez końca krążyć na swojej orbicie. W rzeczywistości oczywiście nie tylko nie ma takiej góry i takiej armaty, ale przede wszystkim nawet setki kilometrów od Ziemi jest jeszcze szczątkowa atmosfera, pole grawitacyjne nie jest idealnie proste, sama Ziemia miejscami przyciąga silniej, do tego dochodzą wpływy Księżyca i innych ciał niebieskich. Dlatego satelity najczęściej dokonują licznych korekt by utrzymywać się na swoich orbitach.

Prędkość orbitalna ma ten urok, że jest związana jedynie z odległością od Ziemi - im wyżej tym mniejsza prędkość wystarczy by utrzymać się na orbicie (aczkolwiek trzeba się tam wpierw znaleźć). Nie ważne co na niej umieścimy, ważne jaką prędkość nadamy temu czemuś. Wartym wspomnienia przypadkiem jest orbita geostacjonarna. Na wysokości 35 786 km nad równikiem prędkość orbitalna wynosi ciut ponad trzy kilometry na sekundę. Jej wyjątkowość polega na tym, że na tej orbicie okrążenie naszej planety trwa 23 godziny, 56 minut i 4 sekundy. Czyli dokładnie tyle, ile trwa jeden obrót Ziemi. Dlatego satelity na tej orbicie wydają się tkwić nieruchomo w miejscu.

Nie będziemy wchodzić w dalsze szczegóły. Pierwszą część cyklu zakończymy na następującym podsumowaniu - wejście na orbitę nie polega na wzbiciu się odpowiednio wysoko. Kluczowe jest nadanie naszemu pojazdowi odpowiedniej prędkości horyzontalnej. Uczucie nieważkości porównywane jest ze spadaniem, bo to właśnie jest spadanie! W następnej części przyjrzymy się tyranii wzoru Ciołkowskiego.

Kanapowy Inżynier 2 - Silnik z krążącą detonacją

W świecie rakiet pojawiła się właśnie spora sensacja. Po raz pierwszy skonstruowano działający silnik z krążącą detonacją. Choć zaproponowano go w latach pięćdziesiątych zeszłego wieku, dopiero teraz udało się go zbudować. Technologia ta może zwiększyć wydajność rakiet nawet o 25%, co w branży gdzie walczy się o każdy ułamek procenta, jest szalonym wynikiem. Ale o co tak naprawdę chodzi?

Silniki rakietowe korzystają z energii wyzwalanej przy spalaniu paliwa. Energia wiązań chemicznych w paliwie zostaje gwałtownie uwolniona, ciśnienie gazów w komorze spalania rośnie, kierowane są one w kierunku przeciwnym do pożądanego ruchu rakiety. Odpowiedni kształt komory spalania i dyszy umożliwia jak najlepsze wykorzystanie ciśnienia. Można to porównać do zakrywania palcem szlaucha ogrodowego. Wylewa on stałą ilość wody w jednostce czasu, jeśli zaciśniemy wylot woda będzie tryskać znacznie gwałtowniej niż gdy puścimy go luźno. W obu przypadkach jednakże napełnienie np. wiadra trwałoby tyle samo.

Istotne również jest to jaką mieszankę paliwa i utleniacza zastosujemy. Odpowiednie proporcje zapewnią idealne spalanie całego paliwa. W tym celu trzeba też zadbać o stały dopływ obu składników, oraz ich jak najmocniejsze wymieszanie. Gdyby komora miała jedynie pojedyncze dopływy paliwa i tlenu, do spalania dochodziłoby jedynie na ich granicy. Dlatego twórcy dbają o to by wewnątrz nieprzerwanie panowała ulewa drobinek tlenu i paliwa. Na dole w źródłach znajdziecie fascynujący film Scotta Manley’a o wtryskach paliwa, który pokazuje ile trudu zadawali sobie konstruktorzy by wyciskać kolejne procenty wydajności ze swoich maszyn.

Rewolucyjność silnika z krążącą detonacją wynika z tego w jaki sposób dochodzi do eksplozji paliwa. Żeby to wyjaśnić wpierw przypomnijmy sobie czym jest prędkość dźwięku. To prędkość z jaką rozchodzą się zaburzenia mechaniczne w ośrodku - np. kiedy słyszycie czyjś głos, to wasze uszy analizują serię zmian gęstości powietrza które docierają do waszych uszu. Niezależnie od tego jaki dźwięk podróżuje przez powietrze, robi to z taką samą prędkością (jakieś 344 m/s w temperaturze pokojowej).

Wróćmy do eksplozji paliwa w komorze spalania. W klasycznych silnikach mamy do czynienia z tak zwaną deflagracją. To taka eksplozja w której czoło “fali ognia” porusza się wolniej od prędkości dźwięku. W przypadku detonacji eksplozja rozchodzi się z prędkością dźwięku lub szybciej. Dlaczego to tak istotne? Bo dzięki temu wzrost ciśnienia w wyniku spalania paliwa jest znacznie większy. Spójrzcie na obrazek powyżej - w przypadku deflagracji zanim do mieszanki paliwa dotrze fala ognia, zostaje ona zaburzona przez fale ciśnienia i ulega rozszerzeniu pod wpływem ciepła. Tymczasem w przypadku detonacji, nasza starannie wtryskiwana do komory mieszanka drobinek paliwa i tlenu nie ma szans zorientować się co się zbliża. Spalanie zachodzi w idealnych warunkach, otrzymujemy bardzo wydajny skok ciśnienia. A jak wiemy dzięki przydługiemu wstępowi - to właśnie ciśnienie jest kluczowe do napędzania rakiety.

Słowem - detonacja zapewnia uzyskanie większej energii z mniejszej ilości paliwa. Tylko co zrobić, żeby detonacja trwała w sposób ciągły? Trzeba sprawić by krążyła w szczelinie między większym a mniejszym cylindrem. Z jednej strony dostarczane jest paliwo, produkty spalania wydostają się drugą i mogą być skierowane do klasycznej dyszy.

Idea prosta, ale nad wykonaniem pracowano niemal siedemdziesiąt lat. To dlatego, że bardzo trudno jest zapewnić idealne warunki do poruszania się fali detonacyjnej. Prędkość dźwięku zależy od składu ośrodka i od jego temperatury. Paliwo ciekłe ma temperaturę rzędu -150’C / -180’C, a spala się w temperaturze dwóch-trzech tysięcy stopni. Nie sposób wyobrazić sobie chaosu i turbulencji wewnątrz silnika w którym ma krążyć fala detonacyjna. Nic dziwnego zatem, że czasem krąży więcej niż jedna fala, ich prędkości są czasem różne, mogą dogonić się nawzajem, zdmuchnąć się, mogą wypchnąć niespalone paliwo nie tam gdzie trzeba, doprowadzić do eksplozji lub utraty wydajności…

Na przełomie kwietnia i maja 2020 zespół z University of Central Florida zaprezentował działający silnik z krążącą detonacją używający tlenu i wodoru. Według autorów eksperymentu kluczowe było idealne dopasowanie strumieni gazów doprowadzanych do komory spalania. Ich silnik uzyskał stabilny ciąg przy pięciu krążących falach detonacyjnych. Ciekaw jestem czy SpaceX i Blue Origin zainteresują się tym rozwiązaniem.


Źródła:
Publikacja ekipy UCF - publikacja ekipy UCF
Scott Manley - What Is A Rotating Detonation Engine
Scott Manley - Rocket Fuel Injectors
Everyday Astronaut - najlepszy film o silnikach rakietowych
Symulacja fali detonacyjnej
Artykuł w Popular Mechanics
Review on the Research Progresses in Rotating Detonation Engine
World-first "impossible" rotating detonation engine fires up

Kanapowy Inżynier 1 - Silnik wywrócony na lewą stronę

Ostrzeżenie - artykuł zawiera liczne uproszczenia. Może wywołać skoki ciśnienia u ekspertów.

Udało mi się. To był trudny wyścig. Wyścig o którym nie wiedział mój konkurent - Tim Dodd. Chyba od półtora roku chciałem napisać o aerospike. Ale dopiero kilka miesięcy temu usłyszałem, że Everyday Astronaut (czyli Tim Dodd właśnie), też chce zrobić o tym swój materiał. Potraktowałem to jako źródło motywacji, postanowiłem napisać coś zanim on przygotuje swój filmik. Tak więc pozwólcie, że zapoznam Was z dość ciekawym pomysłem na silnik rakietowy.

W tym celu musimy zacząć od klasycznych silników rakietowych i jednej z ich słabości. Napędzają one rakiety dzięki trzeciemu prawu dynamiki newtona - “odpychają się” od gazów wyrzucanych w przeciwnym kierunku. Innymi słowy produkty spalania paliwa pod ogromnym ciśnieniem kierowane są np. w dół przez co reszta rakiety jest popychana w górę. Działa to najlepiej (najbardziej wydajnie) jeśli spaliny poruszają się w jednym kierunku z jak największą prędkością. W praktyce jednak do głosu dochodzi ciśnienie atmosferyczne, które “naciska” na strumień z dyszy z zewnątrz. Im wyżej znajduje się rakieta, tym niższe ciśnienie, więc spaliny wychodzą z dyszy pod coraz szerszym kątem, więc część ciągu “marnuje się”. W końcu interesuje nas jedynie składowa ruchu zgodna z kierunkiem lotu. Kształt dyszy, może być dostosowany tylko do jednej wysokości nad poziomem morza… chyba, że wywrócimy go na lewą stronę.

Tak wiem, tytuł notki mówi o wywróceniu silnika, a tak naprawdę chodzi tylko o dyszę. Musicie mi wybaczyć - tak brzmiało znacznie fajniej. Normalna dysza oddziela spaliny od powietrza parabolicznym “dzwonem”. W silniku aerospike kierowane są one na paraboliczny stożek na środku do którego dociska je ciśnienie samej atmosfery. Klasyczny design jest lepszy na swojej “dedykowanej” wysokości (większość silników zaprojektowana jest na ciśnienie na poziomie morza). Aerospike może się pochwalić jedynie około 90% wydajności klasycznego silnika na tej wysokości. Jego przewaga polega na tym, że podczas gdy wydajność klasycznych silników spada na innych wysokościach, aerospike działa na nich równie dobrze. Od poziomu morza aż po próżnię.

W teorii szpic centralnego stożka powinien być nieskończenie długi, tak samo dzwon silnika dostosowanego do pracy w próżni też powinien ciągnąć się w nieskończoność. Realnie jednak oczywiście trzeba go gdzieś zakończyć. Krótsza dysza będzie lżejsza więc może być znacznie lepsza od teoretycznie bardziej wydajnej, długiej. Podobnie ze stożkiem. Pod ściętym stożkiem tworzy się strefa recyrkulacji, która jednak nie zakłóca pracy ani spowalnia rakiety, a na wyższych wysokościach może nawet poprawiać ciąg. Niektóre projekty zawierają również dodatkowe odprowadzanie gazów z tego punktu. W ten sposób dodatkowo oszczędzano masę - dodatkowy strumień spalin zastępował dłuższy stożek.

Aerospike ma dwa główne warianty. Poza wspomnianym powyżej, gdzie spaliny są skierowane na stożek istnieje wersja liniowa. W tym wypadku zamiast parabolicznego stożka/szpica mamy paraboliczny kształt ściętej litery V. Taki projekt pozwalał na modularną budową, doczepianie kolejnych silników i łatwiejszą kontrolę ciągu (polegałaby na włączaniu i wyłączaniu kolejnych sekcji).

Taki silnik miał napędzać VentureStar, następcę promów kosmicznych. Koncepcja aerospike nie jest nowa. Sięga połowy zeszłego stulecia. Chęć napisania notki na ten temat przyszła półtora roku temu, częściowo dlatego, że ożywiła wspomnienie z lat 90tych. Może niektórzy z Was pamiętają, gdy Discovery było kanałem o nauce i technice a nie o krzyczących na siebie motocyklistach. To właśnie wtedy po raz pierwszy widziałem aerospike, naturalnie nie bardzo rozumiałem o co chodzi, ale widok “nowego promu” w kształcie grotu strzały, z silnikiem prosto z filmu SF pozostał mi gdzieś w pamięci.

VentureStar miał być zupełnie nową jakością. Były to czasy po katastrofie Challengera. Amerykanie mieli świadomość, że promy, w pewnym sensie były niewypałem. Nie zrozumcie mnie źle, era wahadłowców pchnęła znacznie eksplorację kosmosu ale np. koszt ich eksploatacji był jakies 70 raz większy od planowanego. VentureStar miał spełnić obietnicę wahadłowca. Bez dodatkowych stopni, na jednym silniku od ziemi aż po orbitę, całkowicie wielokrotnego użytku...

Co się zatem stało? Lockheed Martin miał ściąć dziesięciokrotnie koszt wynoszenia materiału na orbitę. W latach 90tych silnik aerospike zbliżał się do etapu lotów, jednak pęczniejące koszty i niepowodzenia w testach doprowadziły do wycofania się USA z finansowania projektu w 2001 roku. Lockheed Martin kontynuował prace jeszcze przez osiem lat zanim dał za wygraną.

Co z innymi firmami? Niestety jako, że nikt nie doszedł do etapu latania takimi rakietami (poza małymi rakietami z cylindrycznym wariantem aerospike), praca nad tą koncepcją oznaczałaby ogromne koszty R&D. To wciąż niemal jak projektowanie rakiety od podstaw. A mimo swoich zalet aerospike boryka się z licznymi problemami jak choćby chłodzenie centralnej części tak by nie uległa stopieniu. Jego zaleta w postaci wydajności i oszczędzania paliwa okazuje się nie być aż tak atrakcyjna. SpaceX, odzyskując pierwszy stopień swoich Falconów oszczędza nieporównywalnie więcej niż oszczędziłby na paliwie, które stanowi ułamek procenta kosztu rakiety.

Kto wie, może druk 3D, coraz lepsze możliwości projektowania cyfrowego i rosnąca wartość sektora kosmicznego sprawią, że aerospike wyskoczy w którymś momencie z kapelusza i wstrząśnie rynkiem. Póki co, pozostaje ciekawostką, która zbiera kurz na półce i czasem przewija się w popkulturze.

W notce całkowicie pominąłem jak fascynującym tematem jest projektowanie dyszy i mechanizm stojący za Dyszą de Lavala (chodzi o operowanie ciśnieniem i prędkością spalin w silniku) oraz milion innych aspektów. Nie wspomniałem też o alternatywach dla radzenia sobie z kwestią różnego ciśnienia atmosferycznego na różnych wysokościach, ani o tym dlaczego gif po prawej jest z czapy (w skrócie - bo nie taki mechanizm nie dałby rady z temperaturą i ciśnieniem silnika rakietowego). Może kiedyś przyjdzie czas na to by napisać o tym wszystkim, bo nie bez powodu rocket science jest synonimem czegoś skomplikowanego. To fascynujący temat, który zaniedbywałem na Węglowym i chciałbym to kiedyś nadrobić. Oczywiście jeśli jesteście zainteresowani o czym możecie dać znać poniżej lub na fanpage.



Źródła:
AerospaceWeb.org
Curious Droid
Schematy (te na niebieskim tle): Rocketdyne: Powering Humans into Space (1999)
Składowe strumienia dorysowałem na fotce z misji SSO-A
Pióropusz na róznych wysokościach to też kilka klatek z tego samego lotu


Podoba Ci się to co robię? Wpłyń na rozwój strony i zostań patronem Węglowego.