8. Rakiety, transport kosmiczny i
sztuczne satelity
8.1. Co lepsze: rakieta jednorazowa czy wielokrotnego
uŜytku ?
To jest lepsze, co jest ekonomicznie lepiej uwarunkowane.
Decyduje komercyjnie oszacowany koszt wyniesienia ładunku w kosmos na zadaną orbitę oraz
moŜliwa do osiągnięcia częstotliwość startów danego środka transportowego.
Transportowiec wielokrotnego uŜytku koncepcji zbliŜonej do amerykańskiego projektu
VentureStar zapewniłby duŜą częstotliwość startów i niskie koszty wyniesienia ładunku na LEO
przy jednocześnie małych nakładach na obsługę naziemną, ale niestety aktualna technologia,
przy akceptowalnym poziomie finansowania, nie pozwoliła ukończyć przedsięwzięcia z
sukcesem.
Inną drogą jest próba podjęcia seryjnej produkcji rakiet jednorazowych budowanych ze
znormalizowanych części składowych, przy wykorzystaniu w pełni zautomatyzowanych linii
produkcyjnych. Tę ideę obecnie wdraŜają Amerykanie dla rodziny rakiet Delta-4 i Atlas-5, a
Rosjanie dla Angary. W przewidywalnej przyszłości 10-15 lat transport kosmiczny naleŜeć
będzie nadal do koncepcji "brutal force" reprezentowanej przez wielostopniowe rakiety
startujące pionowo, ale wytwarzane tanio, seryjnie, przy bardzo duŜym współczynniku
niezawodności. MoŜliwe są tylko takie modyfikacje tej metody, Ŝe mogą być podejmowane
próby odzyskiwania bądź to pierwszego stopnia rakiety ("core stage"), bądź tylko drogich
silników stopnia pierwszego, ale nie wcześniej niŜ za 10 lat.
8.2. Jak wypada porównanie N-1 do Saturna-V ?
Choć obie rakiety miały w zamyśle słuŜyć do tego samego celu - dostarczenia ludzi na KsięŜyc,
to róŜnice pomiędzy nimi były spore. PoniŜsza tabelka przedstawia niektóre podstawowe dane.
1kN=~102kgf
PoniewaŜ głównym celem budowy obu gigantów było osiągnięcie pierszeństwa w lądowaniu na
KsięŜycu, to oba kraje podchodziły do tematu prestiŜowo. Gdy, jak w wypadku ZSRR,
brakowało moŜliwości technologicznych budowy silnika o duŜym ciągu, bądź teŜ
kriogenicznego, zdecydowano się na rozwiązania dosyć kuriozalne. Pięć silników F-1 pierwszego
stopnia Saturna, zastąpiono w N-1 trzydziestoma silnikami NK-33. Gdy stwierdzono, Ŝe udźwig
rakiety będzie za mały, by wynieść trzyosobowy statek kosmiczny i dwuosobowy lądownik -
zmniejszono skład załogi do dwóch kosmonautów, z których tylko jeden miał lądować na
KsięŜycu.
Rakieta
nośna
Ilość
stopni
Masa
startowa
(t)
Wysokość
(m)
Udźwig
na LEO
(t)
Udźwig
na TLO
(t)
Ciąg
startowy
(kgf)
Ilość startów
ogółem/udanych
S-V
3
3440
102
118
47
3440310
13/13
N-1
5
2735
105
70
?
4400000
4/0
Strona 1 z 8
8.3. Jakie są najpotęŜniejsze obecnie uŜywane rakiety ?
Największy ładunek na niską orbitę okołoziemską wynosi obecnie amerykański system STS
(wahadłowiec). W chwili odłączenia zbiornika zewnętrznego, wraz ze swoim ładunkiem,
wahadłowiec ma masę około 115 ton. Masa samego ładunku uŜytecznego w ładowni moŜe
wynosić około 25 ton, natomiast masa startowa całego kompleksu STS wynosi około 2050 ton
Wśród klasycznych, jednorazowych rakiet prym dzierŜy rosyjski Proton-M, z czwartym
stopniem Briz-M. Jego udźwig na LEO wynosi około 24 ton. Masa startowa wynosi około 950
ton.
Jeśli chodzi o udźwig na GEO, to prym wiedzie Titan-4B, który zdolny jest bezpośrednio
dostarczyć na orbitę geostacjonarną ładunek o masie ponad 5,7 tony.
8.4. Dlaczego tak trudno zbudować rakietę jednostopniową ?
Budowa rakiety jednostopniowej, bądź ogólnie pojętego jednostopniowego środka transportu
kosmicznego, boryka się z następującymi trudnościami:
Silniki muszą pracować optymalnie zarówno w atmosferze jak i w kosmosie przy bardzo
duŜym zakresie prędkości (normalna rakieta w kaŜdym stopniu ma inne silniki).
Wymagane są superlekkie i przy tym wytrzymałe materiały konstrukcyjne na kadłub i na
zbiorniki paliwa, bo nie ma się czego pozbywać podczas lotu.
Przy tak wielu nakładach na jednostopniowość wręcz wymagane jest pełne odzyskiwanie
rakiety, co dokłada kolejne problemy z zapewnieniem jej bezpiecznego wyhamowania i
przelotu przez atmosferę oraz bezpiecznego lądowania w wyznaczonym miejscu.
Z takich to powodów jedynie USA podjęły wyzwanie i pod koniec XX w. ruszył projekt
X-33/VentureStar - uskrzydlonego, jednostopniowego, wielokrotnego uŜytku wahadłowca
kosmicznego. Niestety, nie udało się skonstruować wymaganych zbiorników paliwa oraz
osiągnąć zamierzonych rezulatatów w innych dziedzinach jego konstrukcji i projekt został
zaniechany
.
W USA, takŜe pod koniec lat 90-tych XX w., prywatna firma Rotary Rocket próbowała
skonstruować pojazd jednostopniowy o nazwie "Roton", charakteryzujący się tym, Ŝe
procedura lądowania atmosferycznego wspomagana była u niego przez wirnik (rotor) jak u
śmiegłowca przyziemiającego z wykorzystaniem zjawiska autorotacji. Problemy finansowe u
inwestorów i potencjalnych klientów Rotary Rocket (firmy promujące telefonię satelitarną jak
np. Iridium) zmusiły jednak do zaprzestania prac nad tym dość awangardowym pomysłem.
8.5. Czy odpala się rakiety z samolotów ?
Obecnie uŜywaną rakietą starującą z platformy lotniczej (samolot L1011) jest amerykańska
rakieta Pegasus (stosuje się ją w trzech wariantach, najczęściej model XL). Pierwszy jej
stopień wyposaŜony jest w powierzchnie aerodynamiczne (skrzydła) poprawiające
Strona 2 z 8
ekonomiczność zuŜycia paliwa w fazie lotu atmosferycznego.
Istniał teŜ i radziecki prototyp o nazwie "Burłak" przeznaczony do odpalania spod bombowca
strategicznego TU-160 lub przy wykorzystaniu wersji pasaŜerskiego TU-144, ale wraz z
upadkiem ZSRR projektu zaniechano.
Starty tego typu rakiet odbywają się typowo na wysokości od 10 do 15 km przy prędkościach
bliskodźwiękowych, co umoŜliwia ominięcie problemów z pokonywaniem gęstych warstw
atmosfery ziemskiej i potrzeby stosowania stopni startowych o duŜej mocy.
8.6. Jak rakieta wchodzi na orbitę skoro startuje pionowo ?
Rakiety kosmiczne startują pionowo i ich lot w pierwszej fazie odbywa się po trajektorii
zbliŜonej do pionu ze względu na to, Ŝe opłaca się jak najszybciej opuścić gęste warstwy
ziemskiej atmosfery, które powodują duŜe straty energetyczne. W fazie lotu, gdy rakieta
przekracza prędkość dźwięku, występuje teŜ maksymalny opór aerodynamiczny (MAX-Q), po
ustąpieniu którego, przy prędkości naddźwiękowej, korygowana jest trajektoria wzlotu na coraz
bardziej horyzontalną. W pełni prostopadły do pionu wektor ciągu rakieta osiąga dopiero
podczas pracy drugiego stopnia, gdy rozpędza się ona do prędkości pozwalającej jej (ładunkowi
rakiety) znaleźć się bądź na stabilnej, bądź na prawie stabilnej (wymagającej dalszej korekty -
ukołowienia) orbicie wokółziemskiej.
8.7. Jakie paliwa stosuje się we współczesnych rakietach ?
Po okresie eksperymentowania z róŜnymi paliwami, aktualnie uŜywane są następujące:
Nafta + ciekły tlen; uwaŜane za najbardziej "ekologiczne paliwo", w nowoczesnych
silnikach pozwala uzyskać duŜy ISP(impuls właściwy)=338s i ciąg F=4152 kN (silnik RD-
180); stosowane w rakietach rodziny Sojuz, Zenit, Atlas-5.
Ciekły wodór + ciekły tlen; bardzo efektywne paliwo stosowane w górnych stopniach
rakiet, w silnikach SSME wahadłowca oraz w najnowocześniejszym amerykańskim silniku
RS-68 (rakieta Delta-IV), ISP=420s F=3312kN.
UDMH + N
2
O
4
; paliwo "przechowywalne" stosowane na początku do bojowych rakiet
balistycznych, a obecnie w rakietach Ariane-4, Długi Marsz, Proton-K; ISP=316s
F=1635kN (silnik RD-253-11D48).
Paliwa stałe; uŜywane w startowych stopniach STS (wahadłowca), Ariane, Delta;
ISP=269s F=11520kN (rakieta SRB dla STS).
Jeśli chodzi o paliwo UDMH+N
2
O
4
to największym jego przeciwnikiem w historii astronautyki
był S.P.Korolow, który czuł do tej substancji wręcz osobisty wstręt, nazywając ją "trupim
jadem". śadna z rakiet nośnych Korolowa nie była napędzana silnikami wykorzystującymi to
kontrowersyjne paliwo.
Strona 3 z 8
8.8. Jak kształtują się koszty współczesnych rakiet ?
Dokładnych danych raczej nie podaje się, bo często stanowi to tajemnicę handlową. RóŜnie teŜ
moŜna rzecz kalkulować i na przykład:
podawać koszty wykonania kompletnej rakiety (sprzęt tylko),
podawać koszty jak wyŜej, ale dodawać koszty obsługi misji,
wkalkulowywać lub nie cenę stopnia górnego - często skojarzonego z ładunkiem (tzw.
"kick motor"),
rozdzielać koszty statku kosmicznego Sojuz od rakiety Sojuz lub podawać koszt łączny,
szacować cenę na podstawie dzielenia budŜetu rocznego przez liczbę startów (jak dla
wahadłowców).
W związku z tak rozmytymi kryteriami ograniczymy się do podania paru skrajnie róŜnych
przykładów.
Za najdroŜszą rakietę przeznaczoną do wynoszenia ładunków (bezzałogowych) uchodzi Titan-
4B, którego operatorem jest USAF (US Air Force). Podczas wynoszenia satelity DS-22 (2004 r.)
podano do wiadomości publicznej takie koszty:
Titan-4B: 396 mln. USD, IUS(kick motor): 111 mln. USD
Sumjąc te dwie kwoty uzyzyskujemy kwotę 507 mln. USD jaką płaci się USAF za wyniesienie
cennego ładunku na orbitę geostacjonarną.
Koszt startu europejskiej rakiety Ariane-5 szacowany jest na 120 mln. USD.
W przypadku rakiety Proton/Breez-M (najcięŜsza wersja), koszty startu zaleŜą, czy
operatorem jest Rosja, czy amerykańsko-rosyjska firma ILS (International Launch Services).
Dla "rosyjskiego" Protona, koszt startu wynosi od 50 do 70 mln. USD, a w przypadku, gdy
start obsługuje ILS - 100 do 120 mln. USD.
Powszechnie uŜywaną rakietą do wynoszenia sond kosmicznych jest amerykańska Delta-2.
Start tej rakiety szacuje się na 60 mln. USD.
Niestety, w wyniku zmniejszania się liczby rocznych startów rakiet, zmniejszania się
zapotrzebowania na transport kosmiczny, ceny startów nie maleją, ale rosną. Nawet rakiety
najnowszej generacji (Delta-4, Atlas-5) nie osiągną znacząco niŜszego kosztu transportu 1kg
ładunku niŜ ich poprzedniczki sprzed 30 lat!
Drastyczne zmniejszenie kosztów transportu kosmicznego moŜna jedynie uzyskać poprzez
opracowanie systemu, który zapewni częściową, bądź istotną odzyskiwalność oraz - co
najwaŜniejsze - skróci do minimum przeglądy serwisowe między lotami, co zaowocuje większą
liczbą startów jednego środka transportowego w ciągu okresu rozliczeniowego (roku
fiskalnego). Przy powtarzalności startów rzędu 2-3 na rok, nie zbuduje się taniego i
efektywnego transportowca, bez względu na to czy będzie odzyskiwalny, czy nie.
Więcej moŜna się dowiedzieć z
raportu
statystycznego startów rakiet na rok 2005.
8.9. Dlaczego rosyjskie rakiety przewoŜone są na start w
pozycji poziomej ?
Istnieją dwie przyczyny, powodujące przewoŜenie rosyjskich rakiet na miejsce startu w pozycji
poziomej.
Strona 4 z 8
Po pierwsze, rakiety te są przystosowane do startów w znacznie trudniejszych warunkach
klimatycznych, niŜ rakiety amerykańskie. Widok rosyjskich rakiet kosmicznych (i to z załogą na
pokładzie!), startujących podczas burzy śnieŜnej, przy wietrze wiejącym z prędkością 80 km/h i
temperaturze rzędu -20°C, nie jest zjawiskiem odosobnionym.
PoniewaŜ nienapełnione materiałami pędnymi rakiety wywoŜone są na stanowisko startowe
zaledwie 2 dni (rakiety rodziny R-7, np. Sojuz; w przypadku Protona jest to 5-6 dni) przed
startem, to w warunkach klimatycznych panujących w Plesiecku czy na Bajkonurze
(długotrwałe mrozy i opady śniegu), najczęściej oznacza to konieczność wywozu pustej rakiety
z kompleksu montaŜowo-obsługowego (MIK) w takich właśnie trudnych warunkach. Pusta
rakieta stojąca pionowo byłaby bardzo wraŜliwa na uszkodzenie, lub nawet przewrócenie przez
stosunkowo niewielki powiew wiatru. Po ustawieniu na platformie startowej, rakieta mocowana
jest potęŜnymi obejmami, a po napełnieniu jej paliwem, jest stabilna i niewraŜliwa na porywy
wiatru.
Drugim powodem jest odmienna od amerykańskiej filozofia budowy niektórych kompleksów
startowych. W przypadku cięŜkich rakiet (Saturn V, Space Shuttle) są one montowane w
pozycji pionowej od razu na platformie startowej i razem z nią transportowane na wyrzutnię.
Masa takiego zestawu sięga 6-7 tysięcy ton. Kompleksy rosyjskie są wyposaŜone w stałe,
masywne platformy startowe.
8.10. Czym jest "rakieta balistyczna" ?
Jest to rakieta, której lot składa się z dwóch faz:
fazy silnikowej, gdy nabiera ona prędkości i ustawia się pod wymaganym kątem
względem pionu, celem osiągnięcia docelowego punktu jej trajektorii,
fazy balistycznej, gdy lot odbywa się po trajektorii wyznaczonej jedynie przez
działające siły bezwładności i grawitacji.
Rakiety takie mają najczęściej zastosowanie bojowe, przenosząc w głowicach ładunki
wybuchowe (konwencjonalne, jądrowe, chemiczne) o zasięgu od setek kilometrów po
odległości międzykontynentalne.
Pierwsze amerykańskie próbne loty załogowe na granicę kosmosu odbywały się po
trajektoriach balistycznych; później dopiero przystąpiono do prób satelizowania statku
załogowego. Chiny poszły inną drogą i po serii testowych bezzałogowych lotów orbitalnych
nastąpił lot z załogą (1 osoba) na pokładzie w pełnym zakresie misji.
Rodząca się obecnie komercyjna turystyka kosmiczna takŜe będzie z początku wykorzystywać
trajektorie balistyczne dla załogowych pojazdów kosmicznych, które osiągać będą pułapy do
200 km, zapewniając turystom kilku-kilkunastominutowy stan niewaŜkości w przestrzeni
formalnie uznawanej juŜ za kosmos.
Pierwszy taki lot wykonano 2004-06-21 na statku kosmicznym "SpaceShipOne" (statek
dwuczłonowy składający się z samolotu odrzutowego transportującego na wysokość ok. 15 km
uskrzydlony człon rakietowy zdolny do powrotu lotem ślizgowym i lądowania na pasie lotniska),
skonstruowanym przez firmę Scaled Composities i konstruktora Burta Rutana. Statek
osiągnął pułap 100,1241 km, co kwalifikuje lot podług wymogów
FAI
jako kosmiczny. Lot w
stanie niewaŜkości trwał około 3,5 minuty, a pilotował go Mike Melvill.
2004-10-04 statek "SpaceShipOne" zdobył nagrodę X-Prize w wysokości 10 mln. USD,
odbywając dwukrotnie lot na pułap powyŜej 100 km z pilotem na pokładzie i balastem
równowaŜnym dwóm pasaŜerom.
Loty kosmiczne SpaceShipOne (podług FAI)
Data
Pilot
PasaŜer-1 PasaŜer-2 Wysokość [m]
Strona 5 z 8
8.11. Jakie są obecne uŜywane kosmodromy?
Za definicję komodromu przyjmiemy "miejsce, z którego startują obiekty kosmiczne zdolne
przynajmniej do satelizacji wokół Ziemi".
Aktualnie wykorzystywane kosmodromy:
Rosja: Bajkonur (Tiuratam)[*], Plesieck, Swobodnyj - razem 3;
USA: Cape Canaveral/Kennedy Space Center, Vandenberg, Kodiak - razem 3;
Francja/ESA: Kourou (Gujana Francuska) - razem 1;
Brazylia: Alcântara - razem 1;
Japonia: Tanegashima, Kagoshima - razem 2;
Chiny: Taiyuan, Xichang, Jiuquan - razem 3;
Indie: Sriharikota - razem 1;
Izrael: Palmachim - razem 1;
Pozostałe(mobilne): Sea Launch (pływająca platforma morska "Odyssey"; okolice
równikowe na Pacyfiku),
Pegasus - rakieta startuje z samolotu L-1011 "Stargazer". Samolot moŜe wzlecieć z
dowolnego lotniska, co pozwala na maksymalnie efektywne wykorzystanie rotacji Ziemi
do osiągnięcia orbity o planowanej inklinacji. Samolot startuje zazwyczaj z Vandenbergu
lub Cape Canaveral, lecz zdarzały się teŜ jego starty z Wallops, czy teŜ Wysp
Kanaryjskich,
Morze Barentsa - rakiety Wołna i Sztil, startujące z pokładu rosyjskich okrętów
podwodnych.
Razem: 15 kosmodromów "stacjonarnych" i 3 mobilne.
[*] Kosmodrom Bajkonur znajduje się w niepodległym Kazachstanie i jest dzierŜawiony przez
Rosję.
8.12. Jak długo moŜe pozostawać w kosmosie satelita
geostacjonarny ?
Techniczną Ŝywotność tych satelitów głównie wyznaczają zapasy paliwa do silniczków
korekcyjnych, wszak wpływy grawitacyjne układu Ziemia-KsięŜyc nie są do zaniedbania, jeśli
trzeba utrzymywać precyzyjnie pozycję takiego satelity (w tzw. slocie). Dawniej, gdy
stosowano hydrazynę, Ŝywotność satelity GEO nie przekraczała 5-10 lat i tak teŜ było w
2004-06-21 Michael W. Melvill -
-
100124
2004-09-29 Michael W. Melvill -
-
102958
2004-10-04 Brian Binnie
-
-
111996
Strona 6 z 8
praktyce. Obecnie coraz powszechniej stosuje się do korekcji silniki jonowe. Pozwala to
utrzymywać satelicie stabilną pozycję przez minimum 15 lat. To dziś standard. Ograniczenia
wynikają teŜ z Ŝywotności nadawczych układów mikrofalowych, ale jakoś się z tym juŜ uporano
na tyle, Ŝe 15 lat nie stanowi powaŜnego problemu.
Wyeksploatowany satelita GEO jest "kopniakiem śmierci" (resztkami paliwa) przenoszony na
orbitę wyŜszą niŜ GEO i tam zasila liczebnie inne latające wraki.
Trudno zaś powiedzieć, ile te wraki będą latać na swych orbitach, gdyŜ nie podlegają one
hamowaniu przez atmosferę ziemską, a jedynie wpływom grawitacyjnym układu Ziemia-
KsięŜyc, które w bardzo długim przedziale czasowym mogą na tyle zaburzyć ich orbity, Ŝe
staną się one na tyle eliptyczne, Ŝe dojdzie do zauwaŜalnego wpływu atmosfery ziemskiej.
Jednak spokojnie moŜna szacować ten czas na setki tysięcy lat.
8.13. Co nazywamy "lądowaniem balistycznym" ?
Jest to powrót z orbity bez wykorzystania w pełni własności aerodynamicznych lądownika. Dla
przykładu lądownik statku kosmicznego Sojuz posiada doskonałość aerodynamiczną w zakresie
0,2-0,5, co pozwala na znaczną redukcję przeciąŜeń podczas lądowania, nazywanego
lądowaniem sterowanym, bądź pilotowanym. Warunkiem osiągnięcia tej doskonałości jest
jednak prawidłowe wykonanie manewru hamującego:
statek musi być idealnie usytuowany,
impuls hamujący musi być wykonany bardzo precyzyjnie, zarówno co do czasu trwania
jak i wielkości (ciągu silnika),
lądownik powinien być ustawiony pod właściwym kątem względem atmosfery w
momencie wejścia w nią i powinien rotować wokół osi pionowej z minimalną prędkością.
Niespełnienie choćby jednego z tych warunków odbija się od razu na współczynniku
aerodynamicznym, co skutkuje powrotem po bardziej stromej trajektorii, kiedy to przeciąŜenia
są znacznie większe, osiągają lub przekraczają wartość 8 G. Lądowanie takie nazywamy
lądowaniem balistycznym, doskonałość aerodynamiczna spada wtedy prawie do zera. Powrót
awaryjny polega głównie na wydaniu impulsu hamującego, gwarantującego szybki powrót z
orbity i odbywa się m.in. w ten sposob, Ŝe zakłada się niepełny ciąg silnika hamującego i
niezbyt dokładną orientację w przestrzeni. Aby zagwarantować w tych warunkach powrót na
Ziemię, przedłuŜa się czas pracy silnika hamującego, co oczywiście w konsekwencji powoduje
powrót po bardziej stromej trajektorii.
W praktyce przeciąŜenia podczas lądowania Sojuzów wynosiły zazwyczaj 3,5-4,5 G, ale
zdarzały się od tej reguły wyjątki:
Sojuz 1
,
Sojuz 5
,
Sojuz 18-1
,
Sojuz 33
,
Sojuz TM-31
,
Sojuz TMA-1
,
Sojuz TMA-10
,
Sojuz TMA-
11
.
8.16. Gdzie znajdę bazę danych satelitów Ziemi ?
Naszym zdaniem gona polecenia jest baza prowazona przez UCS(Union of Concerned Scietists).
Jest to przedsięwzięcie "non-profit" wolne od opłat za korzystanie. Publikowana jest w formacie
XLS jako
UCS Satellite Database.
Strona 7 z 8
Aktualizacja: 2008-04-21 21:30
FAQ-System 0.4.0, HTML opublikowal: (STS)
Zawiera ona uŜyteczne dane:
Nazwę, nazwe alternatywną,
Nazwę właściciela lub operatora,
Przeznaczenie,
Typ i parametry orbity,
Masę startową i "suchą",
Moc elektryczną,
Date startu i przewidywany czas funkcjonowania,
Identyfikator COSPAR i NORAD.
Strona 8 z 8