Űrbéli hajtóműrendszerek fejlődési lehetőségei
(tanulmány)
Ezt a
tanulmányt kezdhetném hagyományosan azzal, hogy az emberiség régi álma, hogy
eljuthasson a csillagok közé. Persze ez a kiinduló állítás nem minden
szempontból állná meg a helyét, mert nem is olyan régen – csillagászati
léptékben csak egy szempillantással ezelőtt - az emberek még szentül meg voltak
arról győződve, hogy az égen látható csillagok csak apró lyukak egy Földet
beborító hatalmas leplen, és ezeken tündököl át a mennyország fényessége.
Természetesen vallástól és kortól függően a csillagok iránt táplált hiedelmek
széles skálán változtak, de abban biztosak lehetünk, hogy a XXI. század elejére
kialakult valóságképhez hasonló az emberiség történetében még nem létezett
soha. Így hát inkább azzal kezdeném a mondanivalómat, hogy változnak az idők,
és ezzel együtt változnak az álmaink is.
A múlt század
kezdetén valóra vált a repülés ősi álma, és a XX. század végére hétköznapjaink
részévé vált, mint megannyi más technikai csoda. Hol születnek vajon ezek a
néha meglepően különleges, de sokszor mégis olyan hasznos álmok? Talán meglepő
lesz, amit állítok: a modern korunk technikai vívmányait az emberiség nagyon
szűk rétegének köszönhetjük. Ezek az emberek jórészt tudósok, mérnökök és írók
(esetleg mind együtt). Fantáziájukat kivetítik alkotásaikon keresztül a nagyobb
tömegek elé, és így személyes álmaik létjogosultságot nyernek a
társadalmunkban. Csodálatos folyamat ez, de a tanulmányom nem erről fog szólni,
hanem talán a legnagyobb kihívást jelentő vágyunk, az űr meghódításának
lehetőségeiről.
De mégis miért
olyan megkapó ez a látomás az emberek számára? Talán azért, mert a hétköznapi
élettől annyira idegen az űr hideg és sötét óceánja, hogy mágnesként vonzza a
képzeletet. A csillagok időtlen világa kiszakítja az embert a Földi problémák
nyomása alól, talán néhány pillanatra az még az elménk képes felfogni a tér és
az idő végtelenségét, és ettől felszabadulnak korlátok. A fantáziánk életre
kel, és máris az űr vándoraiként láthatjuk önmagunk. Vannak olyan emberek
köztünk, akikben olyan erős a vágy, hogy kíméletlen kitartással valóra váltják
az emberiség újabb – talán a legnagyobb - álmát.
Sokan
szeretnének a Mars felszínén állni, a Jupiter holdjaiban gyönyörködni, vagy a
Szaturnusz gyűrűit csodálni. Hogy miért? Igazi választ nem fogunk erre a
kérdésre találni, mint ahogy arra sem, hogy mi az életünk értelme. De ha meg
lehet oldani, miért ne tennénk meg? Miért ne utazhatnánk el a közeli
csillagokig, vagy még távolabb? Persze százezer indokot felsorolhatnánk, miért
ne tegyük meg (rengeteg energia, pénz, veszély), de az ember ezekkel igazán
sosem törődött. Ha egyszer megjelenik a fejekben az igény, a megvalósítás máris
megkezdődött. Vágjunk hát neki az utazásnak térben és időben, a jelenleg
megvalósítható technológiáktól a távoli jövő lehetőségéig.
1. Barangolás a Naprendszerben
A csillagok
felé vezető út igencsak rögös és veszélyes lesz, ezt még a laikusok is
belátják. Az emberiség jelenlegi technikai fejlettsége a szomszédos bolygókra
már eljuttathatná fajunk képviselőit, de ennek kivitelezése is nagy
veszélyekkel járna, ezért évek óta halogatják a komoly tervezői munka
megkezdését. Amit jelenleg fel tudunk mutatni, az a Hold meghódítása. Azért még
ez is elég erős túlzás, hiszen alig egy tucat ember hagyta a lábnyomát a Hold
porában, ami a meghódítástól még messze van, azonban vitathatatlan, hogy a Hold
felszíne technikailag már évtizedek óta elérhető közelségben van. Az igazi
probléma a Föld környezetének benépesítésében maga a Föld, illetve annak
gravitációs mezeje. Ennek legyőzésére minden esetben szükség van, ha valamilyen
tárgyat az űrbe szeretnénk eljutatni, tehát ez teszi igazán költségessé és
veszélyessé az űrutazásokat.
A
hordozó rakéták [1]:
A mai korszerűnek mondható űrbéli
szállító rendszerek gyakorlatilag kizárólag a kémiai reakciókra épülő
rakétákkal operálnak. Fő hátrányuk, hogy a rossz hatásfok miatt óriási
mennyiségű üzemanyagra van szükségük, ráadásul ennek az üzemanyagnak a
felemelésére is további üzemanyag mennyiség szükségeltetik. Jelenleg az űrbe
induló rakéták tömegének 85 % -a üzemanyag. Mégis miért használjuk még ezeket a
rakétákat? A fő ok, hogy ezek elkészítése biztonsággal megoldható, és az
1950-es évek óta nagyon sok tapasztalat gyűlt össze üzemeltetésükkel
kapcsolatosan. Nézzük hát röviden a napjainkban használatos típusok működését.
Az űreszközök felbocsátásához
legtöbbször folyékony hajtóanyagú
rakéta-hajtóműves hordozórakétát használnak. Szerkezetük meglehetősen
bonyolult, mivel a szükséges hajtóanyag-komponenseket külön tartályban kell
tárolni, majd a tüzelőtérbe táplálni. A folyékony hajtóanyagú rakéta
hajtóanyagtartályból, tápláló rendszerből, hajtómű házból, a működést
szabályozó indító és leállító hajtómű automatikából áll. A kétkomponensű
hajtóanyag az oxidáló anyagból (folyékony oxigén, salétromsav, nitrogén-tetraoxid),
és a tüzelőanyagból (finomított petróleum, kerozin, metilalkohol, folyékony
hidrogén) áll. A tüzelőtér nyomása körülbelül 5-6 MPa, az égési hőmérséklet
3-4000 K, a tolóerő akár több ezer MN-ig is terjedhet.
A nagyobb tömegű rendszereket, az
indítás nehézségeinek leküzdésére szilárd
hajtóanyagú rakétákkal egészítik ki. A szilárd hajtóanyagú rakétahajtóművek
a tolóerőt a hajtóanyag elégetése során keletkező gáz fúvócsövön keresztül
történő kiáramoltatásával állítják elő. Az ilyen hajtóművek szerkezete nagyon
egyszerű, ugyanis a szilárd töltet a tüzelőtérben helyezkedik el. Előnyük, hogy
gyorsan előkészíthetők az indításhoz, hátrányuk viszont az alacsonyabb fajlagos
tolóerő, illetve, hogy az égési folyamat szabályozása egyáltalán nem, vagy csak
nagyon nehezen oldható meg. A tüzelőtér nyomása itt jóval magasabb, mintegy 200
MPa. Hajtóanyagként zselatinszerű nitrocellulózt, ammónium-nitrátot vagy
kálium-perklorátot alkalmaznak.
Napjainkban leggyakrabban használt
hordozórakéták:
Ariane
- Az Európai Űrügynökség (ESA) hordozórakétája. Az első, Ariane-1 típusú
rakétát 1979 karácsonyán próbálták ki. Az első indítások közül több is
kudarccal végződött, ennek ellenére kiemelkedően magas az üzembiztonságuk. Az
Ariane hordozórakéták üzemeltetője a francia Arianespace vállalat. Jelenleg
ennek a rakétának már az ötödik generációja fut. A maximálisan 55 m magas 725
tonnás rakéta indításkor 13,7 MN tolóerő kifejtésére képes, amivel
geostacionárius (36 ezer km-es) pályára 6,9 tonnás műholdat képes feljuttatni.
Delta
- Az amerikai Boeing vállalat hordozórakétája. 1960 óta 259 indítást hajtottak
vele végre, az üzembiztonsága 97 %-os, és ezzel világviszonylatban az első
helyen áll. A Delta II 7425 típus egy nagy megbízhatóságú középkategóriájú
rakéta, amely 1,8 t hasznos terhet juttathat geoszinkron (GTO) pályára. A Delta
III egy újabb, nagyobb és erősebb típus, két darab 3,8 t tömegű űrszondát tud
ugyanott pályára állítani. A legújabb fejlesztés pedig a Delta IV, amely már
13,2 t teherrel képes megbirkózni.
Titan
- Az amerikai légierő hordozórakétája. Egyik legismertebb típusa talán a Titan
IV-B/Centaur, amely a Szaturnuszhoz tartó Cassini űrszondát juttatta ki a
világűrbe. Két darab szilárd hajtóanyagú rakétahajtóműve 15,2 MN tolóerőre
képes. Az alumíniumból készült folyékony hajtóanyagú fokozata 30 méter magas,
és 3 méter az átmérője. A Centaur fokozat 8,8 méter magas, és 147 kN tolóerőt
fejt ki. Az alumíniumból készült raktér magassága 20,1 méter, átmérője pedig 5
méter. A Titan/Centaur előállítási költsége 250 millió USD, segítségével eddig
nyolc fellövést hajtottak végre.
H-2A
– Japán 1970-ben csatlakozott a saját hordozóeszközzel rendelkező nemzetek
sorához egy lambda típusú rakéta indításával. 1994 –től kezdve pedig
geostacionárius eszközöket is pályára képesek állítani az Ariane IV-hez hasonló
felépítésű H–2 jelű nagyrakétájukkal. A legújabb fejlesztésű – 2001-ben
elkészült - H-2A jelű hordozóeszköz közel 285 tonna, majd 53 méter magas és 3
tonna hasznos terhet tud GTO pályára juttatni. Kifejlesztése 970 millió USD –ba
került a japán űrügynökségnek (NASDA)
GSLV
– Az első indiai rakéta (SLV-3) 1980 –ban indult a Sriharikota űrközpontból.
Azóta India töretlenül halad előre a hordozórakéta fejlesztés útján. 1993 –ban
megépítették az első folyékony hajtóanyagú PSLV jelű rakétájukat, majd 2001
–ben útjára indult az első igazán nagy rakétájuk - a GSLV - ami komoly
konkurenciát jelenthet majd a geostacionárius műholdakat pályára állító
kereskedelmi célú hordozórakéták piacán. A majd 400 tonnás, 50 méter magas
rakéta 2,5 tonnás rakományt képes GTO pályára állítani.
Long
March - Fejlesztését 1960-ban kezdte el Kína. Az első generációs
LM-1 típussal először 1970-ben sikerült alacsony Föld körüli pályára juttatni
egy kínai műholdat. A legújabb változat, az LM-3C már 3,8 t tömegű terhet
juttathat GTO pályára. Megbízhatósága nem a legjobb, de mivel olcsó, nagy a
kereslet iránta.
Proton
– A 60 m magas, 700 tonnás Orosz hordozórakéta, 1965-ben repült először.
Három-, illetve négyfokozatú változata létezik, indító tolóereje 15,2 MN. A MIR
űrállomásra irányuló missziók során sokszor használták teherszállításra. A
Nemzetközi Űrállomás építésekor is számos modult vitt fel a világűrbe.
Elsősorban műholdak geostacionárius pályára állítására használják. Az utóbbi 10
évben 93 % volt a megbízhatóságuk. Mintegy 5,5 t hasznos teher GTO pályára
állítására képesek.
Többször felhasználható űreszközök
Az előzőekben
felsorolt eszközök közös jellemzője, hogy csak egyszer felhasználhatóak, ami
tovább emeli az űrbe jutás költségeit. Azonban 1981-ben az első amerikai
űrrepülőgép indításával az űrutazás és az űrkutatás új korszaka vette kezdetét.
A SPACE SHUTTLE rendszer:
Az „új típusú” szállítórendszer a
világűrben űrhajóként, leszálláskor pedig repülőgépként közlekedik. Az egyik
legnagyobb előnye, hogy többször felhasználható, személyzete akár 7-8 főnyi is
lehet, a hasznos terhe pedig a 30 tonnát is elérheti. Az amerikai Space Shuttle
űrrepülőgép-rendszer (STS) az első - és jelenleg az egyetlen működő - többször
felhasználható űrhajózási hordozóeszköz. A napjainkban használatos
hordozórakétákhoz hasonlóan függőlegesen indul, de visszatérése a Földre
siklórepüléssel történik, ezért használatos rá az űrsikló elnevezés is. A
rendszer központi eleme maga az űrrepülőgép, szerkezeti kialakítását tekintve
egy deltaszárnyú repülőgéphez hasonlít. Szerkezeti anyagai alumínium- és a
titánötvözetek. A szárnyakat és a törzs alsó részeit a sűrű légkörbe való
visszatéréskor hővédő anyagból készített csempék védik a káros hatásoktól. A
mintegy 34 ezer hővédő lapka alatt a borítás hőmérséklete - a visszatérés során
- nem lépi túl a 175 °C -ot. A személyzet elhelyezésére kétszintes fülke
szolgál. A fülke mögött helyezkedik el a két nagyméretű hengerpalást ajtóval
zárható raktér. A raktérben a hasznos teher mellett egy 15 méter hosszú
manipulátor kar is megtalálható. Hátul, a függőleges vezérsíknál három
folyékony hajtóanyagú rakétahajtómű került beépítésre. A hajtóanyag egy óriási
tartályban helyezkedik el, amelyre az űrrepülőgépet, valamint a pályára állást
segítő két nagytolóerejű, szilárd hajtóanyagú gyorsító-rakétát szerelik.
Az STS összeszerelve 56,08 méter
hosszú, tömege a start előtt 2010 tonna, a hajtóműveinek tolóereje pedig 28,5
MN. Az orbitális egység (maga az űrrepülőgép) 37,68 méter hosszú, fesztávolsága
23,79 méter, teljes tömege pedig 105 tonna. A rakodótér átmérője 4,6 méter,
hosszúsága pedig 18,3 méter. Föld körüli pályára állítható hasznos terhe 29,5
tonna, a Földre visszahozható hasznos teher maximálisan 14,5 tonna lehet.
Előállítási költsége 1,2 milliárd USD.
Az Egyesült Államok már csak összesen
három űrrepülőgéppel rendelkezik. Az első, a Columbia 1981-től 2003. február 1.
-ig üzemelt, a Challenger 1983-tól 1986. január 27-ig működött. Mindkettő
műszaki hiba következtében felrobbant, hét űrhajós halálát okozva. A többi
(Discovery 1984, Atlantis 1985, Endeavour 1992) használatát előreláthatóan
sokáig nem fogják engedélyezni a Columbia-baleset kivizsgálása miatt, ami
komoly visszalépést jelenthet az emberes űrhajózásban.
A Buran:
Az oroszok sem akartak lemaradni az
űrversenyben, ezért el is készítették saját űrrepülőgépüket, a Buránt. Az 58,8
méter magas, 2436 tonnás szerkezet 1988. november 15-én indult első útjára
automatikus repülésben, űrhajósszemélyzet nélkül. Ez volt az első, egyben az
utolsó útja is. Pénzügyi problémák miatt ugyanis Oroszország 1993-ban
véglegesen leállította a programot. A Burán az Enyergija óriásrakéta
segítségével emelkedett a magasba. A működtetése elég gazdaságtalan, mivel
amerikai társával ellentétben csak az orbiter tér vissza a Földre, az óriási
üzemanyagtartály megsemmisül. Az egyik legnagyobb előnye viszont, hogy
személyzet nélkül is feljuttatható a világűrbe, és az Enyergia hordozórakéta
önmagában is használható. Egyébként a személyzet maximális létszáma tíz fő lett
volna, a hasznos teher nagysága elérte volna 30 tonnát, míg a Földre
visszahozható terhe akár 20,4 tonna is lehetett volna.
A Hermes:
Az Európai Űrügynökség is indított
űrrepülőgép-programot 1986-ban. A 21 tonna tömegű Hermes egy Ariane-5 orrára
szerelve jutna ki a világűrbe három fős személyzettel, és 3 tonna hasznos
teherrel. A fejlesztés első fázisa lezárult, ám pénzügyi problémák miatt a
programot 1992-ben leállították.
A HOPE-X:
Ezt a személyzet nélküli űrrepülőgépet
1987-óta a japánok fejlesztik. Ez egy többször felhasználható űrszállító
rendszer, amellyel sokkal olcsóbbá válhat majd az űreszközök világűrbe
juttatása. A 2010 -re ígért űrrepülőgép valószínűleg a Nemzetközi Űrállomás
egyik teherszállító űrhajója lesz, de 2002–ben fejlesztését pénzügyi okokra
hivatkozva egyelőre befagyasztották. A 16 méter hosszú HOPE 10,5 tonna tömegű,
3 tonna hasznos terhet vihet magával. Egy átalakított H-2A rakéta segítségével
jut majd ki a világűrbe.
Ezzel véget is
értek jelenlegi lehetőségeink. Nyugodtan állíthatjuk, hogy a hagyományos
hordozó rendszerek komoly válságban vannak, és ez minden bizonnyal rá fogja
nyomni a bélyegét századunk első évtizedének emberes küldetéseire, de lehetnek
másféle utak is természetesen. A kutatást az űrügynökségek is komolyan
gondolják, többek között a NASA is pályázatot írt ki olyan többször használatos
űrjárművek kifejlesztésére, amelyek leválthatják a most üzemelő rakéták
generációit. Talán meglepő, de jelenleg legalább 20 újfajta eszközt
fejlesztenek világszerte, hogy csökkenthetőek legyenek az űrutazás költségei.
Lássunk a tervek közül néhány egymással versengő ígéretes megoldást.
A Space Express terve – a RAMJET [2]:
A NASA nemrég bejelentette, hogy
befejezte egy alapvetően új technológiájú rakétahajtómű két évig tartó
tesztelését, amellyel a jövő űrutazása lényegesen közelebb fog állni a légi
közlekedéshez. Az új torlósugár-, rakétahajtómű kombinációt a NASA Marshall
Space Flight Centerben fejlesztik. A torlósugár-hajtómű (RAMJET) mozgó
alkatrész nélküli sugárhajtóművet takar. A hajtóműben nem találjuk a
hagyományos gázturbinákra jellemző kompresszor- és turbina lapátsorokat, mert a
beömlőnyílás változó keresztmetszetű diffúzoros kialakítása miközben lelassítja
szubszonikusra (hangsebesség alá) az áramlást, össze is sűríti a levegőt. A
kompresszió hatására felmelegedett levegő a tüzelőtérbe kerül, ahol
tüzelőanyaggal keveredik és meggyullad. Az égéstermék speciális Laval-fúvókán
nagy sebességre gyorsul és tolóerőt hoz létre. A torlósugaras rakétahajtómű a
rakétahajtómű és a torlósugár-hajtómű kombinációja. Előnye, hogy önállóan
indítható, és a légkör oxigéntartalmát használja fel egy szakaszon az üzemanyag
elégetésére. Az igazi nyereség ebben a rendszerben annak az oxidálószer
tömegnek a megspórolása, amely 6 Mach sebességre történő gyorsításhoz szükségeltetett
volna.
A NASA HYPER-X programja
– a SCRAMJET [3]:
A Space Expressben is használt ramjetek teljesítményének
felső határa körülbelül 6 Mach (hatszoros hangsebesség), e-fölött az égéstér
olyan forróvá válik, hogy az égéstermék (víz) elbomlik hidrogénre és oxigénre,
tehát nem szabadul fel energia, ami az űrrepülőt előre hajthatná.
A magasabb sebességek eléréséhez szuperszonikus belsőégésű
ramjetre (SCRAMJET) van szükség. Ennek a kialakításánál csökkentik a
belépőnyílásnál a légáram összenyomódását, így az nem lassul le hangsebesség
alá. A szuperszonikus áramlásban nem alakulnak ki a nagy energiájú
torlóhullámok, így a levegő hőmérséklete nem növekszik olyan nagymértékben,
mint a ramjetek esetében. Az üzemanyagot ebbe a szuperszonikus légáramba fecskendezik,
ahol összekeveredik a levegővel és ezredmásodpercek alatt elég. A scramjetek
felső sebességhatárát még nem határozták meg, de elméletileg magasabb annál,
mint ami a Föld körüli pályára álláshoz szükséges (20 - 25 Mach). Ilyen magas
sebességeknél azonban már nem jelentős a scramjetek előnye a rakétákkal
szemben, mivel a nagy légköri sebességeknél számos szerkezeti feszültség lép
fel a súrlódástól, ami a rakétáknál felszálláskor nem következik be.
A hiperszonikus scramjet hajtóművek számos különféle üzemanyaggal
működhetnek, többek között hidrogénnel és szénhidrogénekkel is.
A lehűtött folyékony hidrogén - amely az amerikai űrsiklót is
hajtja - azért vált igen népszerűvé az űrrepülők fellövésénél, mert elégetés
előtt felhasználható a hajtómű és a jármű hűtésére is. A szénhidrogéneket nem
lehet ilyen jól hasznosítani, és alkalmazhatóságuk felső határa kevesebb, mint
8 Mach.
A scramjettel hajtott űrrepülők esetében - amelyeket úgy
terveznek meg, hogy képesek legyenek nagymennyiségű levegő befogadására -
elmosódik a határ a hajtómű, és a jármű között. Az érkező szuperszonikus
légáram lökéshullámot hoz létre a repülő test orránál, és szétterjed az
atmoszférában. A jármű alsó fele és a lökéshullám között lévő összenyomott
levegő kerül a hajtóműbe. A belépő diffúzoron az áramlás lassul, a levegő
emiatt felmelegszik. Az égéstérben elég az üzemanyag, majd a reakció végterméke
egy belső és egy külső fúvókán át kitágul, aminek eredményeképpen tolóerő
generálódik. A jármű alsó részén fellépő magas nyomás nagy felhajtóerőt is
biztosít, ami levegőben tartja az űreszközt.
Hogy kiszélesítsék a scramjetek alkalmazási tartományát, a
mérnökök olyan járműveket terveztek, amelyek mind scramjet, mind ramjet
üzemmódban képesek repülni. Az ilyen kétféle üzemmódú működés vagy úgy érhető
el, hogy változtatható geometriájú hajtóművet szerkesztünk, vagy úgy, hogy a
különböző helyeken lévő szerkezetek között váltogatjuk az üzemanyagáramot.
Mivel sem a ramjetek, sem pedig a scramjetek nem működnek hatékonyan 2 vagy 3
Mach alatt, felszálláshoz egy harmadik fajta (hagyományos gázturbina vagy
rakéta) hajtóműre van szükség. Az úgynevezett rakéta alapú kombinált ciklusú
hajtóművek, amelyek űrjárművek esetében használhatóak, egy olyan rakétán
alapszanak, amelyet beépítenek a scramjet égőterébe, hogy biztosítsa a tolóerőt
a felszállás után a hangsebesség alatti és az alacsony szuperszonikus
sebességeknél. 6 Mach környékén a ramjet működési módot a scramjet üzemmód
követi (Mach 12 -ig), ami után ismét a rakéta lép működésbe a scramjetet kiegészítve.
18 Mach felett már ismét a rakéta mozgatja, és pályára is állítja a járművet,
ezzel lehetővé válik a szabad az űrbéli manőverezés, mivel a scramjet
működéséhez szükséges levegő a világűrben nem áll rendelkezésre.
A NASA jelenleg ilyen rendszerek számos változatát teszteli
számítógépeken és szélcsatornákban.
A Rotary Rocket űrhelikoptere [4] – a
hagyományos technológia versenyképes változata:
A polgári űrtechnika a jövőben
jelentős konkurenciát fog okozni a jelenleg még a piac nagy részét birtokló nemzeti
űrügynökségeknek, mint a NASA vagy az ESA. Az amerikai űrrepülőgép még
valószínűleg sokáig üzemben marad, azonban néhány éven belül megjelenhetnek az
új technológiákon alapuló, embereket is szállító polgári, katonai, és nemzeti
űrjárművek.
Az egyik éllovas - a Rotary Rocket vállalat - egy
egyfokozatú, függőlegesen startoló és leszálló, pilóta által irányított,
többször felhasználható űrrepülőgép fejlesztésébe kezdett. A Roton nevezetű űrjármű érdekessége, hogy
folyékony üzemanyagú rakétaként jut a világűrbe, majd, mint egy helikopter
ereszkedik vissza a földre. A munkálatok és a tervezés 1996 végén kezdődtek el,
és 18 hónappal később már a prototípus megvalósításán dolgoztak.
A függőleges helyzetben fellőtt
űrjármű két pilóta irányításával alacsony föld körüli pályára áll, majd a
műhold(ak) megfelelő ponton való elhelyezése után kinyílnak a rotorjai, és az
űrrepülőgép belép a légkörbe. Bizonyos magasságban a rotorokat kis rakéták
forgatni kezdik, majd egy helikopterhez hasonlóan, a fellövést követő 72 órán
belül leszállnak. A kúp alakú űrjármű átmérője a talpánál 6,7 m, magassága 19,2
m, tömege start előtt 181 tonna. A hasznos teher lehetséges mérete 3,5 x 4,9
méter, tömege pedig 3 tonna lehet.
A többször felhasználható
űreszközök igazán akkor tennék nagyon olcsóvá az űrrepülést, ha meghajtáshoz
szükséges energia egy részét, vagy az egészet a Földön, környezetbarát
energiaforrásokból állítanák elő. Ennek megoldására is léteznek kipróbált,
működőképes technológiák.
Az elektromágneses katapult [5]:
A megoldás lényege, hogy egy
hagyományos űrsiklót nem hatalmas üzemanyag tartályra rögzítve állítanák a
start helyére, hanem egy lineáris villamos motorra szerelve, mélyen a Föld alól
indítanák. A megoldás elve elég egyszerű, egy háromfázisú villamos motor állórészét
síkba kell teríteni, míg a forgórész lesz maga a gyorsítani kívánt jármű
(hasonlóan a lebegtetett vasutakhoz). A sín hosszában végigfutó szupravezető
mágneseken egy vagy több feszültség hullámot végigfuttatva a kialakuló mágneses
tér maga után húzza a „mozgórészt”. A rendszer alkalmazására több országban is
van már példa, hiszen Japánban és Németországban - a komoly befektetéseknek
köszönhetően - jelenleg 400 – 500 km/h sebességgel képesek utasokat szállítani
a hasonlóképpen meghajtott MAGLEV vasutak. Persze az űrhajó indításához ennél
nagyobb sebességre lenne szükség. Ha az előzőeket figyelembe vesszük, akkor a
mágneses gyorsításnak az indítási folyamat végére egy ramjet hajtómű
beindításához elegendő a kezdősebességet kellene biztosítania. Ez azt jelenti,
hogy a több kilométeres pályarendszernek legalább 2500 km/h –ra kellene
gyorsítania az egész űrjárművet. Ezt elősegítheti a föld alá épített
pályarendszer, mert a csatornából ki lehet szivattyúzni a levegő egy részét,
ezzel is csökkentve a gyorsításhoz szükséges energiát. Az indító rendszer tehát
tiszta villamos energiával működhetne, minden gázkibocsátás nélkül. A kilövő
csatornát elhagyva azonnal indítható lenne a ramjet-, majd a scramjet hajtómű,
illetve a felső légrétegek elérésekor a rakétahajtóművek állítanák végső
pályára a siklót. Az űrrepülőgép ezek után hagyományosan vitorlázó repülőként
térhetne vissza.
A maglev rendszer további előnye, hogy szinte
alig igényel karbantartást, mivel nincsenek mozgó és súrlódó alkatrészei,
ráadásul újra és újra felhasználható. A NASA és a Lawrence Livermore Nemzeti
Laboratórium terveiben szereplő mágneses kilövőállásból átlagosan 90 percenként
indítható lesz egy-egy űrrepülőgép.
Nagyjából 2005-re várható, hogy munkába állhat az első olyan
maglev rendszer, amellyel kisebb távközlési műholdakat kilo-grammonként
nagyjából 1000 USD költséggel lehet pályára állítani (most ez még több, mint 10
ezer dollárba kerül). További 15 éven belül az összeg néhány száz dollárra
csökkenhet, és a pályára juttatandó eszközök mérete is jelentősen növekedni
fog. Ha minden a tervek szerint alakul, akkor már 2020 körül mágnesesen
katapultált űrsiklókkal menet-rendszerű járatok indulhatnak Föld körüli
pályára.
Az elektromágneses hullámok
szárnyán [6]:
A mai űreszközök - mint láttuk -
magukkal viszik energiaforrásukat. Az űrutazás költségei drasztikusan
csökkenthetők lennének, ha nem kellene az üzemanyagot és a nehéz alkatrészeket
szállítani, ehelyett nagyintenzitású lézerfényt vagy mikrohullámú energiát
sugározhatnánk a járművekbe. A NASA és az Amerikai Légierő az elmúlt években
támogatott kísérletei során bemutattak egy egészen különleges megoldást: a
„fényűrhajót”. A kis tömegű szerkezet egy földről indított pulzáló infravörös
lézersugár mentén halad. Az űrhajón található fényvisszaverő felületek a
sugarat egy gyűrűre fókuszálják, ahol az felmelegíti a levegőt a Napfelszín
hőmérsékletének ötszörösére, aminek következtében a levegő robbanásszerűen
kitágul és tolóerőt generál.
Egy olyan 10 kW –os széndioxid
lézer felhasználásával, amely másodpercenként 28-szor pulzál, sikeresen lőttek
ki forgás által stabilizált 10-15 cm átmérőjű miniatűr fényűrhajókat, akár 30
méter magasságba, mindössze három
másodperc alatt. Ha 100 kW -ra emelik a lézer teljesítményét, majd 30
kilométeres magasságig teszi majd lehetővé a röptetést. Jóllehet a mai modellek
kevesebb, mint 50 grammot nyomnak, az ötéves cél az, hogy egy 1 kilogrammos
mikroműholdat juttassanak Földközeli pályára egy hagyományos, 1 megawattos
földi telepítésű lézer segítségével, ami mindössze néhány száz dollárba kerülő
elektromos energiát jelentene.
A jelenlegi fényűrhajó modellek
repülőgép minőségű alumíniumból készülnek. Egy aeroshellnek nevezett
borításból, egy gyűrű alakú sisak részből, és egy olyan far részből állnak,
ahol egy optikai és egy tágulási nyílás található. Az atmoszférikus repülés
során az első rész összenyomja a levegőt, és a hajtómű bemenetéhez irányítja. A
gyűrű alakú sisak felveszi a lökés erejét. A hátsó rész parabola alakú
gyűjtőtükörként szolgál, ami egy gyűrű alakú fókuszhelyre koncentrálja az
infravörös lézerfényt, és biztosít egy másik felszínt is, ami ellenállást fejt
ki a kifújt forró levegővel szemben. A kormányzás automatikus: ha a jármű
kimozdul a sugár irányából, a tolóerő elfordul, és visszanyomja a járművet a
helyes irányba. Egy 1 kg -os fényűrhajó így körülbelül 5 Mach sebességig
gyorsulhat, és 30 kilométeres magasságot érhet el. Itt a levegő ritkássá válik,
ezért átkapcsol a szállított folyékony hidrogén üzemanyagra. Innen már 1 kg
hidrogén elegendő ahhoz, hogy pályára állítsa az űrhajót.
A számítások
alapján, egy 1,4 méter átmérőjű változat képes arra - egy 100 MW -os lézersugár
segítségével - hogy akár 100 kg tömegű mikroműholdakat is pályára állítson.
Mivel pulzáló lézert használnak majd, ez a teljesítmény valószínűleg könnyen
elérhető több kisebb lézer teljesítményének megfelelő kombinálásával. Az ilyen
lézerek felhasználhatóak lennének a kommunikációs műholdak pályára állításánál,
és ezek későbbi megsemmisítésénél is.
A fényűrhajók mikrohullámok segítségével
is hajthatók. A mikrohullámokkal nem érhető el akkora energiasűrűség, mint a
lézerekkel, így nagyobb járművekre van szükség, azonban a mikrohullámforrások
sokkal olcsóbbak, és egyszerűben állítható elő segítségükkel nagy energia
mennyiség.
Forrás: http://www.atmion.hu/Zoleenet/iro/cim/CSZ/urhajt.html |