Nedavno je kompanija iz Barselone 'Pangea Aerospace' predstavila DemoP1, raketni motor na bazi metana i toroidnog aerospike tipa. Mali motor, potiska 20 kN, testiran je na ispitnom stolu P8 Nemačke kosmičke agencije (DLR), a napravljen je korišćenjem tehnologije 3D printinga u metalu, čime je postignuta vrlo niska cena proizvodnje. Aerospike motori se proučavaju još od 60-ih, ali do sada nijedan nije pušten u upotrebu kao 'pravi' raketni pogon. Zato je za bolje razumevanje projekta 'Pangea Aerospace'neophodno znati o čemu govorimo. Da vidimo. Kako bismo poboljšali efikasnost raketnog motora – što je direktno povezano sa specifičnim impulsom (Isp) – možemo da se igramo temperaturom komore za sagorevanje – koja je određena hemijskom reakcijom odabranih pogonskih goriva – odnosom mešanja pogonskih goriva, pritiskom ili, i tu dolazimo do onog što nas zanima, oblika mlaznice. Zvonaste mlaznice tradicionalnih motora ključni su element u optimizaciji efikasnosti motora. Međutim, efikasnost mlaznice zavisi od spoljnjeg pritiska. Ako mlaznica radi u vakuumu, trebaju nam vrlo velike mlaznice – idealno bi bilo da budu beskonačno dugo – dok na nivou mora moramo da koristimo manje mlaznice. Ako to ne učinimo tako, osim što gubimo efikasnost, možemo u najekstremnijim slučajevima i da uništimo motor.
Čak i amateri shvataju da je ljudima a i svima ostalima glavna prepreka putovanjima ka dalekim svetovima u kosmosu – pogon. Loši motori. Konceptualno, tu već decenijama tapkamo u mestu. Hemijske motore smo već oglodali do koske i tu nema ništa novo – limitirani smo prostim zakonima fizike i svojstvima goriva. Oni nas SIGURNO neće odneti nigde sem tamo gde smo već bili. Jonski električni motori su 'nova' tehnologija[1], ali suštinski oni su samo jeftiniji i manji, ali iako znatno efikasniji od hemijskih, misije u kojima sudeluju zahtevaju mnogo vremena, što je limitirajući faktor za nas kao vrstu. Ostali koncepti sa kojima se mlatimo, kao što su nuklearni, magnetni, antigravitacioni i štatijaznam, jako su daleko u svakom pogledu i za sada nismo u stanju da rešimo ni osnovne probleme. Sve priče o brzini svetlosti su samo teorijske vežbe i od toga nema ništa niti se treba nadati. Siguran sam da su intergalaktička putovanja ostati večna tema samo za pisce i SF režisere.
Dakle, problemi su motori...
Da vidimo da li se radi nešto na tom planu i u kom pravcu idu razmišljanja i radovi.
Logično, prilikom lansiranja raketa iz pritiska od jedne atmosfere na nivou mora prelazi u vakuum za nekoliko minuta, pa je nemoguće optimizovati mlaznice motora prvih stepeni pa je potrebno odabrati kompromisno rešenje. Rezultat je gubitak efikasnosti usled neoptimalnog oblika mlaznica, gubitak koji se pretvara u manju nosivost rakete. Rešenje ovog problema je sistem 'aerospike' koji se sastoji od korišćenja nosača u obliku slova 'V' – linearni aerospike – ili konusa – toroidni aerospike – oko kojeg struji izduvnih gasova motora. Na taj način, aerospike deluje kao zid za gasove, dok atmosferski pritisak deluje kao još jedan nevidljivi zid. Kako se atmosferski pritisak smanjuje, gasovi se prirodno šire na otvorenoj strani. Rezultat je 'mlaznica' koja se automatski konfiguriše za optimalnu efikasnost na određenoj visini. U slučaju 'PangeaAerospaceovog' toroidnog aerospike motora, kompanija tvrdi da je efikasnost 15% veća od one kod tradicionalnog motora.
Toroidni aerospike motor španske startup kompanije 'Pangea Aerospace'.
Ali ako su aerospike motori tako divni, zašto ih nema u službi? Pa, iz nekoliko razloga. Jedan od njih je težina. Iako se aerospike možda čini lakšim jer nema 'punu mlaznicu', u stvarnosti je suprotno. S jedne strane preferiraju se širi i teži dizajni. S druge strane, što je duži – i stoga teži – aerospike, to je veća efikasnost. Ovom problemu treba dodati i ogromno zagrevanje koje trpi sâm aerospike, koje je obično mnogo veće nego kod tradicionalnih mlaznica. Razlog je u tome što se mlaznice hlade propuštanjem hladnog pogonskog goriva kroz cevovode koji prolaze duž njihove površine, ili pomoću ablativnih materijala. U slučaju aerospike prvo rešenje, koje je najbolje, vrlo je komplikovano za implementaciju. 'Pangea Aerospace' je izgradila svoj motor pomoću 3D printinga, što omogućava konstruisanje složene mreže rashladnih kanala unutar motora. Dodatno, motor koristi leguru bakra GRCop42, koju je razvila NASA 2019, kako bi održao temperaturu pod kontrolom. Drugi problem sa aerospikeom je povezan sa sistemom za orijentaciju motora (tzv. gimbal control na engleskom). Raketom sa fiksnom mlaznicom ne može da se upravlja u tri ose, pa je potrebno uvesti tzv. 'vernier' motore – koji smanjuju efikasnost i povećavaju težinu – ili sistem za pomeranje čitavog pogonskog postrojenja. Za aerospike motore, pogotovo one linearne, to nije trivijalno pitanje.
Španski privatni motor prilikom testiranja.
Na kraju balade, ovi nedostaci su značili da aerospike motori nikada nisu poleteli. Izrađeni su mnogi prototipovi, a najpoznatiji je 'Rocketdyneov' toroidni aerospike motor J-2T iz 60-ih (T znači 'toroidal combustion chambrer') ili XRS-2200 – linearni aerospike – iz nesretnog Nasinog projekta X-33. Međutim, nijedan nije uspeoa. Za većinu primena u astronautici, prednosti aerospikesa jednostavno ne nadmašuju sve gore pomenute probleme. No 'Pangea Aerospace' želi da razbije 'prokletstvo"'ovih vrsta motora. Rođena 2018. i sa sedištem u Barceloni, 'Pangea Aerospace' ima za cilj da primini tehnologiju aerospike na veće motore i već su dobili ugovor s Francuskom svemirskom agencijom (CNES) za tu svrhu. Prema navodima kompanije, za ovu tehnologiju zainteresovani su Evropska svemirska agencija (ESA), Centar za industrijski tehnološki razvoj Španije (CDTI) i nekoliko privatnih subjekata. U maju 2021. kompanija je prikupila tri miliona evra za svoj prvi krug ulaganja. Ovu kompaniju[2] vode inženjeri A. Argemí, X. Llairó, F. Rossi, N. Palumbo, L. Bellafont i R. Bergström.
Dvostepena metanska raketa 'MESO' u razvoju katalonske kompanije sa novim motorima. Kažu da će moći da ponese do 150 kg tereta i da bi lansiranje koštalo smešnih \(4,4 miliona.
Kasnije, 'Pangea Aerospace' sanja da će koristiti poboljšanu verziju svog aerospike motora u prvom stepenu mikrolansera nazvanog 'Meso', koja će moći da postavi 150 kg u nisku orbitu. Iako nije poznato mnogo detalja o ovoj raketi, njen prvi stepen će biti višekratan. No, neće sletati uz pomoć aktivnog pogona ili padobranom, kao drugi aktualni predlozi, već će sletati vodoravno pomoću neobičnog i originalnog sistema in-line turboventilatora. Kako bi razasnili neke nedoumice u vezi s njihovim aerospike motorom i 'Meso' lanserom, ljudi iz 'Pangea Aerospace'a su bili dovoljno ljubazni da odgovore na niz pitanja koja su im novinari postavili:
- Q: Koliki potisak ima vaš motor? Koji je Ispi odnos potiska / težine?
- A: 20 kN (oko 2 tone) potiska. Ispi odnos potisak/težina nismo javno objavili.
- Q: Kako radi kardanmotora?
- A: Ove informacije su i dalje poverljive.
- Q: Na koje ste specifične poteškoće naišli dok ste projektovaliaerospike na metan umesto na kerozin ili vodonik?
- A: Velika poteškoća je bila u tome što je to kriogeno gorivo i što za njega ima manje literature nego za kerozin. Međutim, na nivou rukovanja, mnogo je lakši od vodonika. Tečni metan je upravo i jedan od ključeva za hlađenje motora i njegovu ponovnu upotrebu. S kerozinom je mogućnost ponovnog korištenja motora značajno smanjena jer ostavlja čađ na motoru.
- Q: Koliki je odnos ekspanzije aerospikea?
- A: Odnos ekspanzije, u slučaju DemoP1, diktiran je dimenzijama printera za aditivnu proizvodnju.
- Q: Pretpostavljam da će se ova verzija napajati gorivom pod pritiskom, ali 'Meso' raketa će koristiti turbopumpe, zar ne?
- A: Tačno. Ovaj motor je testiran na P8 testnom stolu nemačke kosmičke agencije (DLR), koji pritiskom napaja komoru za sagorevanje. Radili smo to tamo jer je to u osnovi jedino mesto za testiranje u Evropi koje može da koristi metan. Nadamo se da ćemo u budućnosti moći da testiramo motore s tečnim metanom u našoj zemlji. Što se tiče turbo mašina, to je nešto što smo već počeli da razvijamo. Ne možemo javno da govoritmo o ciklusu ali, kao što vaši čitaoci dobro znaju, razvoj turbo mašina je uvek složen.
- Q: Želio bih da znam više o aerospikeovomsistemu hlađenja, što je jedna od glavnih poteškoća ovog tipa motora.
- A: Postoje određeni elementi koje smo patentirali, kao što je dvostruko regenerativno hlađenje. Drugim rečima, koristimo dve komponente kriogenog goriva za hlađenje motora, bez velikog gubitka pritiska. S druge strane, postoje dva sjajna faktora koji ga mogu rashladiti: odabrani materijali i sloboda dizajna koju dopušta aditivna proizvodnja (3D print), posebno obzirom na geometriju rashladnih kanala. I očito u našoj čorbi postoje neki tajni sastojci za hlađenje motora. U svakom slučaju, prilično smo sretni, jer je termički problem manji što je motor veći, jer ima mnogo više protoka za hlađenje i zagrevanje je sporije od povećanja protoka. Konačno, delta efikasnosti je veća što je motor veći i što je više potiska i tu se kriju naši sledeći koraci.
- Q: Takođe bih želeo da znam nešto o tome kako ste kontrolisali višak težine u odnosu na normalan motor.
- A: Višak težine je posebno važan kada postoje različite komore za izgaranje koje usmeravaju protok gasova prema centralnoj mlaznici. Naš dizajn uopšte nije takav, umesto toga imamo toroidalnu komoru za sagorevanje oko mlaznice. Na kraju, kako je grlo kod aerospikea mnogo veći nego kod zvona, a kako ovo područje ima veliku gustinu materijala, ono je nešto teže. Međutim, uticaj na težinu je skoro zanemariv.
- Q: Vidite li mogućnost korišćenja verzije ovog motora u projektu 'Themis'?
- A: Nema mogućnosti. Jedan od ciljeva 'Themis'programa je korišćenje višekratnog motora 'Prometheus'[metan]. Međutim, u prošlosti smo surađivali sa 'ArianeWorksom' i veselimo se ponovnoj saradnji u budućnosti na jačanju evropske aeronautičke industrije.
- Q: Kolika je približna težina sistema električnih ventilatora za sletanje prvog stepena 'Mesoa'?
- A: Ove informacije su poverljive.
- Q: Kakve performanse ima motor drugog stepena 'Mesoa'?
- A: I ove informacije su poverljive.
- Q: Želite li da koristite tehniku 3D printanja za raketne stepene?
- A: Trenutno nemamo službeni odgovor, iako imamo mnogo ideja i opcija.
- Q: Planirate li da koristite dodatne stepene u budućnosti?
A: Da. - Q: Koje lokacije za lansiranja razmatrate?
- A: Što se tiče lansirne baze, proučili smo različite opcije i razgovarali sa izvođačima svih projekata koji postoje ili su u izradi.
- Q Koju cenu po lansiranju procenjujete da će 'Meso' imati?
- A: Ne objavljujemo zvanično cenu lansiranja. No, možemo reći da radimo na novom poslovnom modelu u industriji. U 2022. biće novosti po ovom pitanju.
Kao što vidimo, uprkos samo tri godine od nastanka, 'Pangea Aerospace' ima vrlo ambiciozne planove. Želim vam puno uspeha i sreće na dugom i trnovitom putu do orbite.
[1] Ipak je stara, jer postoji preko sto godina, a prvi su razmišljali o njoj Sovjeti. Do danas, preko 500 letilica koristi ovu tehniku za istraživanje Zemlje i solarnog sistema. List of spacecraft with electric propulsion,
[2] Nekome je ovo možda zanimljivo. Katalonija je od XIII veka deo Španije koji ima sopstvenu vladu, parlamenti i guvernera, ali i svoju kosmičku agenciju AEC. Imaju godišnji budžet od preko \)2,5 miliona i planiraju da za 2-3 godine naprave mrežu od 6 nanosatelita vrednu preko $21 milion. Katalonija je među liderima u 5G tehnologiji i projektovanju malih satelita, sa preko 30 pridruženih kompanija. Među njima je i 'Pangea'.
, 
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
