Krajem prošlog stoleća NASA je počela da razvija letilicu koja je, da je bilo više para i lobiranja, mogla da revolucionira pristup orbiti. Reč je, naravno, o X-33, projektu koji je većina – ali ne i ja – praktički zaboravila, a koji je ipak postao pravi mit u istoriji astronautike. Za mnoge je X-33 bio velika propuštena prilika, poslednji ozbiljan pokušaj stvaranja jeftinog, višekratnog lansirnog sistema koji je mogao da unese revoluciju u pristup kosmosu.
Bespilotni 'Lockheed Martinov' tehnološki demonstrator X-33 imao je skoro 130 tona.
Bile su to 90-e i NASA je bila u procesu restrukturiranja. Ispostavilo se da je spejs šatl bio komercijalni neuspeh, pa je agencija nastavila da traži lansirni sistem koji bi mogao da smanji cenu pristupa u niskoj orbiti. Direktor Nase Dan Goldin nametnuo je svoju politiku bolje, brže, jeftinije prema kojoj je programima niske cene sa ograničenim trajanjem davan prioritet u odnosu na složene projekte koji su odavno probili budžet agencije bez postizanja vidljivih rezultata. Godine 1995. NASA je stvorila RLV (Reusable Launch Vehicle) program za razvoj višekratnih lansirnih sistema koji bi mogli da urade ono što šatlovi nisu uspeli. Nadali su se da bi se, uz pomoć najnaprednijih tehnologija, konačno mogao ostvariti san o letilici za višekratnu upotrebu.
No NASA nije želela da ponovi greške iz prošlosti i odlučila je da najpre razvije dve eksperimentalne letilice koje bi omogućile sazrevanje povezanih tehnologija i testiranje njihove održivosti. Prvi projekat koji je odobren u okviru programa RLV bio je X-34, demonstrator šatla bez posade koji je morao da poleti sa konvencionalnog aviona i postavi do 450 kg korisnog tereta u nisku orbitu. X-34 je bio TSTO (Two Stage To Orbit) sistem, odnosno bio je sastavljen od dva stepena – aviona i samog X-34 – u potpunosti za višekratnu upotrebu. TSTO sistemi su se oduvek smatrali jednom od najperspektivnijih metoda pristupa kosmosu (isto su smatrali i Sovjeti). Ali pravi sveti gral astronautike bili su SSTO (Single Stage To Orbit) sistemi, lanseri sposobni da dosegnu kosmos sa samo jednim stepenom. Višekratni SSTO sistem je oduvek je bio deo vlažnih snova svakog aeronautičkog inženjera. Kako bi stvorila takav sistem, NASA je pokrenula program X-33. Cilj je bio smanjiti cenu pristupa kosmosu za ni više ni ništa manje nego za makar 10 puta.
'VentureStar', operativna verzija SSTO X-33 'Lockheed Martina'
U potrazi za SSTO himerom
Jednačina Ciolkovskog nam govori da raketa može da dramatično poveća svoju nosivost ako je sastavljena od nekoliko stepeni ili faza koji se odbacuju kako se raketa penje ka orbiti. Decenijama se SSTO sistem smatrao jednostavno fantazijom zbog ograničenja konstrukcijskih tehnika i pogonskih sklopova. Konvencionalna SSTO raketa sa normalnom nosivošću bila bi čudovište teško hiljade i hiljade tona pri lansiranju. Stoga, da bi smo takvu raketu učinili mogućim, trebali bi smo da razvijemo nove, efikasnije metode propulzije i napredne tehnike konstrukcije koje olakšavaju strukturu rakete. To je već samo po sebi bilo komplikovano, ali ako smo želeli, poput Nase, da sistem bude ponovno upotrebljiv (reusable), tehnološki izazovi sa kojima smo se suočili jednostavno su bili zastrašujući.
Predlog X-33 'McDonnell Daglasa'
Zato X-33 nije bio operativna kosmička letilica, već suborbitni prototip za demonstraciju tehnologija povezanih sa SSTO sistemima. Tri kompanije su izrazile interes za X-33. 'McDonnell Douglas' je predložio kosmičku letilicu koja je u osnovi bila višekratna raketa s vertikalnim lansiranjem koja je sposobna i da vertikalo sleti (VTOL) nakon što odnese svoj teret u orbitu i vrati se na Zemlju. Letilica bi se temeljila na poznatom demonstratoru 'Delta Clipper' za vertikalno sletanje koji je do tada bio na mnogim naslovnim stranama[1]. Druga kompanija koja se kandidovala bio je 'Rockwell', koji se pojavio sa dizajnom koji se bazirao na dizajnu spejs šatla – koji je proizvodila ova kompanija. 'Rockwell' je predložio raketu s krilima koja bi uzletela vertikalno i sletela na konvencionalnu pistu kao jedrilica. Sletanje slično onome kod šatla omogućilo bi smanjenje količine goriva koju bi letilica nosila, ali je zauzvrat morao da nosi mrtvu težinu krila u orbitu.
'Rockwellov' predlog šatla X-33 uključivao je motore starih šatlova. Na slici je predlog sa šest 'Rocketdynovih' motora RS-2100.
Ali najrevolucionarniji predlog je bio onaj 'Lockheed Martina'. Kako bi postigao kompromis između 'McDonnell Douglasovog' tradicionalnog oblika rakete i 'Rockwellovog' šatl dizajna, 'Lockheed Martin' je išao po sredini. Njihov X-33 bi bio oblikovan kao 'noseći korpus' (lifting_body) sa vrlo malim krilima. Tu se radilo o trupu samog broda koji bi generisao potreban uzgon koja bi omogućio letilici da jedri. Na taj način bi bila izostavljena dosadna krila, iako su se u zamenu rezervoari goriva sada morali prilagoditi složenom obliku broda. Kao što ćemo videti, ovaj zahtev je bio jedan od nedostataka koji su na kraju osudili čitav program.
Predlozi za X-33: 'Lockheed Martin', 'Rokwell' i 'McDonnell Douglas'.
No, pored drugačijeg oblika broda, 'Lockheed Martin' je odlučio da ugradi novi pogonski sistem. Umesto korištenja konvencionalnih motora sa mlaznicama, njihov X-33 bi imao motor tipa aerospike, o kojem sam nedavno pisao. Ovaj tip motora omogućuje rešavanje još jednog od tipičnih problema SSTO sistema, a to je ništa drugo nego efikasnost na različitim visinama. A reč je o tome da raketni motori moraju biti optimizovani za visinu na kojoj rade kako bi se iz njih izvukao maksimum. U većini slučajeva to obično nije problem, jer se motori nalaze na stepenima koje rade samo tokom određenog raspona atmosferskog pritiska. Međutim, u SSTO sistemu motori moraju da rade od nivoa mora do vakuuma u niskoj orbiti. Jedno rešenje je sagnuti glavu i svejedno nastaviti, birajući motor s određenim dizajnom mlaznice, čak i znajući da će biti neefikasan u većini faza lansiranja. Drugo je odabir sistema koji održava svoju efikasnost gotovo bez obzira na visinu, kao što je slučaj sa aerospikeom.
Aerospike je u osnovi 'naopaka' mlaznica formirana od dve suprotne rampe, na način da se izduvni gasovi motora ne šire ili preterano komprimuju, čime se održava maksimalna efikasnost – koja se kod motora meri specifičnim impulsom (Isp) – na bilo kojoj visini. Koncept aerospike je vrlo star, ali njegova upotreba u operativnom sistemu nikada ranije nije predlagana. Kao pogonsko gorivo, 'Lockheed' je odlučio da koristi, poput 'Rockwella' i 'McDonnell Douglasa', tečni kiseonik i vodonik. Ova kriogena goriva su najefikasnija – pružaju najveći Isp – a takođe su netoksična, ali nositi se s tečnim vodonikom nije lako. Ovaj element je najlakši i zauzima ogromnu zapreminu, značajno povećavajući veličinu tankova. Takođe ima ružnu naviku da se šulja se kroz cevi i razjeda metale s kojima dolazi u dodir. Ali ovo je cena koju treba platiti za postizanje SSTO nirvane.
X-33-ov eksperimentalni aerospike motor XRS-2200 za vreme testiranja u Stennisovom kosmičkom centru. Dužina motora je bila 2,01 metar.
U julu 1996. NASA je proglasila pobednika programa X-33 na javnoj ceremoniji koju je predstavio potpredsednik Al Gore. 'Lockheed Martinov' tajanstveni odsek[2] 'Skunk Works'[3], poznat po dizajnu vojnih aviona, dobio je ugovor. Sam Dan Goldin je izjavio da je od tri predloga 'Lockheed Martinov' najambiciozniji i onaj s najvećim tehničkim izazovima.
X-33, od mita do stvarnosti 'VentureStara'
X-33 je bio prototip, ali NASA i sam 'Lockheed Martin' su želeli da posluži kao osnova za stvaranje operativne kosmičke letelice. Ovaj raketoplan, takođe bez posade, od početka je nosio ime 'VentureStar' – da, spojeno kao jedna reč. Isprva se spekulisalo da bi X-33 trebao da bude 53% konačne veličine 'VentureStara', da bi to bio 'pravi' SSTO sistem. Nažalost, 'VentureStar' bi imao vrlo malu nosivost na niskoj orbiti, između 5 i 20 tona. Ova poslednja broka je uvedena jednostavno zato što je to bio efektivni kapacitet šatla i stoga je to bio implicitni zahtev za svaku letilicu koja bi pokušala da ga zameni, ali istina je da niko u 'Lockheedu' nije mislio da je moguće postići toliki broj, ni blizu. I to loša stvar kod SSTO sistema, bez obzira koliko je napredan – njegova ograničena nosivost. Samo mogućnost ponovne upotrebe može da ga učini komercijalno zanimljivim.
Redom: X-33, 'VentureStar' i spejs šatl. Kad pomislim na trilione koje je Amerika skrckala na ovakve znane i neznane projekte koji nikada nisu videli lansirnu rampu smuči mi se...
Komparacija 'VentureStara' i X-33.
X-33 nikada nije bio konstruisan za putovanje u svemir, ali je morao da bude sposoban da postigne brzinu od 13,8 maha (oko 17.000 km/h) i visinu od oko 75 kilometara. Dizajn nosećeg korpusa X-33 imao je korene u 'Lockheedovom' predlogu šatla 'Star Clipper' iz 60-ih, ali je bio mnogo složeniji od svog prethodnika. Za postizanje SSTO sistema, 'Lockheed' je znao da noseći oblik korpusa i aerospike neće biti dovoljni, pa je odlučio da dramatično olakša strukturu letilicu korišćenjem kompozitnih materijala (grafitnih epoksidnih smola). To je već samo po sebi bila novost, ali iznenađenje je bilo veliko kada je kompanija objavila nameru da proizvede dva vodična tanka od ovog materijala. Kao što sam već rekao, korišćenje vodonika prisiljava konstruktore da planiraju ogromnih tankove koji logično doprinose povećanju težine broda. Kompozitni materijali nam omogućuju smanjenje težine ovih tankova, ali u isto vreme uvode niz poteškoća, počevši od sklonosti ovih materijala da postanu lomljivi na vrlo niskim temperaturama. A ako tečni vodonik nešto karakteriše, onda je to hladnoća (-253º C). Zapravo, mnogi inženjeri programa bili su skeptični prema ovoj odluci, koja je zakomplikovala ionako neverovatno ambiciozan program. Vreme je na kraju pokazalo da su bili u pravu.
'Lockheedov' 'Star Clipper' iz 60-ih. Projektovao ga je Maxwell Hunter (1922-2001) sa MIT-a, koji je za vreme rata pravio bombardere a kasnije balističke rakete
Ali to nije bilo sve. Složen oblik nosećeg korpusa zahtevao je tankove za vodonik i kiseonik – izrađene od tradicionalne litijum-aluminijumske legure – da imaju zamršen dizajn sastavljen od nekoliko segmenata povezanih zajedno, što je dodatno otežalo proces izgradnje. Zbog ovog zahteva, tankovi vodonika ubrzo su premašili očekivanu težinu, jer su spojevi segmenata morali da budu ojačani iznad onoga što je prvobitno planirano.
Unutrašnja konstrukcija X-33. Dužina – 20 m; težina – 130.000 kg.
Jedan od metalnih vodoničnih rezervoara za X-33.
Rezervoar tečnog kiseonika.
A kao da to nije dovoljno, X-33 je trebao da ima novi sistem temperaturne zaštite prilikom ponovnog ulaska u atmosferu (TPS) sastavljen od 1241 metalnih ploča. One bi se mogle ponovno da se koriste i zahtevale bi vrlo malo održavanja nakon svakog leta u poređenju s keramičkim pločicama na šatlovima. Naravno, na nosu i napadnim ivicama koristile bi se karbonsko-karbonske ploče, dok bi se na gornjem delu trupa koristili termo-sendviči, kao kod šatlova. Sistem za kontrolu orijentacije (RCS) takođe je bio nov i treblo je da koristi metan i tečni kiseonik umesto tradicionalnih, toksičnih hipergoličnih pogonskih goriva. Idejni projekat X-33 završen je u decembru 1996, a konačni projekat u oktobru 1997. godine.
TPS sistem X-33.
Ploče TPS sistema.
TPS sistem X-33.
Prema konačnom projektu, X-33 je bio aparat dugačak 20,7 metara, visok 9,37 metara i širok 23,1 metar. Imao je težinu pri lansiranju od 131 tonu (34 tone bez goriva), a nosio je 13,6 tona tečnog vodonika i 81,7 tona tečnog kiseonika. Pogonski sistem se sastojao od aerospike motora XRS-2200 sa potiskom od 181 tonom na nivou mora (226 tona u vakuumu). Izgradio ga je 'Rocketdyne' i zapravo se sastojao od dva modifikovana motora J-2S koji su izbacivali svoje gasove kroz deset ćelija za sagorevanje – pet po svakoj rampi aerospikea. Specifični impuls na nivou mora je iznosio 340,3 sekunde, dok je u vakuumu dosezo 429,3 sekunde. Stajni trap bio je verzija trapa lovca F-15E.
Dimenzije X-33.
Aerospike motor X-33.
Karakteristike 'Rockwell' X-33.
Lansirni centar je dobilo naziv FOC (Flight Operations Center). Izgradnja je započeta u bazi Edwards u novembru 1997. i dovršena je u decembru 1998. X-33 je mogao da se lansira uz visok stepen automatizacije, sistem koji je 'VentureStar' trebao da nasledi. U februaru 1998. dovršen je tank s kiseonikom, a u avgustu je počelo testiranje prototipa aerospikea uz pomoć aviona SR-71. Iste godine, neke TPS ploče su testirane u nadzvučnom letu na F-15B. U februaru 1999. sastavljeni su problematični tankovi vodonika, no u novembru su se tokom jednog od testova pojavile brojne pukotine u jednom od rezervoara koji je bio napunjen tečnim vodonikom. Ponovno su se čuli kritički glasovi protiv kompozitnih tankova, a u decembru je donešena odluka da se koriste metalni litijum-aluminijski tankovi, ali ne pre nego što je izgljeno dragoceno vreme za razvoj i potrošeni milioni dolara na izgradnju ovih kompozitnih rezervoara.
Avion SR-71 sa LASRE prototipom linearnog aerospike motora. Avion je izveo 7 letova
FOC, lansirni centar X-33 u vojnoj bazi Edwards.
Dodavanje metalnih rezervoara vodonika ponovo je povećalo težinu X-33, koji je stalno dobijao na težini. Već tada su mnogi verovali da bez kompozitnih tankova 'VentureStar' nikada neće stići u orbitu (ili će to učiniti sa smešnim teretom), ali je taj problem bilo bolje ostaviti za docnije. Do septembra 2000. 95% komponenti X-33 bilo je gotovo, a montaža prvog prototipa bila je 75% završena. U decembru su u Stennisu započeti testovi paljenja aerospikea, iako je do tada odlučeno da se materijali rampi motora zamene sa težim, te je masa motora već tada bila mnogo veća od prvobitno planirane. Mali X-33 je postajao sve deblji.
U okviru programa planirano je petnaest suborbitnih letova. Prva tri su služila za demonstraciju osnovnih karakteristika sistema, a sledeća tri su trebala da pokažu sposobnost X-33 da izvede dva lansiranja u manje od nedelju dana. Sedmi je lovio aerodinamička ograničenja letilice. U tim letovima, X-33 je uzletao iz Edwardsa i sletao u bazu Michael Army Airfield u Dugwayu u Juti, postižući brzinu od 11 maha, maksimalnu visinu od 50 kilometara nakon putovanja od 724 kilometra. Posljednjih osam probnih letova sletelo je u vazduhoplovnu bazu Malmstrom u Montani, a na njima je X-33 dosegao 13,8 maha i visinu od 76 kilometara. Propulzivna faza aerospikea trajala bi oko tri minuta tokom svakog testiranja.
Profil suborbitnih probnih letova X-33.
No predstava nije trajala dugo. Iako je 'Lockheed Martin' lobirao da NASA nastavi da financira X-33, prekoračenje troškova i brojne tehničke poteškoće doveli su do odbijanja kosmičke agencije koja se promenila od 1996. kada je program odobren. U martu 2001. X-33 je službeno otkazan, a da nije uspeo da uzleti sa rampe.
Uprkos otkazivanju, 'Lockheed Martin' je nastavio da promoviše svoj 'VentureStar' u nadi da će Air Force finansirati program. Do tada je dizajn 'VentureStara' znatno odstupio od X-33 zbog problema sa kojima se susreo tokom razvoja ovog prototipa. Neki inženjeri uključeni u program su isticali da je konačni dizajn više nalikovao 'McDonnellovom' 'Delta Clipperu' DC-X nego originalnom X-33. Odnosno, to bi postala raketa za okomito poletanje i sletanje, a ne noseći korpus.
Uzletanje X-33. Danas vidimo koliko smo zapravo daleko od razvoja novih ideja.
Da li je X-33 mogao da promeni tok istorije? Uprkos mitskoj auri koja danas okružuje projekat, X-33 je imao previše tehničkih problema da bi se iz njega ispilio višekratno upotrebljiv i isplativ sistem u kratkom roku. X-33 se igrao sa previše radikalno novih tehnologija u isto vreme, više nego što je mogao da hendluje. Ovome moramo dodati malu nosivost koju bi 'VentureStar' imao kao standard, što bi uveliko ograničilo njegovu efikasnost pri lansiranju u geostacionarnu orbitu. A ne zaboravimo da je posao uglavnom trebao da bude postavljanje ovakve vrste satelita.
Međutim, zahvaljujući X-33 dat je novi impuls novim aeronautičkim tehnologijama, kao što su metalni TPS ili aerospike. Nažalost, sva dostignuća na ovom polju brzo su zaboravljena i čini se da niko nema interesa da ih vaskrsava[4]. Sasvim je moguće da bi, uz pravo financiranje i političku podršku, X-33 i 'VentureStar'ugledali svetlo dana. U tom slučaju bi svakako bili revolucionarni kao što su obećali. Naposletku, spejs šatlovi su takođe pojeftinili pristup niskoj orbiti i nikada nisu u potpunosti uspeli. Kako god bilo, X-33 ostaje istinski spomenik tom mitu o astronautici u kojoj primat imaju SSTO sistemi. Možda ćemo ga jednog dana konačno dostići.
Reference:
- http://er.jsc.nasa.gov/seh/EDC_TPS.pdf
- http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110016255.pdf
- http://netspublic.grc.nasa.gov/main/HQ-0028-MSFC-EIS-X-33-Vol1.pdf
- http://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88573main_H-2221.pdf
- http://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88638main_H-2333.pdf
- http://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88644main_H-2345.pdf
- http://www.gpo.gov/fdsys/pkg/GAOREPORTS-GAO-01-1041R/pdf/GAOREPORTS-GAO-01-1041R.pdf
[1] Odlična ideja, ali čak i na Wiki piše da je to u suštini vojni projekat čijeg se testiranja prihvatila NASA. Za 3 godine, od 1993-96, izvršeno je 12 lansiranja, od čega 8 uspešno. Vojska je zahtevala 'suborbitnu višekratnu letilicu koja bi mogla da na visinu od 450 km ponese do 1,3 tone i da posle svega meko sleti na aerodrom; i da ponovo uzleti za 3-7 dana.'
[2] Najtajnije telo korporacije 'Lockheed Martin' službeno se naziva 'Advanced Development Programs' (ADP). Naravno, ADP je mnogo poznatiji kao 'Skunk Works'.
[3] O njima sam pisao prošle godine. U predgovoru sam rekao ovo: 'U Americi već 70 godina radi grupa sačinjena od visokih stručnjaka, o kojoj dugo ništa nisu znali ni neki od najviših zvaničnika zemlje. Sve što je bilo vezano za vojno vazduhoplovstvo a bilo je iole tajno, bilo je njihovih ruku delo. Imali su milione na raspolaganju i prinadležnosti kao retko ko u državi. Tek 2013. CIA je javno priznala da je 'Zona 51' u Nevadi, koja je decenijama vezivana za pojavu UFO, zapravo njihova tajna baza. Njihovo ime je 'Skunk Works' a logo simpatični tvor iz stripova. Danas imaju oko 3700 zaposlenih u Kaliforniji, Džoržiji i Teksasu. Rade na preko 500 projekata, od materijala za upijanje radarskih zraka pa do fuzionih reaktora za špijunske avione koji lete brže od 6 Mahova.'
[4] Bar donedavno, jer je privatnik iz Kalifornije, potpomognut vojskom, napravio 3D štampačem aerospike, o čemu sam pisao prošle nedelje.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
