Systemy Nośne
Rakiety nośne w służbie USA. Generacyjna zmiana warty [ANALIZA]
Ożywienie notowane po latach stagnacji w amerykańskiej branży astronautycznej, choć przypisywane głównie inicjatywom prywatnym, angażuje również wzmożoną uwagę agencji rządowych i wojskowych. Na tle rozbudzających wyobraźnię projektów superciężkich rakiet kosmicznych NASA i SpaceX łatwo jednak przeoczyć równoległe postępy w rozwoju nowej generacji użytkowych systemów nośnych. Tymczasem to tutaj, przy znacznie mniejszym rozgłosie, trwają kluczowe prace nad nowymi pojazdami strategicznego przeznaczenia, które niebawem przejmą na siebie główny ciężar realizacji narodowych misji kosmicznych USA.
Narodowy potencjał w dobie komercjalizacji
Rynek amerykański pozostaje niezmiennie jednym z pierwszych skojarzeń, jakie nasuwa się przy poszukiwaniach głównego nurtu prac rozwojowych nad technologiami rakiet kosmicznych. I choć dzieje się to pomimo notowanego w ostatnich dekadach spadku narodowego zainteresowania doskonaleniem własnych systemów nośnych i wyraźnego odstąpienia tego pola podmiotom prywatnym i zagranicznym, Stany Zjednoczone zachowały wiodący potencjał realizacji rządowych misji kosmicznych. Ich najbardziej istotny zakres, czyli starty militarnych ładunków satelitarnych i aparatury o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa narodowego, pozostawał zabezpieczony z udziałem kontynuowanej linii technologicznej i zaufanych dostawców – spółek takich, jak Boeing, Lockheed Martin czy Aerojet Rocketdyne. Efekty tego podejścia utrzymują się w ograniczonej formie do chwili obecnej, a ich symbolami są używane obecnie generacje rakiet Atlas V i Delta IV z logiem konsorcjum United Launch Alliance.
Czasy te jednak bezpowrotnie mijają, a dawna supremacja koncernów zbrojeniowych ustępuje na tym polu nowej konkurencyjnej formule obsługi. Po tym, jak firma SpaceX otrzymała w latach 2015-2016 licencje rządowe na komercyjne prowadzenie narodowych misji kosmicznych, wojskowy sprzęt satelitarny (włączając w to satelity nawigacyjne GPS) zaczął trafiać na orbitę na pokładzie rakiet Falcon 9 FT. Obok wzrostu konkurencyjności, kolejnym bodźcem do doskonalenia nowych technologii w branży okazały się czynniki polityczne i rosnąca potrzeba uniezależnienia amerykańskich lotów w kosmos od dostaw rosyjskich silników rakietowych RD-180 (bazowy element rakiet Atlas V).
Czytaj też: Najnowsza wersja rakiety SpaceX Falcon 9 z certyfikatem amerykańskich sił powietrznych
Pomimo wahań i pewnej przewlekłości organizacyjnej, władze federalne przyjęły obecnie kurs na wypracowanie w pełni niezależnych krajowych zdolności budowy rakiet kosmicznych z przeznaczeniem na cele rządowe. W takich okolicznościach zaczęto przygotowania do realizacji nowego zamówienia publicznego w ramach kontynuacji wieloletniego programu Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV). To właśnie ten realizowany od połowy lat 90. XX wieku projekt Sił Powietrznych USA doprowadził w swej inauguracyjnej odsłonie do pozyskania dwóch uniwersalnych systemów nośnych, Atlas V i Delta IV. Platformy zostały wprowadzone do służby na przełomie wieków i zachowują operacyjność po dziś dzień.
Aktualna ścieżka modernizacyjna w ramach EELV została oficjalnie otwarta w październiku 2017 roku. Ogłoszono wówczas formalny nabór propozycji ofertowych zakładających opracowanie i budowę nowej generacji rakiety nośnej na potrzeby misji z zakresu bezpieczeństwa narodowego. Ogólny zamysł EELV AD 2017 pozostał niezmieniony, zakładając oczekiwany rezultat w postaci co najmniej dwóch krajowych dedykowanych rakiet kosmicznych nowej generacji dla Sił Powietrznych USA.
W nowej odsłonie programu przyjęto, że wstępne umowy (Launch Service Agreements) na opracowanie wzorów koncepcyjnych i przygotowanie prototypów rakiet zostaną zawarte z co najmniej trzema komercyjnymi kontrahentami. Kontrakty przyjmą formę partnerstwa publiczno-prywatnego, umożliwiając współfinansowanie procesu badawczo-rozwojowego. Podpisanie umów nastąpi do połowy 2018 roku. Kolejna faza realizacji zacznie się najpóźniej w 2020 roku, gdy zostaną wybrane dwie najlepsze konstrukcje z założeniem przygotowania ich pełnoprawnego lotu kosmicznego do 2022 roku.
Na tym wstępnym etapie swój udział zapowiedziały już spółki United Launch Alliance, SpaceX i Orbital ATK. Każdy z podmiotów przystępuje do projektu z konkretną propozycją koncepcyjną rakiety nośnej.
Przed nowym rozdaniem EELV – grono zainteresowanych
Jak widać, na angaż do kolejnej edycji EELV liczą obaj dotychczasowi konkurenci realizujący wcześniej loty kosmiczne na zamówienie sił zbrojnych, ULA i SpaceX. Konsorcjum Boeinga i firmy Lockheed Martin proponuje swoją rozwijaną od dłuższego czasu konstrukcję dwustopniowej rakiety Vulcan. Prace nad maszyną rozpoczęto jeszcze przed wprowadzeniem restrykcji na użytkowanie rosyjskich jednostek napędowych w 2014 roku. We wrześniu tego samego roku konsorcjum zainicjowało współpracę z firmą Blue Origin nad wykonaniem silników BE-4, jako podstawowych składników segmentu głównego nowej rakiety. Zastrzeżono przy tym, że nie jest to opcja przesądzona, a pierwszy stopień Vulcana mogą alternatywnie zasilić jednostki napędowe AR1. Firma Aerojet Rocketdyne rozwija je głównie z myślą o zastąpieniu rosyjskich RD-180 w segmencie głównym rakiet Atlas V.
Sam Vulcan otrzymał swoją obecną nazwę dopiero w kwietniu 2015 roku. Dokładnie rok później poinformowano, że rozważane jest wprowadzenie możliwości odzyskiwania górnego stopnia nowej rakiety ULA do ponownego użytku. Ówczesny dyrektor generalny firmy, Tory Bruno zapowiedział, że kierowana przez niego spółka wdroży technologię pozwalającą na uzupełnianie paliwa z poziomu orbity i wielokrotne zastosowanie górnego stopnia. Co się tyczy terminu pierwszego planowanego startu, zapowiadany jest obecnie na połowę 2020 roku.
Czytaj też: Rakieta z górnym stopniem wielokrotnego użytku. Kolejna rewolucja?
Chociażby z tego właśnie powodu tempo realizacji prac nad EELV podyktuje raczej najpoważniejszy obecnie konkurent ULA, czyli SpaceX z rakietą Falcon Heavy, która z powodzeniem wystartowała po raz pierwszy 6 lutego 2018 roku. SpaceX dysponuje dzięki temu najcięższym obecnie systemem nośnym świata od czasu legendarnej rakiety księżycowej Saturn V.
Falcon w konfiguracji Heavy, z dwoma dodatkowymi stopniami głównymi w charakterze rakiet wspomagających, będzie w stanie wynieść niemal do 64 ton ładunku na niską orbitę okołoziemską (LEO) i do blisko 27 ton ładunku na geosynchroniczną orbitę transferową (GTO). Docelowo SpaceX planuje odzyskiwać po starcie wszystkie trzy wykorzystane segmenty główne ciężkiego systemu nośnego. Cała konfiguracja składa się w sumie z 27 silników rakietowych Merlin. Elon Musk zasugerował także, że przyszłe starty wszystkich wariantów Falcona będą też obejmować próby odzyskania drugiego stopnia rakiety.
Czytaj też: Elon Musk opublikował zdjęcia rakiety Falcon Heavy [WIDEO]
Trzecią z najpewniejszych kart w obecnym rozdaniu przetargowym EELV pozostaje firma Orbital ATK. Spółka zamierza zaoferować wojskowym organizatorom narodowych misji kosmicznych system NGL (Next Generation Launcher), czyli własną propozycję nowej trójstopniowej rakiety nośnej w klasie spełniającej zaawansowane wymagania programu EELV. Z założenia maszyna ma zatem konkurować z pojazdami Falcon i Vulcan o miano podstawowego systemu nośnego amerykańskich sił powietrznych. Rakieta będzie dostępna w dwóch różnych wariantach: podstawowym (500) i ciężkim (500XL). Obie konstrukcje tej rodziny mają korzystać z silników Castor na stały materiał pędny, wzorowanych na rakietach wspomagających wahadłowców kosmicznych. Najbliższą im znaną konfiguracją będą rakiety boczne przygotowywane przez NASA w programie SLS.
Podstawową różnicę względem programu wahadłowców ma stanowić w tym przypadku użyta technologia materiałowa. Zarówno amerykańska agencja kosmiczna, jak i Orbital ATK zakładają obecnie zastosowanie w swoich systemach nośnych kompozytowej obudowy napędu. W przeciwieństwie do stalowego kadłuba jednosegmentowych SRB promów kosmicznych, stopnie rakiet NGL uzyskają mniejszą masę własną, a ich struktura będzie pozbawiona kłopotliwych łączeń spawanych i niejednorodnych elementów konstrukcyjnych.
Rozwiązania zastosowane przez Orbital ATK zostały niedawno skutecznie przetestowane, co określono jako „ważny kamień milowy” w pracach nad rakietą NGL. Na początku listopada 2017 roku eksperymentalny korpus kompozytowy poddano próbom obciążeniowym (na granicy 110 proc. rzeczywistych sił działających na kadłub w trakcie lotu). Pozwoliło to przejść do kolejnego etapu przygotowania głównego stopnia rakiety.
W wersji podstawowej NGL 500 rolę napędu głównego obejmie dwuczęściowy segment rakietowy Castor-600. Cięższy wariant 500XL obsłuży z kolei czteroelementowy Castor-1200. Jednakowy dla obu konfiguracji będzie natomiast drugi stopień rakietowy – złożony z jednoczęściowego segmentu napędowego Castor-300. Wreszcie, trzeci człon maszyny napędzać będzie silnik kriogeniczny, najprawdopodobniej Blue Origin BE-3. W zależności od potrzeb, system NGL będzie mógł również użyć rakiet bocznych Orbital ATK GEM-63 lub GEM-63XL (Graphite Epoxy Motor). Przy kadłubie maszyny ma zmieścić się nawet do 6 egzemplarzy tych silników wspomagających.
Czytaj też: Nowa rakieta Orbital ATK wychodzi z fazy projektowej
Orbital ATK deklaruje możliwość wykonania pierwszego lotu testowego systemu NGL już w roku 2020, o ile zamysł spotka się z zainteresowaniem odbiorców rządowych. Zgodnie z założeniami programu EELV gotowość operacyjna platformy powinna zostać osiągnięta do 2022 roku.
Nie tylko zapotrzebowanie obronne
Programy rozwoju systemów nośnych dla sił zbrojnych to wciąż zaledwie wycinek całości narodowych priorytetów kosmicznych USA. Najwięcej w kwestii pozostałych przypadków ma do powiedzenia NASA, która dba o zabezpieczenie realizacji rządowych potrzeb w sektorze cywilnym. Wskazywane ostatnio w tym zakresie cele eksploracyjne i naukowo-badawcze (z dużym naciskiem na te pierwsze) to również domena zapotrzebowania na systemy nośne, ze szczególnym uwzględnieniem misji załogowych. NASA w tym zakresie również komercjalizuje znaczną część swoich projektów, czego przykładem może być przede wszystkim zakres rozwoju nowych pojazdów obsługujących dostawy i ekspedycje na Międzynarodową Stację Kosmiczną oraz planowanych wypraw na Księżyc i Marsa (z aktywnym udziałem firm SpaceX, Boeinga i Lockheed Martin pod potrzeby wystrzeliwania kapsuł Dragon, CST-100 Starliner oraz Orion).
W przedmiocie dalekiej eksploracji kosmosu wiodącym programem rakietowym NASA pozostaje Space Launch System (SLS) i jego ciężka rakieta nośna w kilku planowanych konfiguracjach. Opracowywana głównie z myślą o wznowieniu amerykańskiego programu wypraw załogowych stawiana jest w roli kamienia milowego porównywalnego w swym rozmachu i nakładach z programami Apollo oraz wahadłowców kosmicznych STS.
Nowa rakieta NASA pozostaje w budowie od października 2015 roku i znajduje się obecnie na zaawansowanym etapie rozwoju. Wiadomo przy tym, że program mierzy się z dość znacznymi opóźnieniami. W efekcie debiut pojazdu, zapowiadany jeszcze do niedawna na grudzień 2019 roku, został ostatnio oficjalnie przesunięty na połowę 2020 roku. Niemniej jednak przed końcem 2016 roku z powodzeniem ukończono budowę masywnego zbiornika na materiał pędny o długości 39,6 metra. W gotowości pozostają również cztery główne silniki Aerojet Rocketdyne RS-25 oraz dwie rakiety boczne (całość zapożyczona z promów kosmicznych). Rakiety wspomagające na paliwo stałe, stworzone na tej bazie przez NASA i Orbital ATK, również przeszły już niezbędne testy.
Czytaj też: Space Launch System - ogromna rakieta, która umożliwi lot na Marsa
Udziałem w programie eksploracyjnym USA żywo zainteresowany jest również Elon Musk, który wyznaczył firmie SpaceX ambitny cel stworzenia superciężkiego systemu nośnego BFR. Zaprezentowany we wrześniu 2016 roku jako klucz do realizacji pierwszej załogowej wyprawy marsjańskiej jeszcze przed końcem 2024 roku, ma z założenia zdeklasować na tym polu rakietę SLS. Musk traktuje przy tym NASA nie tyle jako rywala w wyścigu eksploracyjnym, lecz potencjalnego rządowego kooperanta, które będzie w stanie zagwarantować fundament organizacyjno-finansowy pod realizację tak szerokiego planu.
Realne prace konstrukcyjne mają się rozpocząć w projekcie Muska mniej więcej w połowie 2018 roku. Głównym ich punktem będzie skonstruowanie ogromnej, długiej na 106 m rakiety wyposażonej w 31 nowych silników SpaceX Raptor. Materiałem pędnym wykorzystywanym przez segment główny BFR będzie mieszanka ciekłego tlenu i metanu. Pomimo swoich rozmiarów, pierwszy stopień rakiety ma być możliwy do odzyskania. Podobnie będzie z drugim segmentem systemu nośnego, zdolnego do zabrania na niską orbitę okołoziemską do 150 ton ładunku. To dwa razy więcej niż udźwig Falcona Heavy oraz sześć razy więcej w przypadku Falcona 9. Statek ma być w stanie pomieścić i przetransportować na Marsa załogę liczącą nawet do 100 osób.
Czytaj też: Nowy plan Muska na podbój Marsa. Już w 2024 roku [ANALIZA]
Perspektywy wykonalności i możliwe scenariusze
O ile w przedmiocie programu SLS postępy trwają i są wyraźnie widoczne, o tyle w przypadku BFR SpaceX nie sposób wskazać materialnego potwierdzenia wykonalności przedstawionych ambitnych założeń. Licząc się natomiast ze skalą wyzwań i nakładem żmudnych prac, jakie są konieczne do spełnienia samych wymogów technicznych, trudno oczekiwać dopełnienia bardzo krótkich terminów planowanych startów. Najbliższy rok zapewne dostarczy w tym przedmiocie kluczowych wieści i informacji, które pozwolą z dużo większą precyzją określić wiarygodność projektu. W dalszym ciągu jednak nazbyt zawężony horyzont czasowy będzie skutecznie odstręczał instytucje rządowe oraz inwestorów od angażowania się w tak ryzykowne i kosztowne przedsięwzięcie. Zwłaszcza w obliczu jednoczesnego zaangażowania zasobów SpaceX na kilku równoległych polach aktywności astronautycznej (dostawy na ISS i prace nad kapsułą Dragon, obsługa zamówień obronnych USA).
Zgoła inaczej przedstawia się sytuacja SpaceX w programie EELV. Po przełomowym (zarówno pod względem technologicznym, jak i marketingowym) debiucie rakiety Falcon Heavy firma Muska dysponuje jako pierwszy kandydat w pełni gotowym rozwiązaniem ciężkiego systemu nośnego. Wyniki dotychczasowych testów pozwalają sądzić, że kalifornijska spółka stała się właśnie jedynym uczestnikiem EELV dysponującym gotowością operacyjną do rozpoczęcia drugiej fazy nowego zamówienia, docelowo rozplanowanego dopiero na 2020 rok. Przy uwzględnieniu dobrze rozpoznanych i potwierdzonych osiągów rakiet rodziny Falcon, pozyskanie tego zamówienia wydaje się więcej niż prawdopodobne.
W kwestii rywalizacji o drugie oczekiwane zamówienie EELV najdłuższą historią prac i wyższym stopniem zaawansowania legitymuje się obecnie system Vulcan. Pozytywną atmosferę wokół projektu ULA stworzyły w ostatnim czasie doniesienia o obiecujących wynikach doświadczeń z silnikami Blue Origin BE-4. Ich dwa egzemplarze będą składnikami głównego segmentu wspomnianej rakiety. Wciąż jeszcze niepotwierdzone finalne osiągi i czas dostawy gotowych silników będą stanowiły w najbliższej przyszłości kluczowy punkt weryfikacji konkurencyjności Vulcana. W przypadku wyższej konieczności opcją pozostaje w dalszym ciągu wyposażenie rakiety w rozwijane przez Aerojet Rocketdyne silniki AR1.
W nawiązaniu do powyższego relatywnie skromniej wypada oferta firmy Orbital ATK, która wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju. Niemniej jednak, przy założeniu braku kolejnych konkurentów o jedno z trzech dostępnych zamówień w pierwszej fazie nowego EELV, firma może liczyć co najmniej na możliwość rozwoju swojej koncepcji przy współpracy z rządem USA w pierwszej fazie programu. Stanowi to obiecującą zapowiedź w kwestii włączenia do oferty Orbital ATK nowej zaawansowanej rakiety kosmicznej.
Czytaj też: Orbital ATK dostarczy rakiety wspomagające dla rakiet Atlas V i Vulcan