Czy Europa będzie miała własnego Starshipa?

W 2023 r. Starship przyciągnął prawdopodobnie najwięcej uwagi pasjonatów nowych technologii oraz kosmosu. Docelowo ta największa rakieta na świecie ma być w stanie wynieść na LEO ponad 100 t ładunku. Sukces u jednego może oznaczać poczucie konkurencji u drugiego. Tak stało się prawdopodobnie w przypadku Europy, która zdecydowała o rozpoczęciu programu PROTEIN (euroPean Reusable and cOsT Effective heavy lIft transport investigatioN).

Zadanie zostało przydzielone dwóm firmom, specjalizującym się w technologii rakietowej - francuskiej ArianeGroup oraz niemieckiej Rocket Factory Augsburg. Z obu raportów wynika, że opracowanie w ciągu dekady systemu nośnego, zdolnego do wyniesienia 100 t na LEO byłoby możliwe, natomiast wymagałoby mobilizacji oraz sprawnej koordynacji prac. Problem stanowiłaby również odpowiednia infrastruktura, finansowanie lub kwestie prawne.

Propozycja ArianeGroup

Francuski koncern przedstawił dwie propozycje, z których jedna byłaby przystosowana do dostarczania dużych ładunków w zależności od rodzaju orbity (np. orbita synchroniczna ze Słońcem; SSO). Pierwsza z nich - Reusable Launch Vehicle (RLV), lub inaczej Sister Ship - byłaby dwustopniową rakieta wielokrotnego użytku o wysokości 130-135 m i średnicy 9 m.

ArianeGroup wykorzystałaby silniki zasilane mieszanką ciekłego biometanu i ciekłego tlenu, do opracowania których pomogłoby doświadczenie z prac nad europejskimi jednostkami Prometheus. Górny segment opierałby się na koncepcji stopnia Smart Upper Stage for Innovative Exploration (SUSIE), będącego w stanie wykonywać szereg manewrów orbitalnych, w tym „inspekcję lub modernizację satelitów i innych ładunków, a także zaopatrywania stacji kosmicznych w paliwo, żywność i sprzęt”.

Segmenty rakiety mogłyby być wykorzystywane do 50 razy, odbywając 100 lotów rocznie. Misje byłyby przeprowadzane z 3 lub 4 platform startowych.

Według ArianeGroup, taka konfiguracja, chociaż zdolna do wyniesienia 100 t ładunku na niską orbitę okołoziemską (450 km; inklinacja 6°), miałaby ograniczone zdolności w przypadku misji na orbitę SSO lub GTO. Do tego celu zostałaby opracowana dwustopniowa rakieta Semi-Reusable Launch Vehicle (SRLV), lub inaczej Flag Ship.

System nośny byłby mniejszy niż Sister Ship - wysokość około 100 m i średnica 8,5 m. W segmentach rakiety znalazłyby się jednostki napędowe oparte na silnikach Prometheus. Znacząca różnica byłaby jednak w paliwie rakietowym. O ile w pierwszym stopniu planuje się wykorzystanie mieszanki ciekłego biometanu i ciekłego tlenu, o tyle w drugim byłby to ciekły wodór i ciekły tlen - paliwo znacznie lżejsze i wydajniejsze, ale droższe. W tej wersji ArianeGroup proponuje również rezygnację ze stopnia bazującego na SUSIE.

Przygotowany raport ArianeGroup nie jest szczegółowym opisem technicznym rakiety. Można jednak wysunąć kilka argumentów za, z których najważniejszy wydaje się fakt wykorzystania doświadczenia i technologii, nad którą już teraz trwają zaawansowane prace, czego przykładem jest wspomniany SUSIE.

Warto również zwrócić uwagę na wyzwania, do których z całą pewnością można zaliczyć osiągnięcie zdolności ponownego użycia rakiety na poziomie 50 startów. W raporcie ArianeGroup sugeruje wykorzystanie silnika, który „czerpie z Prometheus” tzw. know-how, co nie oznacza jednak powielenia go.

Być może wymagałoby to opracowania silnika z cyklem etapowego spalania z pełnym przepływem (silnik Raptor w Starship/Supper Heavy) - znacznie bardziej skomplikowany, ale wydajniejszy niż jednostki wykorzystujące cykl z generatorem gazu tak, jak Prometheus. Problemem mogą być również rosnące koszty i opóźnienia, czego Europa doświadczyła już w przypadku rakiety Ariane 6.

Propozycja Rocket Factory Augsburg

Niemiecka firma również zaproponowała budowę rakiet dwu- (TSTO) i trzystopniowych (3STO), które nie różniłyby się między sobą tak, jak Flag Ship i Sister Ship od ArianeGroup. W przypadku tej drugiej ostatni segment posłużyłby jako pojazd do umieszczania ładunku na konkretnej orbicie.

Główna zmiana nastąpiłaby oczywiście w wysokości systemów - 130 m w przypadku wersji z dwoma segmentami i 140 m w kolejnej. Średnica 7 m pozostałaby natomiast taka sama.

Proponowane przez niemiecką firmę systemy nośne miałyby również inny udźwig w zależności od sposobu lądowania. O ile koncepcja francuska zakłada brak zdolności lądowania RLV Sister Ship na barce oceanicznej z uwagi na zbyt dużą masę segmentów, Rocket Factory Augsburg proponuje taką możliwość.

Ponadto tylko taka metoda lądowania pozwoliłaby wynieść ponad 100 t ładunku na niską orbitę okołoziemską. W przypadku powrotu stopni na platformę startową przewiduje się 70 t przy użyciu rakiety dwustopniowej i 90 t w wersji z trzema segmentami. Wahania dotyczą również cen - od 200 do 360 EUR/kg.

Koncepcja niemiecka zakłada również wykorzystanie innych rodzajów silników, natomiast uzyskujemy tutaj więcej informacji. W pierwszym segmencie znalazłoby się 30 jednostek niebazujących, ale będących silnikami Prometheus zasilanymi mieszanką ciekłego metanu i ciekłego tlenu. RFA zwróciło uwagę, że lepszym rozwiązaniem byłoby wykorzystanie wydajniejszej jednostki z cyklem etapowego spalania, natomiast zaawansowany poziom projektu Prometheus sprawia, że będzie najlepszą opcją.

W drugim stopniu znajdzie się natomiast 7 silników, z których 6 byłoby przystosowane do działania w próżni kosmicznej. RFA planuje wykorzystać pojedynczą jednostkę w procesie hamowania i lądowania na Ziemi. W przypadku górnego stopnia znamy jedynie oczekiwane szczegóły techniczne - paliwo ciekły wodór i ciekły tlen oraz cykl etapowego spalania.

Teoretycznie ostatni wymóg posiada jednostka Helix opracowana przez niemiecką firmę, natomiast wykorzystuje ona mieszankę RP-1 i ciekły tlen. RFA analizowało również scenariusz opracowania nowej wersji tego silnika na paliwo ciekły wodór i ciekły tlen.

Tak, jak poprzednia propozycja TSTO i 3STO mają swoje zalety, do których można zaliczyć zapowiadane przez niemiecką firmę niskie koszty, możliwość lądowania na barce oceanicznej lub wykorzystanie silnika, nad którym prace już trwają.

Wyzwania są jednak zbliżone do koncepcji ArianeGroup - w rzeczywistości rakiety mogłyby wymagać znacznie większych nakładów finansowych, które wiązałyby się również z otworzeniem nowych centrów operacyjnych i produkcyjnych. Niezbędne byłoby również opracowanie nowego silnika do górnego stopnia.

Czy potrzebujemy "europejskiego Starshipa"?

To pytanie wydaje się kluczowe w całym procesie decyzyjnym. Propozycje ArianeGroup i Rocket Factory Augsburg przedstawiają wizję potężnych rakiet, które w idealnym świecie stanowiłyby konkurencję dla systemu Starship/Super Heavy od SpaceX. Czy w rzeczywistości byłoby tak samo? Być może za 10 lat firma Elona Muska zdominuje globalny rynek kosmiczny, a wszelkie próby konkurowania okażą się z góry bezcelowe.

W innym scenariuszu „europejski Starship” mógłby jeszcze bardziej obniżyć cenę wysłania ładunku w kosmos, czyniąc go osiągalnym dla większości podmiotów. Czy Europa mogłaby zatem odpuścić rywalizację ze SpaceX? Pytanie postawione w nagłówku wydaje się kluczowe, a temat powinien zostać poddany dyskusji, do której zachęcam.