Czy samoloty transportowe Sił Powietrznych RP mogą wynosić satelity? [ANALIZA]

Współcześnie jedynymi miejscami pozwalającymi na przeprowadzanie testów rakiet wykonujących loty suborbitalne stanowią poligony wojskowe w Ustce i Drawsku. Chociaż obejmują one relatywnie dużą powierzchnię, nie spełniają międzynarodowych standardów infrastrukturalnych wymaganych od pełnowymiarowych portów kosmicznych.

Wobec tych utrudnień, Polska jest zmuszona korzystać z zagranicznych ośrodków, takich jak kosmodromy w USA czy Gujanie Francuskiej, gdzie znajduje się kosmodrom zarządzany przez Europejską Agencję Kosmiczną (ang. European Space Agency – ESA). Generuje to wysokie koszty oraz zależność od zagranicznych operatorów misji, do których zaliczany jest choćby SpaceX, a także oczekiwanie w kolejce do wyniesienia obiektu kosmicznego.

W ramach współpracy z ESA, Polska stara się stopniowo zwiększać swój udział w międzynarodowych programach kosmicznych. Co więcej, członkostwo w Europejskiej Agencji Kosmicznej umożliwiło polskim firmom udział w projektach kosmicznych i rozwój innowacyjnych technologii. Mimo to, brak rodzimej infrastruktury nadal ogranicza niezależność w zakresie wynoszenia i rozmieszczania na orbicie okołoziemskiej obiektów kosmicznych.

Rozwój tej infrastruktury jest jednym z głównych wyzwań stojących przed polskim sektorem kosmicznym. Budowa własnego kosmodromu mogłaby znacznie zmniejszyć te ograniczenia i obniżyć koszty misji kosmicznych, inicjowanych zarówno przez sektor pozamilitarny, jak i militarny.

W związku z tym, zasadne jest rozważenie wykorzystania wojskowych samolotów transportowych do funkcji nosicieli, będących znakomitym potencjałem do tego rodzaju operacji. Dodatkowo, mogłyby rozwiązać tymczasowy problem polegający na ograniczonym dostępie do zagranicznych kosmodromów.

Główne parametry i typologia polskich C–295M oraz C–130E

W Siłach Powietrznych Rzeczypospolitej Polskiej eksploatowane są trzy konstrukcje wojskowych samolotów transportowych. Są to PZL M28TD „Bryza”, CASA C–295M stacjonujące w 8. Bazie Lotnictwa Transportowego w Krakowie i C–130E Hercules stacjonujące w 33. Bazie Lotnictwa Transportowego w Powidzu. W aspekcie zdolności wynoszenia obiektów kosmicznych jedynie CASA C–295M oraz C–130E Hercules mogłyby realizować te misje ze względu na konstrukcję i parametry taktyczno–techniczne.

CASA C–295M jest średnim samolotem transportowym wyprodukowanym przez hiszpańskie zakłady należące do firmy Construcciones Aeronáuticas. Charakteryzuje się on masą własną wynoszącą 10760 kg oraz maksymalną masą startową szacowaną na 23200 kg. Może przenosić ładunki o maksymalnej masie 9700 kg w swojej przestrzeni ładunkowej.

Prędkość maksymalna samolotu wynosi 576 km/h, a jego pułap operacyjny to ponad 9 km. Samolot C–295M jest zdolny pokonać dystans do 5630 km na jednym tankowaniu. Do wykonania startu (rozbiegu) wymaga 800 m długości pasa oraz 490 m do lądowania (dobiegu), zaś zużycie paliwa wynosi około 600 kg na godzinę lotu.

Wymiary kadłuba samolotu, w szczególności jego wysokość równa 8,6 m, zapewniają wystarczającą przestrzeń do pomieszczenia rakiety nośnej. Za przykład może posłużyć model 5W28 o długości 10,8 m i średnicy drugiego stopnia wynoszącej 0,8 m. Przestrzeń ładunkowa CASA C–295M umożliwia bezpieczne transportowanie rakiety w pozycji poziomej, a jej oddzielenie od samolotu–nosiciela odbywa się przez tylny luk ładunkowy.

Dzięki swoim parametrom taktyczno–technicznym, C–295M stwarza możliwości wynoszenia obiektów kosmicznych w ramach Metody Wspomaganego Lotniczo Wynoszenia Satelitów (MWLWS). Samolot jest zdolny wznieść zestaw rakietowy do pułapu 8–9 km, gdzie następuje oddzielenie rakiety od nosiciela. Procedura ta pozwala na dalsze uruchomienie jej napędu i kontynuowanie lotu aż do osiągnięcia pułapu przestrzeni kosmicznej. System ten zmniejsza zapotrzebowanie na paliwo w stosunku do tradycyjnych metod startów rakietowych.

Zaletą tego samolotu w kontekście wynoszenia obiektów kosmicznych jest możliwość załadunku i zrzutu rakiety nośnej bez potrzeby trwałych modyfikacji konstrukcji lotniczej. To sprawia, że C–295M może być używany do różnorodnych misji, a sam system wspomaganego wynoszenia pozostaje bardziej elastyczny i opłacalny. Dzięki tym parametrom CASA C–295M stanowi efektywne narzędzie do wspierania procesu rozmieszczania obiektów kosmicznych. Dotyczy to szczególnie mniejszych ładunków o masie do 80 kg, które mogą być dostarczane na niską orbitę okołoziemską (ang. Low Earth Orbit – LEO).

Z kolei C–130E Hercules zaliczany jest do jednego z najbardziej wszechstronnych samolotów transportowych na świecie. Został wyprodukowany przez amerykański koncern Lockheed, obecnie funkcjonujący pod nazwą Lockheed Martin. Masa własna statku powietrznego wynosi około 34400 kg, a maksymalna masa startowa to 70300 kg.

Może przewozić ładunki o łącznej masie do 19000 kg. C–130E Hercules osiąga prędkość maksymalną 592 km/h i charakteryzuje się pułapem operacyjnym wynoszącym 10060 m. Zasięg samolotu szacuje się na około 3800 km przy pełnym ładunku, ale z dodatkowymi zbiornikami paliwa może pokonać znacznie dłuższe dystanse, sięgające ponad 4700 km. Dodatkowo, może startować i lądować na krótkich, nieutwardzonych pasach startowych, co czyni go idealną konstrukcją wykorzystywaną podczas operacji w trudnych warunkach terenowych.

Dzięki pojemnej przestrzeni ładunkowej i elastycznym konfiguracjom C–130E Hercules może być z powodzeniem eksploatowany do wynoszenia zestawów rakietowych. Jego zdolność do transportowania ładunków o dużych rozmiarach zwiększa jego przydatność w bardziej złożonych misjach kosmicznych. W wynoszeniu rakiet pełniłby rolę pierwszego członu, przy czym po osiągnięciu odpowiedniej wysokości rakieta oddzielałaby się i kontynuowała lot w kosmos.

Oba samoloty, zarówno C–295M, jak i C–130E, mogą być z powodzeniem użyte do wynoszenia rakiet nośnych, na pokładzie których znajdowałyby się obiekty kosmiczne. W tym procesie samolot pełni funkcję pierwszego członu, zapewniając rakiecie odpowiednią prędkość i wysokość przed uruchomieniem jej własnych silników. Metoda Wspomaganego Lotniczo Wynoszenia Satelitów pozwala na zmniejszenie ilości potrzebnego paliwa oraz optymalizację zużycia zasobów. Wynika to z faktu, że do osiągnięcia pierwszej prędkości kosmicznej wykorzystywana jest początkowa prędkość i pułap operacyjny samolotu.

Trzeba nadmienić, że to głównie C–295M jest rozpatrywany w kontekście nosiciela rakiet nośnych. Uwzględniając współczesne zapotrzebowanie Sił Zbrojnych Rzeczypospolitej Polskiej, a także realizowane przez nie misje transportowe ocenia się, że C–130E powinien pozostać do ich wyłącznego użytku. Niewykluczone, że ten stan rzeczy nie ulegnie zmianie w przyszłości po podjęciu decyzji o rozwoju wojskowej floty transportowe. Jest to realne biorąc pod uwagę dogodne parametry, którymi charakteryzuje się C–130E.

Przebieg Metody Wspomaganego Lotniczo Wynoszenia Satelitów z wykorzystaniem statku powietrznego CASA C–295M

Lotniczo wspomagany sposób wynoszenia satelitów z wykorzystaniem samolotu transportowego CASA C–295M opierałby się na serii precyzyjnych manewrów. Miałyby one na celu umożliwienie rakiecie nośnej osiągnięcie pułapu przestrzeni kosmicznej przy minimalnym zużyciu paliwa oraz zasobów. Procedura rozpoczynałaby się od startu samolotu CASA C–295M z rakietą na pokładzie. Samolot wznosiłby się na wysokość około 3 km, po czym przystąpiły do poziomego rozpędzania, osiągając prędkość maksymalną około 500 km/h. W tym momencie zaczynałby się etap „zoom climb”, czyli zainicjowanie dynamicznego wznoszenia kosztem osiąganej prędkości.

Oddzielenie rakiety odbywałoby się przez tylny luk ładunkowy samolotu. Następnie byłby kontrolowany jej kąt położenia względem Ziemi i uruchomienie silników pierwszego stopnia. Po osiągnięciu odpowiedniej wysokości i prędkości inicjowane byłoby uruchomienie drugiego stopnia napędzanego paliwem ciekłym z regulacją ciągu. W międzyczasie musiałby zostać zaplanowany etap separacji pierwszego stopnia, co pozwalałoby na kontynuowanie lotu rakiety. Trzeci stopień, oparty na paliwie hybrydowym, zostałby uruchomiony w celu osiągnięcia przez rakietę pierwszej prędkości kosmicznej (7,91 km/s).

Po zakończeniu pracy trzeciego stopnia dochodziłoby do oddzielenia ładunku użytecznego, którym mogłaby być satelita o masie do 80 kg. Co ważne, deorbitacja drugiego i trzeciego stopnia rakiety odbywałaby się za pomocą systemów spadochronowych oraz siłowników gazodynamicznych. Pozwalałoby to na ich bezpieczny powrót do atmosfery ziemskiej. Cały proces wynoszenia musiałby zostać zoptymalizowany w celu zmniejszenia oporów powietrza. Przekładałoby się to na efektywność wynoszenia obiektów przy niższym zużyciu paliwa w porównaniu do tradycyjnych metod startów rakiet z powierzchni Ziemi.

Porównanie klasycznego oraz wspomaganego lotniczo systemu wynoszenia obiektów kosmicznych

Klasyczne wynoszenie obiektów kosmicznych odbywa się za pomocą rakiet nośnych startujących z powierzchni Ziemi. Do przeprowadzenia i pomyślnego zrealizowania tej operacji wymagane są ogromne ilości paliwa zarówno w postaci utleniacza, jak i paliwa napędowego. Na przykład rakieta Soyuz, używana do wynoszenia satelitów na orbitę, potrzebuje łącznie około 152 ton paliwa w różnych formach.

Ciekły tlen i nafta są używane w pierwszym i drugim stopniu rakiety, podczas gdy w trzecim stopniu wykorzystuje się paliwo hybrydowe. Samo wystrzelenie satelity o masie 1645 kg na niską orbitę okołoziemską wymaga zużycia zasobów o łącznej wydajności wynoszącej około 92,4 kg paliwa na każdy kilogram ładunku. Oznacza to wysokie koszty operacyjne oraz większe obciążenie infrastruktury, zarówno rakietowej, jak i należącej do portów kosmicznej.

Natomiast metoda wspomagana lotniczo, w której samolot transportowy CASA C–295M działałby jako pierwszy stopień systemu wynoszenia, znacząco zmniejszyłaby zapotrzebowanie na paliwo rakietowe. Samolot wynosiłby rakietę na wysokość około 8–9 km, gdzie nastąpiłoby jej oddzielenie od nosiciela. Ten sposób eliminuje potrzebę transportowania paliwa i utleniacza potrzebnego do pokonania najgęstszych warstw atmosfery.

W wyniku tego etapu misji, rakieta potrzebowałaby jedynie około 6,2 tony paliwa do wyniesienia ładunku na orbitę. System ten wymagałby znacznie mniejszej ilości paliwa. Szacuje się, że byłaby to proporcja 77,5 kg paliwa na każdy kilogram ładunku, co przekłada się na zmniejszenie zużycia zasobów o ponad 15% w porównaniu do klasycznych rakiet.

Wspomagana lotniczo metoda wynoszenia satelitów, szczególnie w mniejszych misjach, oferuje znaczne oszczędności paliwa, niższe koszty operacyjne i większą elastyczność niż klasyczne systemy startów rakietowych. Jednak ograniczeniem tej metody jest mniejsza masa ładunku, jaką można wynieść na orbitę, co sprawia, że klasyczne rakiety nadal pozostają niezastąpione w przypadku większych misji kosmicznych.

Wady i zalety MWLWS z wykorzystaniem samolotu CASA C–295M

Metoda Wspomaganego Lotniczo Wynoszenia Satelitów z wykorzystaniem samolotu transportowego CASA C–295M charakteryzuje się szeregiem wartości dodanych, ale również posiada pewne ograniczenia. Wobec tego, poniżej omówiono najważniejsze zalety, które realnie wpłynęłyby na planowanie operacji lotniczo–kosmicznych:

Zmniejszone zużycie paliwa – byłoby ono zagwarantowane dzięki wstępnemu wynoszeniu rakiety nośnej na wysokość około 8–9 km przez samolot–nosiciela. Metoda ta pozwala na znaczące oszczędności paliwa. Sprawia to, że rakieta nie musiałaby pokonywać najgęstszych warstw atmosfery na własnym napędzie, co przekłada się na mniejsze zużycie zasobów. W porównaniu do klasycznego startu z Ziemi, MWLWS zmniejsza ilość potrzebnego paliwa o około 15%

Elastyczność operacyjna – wynikająca z faktu, że samolot, który pełniłby funkcję pierwszego członu, może wystartować z różnych miejsc i w szerokim zakresie warunków atmosferycznych. To sprawia, że MWLWS nie jest tak uzależnione od warunków pogodowych, ani od lokalizacji stałego kosmodromu. Możliwość przerwania misji w fazie lotniczej dodatkowo zwiększa elastyczność tej metody.

Mniejsze przeciążenia – powodujące, że aparatura pokładowa oraz obiekty kosmiczne umieszczane w rakietach wynoszonych metodą lotniczo wspomaganą byłyby mniej narażone na duże przeciążenia i drgania niż w przypadku klasycznych startów. Jest to szczególnie korzystne dla wrażliwych technologii, które mogą wymagać bardziej łagodnych warunków startu.

Niższe koszty operacyjne – dzięki niższemu zużyciu paliwa oraz braku konieczności korzystania z pełnoprawnych kosmodromów, metoda ta może obniżyć koszty misji kosmicznych. Korzystanie z mniejszych lotnisk oraz modyfikowanych samolotów transportowych redukuje również koszty związane z rozwojem infrastruktury.

Trudność inwigilacji – umieszczenie rakiety wewnątrz samolotu do momentu jej wyniesienia na odpowiednią wysokość operacyjną zmniejsza ryzyko wykrycia i inwigilacji operacji przez obce podmioty. Działania te mogą być realizowane w bardziej dyskretny sposób, co jest istotne zwłaszcza w przypadku misji wojskowych lub strategicznych.

Mniejsza zależność od kosmodromów – nawiązujące do sytuacji państw, które nie posiadają własnych kosmodromów. Metoda Wspomaganego Lotniczo Wynoszenia Satelitów oferuje alternatywę dla klasycznych startów rakietowych, eliminując konieczność korzystania z drogiej zagranicznej infrastruktury.

Natomiast do kluczowych wad w zakresie Metody Wspomaganego Lotniczo Wynoszenia Satelitów zaliczono kryteria takie jak:

Ograniczona masa ładunku – jest jednym z największych ograniczeń tej metody jest ograniczona masa ładunku, jaki można wynieść na orbitę. W przypadku systemu wspomaganego lotniczo maksymalna masa obiektu kosmicznego może wynosić około 80 kg, co jest znacząco mniejsze w porównaniu do możliwości klasycznych rakiet nośnych.

Konieczność modyfikacji rakiet nośnych – wynoszenie rakiet tą metodą wymaga modyfikacji standardowych systemów rakietowych, tak aby mogły być przenoszone i uruchamiane z pokładu samolotu–nosiciela, w tym przypadku transportowego. Jest to dodatkowy koszt i wyzwanie techniczne, które może ograniczać katalog zastosowań.

Zależność od istniejących rakiet – rozumiane jako możliwość zaistnienia potrzeby dostępu do rakiet, które mogą być wykorzystywane w ramach MWLWS, takich jak rakiety przeciwlotnicze 5W28. Ograniczenie do konkretnych typów rakiet może zmniejszać elastyczność tej metody.

Ryzyko awarii w locie – choć metoda ta zmniejsza ryzyko związane z przeciążeniami, istnieje prawdopodobieństwo wystąpienia awarii w trakcie lotu. Za przykład może posłużyć sytuacja, podczas której separacja rakiety od samolotu–nosiciela przebiegałaby nieprawidłowo lub w trakcie uruchamiania silników na dużej wysokości wystąpiłaby usterka techniczna.

Wspomagane lotniczo wynoszenie satelitów oferuje wiele korzyści, takich jak zmniejszone zużycie paliwa, elastyczność operacyjna i niższe koszty. Jednakże, metoda ta ma także pewne ograniczenia, głównie związane z ograniczoną masą ładunku oraz koniecznością modyfikacji rakiet. W kontekście polskich możliwości technologicznych, MWLWS stanowi atrakcyjną alternatywę dla klasycznych startów, zwłaszcza w warunkach braku własnych kosmodromów.