Polska rakieta dotarła do kosmosu. Kulisy historycznej misji

3 lipca 2024 r. polska rakieta suborbitalna ILR-33 BURSZTYN 2K, zaprojektowana i zbudowana przez inżynierów Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa, wystartowała z norweskiego centrum kosmicznego Andøya Space Sub-Orbital. Rakieta osiągnęła pułap 101 km, przekraczając tym samym umowną granicę z kosmosem. Minął rok od historycznego lotu, a o kulisach misji opowiedział mgr inż. Michał Pakosz, Kierownik Działu Technologii Rakietowych oraz kierownik Programu BURSZTYN w Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa.

Jak powstał program BURSZTYN?

To już kolejna wizyta naszej redakcji w Instytucie. Laboratoria i ośrodki do testów poszczególnych technologii były publicznie prezentowane mediom podczas ich otwarcia. Tym razem postanowiliśmy przyjrzeć się szerzej historii programu BURSZTYN. Wizyta na kampusie rozpoczęła się od rozmowy z kierownikiem projektu w budynku, w którym na co dzień odbywają się konferencje naukowe, poświęcone tematyce Aerospace, jak również lotniczej, w tym dronowej.

Historia rakiet suborbitalnych w Łukasiewicz - Instytucie Lotnictwa sięga kilkadziesiąt lat wstecz. Złoty okres przypadł na lata 60/70. XX wieku, kiedy wystrzelono ponad 200 rakiet z serii Meteor. Rozmówca wyjaśnił, że z uwagi na decyzje polityczne zdecydowano o zakończeniu programu, pozostawiając Polskę bez dostępu do przestrzeni kosmicznej.

Prace wznowiono w 2007 r. głównie dzięki inicjatywie świętej pamięci prof. Piotra Wolańskiego w ramach Instytutu utworzono Pracownię Technologii Kosmicznych, zajmujący się napędami rakietowymi. Grupa złożona z kilku inżynierów rozpoczęła prace nad koncepcją rozwoju polskiej rakiety nośnej i po kilku latach uruchomiono badania nad nadtlenkiem wodoru. Dzięki wsparciu ówczesnego dyrektora Witolda Wiśniowskiego rozpoczęto projekt rakiety suborbitalnej, wówczas jeszcze pozbawionej nazwy BURSZTYN.

Mgr inż. Michał Pakosz z sentymentem przywołuje postać prof. Wolańskiego. Podczas rozmowy wyobraziłem sobie naukowca pochłoniętego tematyką technologii rakietowych, wskazującego wytyczne grupie młodych naukowców, którzy kilkanaście lat później zrealizowali ideę opiekuna. Rozmówca opisuje profesora jako człowieka pełnego wiary, wspierającego swoich współpracowników i posiadającego duży bagaż doświadczenia – naukowiec Polskiej Akademii Nauk, Politechniki Warszawskiej i członek szeregu międzynarodowych grup roboczych, komitetów i uczestnik konferencji. Prof. Piotr Wolański zmarł 31 sierpnia 2023 r.

W Instytucie rozpoczęto prace nad projektem rakiety suborbitalnej. Profesor wierzył, że to dobry początek, który pozwoli wypracować kompetencje i zdolności zespołu. Już wtedy jednak na papierze pojawiły się projekty rakiet orbitalnych, w tym szczególnie małych systemów nośnych, które dzisiaj coraz bardziej zyskują na popularności. Michał Pakosz dołączył do zespołu w 2014 r., do Zakładu Technologii Kosmicznych, które następnie stało się Centrum Technologii Kosmicznych. Opowiada o początkowej grupie liczącej ówcześnie 12 osób. Dzisiaj Centrum liczy 120 pracowników, a przy samych technologiach rakietowych w całym Instytucie pracuje około 150 inżynierów.

Wspomina, że początki nie były łatwe. Prace polegały na rozwinięciu technologii cząstkowych, które były na pewnym poziomie gotowości, natomiast wciąż brakowało testów w locie. „Chcieliśmy nabrać kompetencji w różnych aspektach – stałe materiały pędne, stąd silniki pomocnicze, pokazanie nadtlenku wodoru w locie, stąd nadtlenek wodoru.” – wspomina Michał Pakosz.

Zespół przyjął następującą strategię: demonstracja poszczególnych technologii w stosunkowo krótkim czasie, przy jednoczesnych próbach rozwoju w dłuższej perspektywie. Dowodem na to była decyzja budowy dwóch wersji rakiety BURSZTYN: podstawowa oraz 2K, zawierającej szereg ulepszeń, tj. większą masa materiału pędnego silników pomocniczych oraz trzykrotnie większy ciąg.

„Gdyby dziś rakieta była budowana od podstaw, zrobiłby Pan coś inaczej?” – spytałem.

„Wypracowaliśmy szereg technologii i wiemy już, jakie błędy popełniliśmy. Do wielu rzeczy musieliśmy dojść metodą prób i testów – nie było i nie ma tego typu rozwiązań na rynku. Uczyliśmy się technologii, ale także organizacji pracy badawczej i współpracy w interdyscyplinarnym zespole. Gdybym dziś zaczynał projekt rakiety, dysponując tymi technologiami, z pewnością podszedłbym do tego inaczej. Czy uważam, że podjęliśmy błędne decyzje, które dziś skutkują problemami? Nie – uważam, że ten projekt to sukces. Musieliśmy przejść przez pewne etapy rozwoju. Trzeba też pamiętać, że wiele firm zajmujących się rakietami nie wytwarza własnych podsystemów. Przykładowo Niemcy kupują silniki z zagranicy – z Brazylii czy Stanów Zjednoczonych. Integrują gotowe technologie, zamiast budować wszystko od podstaw. My robimy to samodzielnie.” – odpowiedział Michał Pakosz.

Spełniono podstawowy cel – rozwój kompetencji i technologii cząstkowych, na które Instytut posiada patenty. Są to m. in. katalizatory używane do rozkładu nadtlenku wodoru; sposób wytwarzania paliwa do silnika hybrydowego; system odzysku; rozwiązania związane ze startem rakiety; mechanizmy systemu separacji zarówno silników pomocniczych, jak i członu głównego. Własnych technologii jest o wiele więcej i znajdują się w bogatej ofercie.

We współpracy z firmą Mesko (część Polskiej Grupy Zbrojeniowej) Instytut wystrzelił kilkanaście rakiet, na pokładzie których znalazły się komputery pokładowe, opracowane przy projekcie BURSZTYN. Warto nadmienić, że program BURSZTYN to nie tylko rakieta suborbitalna ILR-33 BURSZTYN 2K, ekologiczny mat. pędny, ale także szeroka infrastruktura startowa – np. mobilny układ napełniania, systemy telemetrii, wyrzutnia. W przypadku tej ostatniej – przystosowana jest do testów znacznie większych rakiet – nawet do 3 ton masy startowej.

Program BURSZTYN okazał się sukcesem na skalę europejską. Instytut Lotnictwa dołączył do projektu EU HYDEF (European Hypersonic Defence Interceptor), który skupia się na przechwytywaniu pocisków hipersonicznych. Projekt jest realizowany w dużym konsorcjum międzynarodowym, a jego budżet to około 110 mln euro. Z uwagi na wojskowy charakter, rozmówca nie mógł zdradzić zakresu zadań polskiego podmiotu. „Tam są zaimplementowane technologie, które były wypracowane w BURSZTYNIE. Nie do końca te same, różnią się rozmiarami, ale zostały dostosowane do konkretnego produktu.” – tłumaczy.

Instytut rozwinął kompetencje pracowników. Michał Pakosz z dumą opowiada o współpracy z takimi firmami jak: GE, Boeing, ArianeGroup, MaiaSpace, Nammo, Airbus Defence & Space, Thales Alenia Space i oczywiście ESA itd. Pomaga w tym rozbudowana infrastruktura na kampusie w pobliżu warszawskiego Lotniska Chopina, po której oprowadził nas rozmówca.

All in na BURSZTYNA. Tylko dlaczego?

Rakieta BURSZTYN wystartowała łącznie 5 razy, w tym 2 razy w konfiguracji 2K. Mierząca 4,6 m długości rakieta posiada człon główny o średnicy 230 mm, na dole którego znajduje się silnik hybrydowy zasilany nadtlenkiem wodoru o stężeniu 98% i paliwem (polietylen). Jednostka hybrydowa wytwarza maksymalny ciąg o wartości 4000 N, pracując przez 40 sekund. Do członu dołączone są dwa silniki pomocnicze na paliwo stałe. Każdy z nich wytwarza ciąg ok. 16 000 N, pracując przez około 6 sekund. Rakieta suborbitalna ILR-33 BURSZTYN 2K osiąga prędkość do 1300 m/s (ponad czterokrotnie przekracza barierę dźwięku), a dopuszczalna masa ładunku użytecznego na pułap kosmiczny to 10 kg.

Jeśli czytelnik dopiero zaczyna swoją przygodę z branżą aerospace z pewnością zastanawia się, w jaki sposób rakieta suborbitalna z Polski może konkurować na rynkach zagranicznych. Michał Pakosz kilkukrotnie podkreślił w rozmowie, że mówimy o rakiecie przeznaczonej do misji dedykowanych, a zatem to klient określa wymagania, tj. trajektoria lotu, pułap, czas, brak wpływu innych ładunków na ładunek klienta, kwestie organizacji, czas wystrzelenia.

Przykładem takiej misji będzie SUBCOM realizowany z polską spółką kosmiczną Thorium Space. Wartość projektu została oszacowana na 47 mln złotych, z czego 38,7 mln dofinansowało Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Zgodnie z wymaganiami misji Łukasiewicz - Instytut Lotnictwa opracował już nowe podsystemy, jak np. zmodyfikowany przedział ładunku użytecznego.

Po historycznym locie w lipcu 2024 r. Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa otrzymał szereg zapytań o BURSZTYNA, m. in. z Niemiec i Wielkiej Brytanii. Michał Pakosz podkreślił, że w tych krajach działają firmy, które pomimo rozwoju orbitalnych rakiet, wiedzą, że rakiety suborbitalne też są i będą potrzebne. Rakiety suborbitalne pozwalają na szybsze testowanie, badanie atmosfery lub próby technologii hipersonicznych, której stają się coraz bardziej modne w Stanach Zjednoczonych i Europie.

Rakietę wyróżnia również technologia wytwarzana na kampusie Instytutu. „Wytwarzamy silniki hybrydowe, części kompozytowe. Materiał pędny do silników pomocniczych dostarcza firma ZPS Gamrat, ale to wciąż podmiot z polskiego rynku. Na świecie obserwuję zwrot w kierunku silników hybrydowych, które dają większe możliwości i zakres zmian niż w przypadku silników na paliwo stałe.” – tłumaczy Michał Pakosz.

To, czym zajmują się inżynierowie i konstruktorzy z Instytutu, to nie tylko silniki hybrydowe. Polscy inżynierowie pracują również nad silnikami opartymi na zjawisku wirującej detonacji. W klasycznych silnikach rakietowych mówimy o zjawisku deflagracji – znacznie wolniejszym. Inżynier wyjaśnia, że detonacja jest znacznie bardziej gwałtowna, szybsza i powoduje lokalny wzrost ciśnienia co przekłada się na efektywność i zmniejszenie komory spalania.

W kwestii technologii rozwijanej przez Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa wróćmy jeszcze na chwilę do rakiet orbitalnych. W Centrum Technologii Rakietowych Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa spełnia się wizja prof. Wolańskiego. W 2024 i 2025 roku z sukcesem zademonstrowano pracę silnika o ciągu 5 kN na nadtlenek wodoru, przeznaczonego do rakiet orbitalnych lub lądowników. Inżynierowie mogą kontrolować jednostkę w zakresie 10-110% ciągu nominalnego.

Instytut otrzymał zlecenie od Europejskiej Agencji Kosmicznej na dalszy rozwój projektu. W tym roku zainicjowano również współpracę z francuską MaiaSpace, posiadającą wsparcie słynnej firmy Arianespace. Umowa z Łukasiewicz - Instytutem Lotnictwa i spin-offem Instytutu, Thaliana Space, dotyczy dostarczenia rozwiniętych w Polsce silników do rakiety orbitalnej.

Na pytanie o polską rakietę orbitalną usłyszałem: „Mamy na to pomysł, kompetencje i ludzi. Dalej to jest kwestia finansowania i decyzji politycznej. To są duże środki, ale nie tylko dla Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa lecz również 500 krajowych firm, które są w łańcuchu dostawców. Rozmawialiśmy z innymi firmami rakietowymi w Polsce i chcemy taki projekt realizować.”

Jak powstaje rakieta BURSZTYN?

Po rozmowie pojawiła się okazja zobaczenia części infrastruktury, która służy do produkcji i testów zarówno podsystemów, jak i całej rakiety. Zaczęliśmy od głowicy, która została odzyskana około 135 km od norweskiego lądu i umieszczona w skrzyni. Widać znaczniki temperaturowe, które pomogły zwalidować wcześniejsze symulacje związane z wymianą ciepła, oraz inne czujniki pozwalające monitorować ruch rakiety.

Głowica jest zachowana w dobrym stanie, chociaż można dostrzec ślady oddziaływania temperatury oraz słonej wody. Dobrze zachowane jest również elektryczne złącze serwisowe, będące punktem kontaktowym między rakietą a infrastrukturą naziemną, oraz kamery pokładowe, umieszczone symetrycznie po bokach głowicy. Segment wieńczy „nosek” wykonany z metalu, w środku którego znajdują się czujniki do pomiaru ciśnienia.

W tym samym budynku stoi również model inżynieryjny rakiety BURSZTYN, który był wykorzystywany przez zespół w próbach przed wyjazdem na poligon. Odzwierciedla w dobry sposób rakietę, ale jest pozbawiony cech związanych z materiałami wybuchowymi. Wizualnie różni się m. in. statecznikami oraz kolorem głowicy i silników pomocniczych, które w modelu lotnym były białe. Michał Pakosz wyjaśnił, że zespołowi zależało na tym z uwagi na nagrzewanie. Nie ma jednego modelu inżynieryjnego do wszystkich misji. Rakieta BURSZTYN służy do lotów dedykowanych, więc niektóre z jego elementów różnią się od siebie. Przykładem jest wspomniana głowica do projektu z firmą Thorium Space.

Wychodzimy na zewnątrz, a kolejnym przystankiem jest tunel aerodynamiczny niskich prędkości, który w czerwcu 2025 r. przechodzi remont. To tutaj został umieszczony pierwszy model rakiety w wersji podstawowej w skali 1:1. Tunel jest zasilony powietrzem pod ciśnieniem, a zebrane wyniki pozwalają na walidację modeli aerodynamicznych i symulacyjnych, a w konsekwencji bardziej precyzyjne określenie m. in. pułapu, na jaki może wzbić się rakieta. Pierwsze testy w niskich prędkościach przepływu dotyczyły zbadania aerodynamiki rakiety podczas oddzielania się jej silników pomocniczych. Tunel jest największy w Europie Wschodniej – jego średnica wynosi 5 m. Co ciekawe, tunel był również wykorzystywany przez skoczków narciarskich.

„Rakieta osiąga ponad Mach 4. Charakterystyki aerodynamiczne rakiety są bardzo wrażliwe na prędkość i nie są liniowe. Kolejnym krokiem było więc przetestowanie i poznanie rakiety, jak się zachowuje ze wzrostem prędkości i przekroczeniu bariery dźwięku.” – wyjaśnia Michał Pakosz. W tym celu wykorzystano tunel aerodynamiczny, w którym można testować obiekty w opływie powietrza w prędkościach poddźwiękowych, okołodźwiękowych i naddźwiękowych.

Komora jest bardzo mała, charakteryzująca się przekrojem około 60 na 60 cm. Michał Pakosz twierdzi, że taka infrastruktura w zupełności wystarczy i może konkurować z laboratoriami zagranicznymi. Model BURSZTYNA był tutaj testowany w prędkościach do Mach 2,3. Obok budynku znajdują się dwa zbiorniki w kształcie kuli, wypełnione powietrzem pod ciśnieniem, które jest doprowadzane do komory.

Ostatnim przystankiem, podczas wizyty w Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa jest Centrum Laboratoryjne Napędów Rakietowych i Satelitarnych, gdzie inżynierowie są w stanie testować napędy w warunkach ciągłej próżni. Michał Pakosz zauważył, że to unikatowa możliwość na skalę europejską, w szczególności w przypadku testów ekologicznych materiałów pędnych. Obok znajduje się budynek pamiętający jeszcze ubiegły wiek, kiedy testowano w nim silniki lotnicze. Dzisiaj służy do testów silników rakietowych, w tym hybrydowej jednostki napędowej rakiety BURSZTYN. W sąsiednim budynku opracowano z kolei wysokostężony nadtlenek wodoru – jeden z flagowych produktów Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa.

W środku rozłożono wystawę różnego rodzaju technologii. Zaprezentowano m. in. główny zawór utleniacza, nosek rakiety wyprodukowany w technologii druku 3D, głowicę do misji z Thorium Space, wczesną wersję silnika hybrydowego oraz makietę inicjatora EGG-1U.

Ostatni jest wytwarzany przez Instytut w setkach egzemplarzy, technologia ta została skomercjalizowana. Michał Pakosz wytłumaczył, że przewody są podłączone do komputera pokładowego, który wiedząc jaki jest etap misji wysyła impuls do elementów wewnątrz inicjatora. Tam znajduje się materiał zapalczy, który dzięki szybkiemu podgrzaniu przez impuls prądowy inicjuje pewien ładunek, który dalej inicjuje ładunek prochowy. Nabudowywane jest ciśnienie, które po osiągnięciu odpowiedniego poziomu uwalnia gazy zwalniające blokadę innego podsystemu poprzez wypchnięcie lub przesunięcie. To prawdziwa reakcja łańcuchowa w skali mikro, która umożliwia, np. odłączenie silników pomocniczych.

Historyczny start z Norwegii

Program BURSZTYN zwrócił na siebie uwagę i udowodnił jakość polskiej technologii. Za nim jednak stoi cały sztab ludzi, którzy 3 lipca 2024 r. zobaczyli i poznali efekt swojej pracy. Michał Pakosz wspomina miesiące przed misją jako okres intensywnej pracy. Negocjacje z Norwegami nie należały do najłatwiejszych, ze względu na brak wcześniejszych wspólnych realizacji pojawiały się wątpliwości. Zespoły musiały się poznać i zdobyć zaufanie. Norwedzy początkowo nie zgadzali się na to, aby BURSZTYN został wystrzelony z wyrzutni opracowanej w Łukasiewicz - Instytucie Lotnictwa – po prostu bardziej ufali swojej. Po merytorycznej argumentacji udało się ich przekonać. Pomogła dokładność w dostarczeniu odpowiednich dokumentów, za którą polski zespół otrzymał słowa uznania.

Logistyka była kolejnym wyzwaniem. Zadanie były wykonywane po raz pierwszy na taką skalę, a zatem wyzwaniem były kwestie celne, niespodziewane kontrole na granicy lub dodatkowa weryfikacja – wszystko zostało zrealizowane książkowo. W podróży do Norwegii miała uczestniczyć część zespołu. BURSZTYN to przecież ich wspólne dzieło. W tej kwestii zwrócono się o pomoc do Ministerstwa Obrony Narodowej Polski.

Na miejscu zespół miał około tygodnia na ostatnie szlify. Wytypowano zespoły techniczne, odpowiedzialne za integrację modułów rakiety, sprawdzenie stanu po przyjeździe, kalibrację sprzętu, montaż wyrzutni. Ważne było również poznanie się Polaków i Norwegów, kwestie rozmowy tym samym językiem. Angielski jest standardem, ale i tak pojawiły się różnice w nazewnictwie niektórych procesów i technologii.

Tydzień startowy został poprzedzony weekendem zabaw i gier zespołowych, aby „dać odpocząć głowie”. W poniedziałek, 1 lipca 2024 r., dzień rozpoczęto od symulacji startu. Zaliczono każdy z etapów przed lotem poza dodatkowym tankowaniem i odpaleniem rakiety. W Norwegii zespoły były rozproszone na wieżę kontroli misji, zespół sprawdzający parametry oraz „bunkier”, czyli miejsce z załogą obsługującą rakietę. Do komunikacji włączono Norwegów, bo to oni ostatecznie dawali zielone światło na start.

Wtorek, 2 lipca, był pierwszym planowanym dniem lotu. „Dzień wcześniej wiedzieliśmy, że wiatry są na granicy tego, czy będziemy startować, czy nie. Norwegowie powiedzieli, że mają za sobą kilka kampanii, podczas których prognozy wskazywały na poziom wiatru poza limitem, a w rezultacie okazywało się inaczej. W tym przypadku jednak zapowiedzi się sprawdziły. Kolejne dni zapowiadały się lepiej, zdecydowaliśmy przesunąć start” – opowiada Michał Pakosz.

BURSZTYN wystartował w środę, chociaż nawet wtedy natrafiono na drobne przeszkody. Statek wycieczkowy przepływał akurat przez niebezpieczną strefę. Start odbył się trochę później niż zakładano. Wcześniej, około godziny 6 rano część zespołu udała się do pobliskiego portu i weszła na pokład wynajętego statku, który wypłynął 80 km w morze w celu wyłowienia segmentów rakiety po misji.

„Statek ustawił się na miejscu oczekiwania w bezpiecznej strefie i oczekiwał na informację z centrum kontroli misji. Potwierdzaliśmy po kolei gotowość poszczególnych systemów, infrastruktury, wideo, rakiety i personelu. Wystrzeliliśmy!” – wspomina.

„Co Pan poczuł, gdy dane telemetryczne wskazały pułap 101 km?” – zapytałem.

„Było wiele myśli jednocześnie. Znałem ryzyka techniczne, projektując rakietę wiedzieliśmy wszyscy, że część elementów można sprawdzić dopiero w locie. Z jednej strony na pewno ulga, z drugiej szczęście. Miałem wokół siebie osoby, które włożyły w to mnóstwo pracy, a na ich twarzach pojawił się uśmiech i radość.” – odpowiada Michał Pakosz.

Dzisiaj jesteśmy rok po historycznym locie. Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa z rakietą suborbitalną ILR-33 BURSZTYN 2K zapisał się na kartach historii polskiego sektora kosmicznego. Na stole są kolejne propozycje napędów rakietowych i satelitarnych oraz projekty orbitalnych rakiet nośnych. Czekają na decyzje polityczne.