Big Dumb Booster: prosta, ale złożona rakieta dla NASA
Schemat pojazdu startowego NESUX firmy General Dynamics. Po lewej dla porównania - prawdziwa rakieta Atlas
We wczesnych latach amerykańskiego programu kosmicznego głównym zadaniem było poprawienie wydajności systemów rakietowych i kosmicznych. Szybko okazało się, że podniesienie parametrów technicznych wiąże się ze znacznymi trudnościami i powinno prowadzić do wzrostu kosztów startów. Ciekawe rozwiązanie tego problemu zaproponowano w postaci koncepcji Big Dumb Booster.
„Wielka głupia rakieta”
Projekty systemów rakietowych i kosmicznych tamtych czasów wyróżniały się dużą złożonością techniczną. Aby uzyskać wyższą wydajność, opracowano i wprowadzono nowe materiały, stworzono obiecujące modele wyposażenia wszystkich klas, opracowano silniki itp. Wszystko to doprowadziło do wzrostu kosztów opracowywania i produkcji pocisków.
Obliczenia wykazały, że jeśli takie podejście zostanie utrzymane, koszt wycofania ładunku utrzyma się co najmniej na tym samym poziomie, a nawet zacznie rosnąć. Aby utrzymać lub poprawić wyniki ekonomiczne, wymagane były zasadniczo nowe rozwiązania na poziomie koncepcji. Pierwsze badania w tym kierunku rozpoczęły się pod koniec lat pięćdziesiątych i wkrótce dały prawdziwy rezultat.
NASA, we współpracy z wieloma prywatnymi firmami lotniczymi, pracuje nad kilkoma nowymi koncepcjami zaawansowanych systemów. Jeden z nich nazywał się Big Dumb Booster - „Wielki głupi (lub prymitywny) booster”.
„Prosty” kompleks startowy dla „taniej” rakiety NEXUS
Istotą tej koncepcji było maksymalne uproszczenie konstrukcji rakiety nośnej i jej poszczególnych elementów. W tym celu konieczne było użycie tylko dobrze opanowanych materiałów i technologii, odmawiając opracowywania nowych. Wymagano również uproszczenia konstrukcji samej rakiety i jej komponentów. Jednocześnie konieczne było zwiększenie przewoźnika, zwiększając jego ładowność.
Według pierwszych szacunków takie podejście do projektowania i produkcji pozwoliło BDB na znaczne obniżenie kosztów startów. W porównaniu z istniejącymi i obiecującymi rakietami nośnymi o „tradycyjnym” wyglądzie nowe modele były wielokrotnie bardziej ekonomiczne. Spodziewano się również wzrostu tempa produkcji.
W ten sposób dopalacz BDB mógłby szybko zbudować i przygotować się do startu, a następnie wysłać większy ładunek na orbitę. Przygotowanie i uruchomienie wyróżniałyby się rozsądnym kosztem. Wszystko to mogło stać się dobrym bodźcem do dalszego rozwoju astronautyki, ale najpierw trzeba było opracować i wdrożyć zupełnie nowe projekty.
Podstawowe decyzje
W opracowaniu koncepcji BDB uczestniczyło kilka organizacji zajmujących się rozwojem rakiet i technologii kosmicznych. Zaproponowali i doprowadzili do różnych stopni gotowości szereg projektów rakiet nośnych. Zaproponowane próbki różniły się znacznie od siebie wyglądem lub właściwościami, ale jednocześnie posiadały szereg cech wspólnych.
Aby uprościć i obniżyć koszty rakiet, zaproponowano budowanie nie ze stopów lekkich, ale z niedrogich i dobrze opanowanych stali. Przede wszystkim wzięto pod uwagę gatunki o wysokiej wytrzymałości i ciągliwości z kategorii stali maraging. Takie materiały umożliwiły budowę większych rakiet o wymaganych parametrach wytrzymałościowych i rozsądnych kosztach. Ponadto konstrukcje stalowe mogły być zamawiane przez szerokie grono przedsiębiorstw, m.in. z różnych branż lotnictwo do przemysłu stoczniowego.
Schemat rakiety Morski Smok z Aerojet
Duża rakieta z dużym ładunkiem wymagała potężnego układu napędowego, ale taki produkt sam w sobie okazał się niezwykle kosztowny i złożony. Zaproponowano rozwiązanie tego problemu za pomocą najbardziej wydajnych rodzajów paliwa, a także poprzez zmianę konstrukcji silnika. Jednym z głównych pomysłów w tej dziedzinie było odrzucenie jednostek turbopompowych - jednego z najbardziej złożonych elementów silnika rakietowego. Planowano dostarczać paliwo i utleniacz ze względu na zwiększone ciśnienie w zbiornikach. Samo to rozwiązanie zapewniło zauważalną redukcję kosztów.
Zaproponowane materiały i stopy zapewniły budowę dużych konstrukcji o odpowiednim potencjale. Ładowność rakiety Big Dumb Booster można zwiększyć do 400-500 ton lub więcej. Wraz ze wzrostem rozmiarów rakiety udział suchej masy w masie startowej zmniejszył się, co zapowiadało nowe sukcesy i dodatkowe oszczędności.
W przyszłości rakiety lub ich elementy będą mogły być ponownie użyte, co ułatwiło zastosowanie mocnych stali. W związku z tym planowano uzyskać dodatkowe obniżenie kosztów startu.
Jednak, aby uzyskać realne wyniki, konieczne było zakończenie prac badawczo-rozwojowych, a następnie uruchomienie projektowania eksperymentalnego. Mimo pozornej prostoty etapy te mogą trwać wiele lat i wymagać znacznych nakładów finansowych. Mimo to przedsiębiorstwa przemysłu kosmicznego podjęły to ryzyko i zaczęły projektować obiecujące „prymitywne” pojazdy nośne.
Odważne projekty
Pierwsze projekty nowego rodzaju pojawiły się w 1962 roku i zostały ocenione przez ekspertów NASA. Te warianty BDB opierały się na wspólnych pomysłach, ale wykorzystywały je na różne sposoby. W szczególności istniały różnice nawet w sposobie startu.
Układ Morskiego Smoka
Prawdziwym rekordzistą może być rakieta NEXUS opracowana przez General Dynamics. Była to jednostopniowa rakieta nośna o wysokości 122 mi maksymalnej średnicy 45,7 m ze stabilizatorami o rozpiętości 50 m. Szacunkowa masa startowa wyniosła 21,8 tys. 900 ton to o połowę mniej.
Rakieta NEXUS miała umieścić ładunek na orbicie, a następnie wylądować w oceanach za pomocą spadochronów i silników na paliwo stałe. Po konserwacji taki BDB mógłby wykonać nowy lot.
W tym samym roku pojawił się projekt Sea Dragon firmy Aerojet. Zaproponował superciężki pojazd do wodowania na morzu, który nie wymagał żadnych oddzielnych urządzeń do wodowania. Ponadto planowano zaangażować się w produkcję takich pocisków przedsiębiorstw stoczniowych, które mają niezbędne - nie najbardziej złożone - technologie montażu konstrukcji metalowych.
„Sea Dragon” został zbudowany według schematu dwustopniowego z uproszczonymi silnikami rakietowymi na obu. Długość rakiety osiągnęła 150 m, średnica - 23 m. Waga - ok. 10 tys. ton, ładowność - 550 ton dla LEO. W pierwszym etapie dostarczono silnik naftowo-tlenowy o ciągu 36 milionów kgf. Zamiast kompleksu startu naziemnego zaproponowano bardziej kompaktowy system. Wykonano go w formie wielkogabarytowego zbiornika balastowego z niezbędnymi urządzeniami przymocowanymi do dna pierwszego stopnia.
Proces przygotowań do uruchomienia typu BDB Sea Dragon
Zgodnie z zamysłem konstruktorów rakieta Sea Dragon miała zostać wyprodukowana przez stocznię ze zwykłych materiałów „okrętowych”. Następnie za pomocą holownika produkt w pozycji poziomej należy odholować na miejsce startu. System startowy zapewniał przeniesienie rakiety z pozycji poziomej do pionowej przy zanurzeniu około połowy kadłuba. Wtedy „Smok” mógł uruchomić silniki i wystartować. Powrót stopni odbywał się za pomocą spadochronów z lądowaniem na wodzie.
Tanie, ale drogie
Projekty superciężkich pojazdów nośnych Big Dumb Booster cieszyły się dużym zainteresowaniem w kontekście dalszego rozwoju astronautyki. Jednak ich realizacja wiązała się z szeregiem charakterystycznych trudności, bez których pokonania nie można było uzyskać pożądanych rezultatów. Trzeźwa ocena propozycji technicznych i projektów doprowadziła do zamknięcia całego kierunku.
Dalszy rozwój proponowanych projektów Aeroget, General Dynamics i innych firm był bardzo trudnym zadaniem. Aby stworzyć „tanią” rakietę, potrzebne były duże nakłady na rozwój projektów i adaptację istniejących technologii do zastosowań kosmicznych. Jednocześnie powstałe pociski nie były przedmiotem zainteresowania w dającej się przewidzieć przyszłości: po prostu nie było ładunku setek ton i nie spodziewano się tego w nadchodzących latach.
NASA uznała za niewłaściwe poświęcanie czasu, pieniędzy i wysiłku na projekty bez realnych korzyści. W połowie lat sześćdziesiątych wszelkie prace nad tematem BDB ustały. Część uczestników tych prac próbowała przerobić projekty do innych zadań, ale w tym przypadku nie były one kontynuowane. Ku uciesze podatników prace nad BDB przerwano wcześnie, a na wątpliwy program wydano niewiele pieniędzy.
Jak pokazał późniejszy rozwój amerykańskiej eksploracji kosmosu, ciężkie i superciężkie pojazdy nośne znalazły zastosowanie, ale systemy o ładowności setek ton były zbędne, a także zbyt skomplikowane i drogie – wbrew pierwotnym planom. Rozwój astronautyki był kontynuowany bez „Dużej Prymitywnej Rakiety” – i przyniósł pożądane rezultaty.
informacja