V úterý 30. července NASA oznámila 19 různých partnerství s 13 různými společnostmi, které využívají své odborné znalosti, aby jim pomohly vyvinout vesmírné technologie, od pokročilých komunikačních systémů po nové metody vstupu, sestupu a přistání.
Místo zadávání konkrétních projektů zpřístupní NASA své zaměstnance, zařízení, hardware a software těmto společnostem zdarma.
Jedno z nejpozoruhodnějších z těchto partnerství bude se společností SpaceX a NASA Glenn and Marshall Centers, které pomůže posunout technologii přenosu pohonné hmoty na oběžné dráze.
Jinými slovy, NASA se chystá pomoci SpaceX zjistit, jak natankovat palivo do kosmické lodi, když je ve vesmíru. A pokud na to dokážou přijít, mohlo by to úplně změnit způsob spouštění a létání misí.
Přemýšlejte o tom, jak se létá moderní raketová mise. Raketa je naplněna veškerým pohonným prostředkem, který bude ke své cestě potřebovat. První stupeň, druhý stupeň atd., každý z nich obsahuje palivové nádrže naplněné raketovým palivem. Tyto nižší stupně jsou vyřazeny, a jakmile se horní stupně dostanou na oběžnou dráhu, musí zbytek kosmické lodi dokončit svou misi s jakýmkoli pohonným prostředkem, který na palubě zbyde.
Ve skutečnosti jsou Saturn V a Space Launch System tak obrovské, protože potřebují nést všechen tento pohon ve všech těchto různých nádržích.
Umělecké ztvárnění rakety SLS Block 1. Kredit: NASA
Kosmická loď NASA New Horizons vážila méně než tunu, ale vyžadovala největší raketu Atlas s 5 připínacími raketovými posilovači, aby dosáhla rychlosti potřebné k cestě k Plutu.
Ve fázích plánování je mnoho fascinujících misí, orbitální mise k Neptunu, vesmírný dalekohled LUVOIR, ale ty budou vyžadovat vylepšenou verzi Space Launch System Block II, která je schopna vynést 130 tun na nízkou oběžnou dráhu Země.
A dlouho jsme čekali, až první raketa Space Launch System vůbec poletí.
Představte si, že jedete na výlet a potřebujete do auta natankovat veškeré palivo, které budete potřebovat na celou cestu. nedává to smysl. Zastavíte a natankujete své auto, to dává smysl.
Díky SpaceX a jeho boosterům, které se vracejí na Zemi a přistávají na svůj vlastní pohon, je jasné, že budoucnost je znovu použitelná, a to znamená, že orbitální doplňování paliva se může stát realitou.
Tankování vesmírné lodi SpaceX
The Hvězdná loď SpaceX , dříve známý jako BFR, bude k dokončení mnoha svých misí záviset na orbitálním doplňování paliva.
Jakmile bude hvězdná loď vyvinuta, bude sestávat ze dvou stupňů. Je tu první stupeň, který se nyní nazývá Super Heavy. Toto je ekvivalent prvního stupně Falconu-9.
Tato etapa bude 63 metrů dlouhá a 9 metrů v průměru. Bude mít celkovou hmotnost přes 3000 tun s palivovými nádržemi na kapalný metan a kyslík. Bude poháněn 35 motory Raptor, poháněnými metanem.
Everyday Astronaut natočil fascinující video o Raptoru a o tom, proč to bude tak revoluční motor, a já sem dám odkaz na jeho video.
Stejně jako Falcon-9, Super Heavy dostane celý zásobník ze země, odpojí se od horního stupně a poté se vrátí na Zemi, v ideálním případě znovu přistane na startovací rampě, připraven k dalšímu letu.
Hvězdná loď horního stupně bude 55 metrů vysoká a bude mít několik různých konfigurací. Bude existovat verze, která vezme lidi na Mars nebo Měsíc. A nákladní verze, která bude vynášet satelity na různé dráhy.
A bude existovat verze tankeru, která nedělá nic jiného, než že vynáší na oběžnou dráhu tuny pohonné hmoty, aby doplňovala palivo hvězdným lodím pro jejich různé mise.
Umělcova ilustrace tankeru Starship, který tankuje palivo do hvězdné lodi s posádkou. Kredit: SpaceX
Podle SpaceX by jedna, dvě a dokonce pět z těchto tankerů Starship mohly vyjet na oběžnou dráhu, aby zcela naplnily palivové nádrže hvězdné lodi větším množstvím metanu a kyslíku.
S palivem v hodnotě jednoho tankeru by hvězdná loď mohla cestovat na Měsíc, přistát na povrchu a poté se vrátit na Zemi.
Ilustrace hvězdné lodi z nerezové oceli na Měsíci. Kredit: SpaceX
Plně natankujte jeho palivové nádrže 5 náplněmi a na Mars byste mohli přepravovat stovky tun lidí, vybavení a zásob, nemluvě o obrovských meziplanetárních robotických kosmických lodích, které by mohly vážně prozkoumat jiné světy.
Tyto mise budou záviset na schopnosti bezpečně přenášet paliva v obtížném prostředí vesmíru. Proto bude pomoc NASA tak cenná.
Tankování ISS
Pro všechny mise, které letěly do vesmíru, a kolikrát se kosmické lodě vzájemně ukotvily, orbitální doplňování paliva není velká úvaha .
Dnes se to nejčastěji provádí pomocí Ruská kosmická loď Progress která kotví a zásobuje Mezinárodní vesmírnou stanici. To je založeno na technologii, kterou Rusové vyvinuli, aby udrželi svou vesmírnou stanici Mir natankovanou.
Nákladní plavidlo ISS Progress 60 je vidět jen pár minut od přistání na Mezinárodní vesmírné stanici 5. července 2015. Kredit: NASA TV
Každý tankovací modul Progress M1 má na palubě osm palivových nádrží, které pojmou 1 740 kilogramů paliva a okysličovadla. Když se Progress připojí k Mezinárodní vesmírné stanici, přenese palivo a okysličovadlo do pohonného systému vesmírné stanice prostřednictvím tekutinových konektorů v dokovacím prstenci.
NASA se také ještě více zkomplikovala, když testovala ekvivalent plnohodnotné čerpací stanice na oběžné dráze.
Umělcova ilustrace Robotické tankovací mise, která může doplňovat palivo a opravovat vesmírné lodě na oběžné dráze. Kredit: NASA
The Robotická tankovací mise je vícefázový test prováděný pomocí Mezinárodní vesmírné stanice jako platformy pro testování metod tankování a satelitního servisu.
RRM se skládá z krabice velikosti pračky s veškerým hardwarem, který by byl použit jako součást postupu doplňování paliva. Robotické rameno stanice ukázalo, že může fungovat jako obsluha orbitální čerpací stanice, odlupuje ochranné tepelné přikrývky, odšroubovává víčka, otáčí ventily a přenáší kapalinu.
Jinými slovy, NASA již otestovala mnoho technologií, které by SpaceX potřebovala k tomu, aby se jejich nápady na doplňování paliva na oběžné dráze staly realitou. Veškerý tento hardware a odborné znalosti poskytují zdarma jako součást této nové smlouvy.
United Launch Alliance a Advanced Common Evolved Stage
V roce 2010 Frank Zegler a Bernard Kutter z United Launch Alliance představili své ambiciózní plány na vývoj orbitálního skladiště pohonných hmot na konferenci AIAA Space 2010 v Anaheimu v Kalifornii. Podle jejich výpočtů je 70 % hmoty, která se skutečně dostane na nízkou oběžnou dráhu Země, pouze pohonná hmota.
Sklad s jedním startem a dvěma kapalinami. Kredit: ULA
Na rozdíl od složitého hardwaru pro udržení lidí naživu, rozmístění robotů nebo pohon vesmírných lodí, mluvíme o tlakových nádobách obsahujících raketové palivo. Jedná se o nejjednodušší náklad, který lze vynést na oběžnou dráhu, a v tuto chvíli by měl být komoditou.
Problém je v tom, že technologie nebyla vyvinuta pro příjem, skladování a následné poskytování těchto pohonných látek jiným kosmickým lodím, když je potřebují.
Podle Zeglera a Kuttera se uvažovalo o tom, že tyto orbitální sklady budou muset být obrovské, struktury v měřítku Mezinárodní vesmírné stanice postavené mnoha starty a sestavené ve vesmíru roboty nebo astronauty. Ale navrhli, že sklady by mohly být ve skutečnosti mnohem menší.
Klíčem je jejich použití. Udržujte palivo proudící.
Celková kapacita skladu pro doplňování paliva může být 120 tun pohonné hmoty, ale během roku by mohla poskytnout více než 300 tun různým misím.
Umělecký dojem z brány Deep Space Gateway, kterou momentálně vyvíjí Lockheed Martin. Kredit: NASA
Pomohlo by skladiště paliva na nízké oběžné dráze Země. Ještě lepším místem by mohl být Lagrangeův bod Země-Měsíc L2. Jedná se o oblast stability nacházející se asi 60 000 kilometrů za Měsícem. Od této chvíle stačí k úplnému úniku z oběžné dráhy Země jen trochu paliva.
Aby mohla kosmická loď cestovat na Mars z nízké oběžné dráhy Země, musí dosáhnout změny rychlosti 4,3 km/s. Ale z bodu L2 by jeli jen asi 1 km/s. To znamená výrazně méně paliva. Na Rudou planetu lze přepravit více hardwaru, lidí a nákladu.
Představte si misi, kde raketa odstartuje ze Země a poté horní stupeň letí k bodu Země-Měsíc L2 Lagrange. Tankuje v zásobovacím skladu a nyní má pohonnou hmotu, kterou potřebuje k přepravě obrovského nákladu na Mars.
Nejsou potřeba žádné masivní nové rakety.
Existují samozřejmě výzvy. Kapalný vodík a kyslík musí být udržovány při neuvěřitelně nízkých teplotách, jinak se vypaří kvůli teplu ze Slunce a Země. Ale zablokujte sluneční světlo sluneční clonou a můžete snížit tyto míry varu v podstatě na nulu.
United Launch Alliance navrhla Advanced Common Evolved Stage neboli ACES založenou na technologii vyvinuté o několik let dříve společnostmi Boeing a Lockheed Martin.
Každý horní stupeň ACES by obsahoval dvojnásobek pohonné hmoty tradičního přeplňovacího stupně Centaur – 41 metrických tun paliva. A natažená verze by měla na palubě 73 tun.
Samotný sklad paliva by sestával ze dvou těchto horních stupňů spojených dohromady, se sluneční clonou, která by jej chránila před slunečním žárem.
Pak by mohla být do skladu vypuštěna sypká pohonná hmota v krocích po 26 tunách, naplnit ji a poskytnout sklad paliva pro budoucí mise.
ULA navrhla test pro systém ACES v roce 2011, který by stál méně než 100 milionů dolarů, ale program chytily politické problémy , což zdržuje další vývoj.
Což je škoda, protože je to jednoznačně budoucnost. Teprve nyní SpaceX vážně uvažuje o orbitálním doplňování paliva a tato technologie mohla být o deset let napřed.
V nedávný rozhovor s Ars Technica Prezident ULA Tory Bruno řekl, že vývoj ACES je stále na plánu, ale stane se tak, až poletí jejich další generace rakety Vulcan. Takže to budou roky.
Orbitální doplňování paliva bude budoucností.
Raketa NASA Space Launch System. Poděkování: NASA/MSFC
Těžké nosné rakety jako Saturn V a Space Launch System jsou komplikované a drahé. Mnohem smysluplnější je spokojit se s menšími, opakovaně použitelnými vesmírnými loděmi a poté je pomocí vesmírného doplňování paliva dopravit tam, kam chtějí.
Technologie byla testována v malém měřítku, ale zjevně nastal čas posunout věci na další úroveň.
Když expandujeme do Sluneční soustavy, dává smysl vybudovat infrastrukturu na podporu našeho průzkumu. V budoucnu můžeme očekávat, že uvidíme skladiště paliva roztroušená po celé Sluneční soustavě, připravená poskytnout pohonnou hmotu pro mise cestující ze světa na svět.