KOSMONAUTIKA

Dragan Lazarević

Start najveće rakete nosača

Prvi probni let zvezdanog broda

Razvoj raketa-nosača koje su omogućile prodor čovečanstva u kosmički prostor se odvijao u naglim skokovima kada su se objedinjavali novi koncepti raketa sa napretkom u raznim  pravcima tehnološkog razvoja na polju konstruktivnih materijala korpusa, motora i goriva kao i sistema upravljanja tokom leta. Prvi takav skok je bio početak korišćenja prve kosmičke rakete R-7( popularno nazvane “Semjorka”) konstruktora Sergeja Koroljeva, sa kojom je SSSR, lansiranjem “Sputnjika 1”, prvog veštačkog Zemljinog satelita, oktobra 1957. započeo kosmičko doba čovečanstva. Ta raketa startne mase od oko 300 tona je omogućila prvi let čoveka u kosmos i slanje prvih sondi na Mesec i oko njega, kao i prve međuplanetarne kosmičke sonde oko Sunca i na Veneru. Tokom kosmičkog nadmetanja SAD-SSSR, stvarane su sve veće rakete nosači startne mase 600-700 t (“Saturn 1 i 1B” i “Titan 3” i sovjetski “UR-500 proton”, koji je mogao da u nisku orbitu oko Zemlje da podigne satelit mase oko 20t).

Nagli skok je predstavljao razvoj raketa za let na Mesec. NASA je uspešno razvila džinovsku raketu “Saturn 5” startne mase oko 3000t  i nosivosti u nisku Zemljinu orbitu oko 120 t, a SSSR je eksperimentisao sa raketom nešto manje startne mase i nosivosti N1. “Saturn 5” je uspešno lansiran u kosmos 13 puta, dva lansiranja su bila probna i bez posade u Zemljinu orbitu, jedno je bilo sa posadom(“Apolo9”), devet misija kosmičkih brodova “Apolo” je bilo sa posadama ka Mesecu a od toga šest je bilo sa spuštanjem na njegovu površinu. Poslednje lansiranje je odnelo veliku orbitalnu stanicu “Skajlab” u Zemljinu orbitu.
SSSR nije imao sreće sa raketom N1, u periodu 1969-1972. obavljena su 4 neuspešna lansiranja u kojima je prvi stepen otkazivao pa je čitav projekt napušten a preostale dve rakete nisu ni lansirane. Taj kratak period početka korišćenja džinovskih raketa nosača je bio završen i lansiranja u kosmos, u orbitu oko Zemlje kao i kosmičkih međuplanetarnih sondi je obavljan raketama manje i srednje nosivosti. SSSR je obavio dva uspešna lansiranja džinovskih raketa “Energija” 1987/88. ali je sa raspadom te države taj projekt obustavljen. Pokretanjem programa “Artemis” u cilju ponovnog  leta američkih astronauta na Mesec, novembra 2022, uspešno je isprobana džinovska raketa “SLS” i kosmički brod “Orion” u misiji bez posade sa dva proletanja pored Meseca. Kompanija Ilona Maska “Space X” je 20. aprila ove godine probno lansirala do sada najveću džinovsku raketu “Starship” i najavila da vreme takvih raketa ovog puta nezaustavljivo nastupa.

Najveća od do sada lansiranih raketa

Kosmički programi koji su do sada ostvarivani lansiranjem komercijalnih satelita u orbite oko Zemlje različite visine, sve do visoke geostacionirane putanje, slanje astronauta na orbitalne stanice i kosmičkih sondi po celom Sunčevom sistemu su uspešno obavljani raketama nosačima koje su mogle da podignu u nisku orbitu teret mase do 25 t. Takve rakete se svrstavaju u tzv. srednje nosače. Kosmički projekti sa ambicioznijim ciljevima, kao što je bio let na Mesec, zahtevaju znatno veće rakete nosače koji su nazvani super teški, veliki ili gigantski nosači ikoji mogu da podignu u nisku Zemljinu teret veći od oko 70 t - iako je po nekim ocenama ta granica podignuta na oko100t . Startna masa džinovskih raketa je uslovno veća od 2000 t, a sila potiska motora prvog stepena je 1,15-1,65 puta veća od težine rakete na startu.
Prvi projekat džinovske rakete NASA je počela da razvija po nazivom “NOVA”, na samom početku kosmičke ere, 1958. Trebalo je da ima startnu masu od  preko 3000 t, prvi stepen bi pokretalo 6 motora F1 na kerozin i tečni kiseonik sile potiska 6800 kN, a drugi stepen jedan takav motor (F1 je razvila USAF za neki vojni projektil koji  nije ostvaren). Na osnovu projekta “NOVA” nastala je raketa “Saturn 5” koja je pokretana sa 5 motora F1 (ukupnog potiska 34 mega Njutna), drugi stepen je pokretalo 5 motora na tečni vodonik i kiseonik J2,  a treći stepen jedan takav motor i prvi probni let je obavljen 1967. Ta raketa je mogla da podigne u tzv.parking orbitu na visini od 185 km teret mase oko 135 t, a na stabilniju nisku orbitu visine 230 km oko 125t. Koristan teret koji raketa može da podigne zavisi od vrste upotrebljenog goriva, kvaliteta motora i mase korpusa rakete i kreće se u odnosu na startnu masu od 2,2% do 4,5 % startne mase - ali i od geografske širine na kojoj je lansirni poligon, tj. što je bliže ekvatoru veća je obimna brzina rotacije Zemlje i lakše je postići prvu kosmičku brzinu.
SSSR je sa zakašnjenjem od 2,5 godine razvijao raketu N1, startne mase 2375 t i nosivosti 95 t u nisku orbitu. Prvi stepen je pokretalo čak 30 motora NK15, ukupnog potiska preko 45 MN. Ti motori su bili raspoređeni u bazi rakete tako što je 6  bilo u centru a po obodu je bilo 24 vektorski upravljivih motora. Ova raketa je, posle neuspelih lansiranja prerano napuštena i sigurno da bi kasnije,r azvojem sistema upravljanja i računarske tehnologije, problemi nastali neusklađenim radom velikog broja motora koji su dovodili do havarija rakete bili rešeni, ali tada u SSSR nije bilo političke volje za nastavkom tog projekta.
Višedecenijski projekt NASA “Spejs Šatl”, na osnovu startne mase celog kompleksa od 2050 t i motora bustera i motora na raketoplanu od 31 MN može se smatrati za džinovski lansirni sistem. Nosivost tereta od maksimalno 27 t u nisku orbitu ga ne uvodi direktno u tu kategoriju raketa nosača ali, ako se računa i masa raketoplana od 78 t, tj. ukupno 105 t spada u tu kategoriju. “Šatl” je bio sistem višekratnog korišćenja. Osim što su glavni motori RS-25 ponovo upotrebljavani, i busteri na čvrsto rorivo su spasavani  i reciklirani za upotrebu.

Raketa nosač “Energija” je prvi uspešan džinovski nosač koji je razvio SSSR. Startna masa celog kompleksa od 4 bustera i centralnog dela je bila 2400 t,potisak svih motora na startu je bio 35 MN a mogla je u nisku orbitu da podigne teret od preko 100 t lansiranjem sa Bajkonura. Da je lansirana sa kosmodroma bližeg ekvatoru, mogla bi da digne i više od 120t u nisku orbitu. Na prvom letu 1987. “Energija” je nosila prototip borbene orbitalne stanice SKIF-D(Poljus) koji greškom u programu nije uspeo da uđe u orbitu. Na drugom, raketoplan “Buran” je bez posade obleteo Zemlju i uspešno se spustio na pistu. Postojao je plan da se napravi i teža varijanta rakete “Energija” nazvana “Vulkan” koja bi imala 8 bustera, startnu masu od 4000 t i nosivost u orbitu od 160 t pa se može postaviti pitanje: kako bi izgledala istorija kosmičkih letova da se projekat ove rakete nastavio uspešno kako je i počeo?
Posle 34 godine od  lansiranja “Energije” poleće nova džinovska raketa NASA-e SLS (Space Launch System) u misiji “Artemis”, razvijena na osnovu tehnologije primenjene  u programu “Spejs Šatl”. Startne mase od oko 2700 t, potiska svih motora od 39 MN i nosivosti u nisku orbitu od 95 t - svakako spada u džinovske rakete nosače. U varijanti “block” 2 treba da podigne u Zemljinu orbitu teret mase 130 t.
Na osnovu svih do sada lansiranih raketa nosača, može da se postavi pitanje: koja je bila najveća i najmoćnija? Najveću masu na startu imao je “Saturn 5”, takođe i nosivost u nisku orbitu od oko 125 t. Tu mu konkuriše “Energija” koja je i najefikasnija raketa do sada zbog odnosa korisnog teret prema startnoj masi. Nesrećna “N1” je imala najveći potisak od 45 MN, najveće ubrzanje na startu kao i mogućnost da ponese znatno veći drugi stepen… ali, najuspešnija misija je ostvarena sa prvom džinovskom raketom, program “Apolo” sa “Saturnom 5”. Ove godine, 20. aprila je, sa prvim probnim lansiranjem, započet program “Starship”, tj. sa jednom sasvim novom raketom izrađenom po do sada neprimenjenoj  koncepciji i tehnologiji, koja je po startnoj masi od 5000 t i potisku motora od 74,5 MN daleko prevazišla sve navedene rakete nosače.

Dugo rađnje prvog zvezdanog broda

Kompanija “Space X” je do sada ostvarila izuzetne uspehe u kreiranju i proizvodnji sredstava kosmičke tehnike. Razvila je sopstvenu raketu nosač “Falcon 9” uključujući i njenu veću varijantu “Falcon 9 Heavy”, kosmičku kapsulu u varijantama za prevoz tereta i astronauta u Zemljinu orbitu i na ISS, kao i sistem komunikacionih satelita “Starlink”. Najveći uspeh je ostvaren vraćanjem prvih stepena raketa “Falcon 9” na Zemlju retroraketnim kočenjem uz precizno meko spuštanje na odgovarajući poligon.
Do sada je ostvareno 200 vraćanja prvog stepena, što je uspeh koji omogućava smanjenje cene lansiranja. Dok je trajao razvoj rakete “Falkon 9”, Ilon Mask je postavio novi daleko ambiciozniji cilj - stvaranje džinovske rakete nosača koja bi mogla da podigne u orbitu teret preko 150 t i omogući, primenom dopune gorivom u orbiti, let na Mars sa ljudskom posadom. Projekat nove rakete je polazio od koncepcije da ona bude dvostepena, pri čemu bi stepeni bili pogonjeni raketnim motorima tipa “Raptor” koji koriste tečni metan kao gorivo i tečni kiseonik. Oba stepena bi se vraćala na  Zemlju i koristila višekratno.
Projekat je prolazio kroz razne faze, pri čemu se menjali osnovni parametri u pogledu startne mase i broja motora kao i imena pojedine kocepcije. Prvi koncept takve rakete je nazvan “Mars colonial transporter” koji je brzo prevaziđen pa je usledio preambiciozni “Interplanetary transport system” sa startnom masom od 10500 t ,koji bi nosio u Zemljinu orbitu teret od oko 300 t u i to u varijanti višekratne upotrebe. Nova razmatrana varijanta nazvana BFR(Big Falcon rocket) je bila dvostruko manje poletne mase i na osnovu nje je nastala poslednja varijanta nazvana “Starship” pri čemu se drugi stepen naziva tim imenom dok je prvi nazvan jednostavno “Booster” (potiskivač).
Od 2019.počinje izgradnja eksperimentalnih drugih stepena i njihovo ispitivanje na poligonu Boca Chica na jugu Teksasa. Prva 4 prototipa “Staršipa” sa oznakom SN su razorena raznim testiranjima. Prototip SN 5 je uspeo da poleti i odmah vertikalno sleti na Zemlju. SN 8 je postigao visinu od 12.5 km ali je pri sletanju eksplodirao a slično se dogodilo i sa narednim lansiranjima. SN 12,13 i 14 su razoreni u cilju ispitivanja ali je SN 15 uspeo da ponovi let prethodnika i pored manjeg požara pri sletanju.
Konačni tehnički podaci za raketu “Starship” podrazumevaju ukupnu visinu od 120 m, oba stepena su jednake širine po 9 m i imaju ukupnu startnu masu od 5000 t. Prvi stepen nazvan “Super Heawy” ili “Booster” ima visinu od 69 m, ukupnu masu sa gorivom 3600 t i pokreću ga 33 motora “Raptor3” ukupnog potiska 74,5 MN. Motori su postavljeni na bazu rakete tako što su tri u centru, okruženi sa 10 motora koje opet okružuje 20 motora. Drugi stepen ima masu od 1300 t - prazan ima oko 100t a na šta se dodaje koristan teret mase od od 150 do 250 t. Visina mu iznosi 50m a zapremina prostora za teret iznosi oko 1000 m3. Pokreću ga 3 motora “Raptor 3”  i 3 motora “Raptor 3 Vacuum”. Oplata oba stepena je izrađena od nerđajućeg čelika koji može da izdrži temperturu od preko 1200C . “Starship” je prekriven šestougaonim pločama toplotne izolacije, na repnom i nosnom delu ima aerodinamičke površine (koje su takođe termički obložene) i kojima upravlja tokom leta kroz atmosferu (prilikom ulaska u atmosferu se sklapaju uz trup). Sopstveni sistem reaktivnog upravljanja RCS deluje preko većeg broja manjih mlaznika.

Raketni motori tipa “Raptor 3” rezultat su najvećeg tehnološkog napretka primenjenog na “Staršipu” i predstavljaju srž čitavog projekta. Njihov razvoj je tekao od prve koncepcije 2009. potom odvojenog ispitivanja svih komponenti, prvog paljenja prototipa motora, preko varijante 1,2 I, konačno, “Raptor 3” koja je postigla maksimalni potisak od 2,64 MN (tj.može da podigne sa Zemlje masu od 269t). “Raptor 3” motori koriste pothlađeni tečni metan i tečni kiseonik u odnosu 1:3,6 (ostaje manji višak metana) a maseni protok obe komponente je oko 650 kg/sek. Motor ukupne suve mase od 1,6 t ima dve pretkomore za delimično sagorevanje: jednu u koju se ubacuje višak metana a drugu sa viškom kiseonika (koja pokreće turbinu i pumpu za tečni kiseonik ostvarujući pritisak od oko 430 bara). Vreli metan i kiseonik (temperature od oko 707K i sa manjom količinom produkata sagorevanja iz pretkomora) ulaze u glavnu komoru. Pritom dolazi do spontanog paljenja i dostiže se pritisak oko 300 bara, sa mogućnošću da se poveća i na 350 bara, što predstavlja rekordnu vrednost u odnosu na sve prethodne raketne motore. Specifični impuls,tj. brzina izlaska vrelih gasova iz mlaznice iznosi 3,56 km/sek u vakuumu. Metan se koristi i za hlađenje komore i mlaznice a mala količina  gasovitog metana i kiseonika se vraća u njihove rezervoare da održi pritisak od oko 4 bara. Od 6 motora, na “Starshipu 3” su  varijanta “Raptor 3 Vacuum” sa znatno većim mlaznikom.

Prvi probni let rakete

Na poligonu Boca Chica, pripreme za prvo lansiranje džinovske rakete su završene kada su mehaničke ruke na lansirnom tornju podigle staršip SN24 na buster BN7, da bi potom usledilo punjenje gorivom i kiseonikom dan pre planiranog lansiranja. Prema planu, prvi stepen je trebalo da, posle obavljene funkcije ubrzanja cele rakete i odvajanja staršipa 2 min i 52 sek od starta, počne proceduru ponovnog paljenja motora i usporavanja kao da je u pitanju kontolisano spuštanje sa retroreaktivnim kočenjem - da bi posle 8 minuta pao u vode Meksičkog zaliva, u predviđenu oblast, oko 32 km od mesta lansiranja. Drugi stepen trebalo je da, posle 9 min i 20 sek postigne teoretsku orbitu (pretpostavljenu da nema kočećeg otpora Zemljine atmosfere) sa udaljenošću od površine Zemlje 50x250 km. Posle 1 sat i 17 min, ulaskom u atmosferu počev od visine od oko 100km, “Starship” bi počeo da kontrolisano vrši aerodinamičko kočenje, što bi bio i  test njegovog toplotnog štita, da bi, smanjivši brzinu ispod brzine zvuka, pao u vode Tihog okeana, oko 100 km severno od havajskog ostrva Kauai.

Lansiranje je obavljeno 20. Aprila. Praćena pogledima brojnih posmatrača, raketa se uspešno odvojila od lansirne rampe i, naizgled stabilno, ubrzavala i gubila se u nebeskom plavetnilu. Prošla je fazu najvećeg opterećenja, ali se videlo da nekoliko motora ne rade. Ispostevilo se da tri motora nisu ni bila upaljena na samom startu, i da je u 27. sekundi leta izgubljen kontakt sa još jednim motorom a u 65 sekundi nisu radila 6 motora! I pored toga raketa je održavala stabilnost ali su potom otkazala još dva motora i u 85. sekundi otkazao je sistem upravljanja vektorima potiska svih centralnih 13 motora. Raketa je nastavila da se penje da bi, na visini od 39 km, upala u nekontrolisano tumbanje i počela da pada.
Aktiviran je sistem za uništavanje rakete ali on nije delovao i raketa je nastavila da pada u plamenu još 40 sekundi, do visine od 29 km kada je eksplodirala, 3 minuta i 59 sekundi od starta. Pri startu, potisak 30 motora je razorio betonsko postolje sa kojeg je poletela jer nije postojao sistem za hlađenje vodom kao na LC 39 na Kejp Kenediju. Komadi betona su leteli stotinama metara a digao se i veliki oblak prašine. Rezervoari za tečni azot (kojim se hlade tečni metan i tečni kiseonik) su oštećeni ali nije bilo veće štete niti je iko stradao. Komentari koji su usledili su bili podeljeni: da li je prvo lansiranje uspeh ili neuspeh? Uspešno svakako nije bilo prema onome šta je planirano jer je raketa završila u ekploziji. Ilon Mask nije bio sasvim nezadovoljan jer je ipak obavljeno prvo lansiranje, raketa je i sa otkazom nekoliko motora jedno vreme održavala stabilnost. Razvoj njegove rakete “falcon 9” i pogotovo retroreaktivno spuštanje njenog prvog stepena odvijali su se kroz havarije i eksplozije, učilo se na greškama koje su otklanjane sve dok sistem nije postao potpuno operativan i siguran.

Pripreme za drugo lansiranje i veliki planovi za budućnost

 Posle prvog lansiranja džinovske rakete, Ilon Mask je optimistički izjavio da će naredno lansiranje uslediti za nekolio meseci. Narednih mesec dana, radna operativa na kosmodromu Boca Chica je iznenađujućom brzinom uklonila posledice oštećenja koje je izazvao start rakete. Popravljeno je betonsko postolje sa kojeg poleće raketa i ono je obloženo čeličnim panelima kroz koje treba da protiče voda u cilju hlađenja a postavljen je i sistem prskalica koje treba da poplave podnožje postolja i spreče da ga plamen rakete ponovo rastopi i raznese. Takođe, popravljeno je   oštećenje na tankovima za tečni azot  i druga manja oštećenja na kosmodronu. Početkon juna, Mask je izjavio da će naredno lansiranje uslediti za 6-8 nedelja. U cilju da se to postigne, počele su statičke provere i pripreme staršipa SN25 i bustera BN9 koji ima, umesto hidrauličnih, električne sisteme upravljanja vektorom potiska raketnih motora “Raptor”. U toku su i analize svih otkaza koji su doveli do havarije na prvom probnom letu. Razmatra se i drugačiji sistem odvajanja staršipa od bustera kao i sistem uništenja u slučaju da opet nešto pođe ka nekontrolisanom ishodu.
Ilona Maska čeka i težak posao da dokaže FAA(Federal Aviation Administration, Američka savezna uprava za civilno vazduhoplovstvo) koja izdaje dozvole i licence (uključujući i dozvolu za lansiranje rakete) da su sve neispravnosti uklonjene i da naredno lansiranje neće imati štetne posledice. S obzirom da je dobio takvu dozvolu za prvo lansiranje i da se ono završilo havarijom, očekuje se da FAA inspektori ovog puta budu strožiji. Ilon Mask i “Space X” imaju veoma ambiciozne planove jer niz inovacija treba da se primeni a predstoji dug put ka ostvarenju višekratne primene staršipa i bustera. Inovacija koja prevazilazi naučnu fantastiku je sistem hvatanja oba stepena (nazvan mechazilla) kada se mehaničkim rukama na lansirnoj rampi prvo hvata buster koji se retroraketno verikalno vraća na samo startno mesto i postavlja ga na postolje. Potom hvata i “staršip” koji vrši isti manevar i postavlja ga na buster da bi, posle punjenja gorivom, bili spremni za ponovni start. Ovim postupkom bi se uštedelo na masi mehaničkih nogu (koje ima “Falcon 9”) u korist korisnog tereta.
U toku je izgradnja staršipova do SN30. Mask je spreman da ostvari i do 100 lansiranja staršipa bez posade pre lansiranja astronaut, ali teško da će uspeti da ostvari lansiranje staršipa adaptiranog u lunarni modul prema planu za slanje posade na Mesec u misiji “Artemis”, decembra 2025.  NASA razmatra primenu adaptiranog “Starshipa” u svoju sledeću orbitalnu stanicu s obzirom da on ima unutrašnji raspoloživi prostor od 1000m3,  koliko ukupno ima i 16 modula za posadu međunarodne orbitalne stanice ISS. Za sada ipak treba sačekati to drugo lansiranje.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"