Raketos ir startūnai

Raptor, Merlin, EM Drive varytuvas, startūnas – įdomūs dalykai su idėjomis kosmosui

Startūnas

Kuro ir oksidatoriaus deginimo principu veikiantieji raketiniai kompleksai tebėra svarbiausios erdvėlaivių startavimo priemonės, nes ir po 60 metų astronautikos raidos branduolinių, elektromagnetinių, fotoninių varytuvų pritaikyti dar nepavyksta.

Sudarytus iš raketinių varytuvų keliose pakopose, kuro ir oksidatoriaus padavimo į juos sistemos, gigantiškų bakų pripildomų prieš startuojant, erdvėlaivio (naudingojo krovinio) kompleksus galėtume vadinti terminu startūnas. Intensyviai degindami kurą, jie veikia kelis šimtus sekundžių, kol ištuština bakus ir atsiskiria 70-80 km aukštyje (I-ji pakopa) bei pasiekę orbitą.

Tai kas buvo akivaizdu ilgą laiką – padaryta. Pirmoji Falcon pakopa gražiai nutūpė ant laivo „Of Course I Still Love you”…

Tobulinant startūnus (ypač ekonominiu atžvilgiu – mažinant starto išlaidas) pradėta pakartotinai naudoti nors didžiąsias (pirmąsias) pakopas. Pirmieji sėkmingai įgyvendino šią idėją E.Musk SpaceX raketininkai 2015 m.

Varytuvas

Jie tobulina ir varytuvus Merlin bei Raptor, gerindami tokias savybes kaip stūmumas, savitasis impulsas, tūtų plėtumas bei mažindami brangumą (1 kg krovinio gabenimo išlaidas – nuo 15 000 – 20 000 USD iki 9 000 – 11 000 USD). Terminas varytuvas tai raketinis variklis arba startūno varytuvas.

Merlin 1D varytuvai SpaceX gamyklojeIš Merlin 1D varytuvų sukomponuotas octaweb Falcon startūnas

Raptor varytuvas

Raptor varytuvas sėkmingai testuotas 2016 rugsėjo 25 dieną

Varytuvas Merlin ir varytuvas Raptor. Palyginimui pateiktas žmogaus dydis bei varytuvas BE-4

Raptor varytuvų naujovės:

1) viso srauto uždaro veikimo ciklas, gazifikuojant ir kurą, ir deguonį bei panaudojant turbinose atidirbusias dujas;

2) kuru parinktas pigesnis metanas, pasižymintis palankesne skystėjimo temperatūra (112 K) ir tankiu (0,82 t/m³) – nedaug didesnis bakas; mažesniu peleningumu (lengviau paruošti pakartotinam naudojimui);

3) apie 40 % detalių gamina 3D spausdinimu.

Varytuvas ir projektai

Gudriai oksidatoriaus problemą sprendžia SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine – sinergetinis oru kvėpuojantis varytuvas), kuris kildamas ima deguonį iš atmosferos bei degindamas vandenilį žada 667 kN stūmą už 1 400 USD/kg.

SABRE varytuvus tobulina Jungtinė Karalystė ir Indija

Idėją dar 1955 metais pasiūlė Robert P. Carmichael. Panašiai idėją tobulina ir Indijos AVATAR (Aerobic Vehicle for Transatmospheric Hypersonic Aerospace TrAnspoRtation).

Raketų ir startūnų savybės:
stūmumas = stūma/masė (varytuvams – sausa masė, startūnams bendra su kuru masė);
savitasis impulsas = 1 N stūmos jėgos išvystymo trukmė sekundėmis sudeginus 1 kg kuro;
tūtos plėtumas = Smax/Smin – didžiausio ir mažiausio skerspjūvių plotų santykis, nuo kurio priklauso naudingumas.

Varytuvų rodikliai

* – atmosferoje/vakuume, ** – RP-1/LOX – žibalas/skystas deguonis; CH₄ – skystas metanas; CH₂ – skystas vandenilis;

EM Drive varytuvas

Pastaruoju metu tobulinamas ir neįmanomu vadintas mikrobanginis rezonansinės ertmės varytuvas EM Drive (2014 metais NASA patvirtino „neįmanomą” stūmą), veikiantis visiškai kitaip nei galybes kuro deginantieji ir mases išmetantieji dabartiniai startūnai bei mažų išmetalų joniniai greitintuvai.

Galbūt šis EM Drive varytuvas bus ateities kosminių kelionių pagrindas

EM Drive 2001 m. išrado R.Shawyer ir pristatė kaip be kuro veikiantį bei jokio srauto neišmetantį varytuvą. Jame magnetronas, gaunantis energiją iš akumuliatorių ar Saulės elementų, skleidžia mikrobangas į uždarą nupjautinį kūgį, kur sąveikaujant su sienelėmis ir kintant dalelių inertiškumui, susidaro stūmos jėga.

Rodžerio Šojerio išradimas atrodo neįmanomas, tačiau įvairių tyrėjų grupių atlikti testai patvirtina „neįmanomo” galimybę

2001 metais R. Šojeris bandymams iš Jungtinės Karalystės  gavo 45 000 svarų grantą ir 850 W magnetronu išvystė 16 mN stūmą.

Testuojami EM Drive varytuvai

Nuo 2008 m. profesorė Yang Juan (Kinija, Šiaurės vakarų Politechnikos Institutas) su komanda konstruoja savo versijos EM Drive.

Varytuvas EM Drive buvo testuotas ir profesorės Yang Juan, testų rezultatai labai geri

2012-2014 metais ši komanda atliko testus ir 80-2500 W magnetronu išgavo 70-720 mN stūmą (matavimų paklaidos – mažiau nei 12 %). Pagal Science and Technology Daily paskelbtą informaciją, magnetronas nuo 2016 metų pabaigos testuojamas Kinijos orbitinėje stotyje Tiangong-2.

NASA EM Drive varytuvas kosmose

2016 metų gruodyje buvo pranešta, jog ir JAV Oro pajėgos atlieka EM Drive testus slaptame nepilotuojamame erdvėlaivyje X-37B, kuris paskutinėje misijoje apie Žemę skriejo 674 paras.

Slaptų misijų erdvėlaivis X-37B. Atkreipkite dėmesį į DARPA užrašą

2008 metų kovo 23 dieną Rusijos Kosminių Sistemų tyrimų institutas pranešė apie makropalydovo Jubileinij (Jubilee) su EM Drive varytuvu paleidimą į orbitą iš Plesetsko kosmodromo.

2015 m. G. Fetta Cannae sukūrė kitokios rezonansinės ertmės Al sienelėmis variantą, teikiantį 1,2 mN/kW (atmosferos sąlygomis) ir projektuoja o4,8×10 m didumo 10 t masės erdvėlaivį su 4 kW Saulės baterija.

2017 m. Šojeris patentuoja superlaidinį EM Drive ir žada bent 10 kN stūmos, o kol kas mėgina pritaikyti 555 000 t supertanklaiviui „Batillus“.

Tačiau lig šiol nėra visuotinai priimtinos EM Drive teorijos, tad daugelis mokslininkų abejoja galimybių realumu. Tiesa, M.McCulloch mėgino aiškinti mįslinga Unruh radiacija ir inercijos kaita, bet nelabai įtikinamai.

Elektrinis, plazminis varytuvas

Greta su ksenono jonų generatoriumi mikrobanginį ciklotroną pritaikė HiPEP (High Power El Propulsion) varytuvas, teikiantis 670 mN stūmą, vartojant 39 kW galią ir 7 g/s ksenono. Beje, šis varytuvas turi didžiausią savitąjį impulsą, net 9620 sekundžių. HiPEP projektas inicijuotas Jupiterio mėnulio tyriklio kūrimo metu, tačiau  uždarytas 2005 metais.

HiPEP įrenginio testavimas

PEPL (Plasmadynamics and Electric Propulsion Lab) sukūrė ir bando per 30 elektrinių varytuvų, tarp jų – ir mažesnių, pvz, 5.2 kg masės 15x17x22 cm didumo 6000 val resurso 1765 s impulso.

Kita laboratorija ASPL (Advanced Space Propulsion Lab) – plazminį varytuvą VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), iš kurio tūtos 5800 K plazma srūva net 50 km/s greičiu.

Išradėjas P. Neumann patobulino HiPEP iki 11000 s savitojo impulso ir netrukus bandys Tarptautinėje Kosminėje stotyje.