Hogyan tovább?
(Rovat: Vélemények, Orion, Ares, SLS - 2009.12.21 09:00.)

A Constellation program keretében felvázolt rakétafejlesztési elképzelések talán korántsem a legjobb alternatívák a jövő amerikai űrhajózása számára.

Először is vizsgáljuk meg azt, hogy miből is indultak ki amerikai barátaink, amikor megszületett a rajzasztalon az Ares rakétacsalád.

Nos, költségcsökkentési megfontolásokból úgy döntöttek, hogy a Space Shuttle illetve egyéb létező eszközök (például a Delta-4 hordozórakéta) technológiáit átvéve építik meg az új hordozórakéta-rendszert. Ezzel megszületett az úgynevezett Shuttle Derived Launch Vehicle (röviden SDLV) kategória. Viszont formailag szinte teljesen szakítani kívántak a Shuttle jelenlegi felállásával, és két egymástól és az űrrepülőgép rendszerétől is jelentősen különböző formájú és teljesítményű hordozórakéta megalkotása mellett döntöttek. Az Ares-I és az Ares-V a nevezett két rakéta: magalkotásuk szükségképpen drága és időigényes (lesz a továbbiakban is), viszont technológiai értelemben nem fognak jelentős előrelépést képviselni, mivel döntő többségében meglévő technológiákból fogják összerakni őket. A szükséges infrastrukturális fejlesztések is rengeteg pénzt fognak felemészteni: átépített 39A, 39B indítóállás, új mozgatható indítóállványok, belsőleg átépített járműszerelő csarnok… tehát a jelenlegi elképzelések nagyon sok anyagi áldozatot kívánnak meg.

Vegyük most nagyító alá magukat a rakétákat. Két meghajtási módot kívánnak átültetni beléjük: az űrrepülőgépek főhajtóműveinél (is) használatos folyékony hidrogén/folyékony oxigén meghajtást, illetve a szilárd tüzelőanyagú gyorsítórakétákét (ez utóbbiakat hosszban, tehát teljesítményben megnövelve). A hidrogén/oxigén meghajtásnak nagyon jó a fajlagos tolóereje, viszont az ilyen üzemanyaggal működő hajtóművek tengerszinten nem képesek nagy tolóerőt kifejteni, csak nagyobb magasságban. Így ez a meghajtás csak második és harmadik rakétafokozatoknál ideális megoldás.

Az űrrepülőgép főhajtóműve földi tesztelés során.

A szilárd hajtóanyagú gyorsítórakéták (Solid Rocket Booster, a továbbiakban: SRB) egyetlen nagy előnye a nagy tolóerő tengerszinten is, viszont a fajlagos tolóerejük csapnivalóan rossz, és a működésükkor keletkező égéstermékek nagyon nagy mértékben környezetszennyezőek (ellentétben a hidrogén/oxigén meghajtással, ami semleges vízgőzt termel). Így tehát ezen meghajtási mód nem ideális, az űrrepülőgép esetében azért került be a rendszerbe, mert kellően nagy tolóerőt tudott biztosítani a járműnek a felszállás kezdeti szakaszában. Illetve volt még egy szempont: egyszerűbb és olcsóbb volt kifejleszteni, mint folyékony hajtóanyagú gyorsítórakétákat, ráadásul ez az alkalmazás teljesen újnak számított az űrhajózásban annak idején.

Van még egy meghajtási mód, amelyről említést kell tennünk. Ez pedig a kerozin/folyékony oxigén meghajtás. Például a Saturn rakéták első fokozatai használták ezt a módot. Hogy miért? Ugyan e meghajtásmód fajlagos tolóereje elmarad a hidrogén/oxigén meghajtásé mögött, de messze meghaladja az SRB-k fajlagos tolóerejét, mindamellett, hogy tengerszinten is kellőképpen nagy tolóerőt képesek kifejteni az ilyen meghajtású rakétahajtóművek. Tehát ezen meghajtási technológia leginkább első rakétafokozatokhoz ideális, de például Oroszország Szojuz típusú hordozórakétájának összes fokozata a kerozin/oxigén meghajtást használja. Ez a meghajtási mód is környezetszennyező ugyan, de korántsem annyira, mint az SRB-k égéstermékei. Kevesebb megterhelést ró a környezetre a használatuk, ráadásul még a fajlagos tolóerejük is meghaladja az SRB-k fajlagos tolóerejét.

Miért kívánja átvenni a NASA a hidrogén/oxigén meghajtást a továbbiakban is? Azért, mert az új rakéták jó hatékonyságának szinte elengedhetetlen feltétele, hogy használják ezt a meghajtási módot. Na és mi a helyzet az SRB-k átvételével? Két fő oka van: az egyik az, hogy újrafelhasználhatóak, a másik az, hogy az űriparon belül rengeteg embert tart el a használatuk. És mindenképpen szükség is van plusz tolóerőre a rakétánál, mivel a hidrogén-oxigén meghajtás tolóereje nem elégséges tengerszinten.

A Shuttle-program kezdetekor még úgy gondolták, hogy a sűrű felszállások alacsonyan fogják majd tartani a gépek üzemeltetésének a költségét. Nos, nem jött be ez az elgondolás: a Shuttle hihetetlenül bonyolult technikai hátteréből következő műszaki nehézségek eredményeképpen még havi rendszerességgel történő felszállásokkal sem képes üzemelni a flotta. Így tehát a NASA nem képes profitálni az SRB-k újrafelhasználhatóságából, egy-egy útra majdnem annyi pénzt emészt fel az SRB-k felkészítése, mintha minden alkalomhoz újat kellene előállítani…

Mire kívánok rámutatni? Sokkal jobb alternatívának mutatkozik az újonnan megépíteni kívánt rakétacsalád számára a kerozin/oxigén meghajtás, mint az SRB-k átvétele. Egyrészt azért, mert képes ugyanúgy megfelelő tolóerőt szolgáltatni tengerszinten. Másrészt azért, mert jobb a fajlagos tolóereje és kevésbé környezetszennyező. Harmadrészben pedig azért, mert a folyékony hajtóanyagú első fokozatokat is meg lehet tervezni és építeni újrafelhasználhatónak (a küszöbön álló Falcon-9 rakéta így fog majd üzemelni). Ráadásul az SRB-k még egy, esetleg másfél szegmenssel való meghosszabbítása is pénzeket emésztene fel a büdzséből, szóval csak relatíve olcsóbb dolog az átvételük.

Valószínűleg sokkal jobban tenné az NASA, ha az Ares-I helyett egy olyan rakétát fejlesztene ki a „kisebb nagyrakéta” kategóriában, ami az egykori Saturn-IB „újjászületése” volna. Címszavakban: kerozin/oxigén meghajtású első fokozat, hidrogén/oxigén meghajtású második fokozat, és 25-30 tonna szállítási teljesítmény alacsony Föld körüli pályára. Az első fokozat leválása után ejtőernyők segítségével sérülésmentesen éri el az Atlanti-óceán vizét, így tehát kisebb szervizelés után újrafelhasználható a későbbiekben. A második rakétalépcső egyszer felhasználható volna. Ennek a hordozóeszköznek többe kerülne a kifejlesztése ugyan, mint az Ares-I-nek, de a későbbiekben jobb és korszerűbb megoldás volna.

Az Apollo-7 indulása 1968 októberében, Saturn-IB rakétával. A kerozin/oxigén meghajtás jelesre vizsgázott.

A „nagyobb nagyrakéta” kategóriában is lehetne építkezni ennek az elvnek az átvételével. Az Ares-V helyett épülhetne tisztán folyékony hajtóanyagú nehézrakéta. Két fokozatból épülne fel: mindkettő megegyezne méreteiben az egykori Saturn-V első két fokozatával. Az új rakéta első fokozata kerozin/oxigén meghajtású lehetne, fékezőernyő-rendszer segítségével a többszöri felhasználása is megoldható volna. A második fokozata a kisebbik rakéta második rakétalépcsőjéhez hasonlóan hidrogén/oxigén meghajtású és egyszer használatos lenne.

A Skylab űrállomás indítása 1973 májusában kétfokozatú Saturn-V hordozórakétával. Az első két fokozat teljesítménye bőven elegendő volt a 77 tonnás (!) égi laboratórium 435 km magas Föld körüli pályára állításához…

Amennyiben ezeket a rakétákat újonnan fejlesztett, korszerű hajtóművekkel szerelnék fel, és a testük megépítésénél újonnan fejlesztett anyagokra (fémötvözetekre) és újonnan kidolgozott rakétaépítési technikákra fektetnék a hangsúlyt, valóban tartalmilag is új rakéták születnének meg. Ezen új rakéták színre lépése valóban komoly előrelépés volna technológiai szempontból, valamint ugyanazokat a feladatokat talán még jobban is el tudnák látni, mint a jelenleg tervezett Ares rakéták (például kevésbé lennének környezetszennyezőek).

Magyarán szólva az SRB-ket be kellene rakni a múzeumba, és elővenni az egyszer már jelesre vizsgázott kerozin/oxigén meghajtást a hidrogén/oxigén meghajtás komplementerének. Még pontosabban fogalmazva elvetni a Shuttle Derived Launch Vehicle elképzelést, és megalkotni a Saturn Derived Launch Vehicle koncepciót. Az egyszer már tökéletesre vizsgázott Saturn rakétacsalád mintájára kellene az új hordozórakétákat megalkotni, többször felhasználható első fokozattal, újonnan fejlesztett hajtóművekkel, modernebb anyagokból, fejlettebb rakétaépítési technikával az Orion űrhajó és az új Holdkomp illetve egyéb hasznos terhek hordozására.

Ezen rakéták kifejlesztése többe kerülne, de „nagyobb dobás” volna a megalkotásuk, és a közeljövő számára tervezett összes célkitűzést el tudná érni a segítségükkel az amerikai űrhivatal. A kisebb rakéta képes volna az Ares-I feladatit ellátni, tehát az Orion űrhajót illetve nagyobb tömegű műholdakat alacsony Föld körüli pályára szállítani. Ezen kívül az üzemeltetése sem kerülne többe, mint az Ares-I használata, viszont sokkal fejlettebb hordozóeszköznek számítana, mint a kisebbik Ares. A nagyobbik rakéta nagyon nagy tömegű mesterséges égitesteket volna képes a kozmoszba juttatni, akárcsak az Ares-V (például a tervezett James Webb-űrteleszkópot), de nem volna drágább az üzemeltetése és szintén fejlettebb hordozóeszköz lenne, mint a nagyobbik jelenleg tervezett Ares rakéta. Képes volna egy esetleges Mars-űrhajó alkotóelemeit felhordani az alacsony Föld körüli pályára (szinte bizonyosnak látszik, hogy a majdani Mars-űrhajót a Föld körüli keringésben kell majd összeszerelni).

A két javasolt hordozóeszköz alkalmas volna kiszolgálni a tervezett Holdra szálló küldetéseket a jelenleg érvényben lévő elképzelések szerint. A nagyobbik rakéta felvinné Föld körüli pályára az új Holdkompot és a gyorsítófokozatot (Earth Departure Stage, röviden: EDS), a kisebbik rakéta szállítaná az Orion űrhajót a legénységgel. Ezt követően minden úgy menne tovább, ahogyan a jelenlegi elképzelésekben le van fektetve…

Figyelem: nem azt mondom, hogy a Saturn rakéták gyártását kellene újrakezdeni, hanem azt, hogy a mintájukra kellene megépíteni újonnan fejlesztett hordozórakétákat. Ezen fejlesztések több anyagi áldozattal járnának, és több időt emésztenének fel, mint a jelenleg futó Ares-koncepció megvalósítása, de jobb eszközök kerülnének megalkotásra általuk. Valóban meg tudná a NASA haladni a hordozóeszközök tekintetében is a Space Shuttle évtizedeit, és rendelkezésre állna egy olyan hordozóeszköz-család, amely akár a XXI. század első felében végig képes volna minden szempontból megfelelően kiszolgálni az amerikai űrhajózási elképzeléseket.