TSTO spaceplanes



εισαγωγή

Έως τώρα με εξαίρεση το διαστημικό λεωφορείο η συντριπτική πλειοψηφία των διαστημικών προγραμμάτων βασίζεται σε αναλώσιμους κάθετα εκτοξευμένους πυραυλικούς φορείς. Οι τελευταίοι εκτός από μεγάλο κόστος είναι δύσχρηστοι και απαιτούν αρκετές μέρες ή και μήνες προετοιμασίας για μια επιτυχή εκτόξευση.
Το ιδανικό ίσως θα ήταν ένα όχημα που θα μπορούσε να απογειωθεί σαν κανονικό αεροπλάνο, να φτάσει σε τροχιά τοποθετώντας το φορτίο του και να προσγειωθεί σαν κανονικό αεροπλάνο, ένα τέτοιο σύστημα θα συνδύαζε την ευελιξία ενός αεροπλάνου με μικρό κόστος μιας και θα ήταν πλήρως επαναχρησιμοποιήσιμο αλλά απαιτεί τεράστια εγκατεστημένη ειδική ισχύ και είναι μάλλον μεγάλο βήμα σε σχέση με την σημερινή τεχνολογία.

Τα παρακάτω σχέδια αποτελούνται από συστήματα 2 σταδίων (Two Stage To Orbit - TSTO), ένα αεροσκάφος μεταφορέα και ένα τροχιακό μικρότερο σκάφος. Το πρώτο αναφέρεται σε μια αίτηση ευρισιτεχνίας της Boeing στην οποία παρουσιάζονται 2 παραλλαγές, το δεύτερο είναι το προερχόμενο από το ΧΒ-70 σύστημα Blackstar και το τρίτο το -ακυρωμένο σήμερα- rascal της DARPA.



Boeing Horizontal-takeoff transatmospheric launch system

Η παρακάτω ανάλυση βασίζεται σε έγγραφο ευερισιτεχνίας της Boeing που κατατέθηκε το 1989 (US 4,802,639). Το σύστημα αυτό περιγράφεται σε δύο εκδόσεις, η μία με τροχιακό σκάφος που χρησιμοποιεί πυραυλοκινητήρα υγρών καυσίμων και η άλλη με τροχιακό σκάφος με κινητήρες scramjet. Το μητρικό σκάφος-φορέας είναι παρόμοιο στις δύο περιπτώσεις.

Το μητρικό σκάφος είναι αρκετά μεγάλο, έχει 8 κινητήρες jet και έναν πυραυλοκινητήρα υγρών καυσίμων. Οι δεξαμενές καυσίμου για τον πυραυλοκινητήρα είναι τοποθετημένες στο εμπρός μέρος της ατράκτου και για τους στροβιλοκινητήρες στα φτερά. Οι στροβιλοκινητήρες είναι τοποθετημένοι σε δύο τετράδες και σαν προτεινόμενος κινητήρας αναφέρεται ο F101 της GE. Εδώ αξίζει να αναφερθεί πως το βομβαρδιστικό Β-1Β των 2,2mach έχει 4 τέτοιους κινητήρες. Ο πυραυλοκινητήρας είναι τοποθετημένος στην απόληξη της ατράκτου στην μέση και προτείνεται για χρήση ένας SSME (space shuttle main engine - Rocketdyne) του διαστημικού λεωφορείου ο οποίος χρησιμοποιεί για καύσιμα υγρό υδρογόνο και οξυγόνο ενώ η ώση του είναι ελέγξιμη ανά πάσα στιγμή (throttlable).



Ανάμεσα στα ατρακτίδια των στροβιλοκινητήρων στο κάτω μέρος της ατράκτου υπάρχει μια κοιλότητα όπου μεταφέρεται σύμμορφα το τροχιακό σκάφος. Η κοιλότητα αυτή είναι αρκετά μεγάλη για να το χωράει σχεδόν ολόκληρο. Έτσι μιας και το τροχιακό σκάφος έχει δικό του σύστημα τροχών μπορεί εύκολα να τοποθετηθεί στο μητρικό στο έδαφος απλώς τροχοδρομώντας πίσω του.





Το τροχιακό σκάφος έχει πτέρυγες και δικό του σύστημα προσγείωσης όπως προαναφέρθηκε. Χρησιμοποιεί και αυτό έναν πυραυλοκινητήρα υγρών καυσίμων (πάλι SSME) και έχει τον χώρο αποθήκευσης φορτίου ανάμεσα στις δεξαμενές καυσίμων. Για ελιγμούς έξω από την ατμόσφαιρα αλλά και για την αποδέσμευση από τροχιά έχει τέσσερις μικρότερους πυραυλοκινητήρες.




Προφίλ πτήσης

Τα δύο αεροσκάφη συνδεδεμένα απογειώνονται μαζί, οριζόντια σαν ένα κλασσικό αεροπλάνο με χρήση μόνο των 8 στροβιλοκινητήρων του μητρικού σκάφους



Σε ύψος 30.000ft και με ταχύτητα 0.85 mach ενεργοποιούνται και οι δύο πυραυλοκινητήρες..

Εδώ αξίζει να σημειωθεί πως όπως είπαμε και πριν οι δεξαμενές καυσίμων των πυραυλοκινητήρων σε μητρικό και τροχιακό σκάφος είναι διασυνδεδεμένες έτσι ώστε να καταναλίσκονται τα καύσιμα από την δεξαμενή του μητρικού σκάφους και κατά τον διαχωρισμό το τροχιακό σκάφος να έχει πλήρως γεμάτες τις δεξαμενές του



Σε ύψος 103.000ft και με ταχύτητα 3,3mach γίνεται ο διαχωρισμός. Για να διαχωριστούν με ασφάλεια τα δύο σκάφη ο πυραυλοκινητήρας του μητρικού σκάφους μειώνει την ώση του ώστε να υπάρχει διαφορά ώσης μεταξύ των δύο σκαφών. Έτσι το τροχιακό σκάφος ωθείται προς τα εμπρός και ταυτόχρονα αρχίζει και απομακρύνεται μιας και λόγω της σύνδεσής του με τους δύο βραχίονες αναγκαστικά για να κινηθεί εμπρός τα σημεία σύνδεσης θα ακολουθήσουν τόξο κύκλου. Τα σημεία σύνδεσης στην επιφάνεια του τροχιακού σκάφους είναι φτιαγμένα έτσι ώστε μόλις εκταθούν οι βραχίονες πέραν μια συγκεκριμένης γωνίας (σχεδόν 90 μοίρες, κάθετα) να απελευθερώνουν το τροχιακό σκάφος που συνεχίζει πλέον (και με γεμάτες δεξαμενές) μόνο του την άνοδο.



Το μητρικό σκάφος πλέον συνεχίζει την άνοδό του έως το ύψος των 127.000ft και με την ταχύτητα να έχει πέσει στα 2.84 mach και αρχίζει την κάθοδο ώστε να προσγειωθεί σαν κανονικό αεροσκάφος..

Το τροχιακό σκάφος συνεχίζει την άνοδο έως ότου εισέλθει σε τροχιά. Εκεί αφού εκτελέσει την αποστολή του με τον κατάλληλο ελιγμό αποδεσμεύεται και εισέρχεται και πάλι στην ατμόσφαιρα ακολουθώντας ένα προφίλ πτήσης μεγάλης οπισθέλκουσας για να μειώσει ταχύτητα (όπως το διαστημικό λεωφορείο) και εν τέλη ανεμοπορεί μέχρι τον διάδρομο προσγείωσης.

Έκδοση με scramjet.

Στην έκδοση αυτή του συστήματος το μητρικό σκάφος είναι ίδιο με αυτό που περιγράφηκε πιο πάνω αλλά αντί για έναν πυραυλοκινητήρα έχει δύο (πάλι SSME προτεινόμενοι).

Το τροχιακό σκάφος είναι επίσης με πτέρυγες αλλά αντί για πυραυλοκινητήρα χρησιμοποιεί scramjet σαν κύριο κινητήρα και φυσικά δεν χρειάζεται να μεταφέρει οξειδωτικό (όπως το υγρό οξυγόνο) αλλά μόνο καύσιμο μιας και χρησιμοποιείται το οξυγόνο της ατμόσφαιρας.. Έχει επίσης έναν μικρό πυραυλοκινητήρα για τους τροχιακούς ελιγμούς.



Το προφίλ πτήσης είναι λίγο διαφορετικό λόγω της απαίτησης του scramjet σε αέρα για την λειτουργία του. Στην περίπτωση αυτή η απογείωση είναι όπως και πριν κανονικά ενώ οι πυραυλοκινητήρες ενεργοποιούνται στο ίδιο ύψος και ταχύτητα (30.000ft / 0,85mach) ενώ λίγο αργότερα στα 80.000ft και με ταχύτητα πλέον 2,5 mach εκκινεί και ο scramjet. Χάρις την μεγαλύτερη εγκατεστημένη ώση (πάλι 2 SSME αλλά και ο scramjet) στα 90.000ft (αντί 103.800ft) και με ταχύτητα 3.3mach πάλι γίνεται με τον ίδιο τρόπο ο διαχωρισμός.



Το μητρικό σκάφος έκτοτε κατευθύνεται προς προσγείωση ενώ το τροχιακό με τον scramjet σε λειτουργία, επειδή ο κινητήρας δεν μπορεί να λειτουργήσει σε ύψος μεγαλύτερο των 40 μιλίων λόγω πολύ αραιής ατμόσφαιρας πρέπει έως το υψόμετρο αυτό να έχει αποκτήσει ταχύτητα μεγαλύτερη της τροχιακής (25.700ft/s). Οπότε το σκάφος επιταχύνει όσο είναι ακόμα στην ατμόσφαιρα και την εγκαταλείπει με ταχύτητα 26.200ft/s, μεγαλύτερη της απαιτούμενης συνεχίζοντας να κινείται σε τροχιά με την αδράνειά του φτάνοντας σε ύψος περίπου 100 μιλίων και όντας πλέον σε τροχιά. Για να διατηρήσει την ταχύτητά του και την θέση του σε τροχιά πυροδοτεί τον μικρό βοηθητικό πυραυλοκινητήρα. Αφού εκτελέσει την αποστολή του εισέρχεται στην ατμόσφαιρα και ανεμοπορεί προς τον διάδρομο προσγείωσης.

Συμπεράσματα για τις δύο εκδόσεις

Το σύστημα αυτό είναι εξαιρετικά ευέλικτο, και τα 2 μέρη είναι πλήρως επαναχρησιμοποιήσιμα και χρειάζονται ελάχιστη προετοιμασία για να επαναλάβουν την αποστολή τους. Μπορούν να θέσουν φορτία ή ανθρώπους σε τροχιά με προειδοποίηση και προγραμματισμό λίγων ημερών και να το επαναλάβουν επίσης σε σύντομο χρονικό διάστημα ενώ δεν χρειάζεται παρά ελάχιστη υποδομή εδάφους.Ένα άλλο πλεονέκτημα είνα η μετάβαση σε περιοχή κοντά στον ισημερινό με τη χρήση αποκλειστικά των στροβιλοκινητήρων ωστε η εκτόξευση του τροχιακού σκάφους να γίνει με υπο τις βέλτιστες δυνατές συνθήκες χωρίς να σπαταλάται πυραυλικό καύσιμο.
Με τους κλασσικούς πυραυλικούς φορείς η εκτόξευση πρέπει να γίνεται όσο πιο κοντά γεωγραφικά στον ισημερινό ώστε να μην σπαταλούνται καύσιμα για την μετάβαση του φορέα σε τροχιά.

Από πλευράς τεχνολογίας με την εξαίρεση του scramjet που βρίσκεται ακόμα σε πειραματικό στάδιο τα υπόλοιπα επιμέρους συστήματα είναι δοκιμασμένα και γνωστά. Το προωστικό σύστημα με τους κινητήρες F101 και SSME βρίσκονται σε χρήση εδώ και πάνω από 25 χρόνια. Αν και επίσημα δεν κατασκευαστικέ ποτέ κάποια στοιχεία του ίσως προέρχονται ή χρησιμοποιήθηκαν στο σύστημα Blackstar (ανεπίσημο όνομα) που περιγράφεται στη συνέχεια



Blackstar

Το παρακάτω σύστημα αναφέρεται σε πρόσφατο άρθρο του Aviation Week & Space technology και έχει πολλές κοινές αναφορές με το σύστημα της Boeing αλλά και με το βομβαρδιστικό XB-70 'Valkyrie'. Το τελευταίο άλλωστε ήταν σχεδίαση της North American Aviation που αργότερα, σαν Rockwell πλέον, ενσωματώθηκε στην Boeing.
Οι αναφορές και οι πληροφορίες για την ύπαρξη του τοποθετούν την χρήση του έως και το τέλος της δεκαετίας του 90.Το σύστημα αποτελείται από το μητρικό σκάφος μεταφορέα και το τροχιακό σκάφος. Το πρώτο είχε το ανεπίσημο όνομα SR-3 ενώ το δεύτερο το -επίσης ανεπίσημο- όνομα XOV (experimental orbital vehicle).



Το μητρικό σκάφος έχει πάρα πολλά κοινά σημεία με το ΧΒ-70. Πιθανότατα χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή του ο εξοπλισμός και η υποδομή του ΧΒ-70 όταν αυτό ακυρώθηκε αλλά και το 3ο πρωτότυπο του οποίου η κατασκευή δεν είχε ολοκληρωθεί.

Η σημαντικότερη εξωτερική διαφορά βρίσκεται στα ακροπτερύγια. Το XB-70 χρησιμοποιούσε μια πρωτοποριακή διάταξη που στρέφοντας προς τα κάτω τα ακροπτερύγια στις πολύ υψηλές ταχύτητες δημιουργούσε άντωση λόγω συμπίεσης της ροής. Ο αέρας εκτρεπόταν εκατέρωθεν του διαμερίσματος των κινητήρων και εγκλωβιζόταν απο τα κατεβασμένα ακροπτερύγια.Στο SR-3 η διάταξη αυτή απουσιάζει και τα ακροπτερύγια είναι ενιαία με την πτέρυγα ενώ στην απόληξή τους ενώνονται με τα τοποθετημένα εκεί κάθετα σταθερά τα οποία καθιστούν τα συμβατικά κάθετα σταθερά του ΧΒ-70 περιττά.Ο λόγος για την διαφοροποίηση αυτή είναι η χαμηλότερη μέγιστη ταχύτητα του SR-3 που πιθανότατα θα καθιστούσε περιττό το σύστημα του XB-70.



Οι κινητήρες που χρησιμοποιούσε ήταν τουλάχιστον τέσσερις (πιθανότατα έξι YJ-93-3 της GE όπως στο ΧΒ-70) και ήταν τοποθετημένοι σε 2 ομάδες με κάποιο διαχωρισμό ανάμεσά τους για χωροταξικούς λόγους εφόσον το τροχιακό σκάφος μεταφέρεται σύμμορφα στο κάτω μέρος της ατράκτου. Η τελευταία έχει στο κάτω μέρος της εσοχές για την φιλοξενία του XOV και το μήκος τής είναι 180-200ft, παρόμοιο με του ΧΒ-70.

Η πτέρυγα ενώ στο ΧΒ-70 ήταν από σύνθετα υλικά με κυψελοειδή πυρήνα στο SR-3 ήταν μάλλον κατασκευασμένη από αλουμίνιο και με απλούστερη δομή μιας και το τελευταίο είχε μικρότερη τελική ταχύτητα, 2 mach αντί για τα 3,3+ του ΧΒ-70.

Τα πτερύγια canard στο εμπρός μέρος αναφέρονται από όσους είδαν το αεροσκάφος είτε με εμπροσθόκλιση είτε με οπισθόκλιση, άρα μάλλον είχαν την δυνατότητα να μεταβάλλουν την γωνία τους (ως προς τον άξονα διατοιχισμού - yaw) για να διατηρούν σταθερή την απόσταση του αεροδυναμικού κέντρου πίεσης σε σχέση με το κέντρο βάρους που μεταβάλλεται δραστικά με τον διαχωρισμό του τροχιακού σκάφους.

XOV

Το τροχιακό σκάφος έχει μορφή αντωτικού σώματος με μικρές πτέρυγες σύμμορφες με την άτρακτο (blended). Τα ακροπτερύγια έχουν μικρή κλίση προς τα κάτω πιθανώς για χρήση της αυξημένης άντωσης λόγω συμπίεσης (όπως και με τα κινητά ακροπτερύγια του ΧΒ-70 αλλά σε πολύ μικρότερο βαθμό).

Η άτρακτος ήταν κατασκευασμένη από προηγμένα σύνθετα υλικά, sandwich κυψελοειδούς κατασκευής και είχε μήκος 97.5 ft (υπήρχε και μικρότερη έκδοση, ίσως μη επανδρωμένη).

Το κάθετο σταθερό είναι μικρού ύψους και σχετικά μεγάλου πάχους και χρησιμεύει σαν πυλώνας στήριξης με το SR-3.

Οι κινητήρες παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον μιας και εκτός του ότι έχουν ακροφύσιο aerospike χρησιμοποιούσαν και ένα προηγμένο καύσιμο gel με βάση το βόριο το οποίο είχε τεράστια ενεργειακή πυκνότητα και μικρότερο όγκο από τα συμβατικά καύσιμα. Οι τέσσερις aerospike κινητήρες είχαν δισδιάστατο ακροφύσιο και η σχεδίασή τους είχε προηγηθεί των XRS-2200 που προορίζονταν για το Χ-33 που ακυρώθηκε πριν πετάξει. Εκτός από τους κινητήρες αυτούς στην βάση του καθέτου σταθερού (ακριβώς από πάνω τους δηλαδή) υπήρχε και ένας βοηθητικός πυραυλοκινητήρας μάλλον για εκτέλεση τροχιακών ελιγμών και ελιγμών επανεισόδου στην ατμόσφαιρα.

Το XOV χρησιμοποιούσε σύστημα προσγείωσης με συνδυασμό τροχών και πέδιλων.



Για το προφίλ πτήσης δεν υπάρχουν πολλές λεπτομέρειες, το ΧΒ-70 είχε επιχειρησιακή οροφή 75.000ft οπότε το πιθανότερο ο διαχωρισμός των SR-3 / XOV να γινόταν σε αυτό το ύψος και με ταχύτητα 2 mach. Ύστερα το SR-3 κατευθυνόταν για προσγείωση ενώ το XOV αφού έμπαινε σε τροχιά και εκτελούσε την αποστολή του επανερχόταν στην ατμόσφαιρα επιβραδυνόμενο και ανεμοπορούσε έως τον διάδρομο προσγείωσης.
Από το σημείο προσγείωσης μεταφερόταν για την επόμενη αποστολή με ειδικά τροποποιημένα C-5B τα οποία είχαν προσθήκες για μεγαλύτερο πλάτος στην άτρακτο (+8ft), ενισχυμένο σύστημα προσγείωσης και εσωτερικές αλλαγές.

Το σύστημα αυτό είχε πολλές καινοτομίες αλλά βασίστηκε σε προχωρημένη αλλά διαθέσιμη τεχνολογία και πιθανότατα εκτέλεσε αρκετές αποστολές (φημολογείται η ύπαρξη αρκετών XOV). Σήμερα πιθανότατα έχει αποσυρθεί αλλά η τεχνολογία του είναι διαθέσιμη για μελλοντικά σχέδια.




DARPA - RASCAL

Το παρακάτω σχέδιο (RASCAL - Responsive Access Small cargo Affordable Launch) είναι μικρότερο από τα 3 προηγούμενα και δεν είναι πλήρως επαναχρησιμοποιούμενο. Αποτελείται από ένα αεροσκάφος φορέα και από ένα δεύτερο στάδιο το οποίο είναι ένας αναλώσιμος πυραυλικός φορέας σχετικά μικρού μεγέθους.



Το σύστημα αυτό ήταν πρόγραμμα της DARPA και η κατασκευή του αεροσκάφους θα γινόταν από την Scaled, η εγκατάσταση του συστήματος προώθησης από την Allied Aerospace και η συνολική διαχείριση από την Space Launch. Αν και αυτό το πρόγραμμα ακυρώθηκε πρόσφατα είχε προχωρήσει αρκετά.

Η άτρακτος είχε μήκος 89ft, εκπέτασμα 81ft και 2700sq.ft πτερυγική επιφάνεια, το διαμέρισμα του φορτίου είχε μήκος 42ft και το μικτό βάρος ήταν περίπου 80.000lb με τις 16000lb να είναι το ωφέλιμο φορτίο.



Το αεροσκάφος είναι τετρακινητήριο με τέσσερις κινητήρες turbofan της κλάσης των F100 της P&W (Που χρησιμοποιούν τα F-15/F16). H σημαντικότερη καινοτομία όλου του συστήματος είναι το σύστημα MIPCC στο σύστημα πρόωσης.

Το δεύτερο στάδιο είναι ένας μικρός αναλώσιμος πυραυλικός φορέας είτε υβριδικός (στερεό καύσιμο - υγρό οξειδωτικό) είτε στερεών καυσίμων,2 σταδίων.


προφίλ πτήσης:

Το αεροσκάφος φτάνει τα 3,1mach στα 63.000ft και με έναν απότομο ελιγμό ανόδου ανεβαίνει στα 200.000ft έχοντας πλέον ταχύτητα 1,2 mach και στο υψόμετρο αυτό εξαπολύει τον πυραυλικό φορέα ο οποίος οδηγεί το φορτίο του σε τροχιά.

Κατά την διάρκεια της πτήσης τα πλευρικά g δεν υπερβαίνουν τα 4 και τα διαμήκη 5 για προστασία του φορτίου και είναι παρόμοια ή λίγο μεγαλύτερα με την καταπόνηση που υποβάλει στο φορτίο του ένας πυραυλικός φορέας.


Το μεγάλο πλεονέκτημα και ο λόγος για τον οποίο σχεδιάστηκε το σύστημα αυτό είναι η δυνατότητα άμεσης χρήσης οποιαδήποτε στιγμή αλλά και επαναχρησιμοποίησης μέσα σε 24 ώρες από την προηγούμενη αποστολή.



παρατηρήσεις



Τα προγράμματα που παρουσιάστηκαν πιο πάνω ακόμα και αν ακυρώθηκαν ή υπήρξαν μόνο σαν απόρρητες εφαρμογές περιορισμένης χρησιμότητας (ίσως ακόμα και στα όρια της επιστημονικής φαντασίας) μας έδειξαν πως ακόμα και με την υπάρχουσα τεχνολογία (ή και τεχνολογία 30ετίας!) μπορούμε να έχουμε έυκολη, ασφαλή και σχετικά χαμηλού κόστους (ειδικά αν επεκταθούν σε ευρεία κλίμακα) προσβαση στο διάστημα. Σήμερα εκτός απο το διαστημικό λεωφορείο που είναι εν μέρη επαναχρησιμοποιούμενο βασιζόμαστε σε αναλώσιμους πυραυλικούς φορείς που είναι ακριβοί, δύσχρηστοι και επικύνδηνοι. Ίσως κάποια στιγμή συντομότερα απο όσο νομίζουμε η πρόσβαση στο διάστημα να είναι σχεδόν όσο απλή όσο και η χρήση ενός αεροσκάφους εμπορικών αερογραμμών σήμερα.



σχολιάστε αυτό το άρθρο στο φόρουμ

γραφτείτε στο robotpig.net/forum

(μερική ανανέωση 0906 - ΙΚΕ)
(νέες εικόνες 1206 - ΙΚΕ)