מעניין

מטוסי חלל לשימוש חוזר לאורך הדורות

מטוסי חלל לשימוש חוזר לאורך הדורות

כשמדובר בזה, חקר החלל הוא די יקר! עלות בניית ותחזוקת רכבי שיגור גרועה דיה, אך ברגע שאתה מחשיב את עלות הדלק, זה נהיה אוסר לחלוטין. אין זה פלא מדוע עד לאחרונה, רק סוכנויות החלל הפדרליות הצליחו לעשות זאת.

כדי להפחית את העלויות הנלוות ולהפוך את חקר החלל לנגיש יותר, סוכנויות החלל בכל העולם מחפשות חלליות רב פעמיות. בדומה לרקטות רב פעמיות, שאותן רודפות חברות תעופה וחלל כמו SpaceX ו- Blue Origin, מטוסי החלל צפויים להוזיל את עלויות הכניסה לחלל באופן אקספוננציאלי.

קשורים: סין להפעלת שטח חלל רב-פעמי לשימוש חוזר X עד 2020

נכון, זה לא מושג חדש לגמרי. מאז שחר עידן החלל, עיצובים למשטחי חלל רב-פעמיים היו על הספרים. אך רק מאז סגירת עידן אפולו נמשכו מושגים אלה ואחרים - בעיקר מכורח הצורך.

ועם עידן חקר החלל המתחדש בפתח, רבים מהרעיונות הישנים נאספים, נאבקים ומוערכים מחדש לשימוש מודרני. בואו נסתכל על ההיסטוריה של הרעיון ולאן זה עשוי להוביל אותנו.

מושגים מוקדמים

כמו בכל מה שקשור לחקר החלל, ההיסטוריה של חלליות רב פעמיות החלה זמן קצר לאחר מלחמת העולם השנייה. באותה תקופה ארצות הברית וברית המועצות היו נעולות במצב של תחרות ואופקיות אחת שתמשך כמעט חמישה עשורים.

שניהם השתלטו על גרמניה, ושניהם היו ברשותם הרבה טכנולוגיה ומומחיות כתוצאה מכך. זה כלל התקדמות בהנעת מטוסים ורקטות, ששני הצדדים ניסו למנף כדי להשיג יתרון על פני האחר.

בנוסף לקביעת שיאי מהירות חדשים למטוסים, ארצות הברית והסובייטים רצו לשלוח לוויינים מלאכותיים וחלליות מאוישות למסלול. המטרה הסופית הייתה לא רק להוכיח את עליונותן של כלכלותיהן בהתאמה, אלא להימנע מלהיות חסר מבחינה צבאית.

הולך על קול:

מיד לאחר מלחמת העולם השנייה, מדענים סובייטים ואמריקאים החלו להמשיך בניסויים באמצעות מטוסים מונעים רקטות. במובנים רבים זה היה המשך ניסויים שערכה גרמניה במהלך המלחמה.

מול הסיכויים המוחלטים באוויר, הוטל על המדענים הגרמנים לחקור שיטות הנעה אחרות ליצירת מטוסי קרב ומפציצים שהיו עדיפים על כל מה שבעלות הברית יכלו לגייס. בנוסף למנועי הסילון, נבדקו גם רקטות בהרחבה.

עבור האחרונים, הבקשות הצבאיות נראו מוגבלות. מטוסי רקטה היו קשים לתמרון לאחר שהיו באוויר, והמראה והנחיתה היו קשים מאוד עבור הטייסים. אבל כשזה הגיע למהירות, הם היו ללא תחרות.

מסיבה זו, מהנדסי תעופה וחלל אמריקאים וסובייטים התנסו בהצלחה במספר מטוסים רב-פעמיים שהיו מסוגלים להשיג גבהים ומהירויות שלא היו עד כה בעבר. אלה עזרו לסלול את הדרך לעבר חלליות ושיגורים במסלול.

דוגמאות כוללות את פעמון X-1, מטוס ניסיוני שפותח במשותף על ידי הוועדה הלאומית המייעצת לאווירונאוטיקה (NACA, קודמת נאס"א), כוחות האוויר של צבא ארה"ב וחיל האוויר האמריקני (USAF).

ב -14 באוקטובר 1947 הטיס מטוס זה את גיחתו החמישית והוטס על ידי טייס הניסוי האגדי סרן צ'רלס "צ'אק" ייגר. על המיון הזה, X-1 הפך למטוס הראשון שהשיג מהירות של 1,100 קמ"ש (700 קמ"ש).

במילים אחרות, ייגר ו X-1 הפך לטייס ולמטוס הראשון שפרץ את מחסום הקול (מאך 1). בשנים שלאחר מכן, מחסום הקול נשבר פעמים רבות יותר על ידי X-1 וריאציות אחרות על העיצוב.

המלחמה הקרה מגיעה לשיאה

בסוף שנות החמישים ולאורך כל שנות השישים, פיתוח מטוסים וחלליות ניסיוניים הגיע לשיא. זה שיקף את ההתקדמות שעשתה בתוכניות החלל האמריקאיות והסובייטיות בהתאמה, שתיהן רדפו אחרי רקטות וחלליות שיכולות להגיע לירח.

בתוך ההקשר ההיסטורי הזה, ה- צפון אמריקה X-15 העיצוב החל לבצע טיסות ניסוי, ובסופו של דבר הגיע לשיאו בכך שהמטוס הגיע למהירויות של עד מאך 6.7 (8270 קמ"ש; 5,140 קמ"ש) וגבהים של מעל 100 ק"מ (66 מייל).

בין השנים 1957 - 1963, ארה"ב ובואינג בדקו גם את יצירתו של חלל צבאי שיוכל לנהל כל דבר, החל מפעולות סיור והצלה וכלה בתחזוקת לוויינים וחבלה.

התוצאה הייתה ה X-20 Soarer דינמי (Dyna-Soar), חללית של טייס יחיד שתשוגר לחלל על ידי רקטה חד-שלבית ואז תנחת על מסלול אוויר בכוח שלה. בעוד שהתוכנית תנטוש בדיוק עם תחילת הבנייה, התכנון יידע מושגים עתידיים כמו רודף חלומות (ראה למטה).

בשנת 1965 החלו הסובייטים לעבוד גם על מטוס חלל רב פעמי באמצעות תוכנית מטוסי המסלול הנוסעים הניסויים (EPOS), המכונה גם "ספירלה". בסופו של דבר זה הוביל ל מיקויאן-גורביץ 'מיג 105, מטוס חלל אופטימלי להמראה ונחיתה (HOTOL).

הפרויקט הופסק בשנת 1969 אך התחדש בשנת 1974 בתגובה לתוכנית מעבורת החלל האמריקאית. טיסת המבחן הראשונה נערכה בשנת 1976 ובסך הכל בוצעו שמונה טיסות עד 1978 כאשר EPOS בוטלה לטובת תוכנית בוראן (ראו להלן).

עידן מעבורת החלל

בתחילת שנות השבעים, סביבת תקציב משתנה וסיום "מירוץ החלל" אילצו את נאס"א וגם את ברית המועצות לבדוק דרכים להפחית את העלות הנלווית לשיגורים לחלל. מנקודה זו ועד העשור השני של המאה ה -21 פותחו סוף סוף עיצובים קודמים למשטחי חלל רב-פעמיים.

מבחינת ארצות הברית זה הביא לכך שה- תוכנית מעבורת החלל, שהסתיים משנת 1983 והסתיים עם פרישתן של מעבורות החלל שנותרו בשנת 2011. באופן רשמי, התוכנית הייתה ידועה בשם מערכת התחבורה החללית (STS) והתבססה על תוכניות לחלליות רב פעמיות שגויסו בשנת 1969.

המערכת המורכבת מרכב מסלול רב פעמי שישוגר לחלל באמצעות שתי רקטות דלק מוצק ומיכל דלק חיצוני. צי מעבורת החלל כלל שישה כלי רכב במסלול, שנקרא מעבורת החלל אטלנטיס, קולומביה, צ'לנג'ר, דיסקברי, Endeavour, ו מִפְעָל.

צי מעבורת החלל החל לבצע טיסות מבצעיות בשנת 1982 (עם מעבורת החלל קולומביה) וביצעה בסך הכל 135 טיסות, האחרונה נעשתה על ידי מעבורת החלל אטלנטיס הוא 2011.

בין היתר, המשימות הללו כללו את מעבורת החלל בפריסת לוויינים, ה- טלסקופ החלל האבל, וסיוע בבניית תחנת החלל הסובייטית / רוסיה מיר. שתי הסעות אבדו במהלך 15 שנות השירות שלהן צ'לנג'ר בשנת 1986 וה קולומביה ב 2003.

באותה תקופה פיתחו הסובייטים מערכת מטוס חלל רב-פעמית משלהם בתגובה לתוכנית מעבורת החלל. ידוע כ בוראןמערכת זו כללה כלי רכב מסלולי - שהיה דומה מאוד בעיצובו למעבורת החלל - ול- אנרג'יה מערכת שיגור - מיכל דלק מתכלה עם עד ארבעה מאיצי רקטות מוצקות

התוכנית התקיימה רשמית בין השנים 1974 ל -1993 והייתה מורכבת מטיסת ניסוי אחת בלבד ללא צוות. התוכנית בוטלה בעקבות קריסת ברית המועצות בגלל היעדר מימון והפרוטוטיפים הופסקו, שרובם חלק ממיצגי מוזיאונים.

משטחי חלל מודרניים

בעוד שפרישת תוכנית מעבורת החלל סימנה את סיומו של עידן, הלקחים שנלמדו מעיצובים אלה ואחרים המשיכו להודיע ​​על יצירת דור חדש של משטחי חלל. במקביל, עליית התעשייה האווירית המסחרית הביאה גם לחידוש רב.

מעבר לשימוש ברקטות רב פעמיות (כפי שמדגים דוגמאות SpaceX) פלקון 9, פלקון כבד מערכות שיגור), מטוסי חלל הם דרך נוספת בה תעשיית NewSpace מבקשת להפוך את חקר החלל לחסכוני יותר ונגיש יותר.

לדוגמה, המאמצים במרכז המחקר לנגלי של נאס"א במהלך שנות השישים והשבעים עם מושגי נחיתה אופקית (HL) מומשו בצורה של מטוס החלל הרב פעמי HL-42, הידוע גם בשם רודף חלומות. העיצוב דומה לזה של מסלול מעבורת החלל אבל הוא הרבה יותר קטן וקל.

בשנים הקרובות ישמש מטוס חלל זה לשליחת צוות ומטען למסלול כדור הארץ הנמוך (LEO) ול- ISS. היא תשוגר באמצעות רקטת הוולקן קנטאור של ULA ותוכל לנחות על מסלול הנחיתה בכוח שלה. פיתוח החללית מתוזמן ומתוכנן והטיסה הראשונה צפויה להתקיים בשנת 2021.

יש גם את בואינג X-37B - aka. רכב המבחן המסלול (OTV) - שהחל כפרויקט של נאס"א בשנת 1999 אך הועבר למשרד ההגנה האמריקני בשנת 2004. חללית רובוטית רב פעמי זו מסוגלת לטיסות ארוכות טווח למטרות מסווגות, תוך שהיא משמשת גם כמפגין עבור טכנולוגיות חלל אוטונומיות וניתנות לשימוש חוזר.

הבדיקה הראשונה (בדיקת ירידה) התקיימה בשנת 2006 ומאז חמש משימות מסלוליות מתארכות. בדומה למטוסי חלל אחרים, ה- OTV נשלח לחלל באמצעות רקטה ונכנס שוב לאטמוספירה של כדור הארץ ונוחת בכוחו.

בתחום המסחרי, SpaceShipOneעומד כדוגמה זוהרת לטכנולוגיית מרחב רב-פעמי לשימוש חוזר. חברת התעופה והחלל Scaled Composites החלה לעבוד על המטוס בשנת 1994 וטיסת הצוות המצליחה הראשונה נערכה בשנת 2004 - עליה הוענקה פרס אנסארי X בסך 10 מיליון דולר.

SpaceShipOne חלוץ בתפיסת המטוסים המונעים על ידי רקטות שהושקו באוויר, אשר יוכלו לבצע טיסת חלל תת-מסלולית. זה כרוך בהובלה לגובה פריסה על ידי מטוס מוביל ("האביר הלבן"), שחרורו והפעלת מנועים משלו ואז גלישה הביתה.

באמצעות מנוע טילים היברידי, SpaceShipOne הצליח להשיג מהירויות של עד 900 קמ"ש (3240 קמ"ש, 2013 קמ"ש) בעוד שכנפי הכנפיים והזנב מסוגלים "לנצות" - להתאים את זוויתם - כדי לסייע לנחיתות מבוקרות.

העיצוב יורחב עם בנייתו של SpaceShipTwo. חללית תת-עירונית זו נבנתה על ידי חברת החלל, חברת בת של וירג'ין גלקטיק (שרכשה את Scaled Composites בשנת 2012).

יחד עם האביר השני, חללית זו משוגרת באוויר באופן דומה ומשתמשת במנוע טיל היברידי ובכנפיים מנוצות כדי להשיג טיסות תת-עירוניות ונחיתות מבוקרות. החל משנת 2018, SpaceShipTwo ביצעה בהצלחה את טיסת החלל הראשונה שלה והיא צפויה לשמש כרכב תיירות מטען וחלל בעשור הקרוב.

מרחבי העתיד

אפילו יותר מלהיב מהדור הנוכחי של משטחי החלל שנכנסים לשירות הם המתוכננים. בדומה לרעיונות החדשניים שאנו רואים כיום, משטחי החלל העתידיים הללו מפותחים על ידי התעשייה הפרטית וגם על ידי סוכנויות החלל הלאומיות.

זה משקף את הנוכחות ההולכת וגוברת של תעשיית NewSpace בחקר החלל, כמו גם את הנוכחות הגוברת של מעצמות חלל מתפתחות - כמו סין, הודו והאיחוד האירופי.

מֶרחָב מפגן משולב לשימוש חוזר למען אירופה (Space RIDER), חלל מסלול לא מסודר שיספק משימות בעלות נמוכה ל- LEO. הפרויקט אושר בשנת 2016 והוא צפוי לעלות למשימה של חודשיים עד שנת 2022.

לאחר מכן יבואו כמה משימות אשר יפגינו מגוון יכולות ומסלולים. ב- 2025 מקווה ה- ESA להפריט את ה- RIDER בחלל ולהעביר את השליטה המבצעית בחללית לאריאנספייס.

סין, שהתהוותה כמעצמת חלל בפני עצמה מאז תחילת המאה, חותרת גם היא לחדשנות מהדור הבא עם מטוסי חלל. בשנת 1992, כחלק מפרויקט 921 של סין למטוסי חלל מאוישים, החל לשקול עיצובים לחלליות רב פעמיות.

הרעיון דומה ל- X-37B, שם ישוגר מטוס החלל לחלל על ידי מגבר רקטות (או אולי משרן מגלב). עד שנת 2007 החלו להופיע תמונות של מטוס החלל שנלונג ("הדרקון האלוהי" בסינית) עובר בדיקות וההערכה היא כי הטיסה התת-עירונית הראשונה התרחשה עד שנת 2011.

במגזר הפרטי עוקבים אחר כמה מושגים מרשימים מאוד. לדוגמא, יש של SpaceX חללית, חללית רב פעמית לשימוש רב-פעמי המהותה בחזונו של אילון מאסק להעלות משימות מסחריות לליאו, לירח ואפילו למאדים (במטרה ארוכת הטווח להקים שם מושבה).

הרעיון הוכרז לראשונה בשנת 2013, וכינויו של מאסק נקרא "הטרנספורטר הקולוניאלי של מאדים (MCT). במהלך השנים הבאות, הרעיון יתפתח ויהיה מפורט יותר, וכמה שינויי שם יתרחשו.

בשנת 2016 פורסמה תוכנית מפורטת יותר באופן משמעותי לחלליות, שכיום הייתה ידועה בשם מערכת התחבורה הבין-כוכבית (ITS). עד שנת 2018, הפרויקט שינה שוב שמות והפך ל BFR, והתכנון הפך עודכן במידה ניכרת.

בהתבסס על האיטרציה הנוכחית, מערכת ההשקה תורכב מחללית מסלול מסלול שלב שני חללית) ורקטה שלב ראשון (מאוד כבד). לאחר שיגור לחלל, ותעבור תדלוק מסלולית, הספינה תיסע ליעדי החלל העמוק.

עם הגעתו ליעדה, חללית יסתמך על סנפירים מתמרנים ומנועים משלה כדי לבצע נחיתות מבוקרות. מנועיו יספקו גם את הדחף הדרוש לנסיעה חזרה הביתה, שם הוא ינחת שוב באמצעות אותו תהליך. המערכת תהיה לשימוש חוזר לחלוטין ותהיה מערכת ההשקה הכבדה ביותר שנוצרה אי פעם.

לאחר ביצוע "מבחני הופ" מרובים באמצעות אב טיפוס מוגדל (Starship Hopper), הסתיימה הבנייה ברכב המבחן המקיף במסלול. ידוע כ חללית מק 1, אב טיפוס זה הוצג ב- 28 בספטמבר במהלך מסיבת עיתונאים כמתקן של SpaceX ליד בוקה צ'יקה, טקסס.

SpaceX צפוי לערוך את טיסת המסלול הראשונה של Mk.1 מתישהו בשנה הבאה. טיסה סביב הירח המשתמשת במערכת ההפעלה כולה אמורה להיות מיועדת לשנת 2023. מאסק ציין גם כי הוא מקווה לשלוח את משימות הצוות הראשונות לירח ומאדים במהלך אמצע-סוף שנות ה -20.

למטוס החלל הרב פעמי הזה היתרון שהוא מושג של HOTOL שאינו זקוק למאיץ מתכלה כדי להישלח לחלל.

המפתח ל סקילון מטוס החלל הוא מנוע ה- SABER, מערכת הנעה עם אוויר הנעה שפועלת על דלק מימן / חמצן. בעיקרון, המנוע עובר בין שימוש בטורבינות סילון להוצאת חמצן מהאטמוספרה לבין שימוש בחמצן נוזלי (LOX) ברגע שהוא מגיע למסלול.

זה מאפשר לו להשתמש בהנעת סילון כדי להמריא ולנחות ולהניע רקטות כדי להשיג את המהירויות ההיפרסוניות הדרושות להגיע ל- LEO.

בשנת 2016, ארגון חקר החלל ההודי (ISRO) החל בפיתוח ובדיקה של מערכת שיגור המכונה רכב השיגור הרב פעמי (RLV) - מערכת דו-שלבית למסלול המורכבת מרקטת שיגור ומטוס חלל רב פעמי.

בדומה לקונספט שלו למנוע הסאבר, מטוס החלל צפוי להסתמך על מנועי scramjet נושמים אוויר כמו גם על מנועי טילים. אלה יכולים לאפשר למטוס החלל להקיף את עצמו, במקום להסתמך על מאיץ מתכלה.

ונכון לשנת 2018, הסוכנות לחקר החלל היפני (JAXA) החלה לעבוד על הרקטה Winged Reusable Sounding שלהם (WIRES). נכון לעכשיו, לא ברור אם רכב זה יהיה שלב ראשון הניתן לשחזור או מטוס חלל מאויש. עם זאת, פרופיל WIRES עשוי להיות מפורט יותר ככל שנמשך הפיתוח.

אחרון חביב, יש XS-1 (המכונה "פנטום אקספרס"), פרויקט שמותקן בימים אלה על ידי בואינג ו- DARPA - כחלק מתוכנית החללית הניסויית (XS) של זו.

מטוס החלל יופעל על ידי מנועי Aerojet Rocketdyne (AR-22) ויגיע למסלול. מטענים יועברו באמצעות מטען מטען או (במקרה של לוויינים או חלליות) רקטה המותקנת חיצונית. מהבחינה הזו, היא תפחית את העלויות על ידי שילוב של שימוש חוזר עם יכולת שלב אחד למסלול (SSTO).

כשמסתכלים על כל המושגים הנוכחיים והעתידיים הללו (ועל ההיסטוריה של התפתחותם), דפוס מסוים מתבהר. כבר בתחילת עידן החלל, מתכנני משימה ומהנדסים שיחקו ברעיון של משטחי מרחב לשימוש חוזר.

באותה תקופה הונחו הרעיונות בצד לטובת כמוסות שטח מתכלות ומאיצים כבדים שניתן היה לייצר במהירות רבה יותר ואינם דורשים אותה רמת תחזוקה. מכיוון שתקופת החלל המוקדמת הייתה כולה "להגיע לשם ראשונה", היו מעדיפים באופן טבעי חלליות שניתן לייצרן ולהכניס אותן לשירות מהר יותר.

עם זאת, ברגע שנחיתה הירח התרחש ומירוץ החלל החל להתקרר, מטוסי החלל הפכו למועדפים על מתכנני המשימה המעוניינים לצמצם עלויות וליצור נוכחות אנושית בת קיימא בחלל.

היום, כמעט שבעה עשורים לאחר מכן, אנו סוף סוף מממשים את הפוטנציאל שלהם. בנוסף להציע עלויות השקה זולות יותר על ידי שימוש ברכיבים רב פעמיים, הם מציעים גם גמישות שמאיצים מתכלים לא עושים.

כפי שהדגימה מעבורת החלל, מטוסי החלל יכולים להעביר לוויינים ומטעי מטען למסלול, לערוך שם ניסויים ומחקר חיוניים ולהעביר צוותים לחלל ולהביא אותם שוב הביתה. אמנם זה עדיין עולה אגורה יפה להשיק את המרחבים הללו למסלול, אבל זה משתנה במהירות.

עם ההתקדמות בתחום ההנעה וטכנולוגיית המנוע ההיברידי, ייתכן שעדיין נוכל ליצור משטחי חלל SSTO שיכולים לעשות הכל!

  • ויקיפדיה - מטוס חלל
  • נאס"א - תוכנית מעבורת החלל
  • PBS / NOVA - "מהיר יותר מהצליל"
  • נאס"א - היסטוריה של מעבורת החלל
  • נאס"א - הגדרת שלב החלל
  • נאס"א - היסטוריה של תוכנית ה- X-Plane
  • מעבורת חלל רוסית - הסעה רב פעמית של בוראן
  • מוזיאון האוויר והחלל הלאומי של סמיתסוניאן - X-15 בצפון אמריקה


צפו בסרטון: מטוסי על - שיגור הבורסק - ערוץ הופ! - לגדול בידיים טובות (סֶפּטֶמבֶּר 2021).