Blogul lui Daniel Marín

Ideea de a lansa rachete spațiale de pe un avion este destul de veche. În ultimele decenii au fost concepute zeci de proiecte capabile să pună sateliții pe orbită folosind sisteme de lansare a aerului, dar numai Pegasus XL de la compania nord-americană Orbital a reușit să vadă lumina. Și de ce această obsesie cu această metodă curioasă? Foarte simplu, deoarece picăturile de aer sunt o modalitate destul de elegantă de a minimiza pierderile de energie ale unui lansator. Să vedem pe scurt cum.

start

Când lansăm o rachetă în spațiu, există mai mulți factori care penalizează performanța vehiculului. Cea mai importantă se datorează pierderilor gravitaționale, adică energiei pe care racheta trebuie să o investească în părăsirea puțului gravitațional al Pământului. Cu cât petrecem mai mult timp accelerând racheta la viteza orbitală, cu atât pierderile sunt mai mari, motiv pentru care sistemele de lansare cu tracțiune mai mare în primele etape sunt mai eficiente. În general, o rachetă pierde între 1 km/s și 1,5 km/s luptând împotriva gravitației Pământului, așa că trebuie să transporte mult mai mult combustibil decât ar avea nevoie dacă ar accelera de la zero departe de un puț de gravitație. Pentru a reduce acest factor, ideal ar fi ca racheta să rămână pe o cale verticală pentru cel mai scurt timp posibil și să adopte o poziție orizontală imediat ce decolează, dar această cerință intră în conflict cu un alt factor, cum ar fi fricțiunea atmosferică.

Și este faptul că frecarea atmosferică este o altă problemă de luat în considerare, deși apare circumstanța curioasă că rachetele mai mari sunt mai puțin afectate decât cele mici (frecarea depinde de suprafață, dar masa rachetei depinde de volum). În ciuda faptului că fricțiunea atmosferică nu provoacă pierderi de energie foarte grave (aproximativ 150 m/s), forțează lansatoarele să fie proiectate în așa fel încât să fie capabile să reziste la căldură și solicitări care apar în timpul trecerii prin presiune dinamică (Max Q), cerințe care duc la creșterea masei finale a sistemului. Pentru a reduce pierderile de energie din cauza fricțiunii, rachetele urmează o traiectorie verticală până la lăsarea în urmă a majorității atmosferei Pământului și abia apoi își schimbă traiectoria până la atingerea orizontalei, mai eficientă pentru a minimiza pierderile cauzate de gravitația Pământului.

Al treilea factor de pierdere a eficienței energetice este cel cauzat de lansarea unei rachete de la o bază situată la alte latitudini decât ecuatorul. Idealul într-o lansare orbitală este de a profita din plin de rotația Pământului pentru a crește sarcina utilă a vehiculului (cu excepția cazului în care vrem să ajungem pe o orbită polară). Și dacă vrem să ajungem pe orbita geostaționară (unde se află afacerea de lansare a satelitului), atunci suntem extrem de interesați să profităm de această mică împingere suplimentară pe care ne-o oferă Pământul. Dacă decolăm de la ecuator, putem oferi rachetei noastre încă 300-400 m/s.

Prin urmare, dacă lansăm o rachetă dintr-un plan subsonic la o înălțime de 10 kilometri, putem reduce semnificativ toate aceste pierderi. Înălțimea mai mare de lansare înseamnă pierderi gravitaționale mai mici și densitatea atmosferică mai mică reduce frecarea frecvenței (un alt avantaj suplimentar al densității mici este că duzele motoarelor din prima etapă pot fi proiectate mai eficient). În plus, avionul poate lansa racheta chiar de la ecuator, dacă dorim, deși putem profita de fapt de orice orbită posibilă. În acest caz, limitările se concentrează asupra infrastructurii terestre (stații de monitorizare, reglementări de securitate, aeroporturi de plecare etc.).

Putem înțelege apoi interesul pentru dezvoltarea unui sistem de aceste caracteristici. În prezent, problema este de a găsi o platformă de lansare adecvată - adică o aeronavă -. O rachetă poate fi lansată din partea de sus sau de jos a aeronavei sau de pe un suport sub aripi, dar, bineînțeles, dacă nu avem un avion monstruos, masa rachetei noastre (și sarcina sa utilă) este grav limitată de caracteristicile alesului aeronave.

Cu alte cuvinte, sistemele de lansare a aerului sunt ușor de dezvoltat atunci când vine vorba de sateliții mici cu orbită mică (LEO). De exemplu, Pegasus XL este capabil să pună 443 kg în LEO folosind avionul subsonic Lockheed L-1011 TriStar ca platformă de lansare. Cu toate acestea, așa cum am menționat deja, afacerea se află pe orbita geostaționară, nu în LEO. Deci, cum putem lansa o rachetă mare din aer? Idealul ar fi să avem un avion supersonic uriaș (sau mai bine spus, hipersonic) care ar putea transporta lansatorul nostru, dar din păcate nu există un astfel de sistem în funcțiune. Compania Yakovlev a sugerat în anii 90 proiectul Diana-Burlak, cunoscut și sub numele de HAAL (High Altitude Aerial Launch), un sistem similar cu Pegasus al Orbital, dar care folosește bombardierul supersonic Tupolev Tu-160 ca platformă. Călătorind la 1,7 Mach și la 14 kilometri înălțime, Burlak ar fi putut să pună 1.130 kg în LEO. Ceea ce nu este deloc rău, dar este totuși insuficient pentru piața de satelit geostaționară. Proiectul ruso-kazah Ishim a avut în vedere și lansarea de rachete de la un MiG-31 modificat, deși în acest caz vorbim despre microsateliți mici.


Proiectul Ishim.

Prin urmare, singura soluție profitabilă pe termen scurt este să ne concentrăm asupra aeronavelor care sunt în serviciu în prezent. Datorită dimensiunilor și performanței sale mari, Antonov An-124 Ruslan este candidatul ideal pentru a servi ca platformă de lansare. Imensul depozit de marfă al An-124 poate fi folosit pentru a transporta o rachetă înăuntru. Odată ce înălțimea dorită a fost atinsă, lansatorul ar fi scăpat prin ușa de încărcare din spate. La scurt timp după aceea, va lansa o parașută pentru a stabiliza și încetini coborârea, moment în care își va declanșa motoarele. Și voilà, avem deja sistemul nostru de gură de aer în funcțiune.

Acest sistem poate părea mult mai puțin eficient decât lansarea rachetei dintr-un stand din avion. Și într-adevăr este, dar nu cu atât mai puțin. Pentru a profita din plin de avantajele unei gură de aer, racheta ar trebui să folosească aripi (cum ar fi Pegasus XL) și ar trebui să decoleze la 25 ° cu orizontală. În acest fel, ar avea un avantaj de aproximativ 490 m/s față de o decolare convențională de la sol. În cazul unei gură de aer cu parașută, avantajul este redus la 365 m/s. Aceste cifre pot părea modeste în comparație cu cei aproape 8 km/s necesari pentru a atinge orbita mică, dar nu trebuie să uităm ecuația rachetei. Acel 365 m/s suplimentar ne permite să proiectăm un lansator mult mai mic pentru o anumită sarcină utilă.

De fapt, lansarea unei rachete dintr-un avion cu parașuta nu este un concept nou și deja în anii 70 URSS și Statele Unite au studiat serios fezabilitatea acestui sistem, deși obiectivul era atunci lansarea ICBM-urilor, nu a sateliților.


Test de desfășurare a unei rachete Minuteman de la un C-5 în 1974 (USAF).

Dar este compania rusă Vozdushni Start (Воздушный Старт/Air Launch) cel care s-a apropiat cel mai mult de crearea unui astfel de sistem comercial de lansare. Vozdushni Start promovează ideea utilizării unui avion An-124 ușor modificat (numit Antonov An-124-100VS) pentru a lansa o rachetă din 1999. Polyot din magazia de marfă a aparatului. Lansatorul ar avea capacitatea de a plasa 3.900 kg în LEO sau 650 kg pe orbita geostaționară (sau 1.500 kg pe orbita de transfer geostaționar). Nu mult, adevărat, dar cu o rată de lansare suficient de mare, sistemul ar putea fi profitabil.