Η Εξέλιξη των Διαστημικών Αεροπλάνων: Η Επόμενη Γενιά με το Διαστημικό Λεωφορείο Dream

Το S της NASA


βηματοδοτικό λεωφορείο


λειτούργησε σε χαμηλή τροχιά στη Γη για 30 χρόνια πριν από τη συνταξιοδότησή της το 2011. Ωστόσο, η διαστημική υπηρεσία των ΗΠΑ


αντικατάσταση αυτού του οχήματος, Orion


, επέστρεψε στο κωνικό σχέδιο κάψουλας γνωστό από τις αποστολές Apollo. Αυτό συνέβη επειδή η NASA σκόπευε αυτό το νεότερο σκάφος να χρησιμοποιηθεί για την εξερεύνηση στόχων στο βαθύ διάστημα, όπως η Σελήνη.

Αλλά τα τελευταία χρόνια, έχουμε δει μια επιστροφή του σχεδιασμού του διαστημικού αεροπλάνου.


Από το 2010


η Διαστημική Δύναμη των ΗΠΑ (και παλαιότερα η Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ) ήταν


εκτοξεύοντας ένα ρομποτικό διαστημικό αεροπλάνο που ονομάζεται X-37B


σε χαμηλή τροχιά της Γης σε ταξινομημένες αποστολές. Η Κίνα έχει τα δικά της


στρατιωτικό διαστημόπλοιο που ονομάζεται Shenlong


.

Φέτος θα μπορούσε να δει μια δοκιμαστική πτήση της εταιρείας Sierra Space’s


Κυνηγός ονείρων


– το πρώτο εμπορικό διαστημικό αεροπλάνο ικανό για τροχιακή πτήση. Εάν όλα πάνε καλά, το όχημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον ανεφοδιασμό του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού (ISS) με φορτίο και, τελικά, πλήρωμα.

Σχετικό άρθρο:

Το διαστημικό λεωφορείο ήταν μια όμορφη —αλλά τρομερή— ιδέα

Τα διαστημικά αεροπλάνα μπορούν να πετάξουν ή να γλιστρήσουν στην ατμόσφαιρα της Γης και να προσγειωθούν σε διαδρόμους αντί να χρησιμοποιούν αλεξίπτωτα για να προσγειωθούν στο νερό ή σε επίπεδο έδαφος σαν κάψουλες. Είναι επίσης πιο ευέλικτοι καθώς το διαστημόπλοιο εισέρχεται ξανά στην ατμόσφαιρα, αυξάνοντας την περιοχή της επιφάνειας της Γης όπου είναι δυνατή η προσγείωση από ένα συγκεκριμένο σημείο επανεισόδου.

Τα διαστημόπλοια επιτρέπουν επίσης μια πιο ήπια αλλά μεγαλύτερη διαδρομή πτήσης κατά την επανείσοδο και μια πιο ήπια προσγείωση, η οποία είναι ευκολότερη για το πλήρωμα και το φορτίο από τις κάψουλες, οι οποίες μπορούν να προσγειωθούν με ένα χτύπημα. Ένας διάδρομος επιτρέπει επίσης στα πληρώματα υποστήριξης εδάφους και την υποδομή να είναι έτοιμα στην τοποθεσία προσγείωσης.

Κόστος και πολυπλοκότητα

Αλλά τα διαστημικά αεροπλάνα είναι πιο περίπλοκα και βαρύτερα από μια αντίστοιχη κάψουλα. Το σχήμα του σώματος με φτερωτά θέτει μια ιδιαίτερη πρόκληση για το σχεδιασμό συστημάτων θερμικής προστασίας (TPS) – τα ανθεκτικά στη θερμότητα υλικά που προστατεύουν το σκάφος από τις καυτές θερμοκρασίες κατά την επανείσοδο. Αυτό το πρόσθετο κόστος σημαίνει ότι δεν είναι πρακτικό να σχεδιάσετε ένα διαστημικό αεροπλάνο για μία μόνο πτήση. Πρέπει να χρησιμοποιούνται ξανά και ξανά για να είναι βιώσιμα.

Υπήρχε ενδιαφέρον για τα διαστημικά αεροπλάνα από τις πρώτες μέρες της ανθρώπινης διαστημικής πτήσης. Ένα έργο στρατιωτικού διαστημικού αεροπλάνου που ονομάζεται


Dyna-Soar


ξεκίνησε στις ΗΠΑ το 1957 και στη συνέχεια ακυρώθηκε αμέσως μετά την έναρξη της κατασκευής. Το όχημα ήταν εξελιγμένο για την εποχή του, κατασκευασμένο με κράμα μετάλλου που αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες και διαθέτει θερμική ασπίδα στο μπροστινό μέρος που μπορούσε να αποσπαστεί μετά την επιστροφή του από το διάστημα, ώστε ο πιλότος να βλέπει καθαρά κατά την προσγείωση.

Το Διαστημικό Λεωφορείο, το οποίο τέθηκε σε υπηρεσία το 1981, ήταν το πρώτο επιχειρησιακό διαστημικό αεροπλάνο. Υποτίθεται ότι θα εκτοξευόταν πιο συχνά από ό,τι έκανε και είχε


μεγαλύτερη επαναχρησιμοποίηση


αλλά αποδείχθηκε ότι απαιτούνταν εκτεταμένη ανακαίνιση μεταξύ των εκτοξεύσεων. Ωστόσο, απέδειξε την ικανότητα επιστροφής αστροναυτών και μεγάλων φορτίων από την τροχιά.

Άλλες διαστημικές υπηρεσίες επένδυσαν τις δεκαετίες του 1980 και του 1990, στην Ευρώπη, με


το διαστημικό αεροπλάνο Ερμής


και την Ιαπωνία, με


το όχημα ΕΛΠΙΔΑ


. Και τα δύο προγράμματα ακυρώθηκαν σε μεγάλο βαθμό λόγω κόστους. Η Σοβιετική Ένωση ανέπτυξε τη δική της


όχημα που μοιάζει με λεωφορείο που ονομάζεται Buran


το οποίο πέταξε με επιτυχία μια φορά στο διάστημα το 1988. Το πρόγραμμα ακυρώθηκε μετά την κατάρρευση της Σοβιετικής Ένωσης.

Νιώθοντας τη ζέστη

Τα διαστημικά αεροπλάνα έχουν συγκεκριμένες απαιτήσεις για το τελευταίο μέρος των ταξιδιών τους – καθώς επιστρέφουν από το διάστημα.


Κατά την ατμοσφαιρική επανείσοδο


, θερμαίνονται σε περισσότερους από χίλιους βαθμούς Κελσίου καθώς ταξιδεύουν με υπερηχητικές ταχύτητες άνω των επτά χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο – περισσότερο από 20 φορές την ταχύτητα του ήχου. Ένα αμβλύ σχέδιο μύτης (όπου το άκρο του διαστημικού σκάφους είναι στρογγυλεμένο) είναι ένα ιδανικό σχήμα επειδή μειώνει τη συσσώρευση θερμότητας στο κατώτερο μέρος του οχήματος.

Ακόμα κι έτσι, οι αναμενόμενες θερμοκρασίες που αντιμετωπίζει το σκάφος μπορεί να φθάσουν τους 1.600 βαθμούς C, απαιτώντας ένα σύστημα θερμικής προστασίας στο εξωτερικό του οχήματος.


Το διαστημικό λεωφορείο TPS


περιελάμβανε κεραμικά πλακίδια που ήταν ιδιαίτερα ανθεκτικά στη θερμότητα και μια ενισχυμένη μήτρα άνθρακα-άνθρακα που ήταν ικανή να αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 2.400 βαθμούς Κελσίου.

ο


απώλεια του λεωφορείου Columbia


κατά την επανείσοδο το 2003, προκαλώντας το θάνατο επτά αστροναυτών, ήταν το αποτέλεσμα μιας παραβίασης του TPS στο μπροστινό άκρο της πτέρυγας. Αυτό προέκυψε από ένα κομμάτι μονωτικού αφρού που πέταξε από την εξωτερική δεξαμενή του λεωφορείου κατά την εκτόξευση της Columbia και χτύπησε στο φτερό.

Αυτό το πρόβλημα με τον αφρό ήταν επαναλαμβανόμενο με το λεωφορείο λόγω του τρόπου με τον οποίο εκτοξεύτηκε στο πλάι της εξωτερικής δεξαμενής προωθητικού. Αλλά νεότερα σχέδια διαστημικών αεροπλάνων θα πετάξουν πάνω από συμβατικούς πυραύλους, όπου η πτώση αφρού δεν είναι πρόβλημα.

Ένα αποτελεσματικό TPS παραμένει ζωτικής σημασίας για την


μελλοντική επιτυχία των διαστημικών αεροπλάνων


όπως και τα συστήματα που παρακολουθούν την απόδοση του TPS σε πραγματικό χρόνο.

Τρέχοντα οχήματα

Αυτή τη στιγμή λειτουργούν δύο διαστημικά αεροπλάνα, ένα κινέζικο και ένα αμερικανικό, που μπορούν να φτάσουν σε τροχιά. Λίγες πληροφορίες είναι διαθέσιμες για το Shenlong της Κίνας, αλλά


X-37B του αμερικανικού στρατού


είναι πιο γνωστό. Ζυγίζοντας σχεδόν πέντε μετρικούς τόνους κατά την εκτόξευση, το όχημα μήκους εννέα μέτρων, χωρίς πλήρωμα, εκτοξεύεται χρησιμοποιώντας έναν συμβατικό πύραυλο και προσγειώνεται αυτόνομα σε έναν διάδρομο στο τέλος της αποστολής του.

Το TPS του X-37B χρησιμοποιεί πλακίδια παρόμοια με το λεωφορείο πάνω από την κάτω επιφάνεια με μια εναλλακτική λύση χαμηλότερου κόστους από το ενισχυμένο


άνθρακας-άνθρακας


ονομάζεται Tufroc, που αναπτύχθηκε για το X37B, στη μύτη και στα μπροστινά άκρα.

Σύντομα θα πρέπει να ενταχθούν στο Dream Chaser, το οποίο αναπτύχθηκε από την εταιρεία για να μεταφέρει φορτίο και αστροναύτες, αλλά η NASA θέλει να αποδείξει την ασφάλειά της πριν μεταφέρει ανθρώπους χρησιμοποιώντας το για να μεταφέρει πρώτα φορτίο στον διαστημικό σταθμό. Η ικανότητα επιστροφής συγκριτικά εύθραυστου φορτίου στην επιφάνεια λόγω μιας πιο ήπιας προσγείωσης είναι μια βασική ικανότητα. Τα πλακάκια που προστατεύουν το Dream Chaser είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο και


το καθένα έχει ένα μοναδικό σχήμα


ταιριάζουν με την περιοχή του οχήματος που έχουν σχεδιαστεί να προστατεύουν.

Μελλοντικές εξελίξεις

Υπάρχει συνεχές ενδιαφέρον για τα διαστημικά αεροπλάνα λόγω της ικανότητάς τους να επιστρέφουν πλήρωμα και φορτίο σε ένα διάδρομο. Η ζήτηση για αυτή τη δυνατότητα είναι πλέον περιορισμένη. Αλλά εάν το κόστος της εκτόξευσης στο διάστημα συνεχίσει να μειώνεται και η επέκταση της βιομηχανίας στο διάστημα αυξήσει τη ζήτηση, θα γίνουν μια ολοένα και πιο βιώσιμη εναλλακτική λύση για τις κάψουλες.

Μακροπρόθεσμα, υπάρχει επίσης δυνατότητα για διαστημικά αεροπλάνα ικανά να φτάσουν σε τροχιά μετά την απογείωση από έναν διάδρομο. Οι προκλήσεις της ανάπτυξης αυτών των οχημάτων ενός σταδίου σε τροχιά (SSTO) είναι σημαντικές. Ωστόσο,


έννοιες όπως το όχημα Skylon


οδηγούν σε τεχνικές εξελίξεις που θα μπορούσαν τελικά να υποστηρίξουν την ανάπτυξη ενός σκάφους SSTO.

Για το άμεσο μέλλον, τα διαστημικά αεροπλάνα φαίνονται πολλά υποσχόμενα για τους ακόλουθους λόγους: νέες τεχνικές σχεδίασης, βελτιωμένα υλικά για το TPS, προηγμένα εργαλεία υπολογιστικής μοντελοποίησης και προσομοίωσης για βελτιστοποίηση διαφορετικών πτυχών σχεδιασμού και παραμέτρων πτήσης και συνεχείς βελτιώσεις στα συστήματα πρόωσης.

Δεδομένου ότι πολλές κυβερνήσεις, διαστημικές υπηρεσίες και ιδιωτικές εταιρείες παγκοσμίως επενδύουν σε μεγάλο βαθμό στην έρευνα και ανάπτυξη διαστημικών αεροπλάνων, θα μπορούσαμε να δούμε ένα μέλλον όπου οι πτήσεις με αυτά τα οχήματα θα γίνουν ρουτίνα.

Oluwamayokun Adetoro




Ανώτερος Λέκτορας, Μηχανολόγων και Αεροδιαστημικής Μηχανικής,




Πανεπιστήμιο Brunel του Λονδίνου




και




Τζέιμς Κάμπελ




Αναγνώστης,




Πανεπιστήμιο Brunel του Λονδίνου




. Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από




Η συζήτηση




με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το




πρωτότυπο άρθρο




.