211service.com
Luftfartens næste store spring
På trods af sin aura som en banebrydende industri, har luftfart stagneret i årtier. De samme typer jetfly, der blev taget i brug i 1960'erne, er stadig fremherskende i kommerciel og militær flyvning. I USA har der ikke været et væsentligt nyt raketmotorprogram, siden rumfærgens hovedmotor blev udviklet for 20 år siden. Intet ved Boeing 777 ville forvirre Eisenhower-æraens flydesignere.
I dag kan tilgængeligheden af pålidelige, genanvendelige raketmotorer imidlertid muliggøre det næste store skridt i rumfartstransport: raketflyet. Raketfly kombinerer raketfremdrift med luftfart, hvilket gør det muligt for fly, der letter og lander fra konventionelle lufthavne, at flyve op og ud af atmosfæren. Raketfly vil sænke omkostningerne ved satellitopsendelse, fremskynde leveringen af pakker og i sidste ende give folk mulighed for at zippe fra den ene side af jorden til den anden på en time eller deromkring. Skønt denne vision kan synes langt ude, er teknologien lige ved hånden.
Ideen om et raketfly er ikke ny. Det første fly af denne art - den tyske Heinkel He-176 - fløj i 1939. Det var i den raketdrevne X-1, at Chuck Yeager første gang brød lydmuren for 50 år siden i oktober sidste år. I løbet af 1980'erne og begyndelsen af 1990'erne samarbejdede NASA og det amerikanske forsvarsministerium om National Aerospace Plane Project - et forsøg, som siden blev aflyst, for at udvikle teknologier, der ville muliggøre et køretøj, der ville lette som et almindeligt fly, accelerere i kredsløb omkring jorden, og vend derefter tilbage gennem atmosfæren for en landingsbane.
Men de seneste fremskridt inden for teknologi - fra mere effektive raketter til mere pålidelige og robuste termiske skjolde - har skubbet raketflyet tættere på den praktiske virkelighed. Samtidig vokser markedet for de tjenester, et sådant køretøj kan tilbyde. Behovet for at opsende satellitter økonomisk kan give den første stimulans til at udvikle et raketfly. I fremtiden kan den primære daglige brug af disse hypersoniske køretøjer meget vel ligge i at levere passagerer og værdifulde pakker rundt om i verden.
Det er ikke noget mysterium, hvorfor flydesignere har taget så lang tid at omfavne raketmotorteknologi. For det første er raketter ineffektive og forbruger brændstof syv gange så hurtigt som turbojet ved fuld kraft. Og mens en jetmotor indånder luft fra atmosfæren for at forbrænde sit brændstof, er raketter designet til at arbejde i rummets vakuum og skal derfor ikke kun bære brændstof, men også oxidant - sædvanligvis i form af flydende ilt. Dette krav pålægger en raket en større vægtbelastning end et jetfly.
For det andet har raketter generelt ikke vist sig at være lige så pålidelige som gasturbinemotorer. Denne upålidelighed skyldes til dels, at disse motorer kører ved ekstremt høje temperaturer. Derudover har flydesignere og ingeniører relativt lidt erfaring med raketter, sammenlignet med deres milliarder af timers erfaring med jetmotorer.
Men raketter har en vis udligningsfordel. Selvom de sluger brændstof, vejer de kun en brøkdel af, hvad gasturbiner gør. De bedste jetmotorer, der nu er under udvikling, genererer omkring 9 gange så meget tryk som motorens vægt. I modsætning hertil producerer selv en meget tung raketmotor et tryk-til-vægt-forhold på 50. Desuden kan kun en raket med den nuværende teknologi opnå den Mach 25-hastighed, der er nødvendig for at overvinde tyngdekraften og komme ind i jordens kredsløb. (Mach 1 er lydens hastighed i luft - omkring 740 mph, eller 1.200 kilometer i timen.) Selv den hurtigste luftåndende jetmotor slynger sig med kun omkring Mach 4.
At komme op til Wild Black Yonder
Kommercielt succesrige raketfly vil afhænge af udviklingen inden for to nøgleteknologier: en pålidelig, genanvendelig raketmotor og et robust termisk beskyttelsessystem for at forhindre skade under genindsejling. I begge tilfælde er avancerede løsninger lige ved hånden.
Amerikanske forskere har fokuseret på at forbedre komponentteknologier og avancerede materialer, ikke på at fremstille faktiske raketmotorprodukter. I det tidligere Sovjetunionen har forskere dog fortsat med at fremme udviklingen af raketmotorfamilier. Især førte det sovjetiske rumfærgeprogram til en ny generation af avancerede genanvendelige raketmotorer drevet med petroleum (det vil sige konventionelt jetbrændstof), brint eller en kombination af de to. For eksempel er den genanvendelige RD-120, en petroleumsbrændende motor udviklet som en øvre trinsmotor til Zenit-boosteren, blevet certificeret af dens amerikanske importør Pratt and Whitney som god til 10 flyvninger plus yderligere 10 efter et større eftersyn.
Luftfartsingeniører erkender også, at det termiske beskyttelsessystem på rumfærgen ikke er egnet til et virkelig robust køretøj. Selvom rumfærgen kan genbruges, bliver dens varmeskjold let beskadiget. Desuden beskadiger almindelige vejrforhold som regn og vinddrevet støv varmeskjoldet. Efter hver landing skal rumfærgen gennemgå en kostbar og tidskrævende renovering, der involverer giftige kemikalier og specielle procedurer, for at erstatte de tabte og beskadigede fliser, så rumfartøjet sikkert kan stige op i kredsløb igen.
NASAs bestræbelser på at rette op på disse problemer har givet imponerende resultater. Designere har et meget bredere udvalg af fliser, tæpper, metaloverflader og avancerede kompositter og keramik, som alle kan gøre den nye generation af raketfly i stand til at modstå vind og vejr, som ville fjerne varmeskjoldet fra rumfærgen på få minutter. Et af de nye materialer - AETB-TUFI-C termisk beskyttelsesflis udviklet af NASAs Ames Research Center - har overlevet, ubeskadiget, en testflyvning på en F-15. Dette resultat var så meget desto mere bemærkelsesværdigt, fordi jageren fløj gennem et regnvejr, der skurede malingen af dens overflade.
Sådanne fremskridt har styrket udsigterne til at bygge et genanvendeligt raketfly. Men der er andre designspørgsmål tilbage, før et sådant håndværk bliver praktisk. For det første skal et raketfly kunne lette og lande på en konventionel, horisontal måde for at drage fordel af den eksisterende lufthavnsinfrastrukturs billioner af dollars.
Desuden fungerer en raketmotor bedst i rummets vakuum; jo tættere luften er, jo mere brændstof skal raketten forbrænde for at udvikle den samme mængde tryk. Atmosfærens tykke suppe af luft pålægger også en trækstraf, hvilket tvinger raketten til at spilde enorme mængder brændstof. Et raketdrevet fly har således brug for et andet fremdriftsmiddel for at løfte det fra jorden til de øvre dele af atmosfæren; når først den nåede udkanten af atmosfæren, kunne raketten antænde og drive fartøjet ud i rummet.
Luftfartsingeniører har udviklet tre hovedordninger for at opnå dette. I det ene er raketflyet fastgjort til maven på et jetfly, som letter og flyver til stor højde. Så falder raketflyet af for at fuldføre sin flyvning. Chuck Yeager brugte denne teknik i 1947 for at opnå den første menneskelige rejse med supersonisk hastighed.
I en moderne variant af denne tilgang trækker et jetfly et raketfly til stor højde med en tøjring, på samme måde som konventionelle fly starter svævefly. Denne ordning udvikles hos Kelly Space and Technology i San Bernardino, Californien. Kellys Eclipse-fly trækkes af en Boeing 747 til en højde på omkring 14 kilometer. Der affyrer Eclipse sin raketmotor, kobler fra træklinen og klatrer til omkring 150 kilometer. Eclipse glider derefter til en landing uden strøm.
En fordel ved disse to teknikker er, at selve raketflyet kun behøver én motor - raketten. På den anden side har ethvert køretøj, der er afhængigt af et andet fly for at starte det, en alvorlig ulempe. Lander raketflyet for eksempel det forkerte sted, skal det afvente ankomsten af et bærende eller slæbende fly, før det kan komme i luften igen. Desuden ville start i en sådan tandem-konfiguration kræve længere og bredere baner end dem i eksisterende lufthavne. Desuden, hvis raketmotoren ikke tænder efter at være koblet fra luftfartøjet, ville raketflyet sandsynligvis gå tabt.
Vores firma - Pioneer Rocketplane - går ind for en anden opsendelsesassistanceordning. I Pioneer-tilgangen ville Pathfinder-flyet lette på en konventionel måde og klatre til ni kilometer under kraften af konventionelle turbofanjetmotorer. Der ville det mødes med et stort subsonisk fly, såsom en KC-135 transport eller en Boeing 747, der ville tjene som et flyvende tankskib. For at forberede sig til den anden fase af flyvningen ville raketflyet lægge til med dette tankskib og suge omkring 290.000 kg flydende ilt fra det. Sådanne overførsler er almindelig praksis i militær luftfart, selvom drivmidlet, der flyttes, er jetbrændstof i stedet for flydende ilt.
Efter at have koblet fra tankskibet, ville flyet tænde sin raketmotor og klatre til 150 kilometer og nå en hastighed på Mach 12. Raketflyet ville derefter rejse over atmosfærens yderste udkanter, i hvilket tidsrum en satellit var knyttet til en lille raketoverflade. scenen kunne frigives til overførsel til kredsløb. Flyet ville derefter falde tilbage i atmosfæren. Efter at have sænket til en subsonisk hastighed, ville turbofanmotorerne genstarte, hvilket drev flyet til et landingsfelt. Fordi det kunne lette fra enhver mellemstor flyveplads, ville Pioneer-raketflyet give stor fleksibilitet i valg af opsendelsessted og afbrydelsesmuligheder.
At køre på et raketfly for sjov og fortjeneste
Det første, der falder mange mennesker i tankerne, når de tænker på raketfly, er potentialet for hurtig personlig rejse. Mens denne mulighed eksisterer, lover andre applikationer en mere stabil indtægtsstrøm og vil sandsynligvis udvikle sig først.
satellitopsendelse: På trods af en sund forretning fra opsendelse af statslige og kommercielle satellitter, har den internationale rumopsendelsesindustri i de sidste to til tre årtier lidt en periode med næsten fuldstændig teknologisk stagnation. De fleste af affyringssystemerne, der nu er i brug - inklusive Delta, Atlas, Titan, Soyuz, Molniya og Proton - fløj allerede i mere eller mindre deres nuværende former i midten af 1960'erne. Mens nogle få ekstra systemer, såsom det europæiske Ariane, er blevet introduceret i de mellemliggende årtier, har teknologiske forbedringer været så små, at ældre systemer stadig er konkurrencedygtige. Som et resultat forbliver fragtraterne fra jordens overflade til kredsløb på omkring $10.000 til $20.000 pr. kilogram - det samme som i 1960'erne. Disse vedvarende høje omkostninger hæmmer i høj grad den kommercielle udvikling af rummet.
Oprettelse af en ny rumindustri
Da raketfly er en teknologi på kort sigt med udbredt kommerciel anvendelse, burde det være muligt at finansiere deres udvikling primært med private investeringer. Ikke desto mindre indebærer udvikling af nye flysystemer altid betydelige forretningsrisici, som kunne afbødes af regeringsdeltagelse.
Reference til vores nuværende æra som rumalderen er en misvisende betegnelse, der kalder 1910'erne for luftalderen. Bortset fra militæret, følte verden ikke rigtig virkningen af flyrejser, før teknologien blev rutinemæssig og almindelig og overkommelig for mere end nogle få elite. Ligeledes, hvis en ægte rumalder skal ankomme, skal der være et marked for raketfartøjsteknologi, der understøtter fremstillingen af rumfartøjskomponenter ikke i mange en eller to, men i hundreder eller tusinder.
Producenterne af disse fly bliver nødt til at begynde at bruge de produktionsmetoder, der er almindelige inden for kommerciel luftfart, frem for de dyre produktionsteknikker for små partier, der dominerer rumindustrien i dag. Desuden har vi brug for en verdensomspændende lanceringsinfrastruktur, der ikke understøtter hundredvis af flyvninger om året, men hundredvis af flyvninger om dagen. De eneste markeder, der er store nok til at stimulere investeringer i sådan produktionskapacitet og lanceringsinfrastruktur, er langdistancepakkelevering og passagertransport.
Af samme grund, som militære og derefter postfly gik forud for passagerfly, vil satellitopsendelse, militær og hurtige pakkeleveringsraketfly uden tvivl gå forud for passagerraketfly. Ikke desto mindre vil den dag helt sikkert komme, hvor tusindvis af raketfly krydser kloden dagligt og betjener forretnings- og ferierejsende fra New York til Tokyo - måske endda i kredsløb.