Problemi propulzije vasionskih letilica

I već danas kada se pred našim očima otvaraju široke perspektive osvajanja vasione, u prvom redu Meseca, Marsa i drugih planeta našeg Sunčevog sistema, a kasnije, možda i perifernih oblasti naše Galaksije, ne bi bilo na odmet reći i nekoliko reči o daljim izgledima, odnosno mogućnostima astronautike. Međutim, kako se ovde radi o jednoj kompleksnoj i obimnoj problematici u ovom materijalu će biti reči samo o problemima propulzije vasionskih letilica. Ovo zbog toga što čitava problematika daljeg osvajanja vasione u prvom redu zavisi od mogućnosti daljeg razvoja novih i savršenijih tipova pogonskih grupa za vasionske letilice. Jer, ne treba zaboraviti da su dosadašnji uspesi u astronautici, ma kako oni bili izvanredni, ostvareni sa najprostijim tipom vasionskih pogonskih grupa raketnim motorima sa hemijskim gorivom koji se danas nalaze u fazi relativnog savršenstva. Međutim, analize stručnjaka su pokazale da ovi motori u krajnjoj liniji neće biti u stanju da zadovolje potrebe vasionske tehnologije. Moglo bi se čak reći da prvi »izleti« u vasionu pomoću raketnih motora sa hemijskim gorivom dosta podsećaju na prve dane aeronautike kad su umesto aviona korišćeni vezani baloni. I kao što je za dalji razvoj vazduhoplovstva nužan bio klipni, a zatim i mlazni motor, tako je i za dalji razvoj astronautike potreban nov tip motora, nuklearni, električni, termonuklearni, a možda u daljoj budućnosti i fotonski.

Sve propulzione sisteme koji dolaze u obzir za korišćenje za pogon vasionskih letilica možemo da podelimo u tri osnovne kategorije. U prvu spadaju raketni motori sa hemijskim gorivom, koji su, verovatno, najrazvijeniji u SSSR-u, nuklearni raketni motori koji se nalaze u razvoju u SAD i raketni motori koji koriste sunčanu energiju. Ovi poslednji predstavljaju bar zasada samo kuriozitet, jer pri današnjim uslovima nema izgleda da se skoro upotrebe, izuzev za neke specijalizovane zadatke. U drugu grupu spadaju jonski raketni motori, a u treću raketni motori sa neutralnom plazmom. Obe poslednje grupe istovremeno spadaju u zajedničku kategoriju električnih propulzionih sistema.

Karakteristika prve osnovne kategorije jeste da se energija njenih motora nalazi bilo u pogonskoj tečnosti (u vidu hemijske energije) ili se energija prenosi na tečnost kontaktom sa vrelim zidovima komore za sagorevanje. I .u jednom i u drugom slučaju maksimalni specifični impuls je prilično mali. Tako, naprimer, kod raketnih motora sa hemijskim gorivom, verovatno je da on u bliskoj budućnosti neće preći granicu od 400 sekundi. Što se tiče pogona kod koga se pogonska materija zagreva u kontaktu sa zidovima komore, mogućnosti ovih motora ograničene su (ili bolje reći određene) temperaturnom postojanošću zidova komore za sagorevanje.

U ovu kategoriju spadaju nuklearni raketni motor (primer američki »Projekt Rover«, kod kojeg se vodonik zagreva protokom kroz nuklearni reaktor) i raketni motor koji koristi sunčanu energiju (koji raspolaže sa jednim ogledalom za fokusiranje sunčane svetlosti na određeni deo potisne komore).

Što se tiče električnih propulzionih sistema, najpoznatiji motori su jonski raketni motori, koji uglavnom koriste elektrostatičko ubrzanje jonskih snopova.

Na poslednjem mestu nalaze se motori sa neutralnom plazmom, kod kojih se kao pogonska materija koristi delimično ili potpuno jonizovani gas. Ovi motori su znatno savršeniji od jonskih motora, a specifični impulsi su im znatno veći nego kod prve kategorije motora. Teoretski moguće je razviti takve motore sa neutralnom plazmom koji će razvijati specifični impuls između 1.000 i 20.000 sekundi. Ovi motori su naročito podesni za letove u opsegu Zemljinog i Mesečevog gravitacionog područja.

U ovom mateterijalu neće biti govora o fotonskim motorima koji koriste svetlosne zrake, pošto zasada nema nikakvih mogućnosti da se teoretske postavke, iznete još pre nekoliko decenija, provere u praksi.

Analize su pokazale da su specifični impulsi, drugim rečima mogućnosti raketnih motora sa hemijskim pogonskim materijama relativno male, mada je upotreba visokoenergetskih materija kao što je, naprimer, kombinacija kiseonika i vodonika omogućila postizanje značajnih preimućstava u odnosu na kombinacije kiseonika i ugljovodonika. U stvari baš ovo ograničenje mogućnosti hemijskih pogonskih materija stimuliralo je istraživanje drugih metoda propulzije. Tako danas imamo tri osnovna izvora energije na raspolaganju: a) mešanje elektrona elektropozitivnih atoma (kao gorivo) i elektronegativnih atoma (kao oksidator); b) nuklearni, s jedne strane cepanjem kompleksnog atomskog jezgra i s druge mešanjem jednostavnih atomskih jezgara (fuzija); c) sunčani (korišćenje radijacione energije fotonskog izvora Sunčevog sistema). U zavisnosti od mehanizama primenjenih za pretvaranje energije iz jednog vida u drugi ovi glavni izvori energije mogu se primeniti u čitavom nizu pogonskih grupa vasionskih letilica.

Jonski raketni motori

Koncepcija jonskog raketnog motora nije u osnovi nova. Prema nekim podacima još sovjetski naučnik Ulinski predložio je ostvarenje ovog motora 1923 godine, a ovu koncepciju prihvatio je i poznati nemački astronautičar Oberth u svom delu »Wege Zur Raumschiffahrt« 1929 godine. Kasnije je ova problematika detaljno proučavana u Sjedinjenim Državama i Velikoj Britaniji. Ova proučavanja su pokazala da su vasionske letilice sa jonskim raketnim motorima u stanju da postignu znatno bolje performanse nego letilice opremljene sa raketnim motorima sa hemijskim gorivom pod uslovom da je bruto težina i korisna nosivost ista.

Početkom januara 1957 god. u SAD je izvršena opsežna analitička studija celog ovog problema i na osnovu njenih zaključaka prošle godine počelo je da se radi i na konkretnom razrađivanju i rešavanju pojedinih problema. Pre kratkog vremena ovi radovi su znatno ubrzani.

Uglavnom kod ovih motora postoje četiri grupe problema, povezane sa toplotnim izvorom, sistemom za pretvaranje energije, potisnom komorom i pogonskim materijama. Što se tiče toplotnog izvora postoji nekoliko varijanti, ali se smatra da je najbolje da se upotrebi toplotni ili nuklearni reaktor. Ipak ovde postoji slaba strana u teškoćama oko rukovanja i problemima korozivnosti nekih materijala na visokim temperaturama.

Bilo je i predloga da se za pogon iskoristi sunčana energija. Međutim, izgleda da se tu neće mnogo postići, jer je energija koja se na ovaj način može dobiti prilično mala. Istina, bilo je predloga i da se poveća površina kolektora za fokusiranje sunčevih zrakova, ali i tu postoji izvesna granica preko koje se ne može ići. Jedna analiza je pokazala da je za jedan zadatak poveren raketnom motoru sa sunčevim zracima potrebno 100 puta više vremena nego jonskom raketnom motoru opremljenom sa nuklearnim reaktorom.

Što se tiče sistema za pretvaranje toplotne u mehaničku energiju, predviđaju se specijalni mehanički sistemi koji će koristiti helijum kao izvanrednu pogonsku tečnost.

Jonska potisna komora sastoji se od tri glavna dela - jonski izvor, jonske elektrode i elektronski emitor. Na raspolaganju stoje dva tipa jonskih izvora - lučni i površinski kontaktni tip. Najzad, što se tiče metoda stvaranja elektrona ima ih dva. Jedan je u zračenju a drugi u specijalnoj termionskoj emisiji iz zagrejane tungstenske ploče.

U pogledu pogonskih materija situacija je slična kao kod hemijskih pogonskih materija. Treba rešiti probleme korozivnosti, raspoloživosti materijala, toksičnosti, rukovanja itd. S druge strane, treba izabrati takve pogonske materije koje će proizvoditi relativno teške jone. Smatra se da zasada najviše izgleda imaju cezijum i rubidijum.

Treba imati u vidu da se jonski raketni motori moraju koristiti u kombinaciji sa raketnim motorima sa hemijskim gorivom. Oni će biti od naročite koristi u vasionskim letovima. Njihova područja primene su vrlo široka i obuhvataju različite zadatke kod kojih se traži velika korisna nosivost, vrlo veliki domet, lakoća regulisanja letilica u letu. Znači radi se pretežno o zadacima kod kojih raketni motori sa hemijskim gorivom ne mogu da budu od veće koristi. Uglavnom iskristalisalo se mišljenje da se jonski propulzioni sistemi mogu iskoristiti na četiri važna područja. Pre svega za pogon interplanetarnih vasionskih brodova. U ovoj primeni odnos korisne nosivosti i ukupne mase letilice bio bi znatno bolji nego kod raketnih motora na hemijski pogon. Ova činjenica je od velike važnosti kad se ima u vidu da se pogonske materije moraju lansirati sa Zemlje i postaviti u orbitu letilice. Na drugom mestu treba pomenuti mogućnost korekture orbita letilice. Osim toga, treba pomenuti mogućnost korekture orbita veštačkih zemljinih satelita. Ovo je posebno poželjno kod relejnih satelita za vezu. Treće, što je naročito interesantno, jonski raketni motori se mogu koristiti za prebacivanje satelita iz orbita na maloj visini (recimo 500 km) u orbite na velikoj visini (preko 30.000 km). Efikasnije korišćenje pogonskih materija kod jonskih motora omogućilo bi izbacivanje veće korisne nosivosti na veću visinu nego što je to dosada bilo moguće. I najzad, ovi motori bi mogli da se iskoriste za pogon malih interplanetarnih vasionskih istraživačkih letilica bez posade. I u ovom slučaju jonski propulzioni uređaji bi se mogli koristiti za napajanje sredstava za vezu pomoću kojih bi se dragoceni podaci mogli dostavljati stanicama na Zemlji.

Nuklearni raketni motori

Nuklearni raketni pogon nije još našao svoje pravo mesto u okviru vasionske propulzije. Neki stručnjaci posebno ističu ogroman raskorak koji postoji između energije koja se može dobiti nuklearnim reakcijama i skromne upotrebe ove potencijalne mogućnosti za raketni pogon. Veruje se da bi, boljim stimuliranjem radova na ovom području, bili za relativno kratko vreme postignuti značajni rezultati. Interesantno je da je najteži problem nuklearne raketne propulzije da se ubedljivo pokaže da nuklearni raketni pogon može da pokaže bolje performanse nego odgovarajući raketni pogon sa hemijskim gorivom. Među američkim stručnjacima vlada ubeđenje da postoje dva određena područja na kojima postoji potencijalno preimućstvo nuklearnih raketnih motora. Na prvom mestu to je lansiranje velikih korisnih nosivosti sa Zemlje, i drugo, vasionski letovi sa velikom korisnom nosivošću, uz malo ubrzanje u relativno dugom vremenskom periodu.

Postoje dva načina primene fisione energije za pogon vasionskih letilica. Jedan je u vidu korišćenja detonacija bombi, a drugi u kontrolisanom razvijanju toplote kod fisionog procesa. Prva ideja o korišćenju snage serije malih atomskih eksplozija za pogon vasionskih letilica pojavila se 1947 godine. Sada su u toku aktivni radovi na proučavanju ovih mogućnosti. Ipak treba priznati da je ovo čak i za današnje prilike suviše revolucionaran način. Mnogo je prozaičniji, ali i više obećava, mogućnost primene kontrolisane lančane reakcije. U ovom cilju u SAD je već razvijen jedan nuklearni reaktor.

U pogledu nuklearne propulzije na prvo mesto pada u oči mogućnost oslobadanja ogromne količine energije iz malih količina goriva. Tako naprimer, U235 oslobađa 10 puta više energije nego visokoenergetske hemijske kombinacije, kao naprimer, vodonik i flour. S druge strane termonuklearna reakcija oslobađa energiju koja je deset puta veća nego kod fisione reakcije, ali o tome će biti kasnije reči. Ovakva situacija ukazuje i na potencijalne mogućnosti nuklearnih i raketnih motora. Veruje se da će se u njima kao pogonske materije koristiti vodonik, mada on ima neke negativne osobine, posebno u pogledu tačke ključanja (tečni vodonik ključa na -253°C) i gustine. Sada se razmatra i mogućnost primene amonijaka.

Mada još nije izrađen nijedan nuklearni raketni motor, u prirodnoj veličini, smatra se da se na to neće dugo čekati. I američki stručnjaci veruju da će on od samog početka biti znatno bolji od najboljih postojećih raketnih motora sa hemijskim gorivom. Ovo posebno zbog toga što se raketni motori sa hemijskim gorivom brzo približavaju svojoj gornjoj granici mogućnosti oslobađanja energije, dok je nuklearnim motorima za iste performanse dovoljan samo mali deo njihove raspoložive energije. Problem je samo u tome kako tu energiju iskoristiti na najracionalniji način.

Plazma propulzioni sistemi

Već nekoliko godina u krugovima stručnjaka se ističe da električna propulzija, a posebno plazma motori, može da u najvećoj meri smanji troškove lansiranja letilica sa velikom korisnom nosivošću u vasionu. Pri tome se ističe da bi se kod toga morala upotrebiti sledeća kombinacija: Letilica bi prvo bila izbačena u orbitu Zemlje pomoću raketnih motora sa hemijskim gorivom, a posle toga bi se dalji let obavljao pomoću električnih propulzionih sistema. Na ovaj način znatno bi se povećala korisna nosivost (verovatno dva do tri puta).

Pored toga, u slučaju lansiranja satelita za održavanje veze, postiglo bi se i to dopunsko preimućstvo što bi propulzioni uređaj istovremeno napajao i opremu za održavanje veze.

Sada bi trebalo reći i nekoliko reči o neposrednim zadacima koji stoje u astronautici, kako bi se lakše shvatili zahtevi koji stoje pred konstrukotorima uređaja. Američke analize su pokazale da je za zadatke u okviru gravitacionog područja Zemlje i leta do Meseca optimalni specifični impuls za električne propulzione sisteme između 1.500 i 5.000 sekundi. Ista ta analiza je pokazala da jonski raketni motori nisu podesni za ove zadatke, a da plazma motori jesu. Najvažniji zadaci u neposrednoj budućnosti jesu: izbacivanje satelita za održavanje veze; let do Meseca i povratak; interplanetarni letovi. Veruje se da će se ostvarenju prva dva zadatka prići u relativno bliskoj budućnosti. Da bi se bolje shvatile mogućnosti električnih propulzionih sistema treba uporediti njihove mogućnosti sa raketnim motorima sa hemijskim gorivima i sa motorima koji koriste sunčanu svetlost. Rezultati analize su bili sledeći: za zadatke u okviru gravitacionog područja Zemlje (izbacivanje satelita i put do Meseca i natrag) optimalni specifični impuls iznosi između 1.500 i 5.000 sek. Baš za ove zadatke električna propulzija daje najbolje izglede. Što se tiče interplanetarnih letova za njih je potreban impuls između 7.500 i 20.000 sek.

U svakom slučaju može se reći da električna propulzija ima značajne prednosti u odnosu na do sada navedene pogonske sisteme, jer omogućuje smanjenje startne težine najmanje dva do tri puta.

Termonuklearni motori

Na kraju treba reći nekoliko reči i o mogućnostima primene termonuklearnih motora u vasionskoj propulziji. Ovo pitanje je posebno interesantno zbog toga što je u našoj literaturi o tome dosada malo pisano. Odmah na početku treba reći da najveći problem u primeni termonuklearne propulzije leži u činjenici da termonuklearni reaktor još nije ni razvijen. Međutim, stručnjaci ne sumnjaju u to da će ovaj reaktor biti izrađen i posebno ističu da će on naći značajnu primenu. Kada takav reaktor bude izrađen on će razvijati energiju skoro bez ikakvog utroška goriva. Mada postoje još dve vrste propulzije, fisiona i sunčana, koje takođe imaju ovu karakteristiku u pogledu utroška goriva, postoji opravdana nada da će termonuklearni sistem biti znatno lakši od oba navedena sistema. U ovom članku detaljnije će se razmotriti samo dva pitanja iz ove problematike. Prvo je, kakva će biti primena ove propulzije u trenutku kada budu savladane materijalne teškoće na putu njenog ostvarenja, i drugo, koji će se problemi pojaviti u konstrukciji termonuklearne pogonske grupe.

Kao što je poznato današnje pogonske grupe, koje se koriste za pogon vasionskih letilica, su bazirane na raketnim motorima sa hemijskim gorivom. Oni se karakterišu specifičnim impulsima između 200 i 300 sek, i kao što je napred istaknuto može se očekivati da će u bliskoj budućnosti impuls biti povećan na maksimalno 400 sek. Kod ovakvih motora daleko najveći deo težine motora otpada na gorivo. Mada nema nikakve sumnje da bi i letilice opremljene ovim motorima bile u stanju da obave let do Marsa i natrag, bruto težina u odnosu na korisnu nosivost bila bi suviše velika. Uzmimo za primer jednu četvorostepenu raketu sa hemijskim gorivom koja ima specifični impuls od 400 sek. Za poletanje iz orbita Zemlje, let do Marsa i natrag do orbita, putanjom koja obezbeđuje minimalni utrošak energije, bilo bi potrebno da 90% težine letilice sačinjava gorivo. A pri tome treba imati u vidu da ovde nije uračunata potreba da se letilica lansira sa Zemlje do orbita. A, kao što je u jednom prethodnom stavu istaknuto, ako bi se umesto raketnih motora sa hemijskim gorivom koristili nuklearni raketni motori ili fisiono-električni motori, startna težina vasionske letilice u orbitu mogla bi da bude 3 do 5 puta manja. To, istovremeno znači da bi korisna nosivost u orbitu mogla da iznosi 50 otsto celokupne težine letilice.

Većina stručnjaka smatra da bi se umesto raketnih motora sa hemijskim gorivom korisno mogli upotrebiti fisiono-električni motori kod kojih bi nuklearni reaktor zagrevao pogonsku tečnost, a ova sa svoje strane davala pogon turbini. Veliko preimućstvo ovog sistema je u tome što bi se energija dobijala uz neznatni utrošak goriva.

Međutim slaba strana ovog sistema je u tome što takav propulzioni sistem ne bi mogao da bude dovoljno lak, drugim rečima ne bi mogao da proizvede potisak koji bi bio jednak težini letilice. A ako se to ne bi moglo ostvariti, onda i ta letilica ne bi bila u stanju da poleće sa površine planete. To znači da bi za ovakve motore ostao jedino zadatak pogona letilica koje lete između orbita oko Zemlje, do Marsa itd. Ostale primene ovakvih propulzionih sistema su u pogonu satelita na malim visinama.

Treba reći da je potrebno razviti takav propulzioni sistem koji bi bio u stanju da postigne performanse predloženih fisiono-električnih sistema, ali istovremeno uz mnogo manju težinu. Da li se to može očekivati od termonuklearne propulzije? Treba odmah istaći da bi bilo bespredmento da se jednostavno umesto fisionog reaktora u nuklearno-električnom sistemu postavi termonuklearni reaktor. Ovo zbog toga što se ovde ne radi samo o težini reaktora već i o drugim problemima. Naime, termo-nuklearna propulzija može da dođe u obzir za pogon vasionskih letilica jedino
ako ne koristi tzv. »toplotni ciklus«. Postoje dva načina da se to ostvari.

Pre svega, priroda termonuklearnog reaktora je takva da izgleda da će biti moguće da se električna energija dobije direktno širenjem plazme uz ograničavajuće magnetsko polje. Istina ovo može, ali ne mora, da dovede do smanjenja težine; u svakom slučaju biće eliminisani mnogi pokretni delovi koji su inače kod fisiono-električnih sistema neophodni. Uopšte, primena pokretnih delova je nepoželjna. Treba imati u vidu da vasionska letilica sa ovim motorom treba da leti godinama bez ikakvog remonta. Znači, postavlja se i zahtev za što dužim vekom trajanja. S druge strane, odsustvo pokretnih delova otvara perspektive primene temperaturo-otpornih materijala raznih vrsta. Ovo je takođe od velike važnosti.

Druga mogućnost kod termonuklearnog reaktora je da se potisak dobija neposredno, bez pretvaranja u električnu energiju. Teoretski i ovo pitanje se može rešiti. A sada nekoliko reči o tome da li će biti moguće da se ostvari ovakav termo-nuklearni reaktor. Ovakav reaktor bi morao da koristi deuterijum ili tricijum. Prednost se daje deuterijumu koga ima u dovoljnim količinama u morskoj vodi, dok je tricijum skuplji i mora se veštački proizvoditi. Prema mišljenju jednog američkog stručnjaka moguće je da se izradi termonuklearni reaktor koji bi koristio deuterijum. Po njegovom mišljenju samo pola kilograma ovog materijala dovoljno je za pogon vasionske letilice teške 50 tona od Zemlje do Marsa.

Međutim, bitno je da je za ostvarenje dovoljno brzih termonuklearnih reakcija potrebno razviti temperaturu od oko sto miliona stepeni. Stoga se postavlja pitanje smeštaja materijala (plazme), kao i mogućnosti i izdržljivosti materijala pod ovim uslovima. Postoji nekoliko predloga za rešenje ovog pitanja.

Neki stručnjaci misle da bi i termonuklearni propulzioni sistem mogao da se iskoristi u kategoriji sistema sa malim potiskom. U tom slučaju i on bi morao da se koristi u kombinaciji sa drugom vrstom motora.

Postavlja se i pitanje kad će biti moguće da se ovakav motor ostvari. Mišljenja su podeljena, ali iz literature o američkom »Projektu Šervud« (program istraživanja kontrolisane termonuklearne reakcije), može se zaključiti da ne treba uskoro očekivati neki veći uspeh. U svakom slučaju stručnjaci se slažu da će za savlađivanje svih problema biti potrebno najmanje 20 godina. Ono što je bitno jeste da nema nikakve sumnje da će termonuklearna propulzija imati značajno mesto u pogonu vasionskih letilica.

Zaključak

Dat je pregled samo nekoliko najglavnijih perspektivnih sistema za pogon vasionskih letilica. Mada se istraživački radovi nalaze u raznim fazama, ne sumnja se da ćemo u skoroj budućnosti dobiti obilje podataka o njihovoj razradi. Za ovo svedoči ubrzani tempo dvogodišnjih aktivnih napora u osvajanju vasione.