211service.com
Flygets nästa stora språng
Trots sin aura som en banbrytande industri har flygindustrin stagnerat i decennier. Samma typer av jetflygplan som togs i bruk på 1960-talet råder fortfarande i kommersiella och militära flygningar. I USA har det inte funnits ett betydande nytt raketmotorprogram sedan rymdfärjans huvudmotor utvecklades för 20 år sedan. Ingenting med Boeing 777 skulle förbrylla Eisenhower-erans flygplansdesigners.
Men idag kan tillgången på tillförlitliga, återanvändbara raketmotorer möjliggöra nästa stora steg i rymdtransporten: raketplanet. Raketplan kombinerar raketframdrivning med flyg, vilket gör att flygplan som startar och landar från konventionella flygplatser kan flyga upp och ut ur atmosfären. Raketplan kommer att sänka kostnaderna för satellituppskjutning, påskynda leveransen av paket och i slutändan ge ett sätt för människor att zippa från ena sidan av jorden till den andra på en timme eller så. Även om denna vision kan verka långsökt, är tekniken till hands.
Tanken på ett raketplan är inte ny. Det första sådana flygplanet - tysken Heinkel He-176 - flög 1939. Det var i den raketdrivna X-1 som Chuck Yeager först bröt ljudmuren, för 50 år sedan i oktober förra året. Under 1980-talet och början av 1990-talet samarbetade NASA och USA:s försvarsdepartement i National Aerospace Plane Project - ett försök, sedan det avbrutits, för att utveckla teknologier som skulle möjliggöra ett fordon som skulle lyfta som ett vanligt flygplan, accelerera in i omloppsbana runt jorden och sedan återvända genom atmosfären för en landningsbana.
Men de senaste framstegen inom teknik - från effektivare raketer till mer pålitliga och robusta termiska sköldar - har drivit raketplanet närmare den praktiska verkligheten. Samtidigt växer marknaden för de tjänster ett sådant fordon kan erbjuda. Behovet av att skjuta upp satelliter ekonomiskt kan ge den första stimulansen för att utveckla ett raketplan. I framtiden kan dock den huvudsakliga dagliga användningen av dessa hypersoniska fordon mycket väl ligga i att leverera passagerare och värdefulla paket runt om i världen.
Det är inget mysterium varför flygplansdesigners har tagit så lång tid att ta till sig raketmotorteknik. För det första är raketer ineffektiva och förbrukar bränsle sju gånger så snabbt som en turbojet vid full effekt. Och medan en jetmotor andas luft från atmosfären för att bränna sitt bränsle, är raketer designade för att arbeta i rymdens vakuum och måste därför bära inte bara bränsle utan också oxidationsmedel - vanligtvis i form av flytande syre. Detta krav innebär en större viktbelastning på en raket än en jet.
För det andra har raketer i allmänhet inte visat sig vara lika tillförlitliga som gasturbinmotorer. Denna opålitlighet beror delvis på att dessa motorer arbetar vid extremt höga temperaturer. Dessutom har flygplanskonstruktörer och ingenjörer relativt liten erfarenhet av raketer, jämfört med deras miljarder timmars erfarenhet av jetmotorer.
Men raketer har en viss motverkande fördel. Även om de slukar bränsle väger de bara en bråkdel av vad gasturbiner gör. De bästa jetmotorerna som nu är under utveckling genererar cirka 9 gånger så mycket dragkraft som motorns vikt. Däremot producerar även en mycket tung raketmotor ett dragkraft-till-vikt-förhållande på 50. Dessutom, med nuvarande teknologi kan bara en raket uppnå den Mach 25-hastighet som behövs för att övervinna dragkraften och komma in i jordens omloppsbana. (Mach 1 är ljudets hastighet i luft, ungefär 740 mph, eller 1 200 kilometer i timmen.) Till och med den snabbaste luftandande jetmotorn slingrar sig med bara omkring Mach 4.
Att ta sig upp till det vilda svarta där
Kommersiellt framgångsrika raketplan kommer att bero på utvecklingen inom två nyckelteknologier: en pålitlig, återanvändbar raketmotor och ett robust termiskt skyddssystem för att förhindra skador vid återinträde. I båda fallen finns avancerade lösningar till hands.
Amerikanska forskare har fokuserat på att förbättra komponentteknologier och avancerade material, inte på att tillverka faktiska raketmotorprodukter. I fd Sovjetunionen har forskare dock fortsatt att främja utvecklingen av raketmotorfamiljer. I synnerhet ledde det sovjetiska rymdfärjeprogrammet till en ny generation av avancerade återanvändbara raketmotorer som drivs med fotogen (det vill säga konventionellt flygbränsle), väte eller en kombination av de två. Till exempel har den återanvändbara RD-120, en fotogenförbränningsmotor utvecklad som en överstegsmotor för Zenit-boostern, certifierats av sin amerikanska importör Pratt and Whitney som bra för 10 flygningar plus ytterligare 10 efter en större översyn.
Flygtekniker inser också att det termiska skyddssystemet på rymdfärjan inte är lämpligt för ett riktigt robust fordon. Även om skytteln är återanvändbar, skadas dess värmesköld lätt. Dessutom skadar vanliga väderförhållanden som regn och vinddrivet damm värmeskölden. Efter varje landning måste skytteln genomgå en kostsam och tidskrävande renovering som involverar giftiga kemikalier och speciella procedurer, för att ersätta de förlorade och skadade brickorna så att rymdfarkosten säkert kan ta sig upp i omloppsbana igen.
NASA:s ansträngningar att rätta till dessa problem har gett imponerande resultat. Designers har ett mycket bredare urval av kakel, filtar, metallytor och avancerade kompositer och keramik, som alla kan göra den nya generationens raketplan som kan motstå vind och väder som skulle ta bort värmeskölden från skytteln på några minuter. Ett av de nya materialen - AETB-TUFI-C termiska skyddsplatta som utvecklats av NASAs Ames Research Center - har överlevt, oskadat, en testflygning på en F-15. Detta resultat var desto mer anmärkningsvärt eftersom fightern flög genom en regnstorm som skurade bort färgen från dess yta.
Sådana framsteg har stärkt möjligheterna att bygga ett återanvändbart raketplan. Men andra designfrågor återstår innan ett sådant hantverk blir praktiskt. För det första, för att dra fördel av de biljoner dollar av befintlig flygplatsinfrastruktur, måste ett raketplan kunna lyfta och landa på ett konventionellt, horisontellt sätt.
Dessutom fungerar en raketmotor bäst i rymdens vakuum; ju tätare luften är, desto mer bränsle måste raketen bränna för att utveckla samma dragkraft. Atmosfärens tjocka soppa av luft innebär också en dragstraff, vilket tvingar raketen att slösa bort enorma mängder bränsle. Således behöver ett raketdrivet flygplan något annat framdrivningsmedel för att lyfta det från marken till de övre delarna av atmosfären; när raketen väl nådde utkanten av atmosfären kunde den antändas och driva farkosten ut i rymden.
Flygingenjörer har utvecklat tre huvudsakliga system för att åstadkomma detta. I det ena är raketplanet fäst vid magen på ett jetflygplan, som lyfter och flyger till hög höjd. Sedan släpper raketplanet för att slutföra sin flygning. Chuck Yeager använde denna teknik 1947 för att uppnå den första mänskliga resan i överljudshastighet.
I en modern variant av detta tillvägagångssätt bogserar ett jetflygplan ett raketplan till hög höjd med en tjuder, ungefär som konventionella flygplan startar segelflygplan. Detta system utvecklas vid Kelly Space and Technology i San Bernardino, Kalifornien. Kellys Eclipse-flygplan bogseras av en Boeing 747 till en höjd av cirka 14 kilometer. Där avfyrar Eclipse sin raketmotor, kopplar från draglinan och klättrar till cirka 150 kilometer. Eclipse glider sedan till en motorlös landning.
En fördel med dessa två tekniker är att själva raketplanet bara behöver en motor - raketen. Å andra sidan har alla fordon som är beroende av ett annat flygplan för att starta det en allvarlig nackdel. Om raketplanet landar på fel ställe, till exempel, måste det invänta ankomsten av ett bärande eller bogserande plan innan det kan hamna i luften igen. Dessutom skulle start i en sådan tandemkonfiguration kräva längre och bredare banor än vid befintliga flygplatser. Dessutom, om raketmotorn inte tänds efter att ha kopplats bort från bärarflygplanet, skulle raketplanet troligen gå förlorat.
Vårt företag - Pioneer Rocketplane - förespråkar ett annat uppskjutningshjälpsystem. I Pioneer-inflygningen skulle Pathfinder-flygplanet lyfta på ett konventionellt sätt och klättra till nio kilometer under kraften av konventionella turbofanjetmotorer. Där skulle det mötas med ett stort subsoniskt flygplan, som en KC-135-transport eller en Boeing 747, som skulle fungera som ett flygande tankfartyg. För att förbereda sig för den andra fasen av flygningen, skulle raketplanet docka med denna tanker och suga omkring 290 000 kilo flytande syre från det. Sådana överföringar är vanliga inom militärflyg, även om drivmedlet som förflyttas är flygbränsle snarare än flytande syre.
Efter att ha kopplats bort från tankfartyget skulle flygplanet tända sin raketmotor och klättra till 150 kilometer och nå en hastighet av Mach 12. Raketplanet skulle sedan färdas ovanför atmosfärens yttersta kanter, under vilken tid en satellit fäst vid en liten raketöverdel. scenen kan släppas för överföring till omloppsbana. Flygplanet skulle sedan sjunka tillbaka till atmosfären. Efter att ha saktat ner till en underljudshastighet, skulle turbofläktmotorerna starta om och driva flygplanet till ett landningsfält. Eftersom det kunde lyfta från vilket medelstort flygfält som helst, skulle Pioneer-raketplanet ge stor flexibilitet i valet av uppskjutningsplats och avbrytningsalternativ.
Åka raketplan för skojs skull och för vinst
Det första som många tänker på när de tänker på raketplan är potentialen för snabba personliga resor. Även om den möjligheten finns, lovar andra applikationer en stabilare intäktsström och kommer förmodligen att utvecklas först.
satellituppskjutning: Trots en sund verksamhet från uppskjutning av statliga och kommersiella satelliter, har den internationella rymduppskjutningsindustrin under de senaste två till tre decennierna lidit av en period av nästan fullständig teknisk stagnation. De flesta av uppskjutningssystemen som nu används - inklusive Delta, Atlas, Titan, Soyuz, Molniya och Proton - flög redan i mer eller mindre sina nuvarande former i mitten av 1960-talet. Medan några ytterligare system, som det europeiska Ariane, har introducerats under de mellanliggande decennierna, har tekniska förbättringar varit så små att äldre system fortfarande är konkurrenskraftiga. Som ett resultat förblir fraktpriserna från jordens yta till omloppsbana på cirka $10 000 till $20 000 per kilogram - samma som på 1960-talet. Denna ihållande höga kostnad hämmar allvarligt den kommersiella utvecklingen av rymden.
Skapa en ny rymdindustri
Eftersom raketplan är en teknologi på kort sikt med stor kommersiell tillämpning bör det vara möjligt att finansiera utvecklingen av dem i första hand med privata investeringar. Ändå innebär utvecklingen av nya flygsystem alltid betydande affärsrisk, som skulle kunna mildras genom statligt deltagande.
Hänvisning till vår nuvarande era som rymdåldern är en felaktig benämning som kallar 1910-talet för luftåldern. Med undantag för militären, kände världen inte riktigt påverkan av flygresor förrän tekniken blev rutinmässig och vardaglig och överkomlig för mer än ett fåtal elit. På samma sätt, om en verklig rymdålder ska anlända, måste det finnas en marknad för raketfordonsteknik som stödjer tillverkningen av rymdfarkostkomponenter inte i massor av ettor eller tvåor, utan i hundratals eller tusentals.
Tillverkare av dessa plan kommer att behöva börja använda de produktionsmetoder som är vanliga inom kommersiellt flyg snarare än de kostsamma produktionstekniker för små partier som dominerar rymdindustrin idag. Dessutom kommer vi att behöva en världsomspännande lanseringsinfrastruktur som inte stöder hundratals flygningar per år, utan hundratals flygningar per dag. De enda marknaderna som är tillräckligt stora för att stimulera investeringar i sådan produktionskapacitet och lanseringsinfrastruktur är långväga paketleverans och passagerartransport.
Av samma anledning som militära och sedan postflygplan föregick passagerarflygplan, kommer satellituppskjutning, militär och snabb paketleverans raketplan utan tvekan att föregå passagerarraketplan. Ändå kommer den dagen säkerligen att komma då tusentals raketplan korsar jorden dagligen och betjänar affärs- och semesterresenärer från New York till Tokyo - kanske till och med i omloppsbana.