211service.com
Nedräkning för raketplan
Den soliga staden Mojave, Kalifornien, med en befolkning på bara 3 700, har en flygplats som tar upp nästan lika stor yta som Los Angeles International. Den stora, isolerade platsen, vid den bergkantade kanten av en bred vidsträckt hög ökenslätta, har varit hem för flera ensamvargare flygbolag. Voyager, det extremt lätta flygplanet som 1986 blev det första att flyga nonstop runt världen utan att tanka, skapades här. Nu, i en anspråkslös låg byggnad vid flygplatsens utkant, föds framtiden för rymdtransport, möjligen.
Tänk på att den framtiden inte ser mycket ut än: ett litet tvåsitsigt flygplan som liknar en jetjager med stjärten avskuren och stubbiga vingar installerade nära nosen. I juli förra året nådde detta lätta farkost, kallat EZ-Rocket, en ny flygmilstolpe när piloten Dick Rutan, som också hade lotsat Voyager, satte sina dubbla raketmotorer genom en svängbar beröring och manövrerade: lyfta, stänga av motorerna, landa, tända upp motorerna igen och lyfta utan att stanna. Detta representerade ett nytt högvattenmärke för att ge flygplansliknande flexibilitet och kontrollerbarhet till ett raketdrivet farkost, ett faktum som har ökad betydelse sedan rymdfärjans Columbia-katastrof väckte nya frågor om genomförbarheten av den amerikanska regeringens bemannade rymdprogram.
Var och en av dessa två flygningar varade mindre än 15 minuter och nådde aldrig högre höjder än 3 000 meter. Men de visade att Xcor Aerospace, företaget bakom EZ-Rocket, kan ha den bästa chansen hittills på att faktiskt ge världen en återanvändbar rutin för att ta med raketplan, flygbolagsliknande operationer till raketvärlden och sänka uppskjutningskostnaderna till så lite som en tiondel av att skjuta upp rymdfärjan och dagens förbrukningsraketer. En sådan farkost skulle inom flera år kunna tillåta billig satellitutplacering för forskning och kommunikation och rymdturism som tjuvstart. Över en längre tidsram kan efterföljande farkoster tillhandahålla ett New York CityTokyo passagerarflyg som tar mindre än tre timmar. Och eftersom att bryta sig loss från jordens gravitation är den största kostnaden för varje rymduppdrag, är billigare uppskjutningar väsentliga förutsättningar för sådana visionära satsningar som rymdbaserade solfångare som skulle stråla energi till jorden 24 timmar om dygnet och ädelmetallbrytning från asteroider.
Naturligtvis har människor försökt i årtionden att förverkliga visionen om ett återanvändbart raketplan, med liten framgång. Raketvetenskap har blivit synonymt med avancerad teknik, men faktum är att det har varit väldigt lite i vägen för nyutveckling av raketer sedan början av 1960-talet, säger Xcor Aerospace-president Jeff Greason, en tidigare Intel-chef. Vad som är annorlunda nu, säger han och andra, är att redan innan Columbia gick sönder den 1 februari började folk faktiskt bygga och testa nya konstruktioner. Faktum är att mer än två dussin företag över hela världen, för att inte tala om NASA och andra nationella rymdorganisationer, aktivt utvecklar raketplan. Och med förlusten av Columbia, dödsfall av sju astronauter och efterföljande grundstötning av de återstående skyttlarna, kommer sannolikt både antalet utvecklare och angelägenheten av deras uppgift att växa. Behovet av att hitta något sätt att få ny teknik och nya tillvägagångssätt för rymdtransport är förmodligen mycket tydligare än det var tidigare, säger Greason.
Många privata spelare sporras av möjligheten att vinna X-priset på 10 miljoner dollar. Denna belöning, som erbjuds av en St. Louis, MO-baserad stiftelse finansierad av rymdturismboosters, kommer att delas ut till den första privatfinansierade raketfarkost som bär tre personer till kanten av rymden (en höjd av minst 100 kilometer), återvänder dem säkert till jorden, och gör allt igen inom två veckor. Redan har 24 spelare anmält sig för att göra försöket.
Men 10 miljoner dollar är en droppe i hinken jämfört med det verkliga priset: rymdturism. Förra året drog en undersökning på uppdrag av NASA slutsatsen att om tillförlitliga farkoster fanns tillgängliga, skulle 15 000 rika spänningssökare årligen registrera sig för suborbitala flygningar som kostar cirka 50 000 $ vardera. Det motsvarar en marknad på 750 miljoner dollar. Och även om det inte skulle motsvara dagens huvudsakliga rymdverksamhet med att skjuta upp satelliter - 2001 genererade 39 uppskjutningar världen över nästan 3,3 miljarder dollar i intäkter - kan det markera början på något mycket större. Rymdturism har potential att växa till en stor ny industri lika viktig som civil luftfart, säger Patrick Collins, ekonom vid Azabu University i Fuchinobe, Japan, och en mångårig förespråkare av rymdkommersialisering. På kort sikt, tillägger han, finns det ingen annan tillämpning av utrymme med ens avlägset liknande potential. Och oavsett om en sådan marknad förverkligas snabbt eller inte - det är möjligt att de kyliga bilderna av Columbia som bryter sönder kommer att göra blivande rymdturister nervösa i flera år framöver - tekniken i sig håller helt klart på att mogna. I november förra året sa rapporten från en presidentkommission för den amerikanska flygindustrin att återanvändbara bärraketer som åtminstone kan sänka kostnaderna för att sätta ut satelliter i rymden avsevärt ligger inom vårt räckhåll under detta decennium.
Historien om misslyckande
Att skapa återanvändbara raketplan borde ha varit NASA:s jobb. Men NASA:s ansträngning - X-33, ett ambitiöst koncept för ett återanvändbart raketplan som 2005 skulle visa teknik som så småningom kunde ersätta rymdfärjans program - blev den största vita elefanten som någonsin producerats av det amerikanska rymdprogrammet. Mellan 1997 och 2001 spenderades nästan 1,3 miljarder dollar på det vätgasdrivna farkosten, och det finns praktiskt taget ingenting att visa för det. Ödesvärt valde NASA en plan som använde en mängd tekniskt utmanande (läs: riskfyllda) tekniker - inklusive unika raketmotorer, bränsletankar och värmesköldar - och en komplex fordonsdesign. Var och en av dessa tekniker skulle ha behövt fungera för att farkosten framgångsrikt skulle kunna leda vägen för att ta bort rymdfärjans flotta - som nu är mer än två decennier gammal - för uppdrag som inkluderar färja astronauter till den internationella rymdstationen och uppskjutning av vetenskaplig nyttolaster som Hubble Rymdteleskop.
Men en del, en sammansatt flytande-vätebränsletank byggd av Lockheed Martin, misslyckades i tester. 2001 gick NASA, inför utsikterna att vänta ytterligare ett år på en ny version, bort från ansträngningen och startade något nytt, säger byråns tidigare biträdande administratör för policy och planering Lori Garver. Varje gång du gör det tappar du mark. Nu, två år efter X-33:s annullering, förväntas NASA:s fortfarande i stort sett odefinierade nya ansträngning inte producera en ersättning för rymdfärjan tidigare än två decennier från nu. Men det kommer utan tvekan att finnas press efter Columbia för att påskynda den tidtabellen.
Ett resultat av X-33-debaclet var att sätta en allvarlig dämpning på privata investeringar på området. Konventionell visdom menade att om NASA inte kunde bygga en återanvändbar raket så kunde ingen det, säger Collins. Men världen saknar ett raketplan inte för att det är svårt att bygga, säger han. Det är bara det att praktiskt taget all raketforskning har utförts av en statlig monopolmyndighet. Buzz Aldrin, som 1969 blev den andra mannen att gå på månen, säger att USA helt enkelt saknar ett sammanhängande nationellt program för att utveckla prisvärd, återanvändbar uppskjutningsteknik. Och medan Columbias hemska öde kunde skärpa fokus, säger Aldrin att för tillfället i alla fall, vi är i en enda röra.
I denna röra kommer Xcor Aerospace och dess konkurrenter. Deras vision: att bygga en ny ras av raketer. Till skillnad från alla raketer som hittills har avfyrats, skulle denna farkost flyga ut i rymden och återvända hem intakt. (Vissa konstruktioner kräver en tvåstegsprocess som gör att raketen initialt tar sig upp genom att rulla på toppen av ett jetplan.) Till och med rymdfärjorna, världens första och enda återanvändbara rymdfarkost, kasserar delar av de dubbla boosterraketerna och alla de enorma externa bränsletank vid varje lansering.
Att förverkliga denna vision ser relativt okomplicerat ut på papper. Raketmotorer är i grunden förbränningskammare med pumpar som för in bränsle och oxidationsmedel-syre eller en syrerik kemikalie som gör att bränslet kan brinna även i rymdens vakuum. De behöver inte en jetmotors höghastighetsturbofläktar och kompressorer, som ger syre från luften för att bränna bränsle och står för cirka 80 procent av motorns storlek, vikt och komplexitet. Och som ett resultat kan raketer flyga mycket högre än jetplan, som inte kan överstiga höjder på 16 kilometer eftersom luften blir för tunn för att bränna flygbränsle och ge vingarna lyft.
Ingen säger att sådana uppkomlingar som Xcor Aerospace kan nå rymden i ett steg. Att nå omloppsbana innebär att uppnå hastigheter på 27 800 kilometer i timmen, transportera enorma mängder bränsle och motstå extrema påfrestningar. Att möta dessa utmaningar kommer av allt att döma att ta minst ett decennium. Under tiden kan man dock lära sig mycket när man skjuter mot ett mycket mer blygsamt mål: att bygga en raketdriven farkost som kan nå kanten av rymden - en höjd av 100 kilometer - utan att faktiskt gå i omloppsbana. För att uppnå den höjden krävs en hastighet på cirka 4 500 kilometer i timmen, inte mycket snabbare än topphastigheterna för dagens jetjaktplan, så designers av farkosten bör kunna anpassa jaktplanens relativt beprövade system och tekniska procedurer till ny uppgift.
Xcor Aerospace president Greason säger att det är möjligt att nå designmålet inom de närmaste åren. Faktum är att för ungefär sex år sedan lämnade han den blomstrande mikrochipsindustrin eftersom han såg rymdbranschen som där datorer hade varit tillbaka på 1970-talet: några företag kontrollerade en marknad för stor, dyr, exklusiv hårdvara, och de var omedvetna om sjöförändringar som kommer att orsakas av några besatta collegeavhoppare som arbetar i garage och använder hyllplan för att producera fantastiska nya persondatorsystem. Det är väldigt likt PC:ns tidiga dagar, säger Peter Diamandis, ordförande och grundare av X-Prize Foundation. Suborbitala fordon som kan göra tusentals flygningar per år kommer att skapa en marknadsplats genom att ändra perspektivet på rymden: det är inte bara för regeringar, utan för allmänheten.
Liten, kvick tävling
Xcor Aerospaces EZ-Rocket är som de tidiga datorerna - enkel, grundläggande och från den vanliga flygbranschens synvinkel praktiskt taget mikroskopisk. Dess dubbla raketmotorer, drivna av alkohol och flytande syre, producerar separat endast en tusendel av dragkraften från var och en av rymdfärjans tre huvudmotorer. Men till skillnad från sina skyttelmotsvarigheter kan EZ-Rocket-motorerna styras helt och till och med stängas av och startas om under flygning. Ändå är EZ-Rocket bara ett demonstrationsfordon. Den lilla farkosten är designad för att samla erfarenhet för att bygga ett tvåsitsigt suborbitalt rymdplan, kallat Xerus, som nu är under utveckling.
För Xerus utvecklar Xcor Aerospace en raketmotor med fem gånger så stor kraft som EZ-Rocket - en motor som kan gasas upp och ner i ett brett spektrum av hastigheter. Ett kluster av fyra eller fem sådana motorer skulle lyfta raketplanet till en höjd av 100 kilometer; då skulle mindre raketer tillåta farkosten att upprätthålla stabilitet under en utflykt till rymden.
Xcor Aerospace eftersträvar tvåpersoners Xerus även om den inte kommer att uppfylla trepersonerskriteriet för X-Prize. Pris eller inget pris, Greason, Rutan och deras handfull medarbetare ser massor av marknadsincitament. Greason säger att Xerus skulle kunna skjuta upp en liten satellitnyttolast - cirka 10 kg - in i en låg omloppsbana med hjälp av en boosterraket på satelliten. Sådana små satelliter används för universitetsforskningsprojekt, som ofta måste vänta i flera år för att kunna ta sig tillbaka till en större satellituppskjutning. Och Xerus själv kan också användas för forskning - som att samla in atmosfärisk data eller utföra tekniska experiment som kräver korta tidsperioder i miljöer med noll gravitation.
Det verkliga målet är dock turism. Greason säger att Xerus kan ge turister en halvtimmes joyrides - tre minuter av viktlöshet och en chans att se jordens krökning och rymdens mörker - och sedan landa på en vanlig landningsbana. Enbart en Xerus, säger han, skulle kunna tjäna 24 miljoner dollar per år i turistintäkter på utvecklingskostnader på mindre än 10 miljoner dollar. Med hjälp av sådana visioner hoppas Xcor Aerospace att inom tre år ha flugit och testat Xerus och förberett farkosten för produktion. Vi bestämde oss för att göra de minsta steg vi kunde, med så många av dem som möjligt generera intäkter, förklarar Greason. Om Xerus fungerar och turistvinster rullar in, säger han, skulle företagets utvecklare börja ta itu med den ultimata uppgiften att komma in i omloppsbana.
Tanken på minsta steg har förstås en viss historisk resonans när det kommer till rymdteknik. Men medan Xcor Aerospace fokuserar på det inkrementella tillvägagångssättet, strävar flera konkurrerande företag redan efter den stora visionen: ett farkost som kan gå hela vägen i omloppsbana. En spelare är Pioneer Rocketplane i Solvang, CA. Företaget har designat en raket-och-jethybrid som heter Pathfinder, som kommer att lyfta med traditionella jetmotorer. Väl på en marschhöjd av cirka 5 500 meter kommer ett bränsletankerplan att möta Pathfinder och pumpa flytande syre in i en tom tank ombord på farkosten. Sedan, framdriven av en kombination av flytande syre och fotogen, kommer Pathfinder att tända sin raketmotor och sväva till en höjd av 139 kilometer, där den kommer att släppa ett obemannat övre steg för att leverera en nyttolast på 2 280 kilo i omloppsbana.
Precis som Xcor Aerospace börjar Pioneer med en mindre version - Rocketplane XP - som kommer att tävla om X-Prize. Även om varken XP eller Pathfinder har nått ens prototypstadiet, anses Pioneer Rocketplane vara en seriös spelare. Dess VD, Mitchell Burnside Clapp, var ansvarig för en flygvapendesign av en flygplansliknande återanvändbar raket som senare utvecklades till Pathfinder-konceptet. På grund av den designen är Pioneer Rocketplane en ledande konkurrent till ett Defense Advanced Research Projects Agency-projekt för att utveckla en billig raketdriven satellituppskjutare. (Byrån förväntas meddela tilldelningen av två slutliga designkontrakt den 1 mars.)
De flesta av de återanvändbara raketspelarna tänker i termer av att bära människor - både piloter och turister. Men Tysklands Astrium utelämnar uttryckligen mänsklig last. Istället utvecklar man en autonom raketfarkost som heter Hopper, designad för att ge billiga satellituppskjutningar. Det första steget i denna riktning är Phoenix, en version i en sjätteskala av Hopper.
Phoenix är främst en testbädd för autonom landningsteknik. Farkostens designers inkorporerar laserbaserade höjdmätare-höjdsensorer och digital utrustning för Global Positioning System tillsammans med intelligenta navigeringsalgoritmer som gör det möjligt för farkosten att göra en glidbana landning utan hjälp från människor eller utrustning på marken. Det första testet av fordonet, som är under konstruktion, väntas nästa år: en helikopter kommer att släppa Phoenix från en höjd av cirka 1 400 meter och lämnar den att landa på egen hand. Astrium uppskattar att Hopper i full storlek kan skjuta upp satelliter inom 15 till 20 år, till hälften av dagens uppskjutningskostnader.
Och NASA sitter inte vid sidan av. Även om den exakta formen på ett efterföljande program till den ödesdigra X-33 fortfarande utarbetas av byråadministratören Sean O'Keefe, som tog rodret i slutet av 2001, hade NASA börjat utforma långsiktiga planer för en större, mer ambitiöst hantverk före Columbia-katastrofen. Orbital Space Plane är bara ett tomt pappersark just nu, men tanken är att det skulle vara redo att leverera besättning och små mängder last till den internationella rymdstationen 2012.
Om det flyger 2012 eller tidigare, skulle Orbital Space Plane komma att kretsa ovanpå en konventionell förbrukningsraket. Men NASA hoppas så småningom kunna ersätta den raketen med ett återanvändbart system. För att göra detta förenklar och effektiviserar forskare vid NASA:s Marshall Space Flight Center i Huntsville, AL, raketmotordesign och införlivar inbyggda diagnostiska system för att upptäcka problem som sprickor, läckor och fastnade ventiler. Sådana system skulle ge enorma besparingar jämfört med rymdfärjorna, vars motorer demonteras och inspekteras efter varje uppdrag av hundratals ingenjörer. Målet är att föra raketmotorernas tillförlitlighet i samma kategori som dagens jetmotorer, säger Garry Lyles, som är ansvarig för framdrivningssystem för NASA:s program för att utveckla teknologi för framtida uppskjutningsfordon. Just nu, i alla fall, kräver NASA:s planer en helt återanvändbar rymdfärja senast 2025.
Privat push
Trots sin dåliga meritlista med raketplan är NASA fortfarande en seriös konkurrent på lång sikt. Men byråns något lugna tidtabell har lämnat fältet vidöppet för den privata sektorn. Och spänningen över potentialen för små företag att faktiskt producera ett återanvändbart raketfarkoster växer. En X-Prize-seger av ett av dessa företag skulle skingra skepsis och skulle också kunna sätta fart på investeringar. Det är ett psykologiskt steg, säger Rand Simberg, flygingenjör och konsult. De små företagen går tillbaka och gör det som det borde ha gjorts i första hand.
För att förutse små företags förmåga att öppna nya vägar, bokar ett företag faktiskt turistflyg på raketplan som idag bara finns på papper. Space Adventures, i Arlington, VA, skickar redan turister på nolltyngdkraftsflyg i Ryssland, och det arrangerade ryska rymdflygningar - var och en med en prislapp på 20 miljoner dollar - till den internationella rymdstationen för den amerikanske affärsmannen Dennis Tito 2001 och sydafrikanska Internetmagnaten Mark Shuttleworth förra året. Nu satsar företaget på Xcor: det har kontrakterat för 600 Xerus-turistflyg, och det har till och med tagit kontantinsättningar från mer än 100 kunder.
Vi har blivit imponerade av Xcors team av människor och deras förmåga att producera faktisk flygande hårdvara och att genomföra demonstrationer till en låg budget, säger Eric Anderson, VD för Space Adventures. Och även om Anderson till en början fruktade att Columbias skrämmande bortgång kunde få några av hans kunder att tänka två gånger på rymdresor, hade ingen bett om återbetalning under de första dagarna efter att skytteln gick förlorad - ett faktum som han säger visar ett starkt mänskligt engagemang för rymdflygning . Istället för att skrämma bort folk, tillägger han, kommer det som hände med Columbia att fungera som en väckarklocka. Om tio år kommer människor att känna sig säkrare, kommer att vara säkrare att gå i omloppsbana som ett resultat av förbättringar som oundvikligen kommer att bli resultatet av utredningen av olyckan.
Space Adventures stöd till Xcor och andra raketföretag ger en synergi som kan vara avgörande för att förverkliga de decennier gamla visionerna om återanvändbara raketer, säger Bruce Lusignan, professor i elektroteknik vid Stanford University och chef för Center for International Cooperation in Space, en världsomspännande konsortium av universitet. Han säger att intäkter från rymdrelaterad turism skulle kunna användas för att finansiera en ny generation av turistorienterade bärraketer, och det kan vara kärnan för att bygga upp kapaciteten. Det kan vara rätt väg att gå. Och det betyder att EZ-Rocket - det oimponerande testfordonet på den stora flygplatsen Mojave - bara kan bli den första datorn i en ny rymdålder.