Atlas V – rakieta, która lata bokiem
Kiedy tworzę ten wpis jesteśmy dzień od pierwszego lotu statku CST-100 Starliner. Wydarzenie to zwraca szczególną uwagę. Starliner po zakończeniu testów będzie jednym z dwóch amerykańskich załogowych statków kosmicznych, służących do transportu astronautów na i z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Drugim statkiem jest rozwijany przez SpaceX Dragon 2, który swój test bezzałogowy wykonał w marcu 2019 roku.
Jim Bridenstine i Tory Bruno pod Atlasem V
Ale nie o pojazdach załogowych i ich testach jest ten wpis.
Kucykiem, który zawiezie Starlinera na orbitę będzie rakieta Atlas V, produkowana przez amerykański ULA, United Launch Alliance. Twitter pęka od komentarzy i pytań na ten temat, a CEO ULA, pan Tory Bruno nie każe nikomu długo czekać i odpowiada zwykle w kilka sekund.
Rodzina Atlas ma swój początek w latach 50′ ubiegłego stulecia i zaczynała jako ICBM, czyli intercontinental ballistic missile, czyli międzykontynentalny pocisk balistyczny, czyli typowo militarne narzędzie zagłady. Dzisiaj Atlas wykorzystuje swoje zasięgi, żeby umieszczać towar na orbicie. Atlas V opracowany przez Lockheed Martina od 2006 oferowany jest pod szyldem ULA, spółki joint venture należąca do Locheeda i Boeinga.
Atlas V to nie tyle model, co grupa składająca się z 16 wariantów. Chociaż na pierwszy rzut oka mnogość konfiguracji przytłacza, to wariant Atlasa V dobiera się jak podzespoły PCta: w zależności od potrzeb klienta powstaje rakieta szyta na miarę.
Do wyboru mamy zatem:
- Dwa rozmiary owiewki, o średnicy 5 m i 4 m.
- 1 lub 2 silniki RL10 napędzające Centaura, drugi stopień rakiety.
- Od 0 do 5 SRB (Solid Rocket Booster, rakiety pomocnicze na paliwo stałe pomagające przedostać się przez ziemską atmosferę), przy czym Atlas V z małą owiewką wykorzystuje maksymalnie do 3 SRB.
Jeżeli interesuje Was zakup wystrzelenia ładunku przy użyciu Atlasa V, to niecałe 9 t wysłane w kierunku ISS da się ogarnąć z portfelem 137 mln $, za który kupujemy najtańszego Atlasa V 401. Dla planujących dalsze podróże polecić można Atlasa V 551, z którym uda Wam się umieścić niecałe 4 t na orbicie geostacjonarnej. Do zrobienia za 179 mln $.
Czy zastanawia Was dlaczego seria 400 i seria 500 mają kompletnie różne kształty owiewek? Nawet jeśli nie, to i tak się dowiecie. Seria 400 korzysta z metalowej owiewki, a 500 kompozytowej. Kształt podyktowany jest zatem względami technologicznymi. Owiewka średnicy 5 m (Atlas V seria 500) bazuje na innym projekcie, bo produkowana jest w Szwajcarii, przez firmę RUAG, która produkuje też owiewki do europejskich rakiet Ariane. Wybór szwajcarów to zwykła kalkulacja biznesowa. Mają doświadczenie w produkcji dużych owiewek, a utrzymując zdolności produkcyjne dla kilku dostawców oferują prawdopodobnie dobrą cenę.
A czy zauważyliście, że owiewka 5m, oprócz ładunku pokrywa cały drugi stopień Centaur? Przyznam, że w pierwszej chwili myślałem, że stosowany tutaj Centaur jest innej konstrukcji i na czas startu należało go odseparować od otoczenia. Źle myślałem.
Centaur jest dokładnie ten sam, to warunki w jakich ma pracować ulegają zmianie. Podczas przebijania się przez atmosferę na rakietę działają potworne opory aerodynamiczne. W formule na opór aerodynamiczny mamy pole przekroju owiewki, więc owiewka 5m ma pole przekroju aż 1,5 większy niż owiewka o średnicy 4m. Centaur nie może być poddawany tak dużym naciskom. Zaprojektowano go by był ultralekki, żeby maksymalizować jego efektywność po odrzuceniu pierwszego stopnia. Rozwiązaniem problemu nacisku jest zamknięcie go w owiewce. Ściany pokrywy przenoszą naprężenia na pierwszy stopień rakiety. Centaur podczas startu podtrzymuje tylko ładunek. Co ciekawe jest on odchudzony do tego stopnia, że jego wytrzymałość zależy od ciśnienia w zbiornikach. Zatankowany Centaur jest odpowiednio wytrzymały. Pusty zostałby zgnieciony w locie (tylko kto by wystrzeliwał niezatankowany drugi stopień?). To mi trochę przypomina historię o Fiacie 126p. Słyszałem legendę, że Maluch w przednim bagażniku musiał wozić koniecznie zapasowe koło, bo stanowiło ono element strefy zgniotu podczas wypadku 😐
Wracając do Atlasa V. Rakieta ma pewien sekret, który po pierwsze jest dla niektórych Amerykanów wstydliwy, po drugie nie jest sekretem. Pierwszy stopień napędzany jest dwukomorowym silnikiem RD-180. Urządzenie generuje 3830 kN ciągu (390 ton siły), co czyni go przekozakiem. Przekozakiem produkowanym w Rosji. Fakt ten jest podkreślany przez wschodnie media przy okazji każdego startu Atlasa V. Użycie silnika w programie załogowych lotów wprawia wszystkich w dodatkowe zakłopotanie. Po wycofaniu z eksploatacji promów STS w 2011 r. USA utraciło zdolność transportu swoich astronautów na ISS i polega od tego czasu tylko na rosyjskich Sojuzach. Zatem nawet po rezygnacji z zakupu foteli w rosyjskich statkach i wprowadzeniu Starlinera do użytku USA będzie nadal zależne od rosyjskiej technologii. Z praktycznego punktu widzenia problem nie istnieje, bo RD-180 to solidne urządzenie, na którym można polegać. Temat oscyluje wokół ego supermocarstw. Na szczęście załogowy Dragon, który będzie wkrótce wraz ze Starlinerem woził astronautów na ISS oparty jest na całkowicie amerykańskich urządzeniach.
Skoro sprawy problematyczne mamy za sobą, to rzućmy okiem na cechy bardzo, bardzo szczególne. Przeglądając przewodnik użytkownika Atlasa V (tak, rakiety mają przewodniki) w oczy mocno rzuca się asymetryczny montaż silników pomocniczych SRB. Logicznym mogło by się wydawać, że takie wspomagacze powinno się umieszczać równomiernie wokół rdzenia rakiety. Nic bardziej mylnego! Wśród 16 wariantów Atlasa V są tylko 4, które mają napędy rozłożone symetrycznie. Są to 401, 402, 501 i 502, czyli warianty całkowicie bez SRB. Wszystkie 12 wariantów z SRB ma układ asymetryczny. Czemu tak jest? Tory Bruno odpowiada, że chodzi o kompromis między punktami montażu SRB, a innymi podzespołami na poszyciu rdzenia (rura LOX i osłona awioniki).
Efektem takiego podejścia jest to, że w niektórych konfiguracjach Atlas V potrafi lecieć dosłownie bokiem! Sterowanie wektorowe silników utrzymuje rakietę w pionie ale słup ognia jest widocznie odchylony o klika stopni od pionu.
Atlas V to dziwna rakieta 🙂 Asymetryczność sprawia, że jej kształt jest bardziej organiczny, niż techniczny i sam nie wiem czy to wada, czy zaleta. Jedna owiewka jest retro, druga w stylu najnowszych rakiet konkurencji. Zamknięcie Centaura w 5-metrowej owiewce to genialny zabieg inżynierski ale widziałem opinie, że świadczy to o niedoskonałości tego drugiego stopnia.
Atlas V jest też dowodem na to, że rakieta to nie tylko transporter. w 2009 r. Atlas V posłał w stronę Księżyca dwie sondy i swój drugi stopień. Zużyty Centaur rozbito o Księżyc jako impaktor, a sondy bacznie się temu przyglądały badając skład regolitu. O misji tej wspominałem w 4 odc. filmu o powrocie ludzi na Księżyc. Temat jednej z sond szczegółowo omówiono też na kanale Astrofaza. Oba filmy poniżej:
- Źródła:
- https://www.ulalaunch.com/docs/default-source/rockets/atlasvusersguide2010.pdf
- http://www.boeing.com/space/starliner
- https://www.gao.gov/assets/690/686613.pdf
- https://www.ruag.com/en/news/mission-success-ruag-space-payload-fairing-protected-us-air-force-satellites-united-launch-alliances
- https://everydayastronaut.com/raptor-engine/