Skromny świt ery hipersonicznej. Czy niemiecki HYTEV i nowa generacja samolotów kosmicznych zakończą erę klasycznych rakiet?
Inżynierowie powracają do marzenia o maszynie, która startuje jak samolot, przebija się przez atmosferę i ląduje na pasie startowym. Niemiecki projekt HYTEV rywalizuje z Brytyjczykami, Amerykanami i Chińczykami.
Polaris HYTEV: Niemcy lecą w kosmos
Niemiecki Federalny Urząd Wyposażenia Bundeswehry (BAAINBw) podpisał umowę z firmą Polaris Spaceplanes na realizację projektu HYTEV (Hypersonic Test and Experimentation Vehicle). Po udanych testach demonstratorów technologii, projekt przeszedł do fazy rozwoju zaawansowanego pojazdu hipersonicznego, który ma na celu zapewnienie Europie niezależności w zakresie rozpoznania i wynoszenia mikrosatelitów.
Projekt przewiduje stworzenie dwustopniowego pojazdu zdolnego do wielokrotnego użytku, osiągającego prędkości hipersoniczne. Zgodnie z planem, pierwsze loty testowe odbędą się w 2027 roku. Ale – uwaga – demonstrator techonologii już lata nad Bałtykiem!
Niemiecki projekt HYTEV: Magia silnika Aerospike
Najważniejszym elementem pojazdu HYTEV, który ma zrewolucjonizować technologie hipersoniczne w Europie, jest silnik aerospike. To innowacyjna konstrukcja typu „otwarta dysza”, która rozwiązuje największy problem tradycyjnych silników rakietowych – utratę wydajności w zależności od wysokości lotu.
Kompensacja wysokości (Altitude Compensation)
W tradycyjnych silnikach rakietowych (z dyszą dzwonową) gazy rozprężają się w stałej, sztywnej obudowie. Zmiana ciśnienia atmosferycznego na różnych wysokościach sprawia, że silnik traci ciąg. Silnik aerospike eliminuje ten problem poprzez zastąpienie ścianki dyszy ciśnieniem atmosferycznym, dzięki czemu strumień spalin „samoreguluje” swój kształt.
- Przy ziemi: Wysokie ciśnienie powietrza dociska gazy do centralnego kolca (rdzenia), zapobiegając ich rozproszeniu.
- W próżni: Gazy naturalnie rozszerzają się wzdłuż rdzenia, generując efektywny ciąg bez potrzeby gigantycznego dzwonu.
Odwrócona geometria (Plug Nozzle)
W projekcie AS-1, który jest częścią projektu HYTEV, spalanie odbywa się w mniejszych komorach u podstawy silnika. Gazy wylotowe kierowane są do wewnątrz, na powierzchnię centralnego stożka (aerospike), tworząc pole wysokiego ciśnienia, które oddziałuje na konstrukcję silnika, pchając go do przodu.
Korzyści z silnika aerospike w projekcie HYTEV:
- Stała sprawność (ISP): Silnik zapewnia niemal maksymalną wydajność na każdym pułapie, od startu aż po orbitę.
- Redukcja masy: Brak ciężkich dysz w próżni pozwala na odciążenie konstrukcji samolotu kosmicznego, co jest kluczowe w projektach SSTO (Single-Stage-to-Orbit).
- Integracja z kadłubem: Płaski profil silnika doskonale pasuje do kadłuba niemieckiego samolotu kosmicznego, poprawiając aerodynamikę przy powrocie do atmosfery.
Artemis II nie wystartuje w lutym: NASA oficjalnie przesuwa misję
Silnik aerospike – rewolucja w napędzie hipersonicznym
Dzięki silnikowi aerospike, pojazd HYTEV będzie mógł przechodzić od startu poziomego do lotu hipersonicznego (ponad 5 Mach) z niemal stałą wydajnością. To znacząca oszczędność paliwa i możliwość uzyskania ogromnych prędkości, co czyni pojazd praktycznie nieuchwytnym dla systemów obrony przeciwlotniczej.
Historia silników aerospike
Silnik aerospike ma długą historię badań, która rozpoczęła się w latach 50. i 60. XX wieku, głównie w Stanach Zjednoczonych w laboratoriach NASA i firmie Rocketdyne. Mimo licznych prób, takich jak projekt X-33 i VentureStar, technologia napotkała liczne problemy z materiałami i chłodzeniem, co doprowadziło do anulowania projektów w 2001 roku.
Dziś ta technologia rozwijana jest głównie w Europie. Polaris Spaceplanes z Bremy od 2019 roku pracuje nad modelem AS-1, wykorzystując nowoczesny druk 3D i zaawansowane stopy metali. W 2024 roku Niemcy osiągnęli historyczny sukces – udało się uruchomić silnik aerospike podczas lotu demonstratora MIRA nad Bałtykiem.
Strategiczna przewaga nad satelitami
HYTEV ma startować i lądować poziomo. W przeciwieństwie do klasycznych satelitów, których trajektoria jest stała i łatwa do wyliczenia przez przeciwnika, niemiecki samolot kosmiczny będzie mógł zmieniać orbitę i manewrować w górnych warstwach atmosfery. W dobie rozwijania broni antysatelitarnej (ASAT), taka „nieprzewidywalna” platforma rozpoznawcza staje się asymetrycznym atutem Bundeswehry. Pierwsze loty pełnoskalowej maszyny planowane są na koniec 2027 roku.
Globalny wyścig: Kto jeszcze buduje samoloty kosmiczne?
Niemcy nie są wyjątkowi. Idea „Spaceplane” (samolotu kosmicznego) przeżywa swój renesans, napędzany postępem w inżynierii materiałowej oraz rozwojem druku 3D z metali. Przyjrzyjmy się najważniejszym projektom, które rywalizują o miano następców legendarnych wahadłowców Space Shuttle.
Europa przyspiesza inwestycje w niezależną łączność satelitarną
Sierra Space Dream Chaser: Cywilny spadkobierca NASA
Jednym z najbardziej zaawansowanych projektów jest amerykański Dream Chaser. Choć wizualnie przypomina miniaturę dawnych promów kosmicznych, jest to maszyna o zupełnie innej charakterystyce.
- Zastosowanie: Dream Chaser został zaprojektowany głównie jako bezzałogowy pojazd transportowy dla Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).
- Technologia: W przeciwieństwie do HYTEV, startuje on pionowo na szczycie rakiety (np. Vulcan Centaur), ale ląduje poziomo na dowolnym komercyjnym pasie startowym.
- Przewaga: Dzięki zastosowaniu nietoksycznych paliw, Dream Chaser może być rozładowany niemal natychmiast po wylądowaniu, co jest kluczowe przy transporcie eksperymentów biologicznych z orbity.
Boeing X-37B
Jeśli HYTEV budzi emocje ze względu na swój militarny potencjał, to amerykański X-37B jest jego najbardziej utytułowanym, choć owianym tajemnicą, kuzynem. Ten bezzałogowy pojazd Sił Kosmicznych USA spędził na orbicie już łącznie tysiące dni.
- Możliwości: X-37B potrafi manewrować na orbicie. Może zmieniać pułap i inklinację, co utrudnia śledzenie jego misji.
- Różnica: Podczas gdy niemiecki projekt stawia na szybki start poziomy, X-37B wciąż polega na rakietach nośnych, by dostać się w kosmos.
Brytyjski SABRE i projekt Skylon
Mówiąc o technologii hipersonicznej w Europie, nie sposób pominąć brytyjskiej firmy Reaction Engines i ich silnika SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine).
- Rewolucja: To silnik hybrydowy, który w niższych warstwach atmosfery „oddycha” tlenem z powietrza jak silnik odrzutowy, a w próżni przełącza się na tryb rakietowy.
- Wyzwanie: Największym problemem była temperatura – przy prędkości Mach 5 powietrze wlatujące do silnika jest tak gorące, że stopiłoby metal. Brytyjczycy opracowali jednak wymiennik ciepła, który schładza gaz z 1000°C do -150°C w ułamku sekundy. Choć projekt Skylon (pełnowymiarowy samolot) boryka się z problemami finansowymi, ich technologia chłodzenia jest fundamentem dla przyszłych maszyn hipersonicznych.
Kosmos: Człowiek daleko nie doleci, wyślemy tam roboty
Chiński „Shenlong” i Tengyun
Chiny również nie zostają w tyle. Ich projekt Shenlong (Boski Smok) jest bezpośrednią odpowiedzią na amerykańskiego X-37B.
- Misje: Chiny regularnie testują swój bezzałogowy pojazd wielokrotnego użytku, który ląduje na tajnych lotniskach na pustyni Gobi.
- Projekt Tengyun: To jeszcze ambitniejsza wizja dwustopniowego systemu (TSTO), gdzie potężny samolot-matka wynosi na swoim grzbiecie mniejszy wahadłowiec, który następnie odłącza się i wchodzi na orbitę. To koncepcja najbardziej zbliżona do docelowych zamierzeń niemieckiego Polaris Spaceplanes.
Dlaczego samoloty kosmiczne wracają do łask?
Przez wiele lat samoloty kosmiczne były w cieniu tradycyjnych rakiet, takich jak te wykorzystywane przez SpaceX, jak model Falcon 9. Te rakiety, mimo swojego ogromnego sukcesu, wymagały skomplikowanej infrastruktury i były kosztowne w produkcji. Samoloty kosmiczne, które miały lądować na pasie startowym jak klasyczne samoloty, zostały uznane za zbyt skomplikowane w budowie i utrzymaniu. Niemniej jednak, w ostatnich latach obserwujemy gwałtowny zwrot w tej kwestii – Niemcy, USA i Chiny zaczynają inwestować ogromne sumy w przywrócenie tej koncepcji. Dlaczego? Odpowiedź tkwi w trzech głównych aspektach.
Ekonomia wielokrotnego użytku
Samoloty kosmiczne mogą lądować na pasie startowym, co pozwala na ich szybki demontaż i przygotowanie do kolejnego lotu. Działa to na ogromną korzyść względem rakiet, które lądują pionowo, ale wymagają skomplikowanej infrastruktury, aby mogły być ponownie użyte. Proces wielokrotnego użytku rakiet SpaceX trwa zazwyczaj tygodnie, podczas gdy samolot kosmiczny może być gotowy do ponownego startu w ciągu kilku godzin. To zmienia całą ekonomię podróży kosmicznych, umożliwiając bardziej elastyczne, szybkie i tańsze realizowanie misji.
Kim Kardashian wątpi w lądowanie na Księżycu. NASA odpowiada: „Byliśmy tam sześć razy!”
Bezpieczeństwo ładunku
Jednym z najistotniejszych argumentów za powrotem do samolotów kosmicznych jest znacznie mniejsze przeciążenie podczas lądowania poziomego, w porównaniu do opadania kapsuł na spadochronach. To kluczowe, jeśli chodzi o transport ładunków, które wymagają precyzyjnego dostarczenia w nienaruszonym stanie, jak na przykład delikatne instrumenty naukowe. Z tego samego powodu, ta technologia może również stanowić fundament dla przyszłych lotów załogowych, gdzie bezpieczeństwo pasażerów stanie się priorytetem.
Korzyści dla armii
Samoloty kosmiczne oferują również potężne możliwości dla współczesnych sił zbrojnych. Tradycyjne rakiety są wystrzeliwane ze stałych punktów startowych, co czyni je łatwymi do śledzenia przez satelity wywiadowcze. Z kolei samoloty kosmiczne, które mogą startować z dowolnego lotniska wojskowego, są praktycznie nieuchwytne. Tego typu elastyczność w mobilności zwiększa trudność monitorowania startów przez przeciwnika.
Czym jest Polaris Spaceplanes z Bremy?
Polaris Raumflugzeuge GmbH, znana również jako Polaris Spaceplanes, to niemiecki startup, który powstał w 2019 roku w Bremie. Firma została założona przez inżyniera Alexandra Koppa, specjalizuje się w rozwoju technologii hipersonicznych pojazdów oraz kosmicznych systemów transportowych . Choć to na razie mała skala. Firma zatrudnia około 60 pracowników, to jednak ma spore osiągnięcia. Od samego początku firma stawia na rozwój i testowanie swoich rozwiązań za pomocą demonstratorów technologii.
Seria MIRA to pierwsze z pojazdów, które zostały zaprojektowane i testowane przez Polaris. Początkowo pojazdy te, o długości około 3-4 metrów, służyły do sprawdzania aerodynamiki i integracji silników rakietowych. W miarę rozwoju technologii firma przeszła do większych wersji, takich jak MIRA II i MIRA III, które miały długość około 5 metrów. Pojazdy te już były wyposażone w silniki aerospike.
W 2024 roku firma osiągnęła ważny kamień milowy – pierwszy na świecie zapłon silnika aerospike w trakcie lotu na demonstratorze MIRA II. To przełomowe wydarzenie potwierdza, że technologia aerospike, znana ze swojej efektywności w zmieniających się warunkach atmosferycznych, może być podstawą dla przyszłych napędów hipersonicznych.
Źródło: polaris-raumflugzeuge.de
Czytaj więcej
