ממסלול ההמראה לחלל ובחזרה

מנוע חדש יוכל להוביל עידן של מטוסי חלל בעלויות ברי השגה.

חללית ה-Skylon של Reaction Engines תוכל לבצע גיחות הובלה קצרות למסלול לווייני, לחזור, ולהיות מוכנה לעשות את זה שוב יומיים לאחר מכן.  (תמונה: מדע פופולארי)

חללית ה-Skylon של Reaction Engines תוכל לבצע גיחות הובלה קצרות למסלול לווייני, לחזור, ולהיות מוכנה לעשות את זה שוב יומיים לאחר מכן. (תמונה: מדע פופולארי)

הכתבה פורסמה לראשונה במגזין Popular Science ישראל בגיליון 233 שראה אור בספטמבר 2013 ונכתבה במקור על ידי ניקול דייאר.

מנוע סילון חסר גוף, המחובר לפתח אוויר אדיר, מותקן במתקן ניסויים חיצוני במרכז המדע קולהאם באוקספורדשייר, אנגליה. כשהמנוע מופעל, עמודות קיטור מיתמרות מהפתח, ויוצרות את הרושם של ארובה תעשייתית. המהנדס אלאן בונד רואה משהו עתידני יותר. “אנחנו מסתכלים על מהפכה תחבורתית”, הוא אומר. עבור בונד, המנוע מייצג את נקודת ההתחלה של החללית הראשונה בעולם לשימוש חוזר מלא, כלי טיס מסוג חדש שמבטיח לעשות את מה שאף רכב חלל לא עשה מעולם: להציע גישה לטיסות הלוך ושוב אמינות למסלול לווייני נמוך, במחיר בר השגה ובלוח זמנים קבוע.

טיסה קצרה לחלל ובחזרה

בונד והמהנדסים ב-Reaction Engines, חברת תעופת החלל שהוא ייסד עם שני עמיתים ב-1989, מתייחסים אל כלי הטיס העתידי בשם Skylon. לחללית יהיה מרכב שמזכיר את הקונקורד וימריא כמו מטוס נוסעים רגיל, יאיץ למאך 5.2 וישוגר אל מחוץ לאטמוספרה כמו רקטה. בטיסה חזרה, ינחת ה-Skylon על אותו מסלול ממנו המריא.

מנוע הרקטה נושם-האוויר הסינרגיסטי (Sabre – Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) – שהוא בחלקו רקטה כימית, בחלקו מנוע סילון – הוא הבסיס לקיומו של ה-Skylon. ל-Sabre יש את היכולת הייחודית להשתמש בחמצן מהאוויר במקום ממכלי חמצן-נוזלי חיצוניים כמו אלה על מעבורת החלל. מנועים מהסוג הזה יבטלו את הצורך במאיצים מתכלים, אשר הופכים את התהליך של שיגור אנשים וחפצים לחלל לאיטיים ויקרים. “ה-Skylon יוכל להיות מוכן לשוב אל החלל בתוך יומיים מנחיתתו”, אומר מארק המפסל, מנהל התכניות-העתידיות של Reaction Engines. להשוואה, למעבורת החלל, אשר דרשה מכל דלק חיצוני ושני מאיצי רקטה, נדרשו כחודשיים הכנה ליציאה לטיסה הבאה (בעקבות נזק שנגרם לה במהלך השיגור והנחיתה במים) בעלות של 100 מיליון דולר. בציינו את הפשטות של ה-Skylon, המפסל מעריך שמשימה תוכל לעלות כעשרה מיליון דולר בלבד. המחיר הזה יהיה נמוך בהרבה מ-50 מיליון הדולרים שחברת תעופת החלל הפרטית SpaceX מתכננת לגבות כדי לשגר מטען על באמצעות 9Falcon – הרקטה בעלת שני השלבים שלה.

המנוע מייצר חום אדיר בעודו דוחף לכיוון החלל, וחום הוא בעיה. קשה לדחוס אוויר חם, ודחיסה ירודה בתא הבעירה מניבה מנוע חלש ובלתי יעיל. ה-Sabre חייב להיות מסוגל לקרר את האוויר הזה במהירות, לפני שהוא מגיע אל מדחס הטורבו. בנובמבר הגיעה Reaction Engines לנקודת ציון קריטית כשהיא בחנה בהצלחה את היכולת של האב-טיפוס לנשום אוויר חם ביותר ואז לקרר אותו מיידית מבלי לייצר כפור ‘קוטל משימות’. דיוויד ווילטס, השר לענייני האוניברסיטאות והמדע של בריטניה, קרא להישג “ראוי לציון”.
קונספט ה-Skylon הרשים גם את סוכנות החלל האירופית (ESA), אשר ביקרה בשנה שעברה את תכניות הבנייה של Reaction Engines ולא מצאה מכשולים טכניים לבניית כלי הטיס. האתגר הגדול יותר עשוי להיות השגת מימון. בעוד ה-ESA והממשלה הבריטית השקיעו במשולב 92 מיליון דולר בפרויקט, בונד וצוותו מתכננים לפנות למשקיעים פרטיים וציבוריים כדי להשיג את 3.6 מיליארד הדולרים הנוספים הדרושים לבניית המנוע, שאמור, על פי התכניות להיות מוכן לטיסות מבחן בתוך ארבע שנים. בניית כלי הטיס עצמו תדרוש השקעה של 14 מיליארד דולר.

מנוע ה-Sabre: כיצד זה פועל? אוויר הנע במאך 5 נכנס אל תוך המנוע וחולף דרך מחלף חום. שם, רשת של צינוריות מתכת בעובי נייר מלאות בהליום נוזלי מקררת את האוויר הנמצא בטמפרטורה של 1,100 מעלות למינוס 150 מעלות באופן כמעט מיידי. האוויר המקורר זורם אל תוך מדחס הטורבו, ואז אל תוך תאי הדחיפה, שם הוא מתערבב עם מימן נוזלי וניצת כדי לייצר כוח דחיפה לכלי החלל.  (תמונה: מדע פופולארי)

מנוע ה-Sabre: כיצד זה פועל? אוויר הנע במאך 5 נכנס אל תוך המנוע וחולף דרך מחלף חום. שם, רשת של צינוריות מתכת בעובי נייר מלאות בהליום נוזלי מקררת את האוויר הנמצא בטמפרטורה של 1,100 מעלות למינוס 150 מעלות באופן כמעט מיידי. האוויר המקורר זורם אל תוך מדחס הטורבו, ואז אל תוך תאי הדחיפה, שם הוא מתערבב עם מימן נוזלי וניצת כדי לייצר כוח דחיפה לכלי החלל. (תמונה: מדע פופולארי)

המסע לבניית חללית בת שלב אחד למסלול לווייני (single-stage-to-orbit)-SSTO, מעסיק את מהנדסי תעופת החלל מזה עשורים. בונד עצמו התחיל לחקור את הנושא בשנות ה-80 המוקדמות, כשעדיין היה מהנדס צעיר שעבד בחברת רולס-רויס כחלק מצוות שעבודתו הייתה לפתח מעבורת חלל לשימוש חוזר עבור סוכנות החלל הבריטית. הצוות נאבק אז בבעיית קירור המנוע במהירויות על-קוליות מבלי להוסיף כמויות משקל משתקות. “עד שהמטוס מגיע למאך 2 בערך, האוויר מתחמם מאוד וקשה ביותר לדחוס אותו”, אומר בונד. רולס-רויס והממשלה הבריטית, שהיו בספק שקיים פתרון פשוט וכלכלי לבעיה, ביטלו את מימון התכנית.
בינתיים, היו ללוקהיד-מרטין ולנאס”א תוכניות משלהן למעבורת חלל לשימוש חוזר מלא, ה-VentureStar, שהייתה אמורה להיות תחליף במחיר בר השגה למעבורת החלל לשימוש חוזר חלקי. המדגים של ה-VentureStar, שנקרא ה-X-33 (אשר הופיע על שער המגזין הזה ב-1996), היה מרקטה גוצית ומשולשת שהייתה ממריאה אנכית וגולשת חזרה אל כדור הארץ בדיוק כפי שעשתה מעבורת החלל. ביטול הרקטות המתכלות שהיו דרושות להאיץ את המעבורת אל החלל הייתה מפחיתה תיאורטית את עלויות השיגור מ-4,500 דולר לק”ג ל-450 דולר לק”ג. אבל עד 2001, אחרי השקעה של יותר ממיליארד דולר בפרויקט, ביטלה הסוכנות את התכנית, בנימוק של עיקובים טכניים חוזרים ועלויות מתנפחות. “ויתרנו כי הרגשנו שטוב יותר לרכז את המאמצים שלנו על אופנים אחרים, יקרים פחות, להביא מטענים אל החלל”, אומר דן דומבאכר, סגן מנהל עמית לפיתוח מערכות מחקר, שבילה שנתיים בעבודה על ה-X-33.

עם מעבורת החלל שיצאה עכשיו לגמלאות וחברות כמו SpaceX העובדות כחברות קבלניות להעברת אספקה לתחנת החלל הבין-לאומית (ISS), הכפילה נאס”א את מיקודה במאיצים מתכלים כאמצעי לשליחת בני אדם וגששות הרחק מעבר למסלול הלווייני מסביב לכדור הארץ. הפלטפורמה החדשה של נאס”א לחקר החלל העמוק, מערכת שיגור חלל (Space Launch System), תהיה הרקטה העצמתית שנבנתה אי פעם. המיקוד של נאס”א בחקר החלל, והצורך ברקטות גדולות כדי להשיג אותו, פירושו שנאס”א כבר לא צריכה לבנות בעצמה את הפלטפורמות שלה רק כדי לשלוח אספקה למסלול לווייני. “מפרספקטיבה טכנית טהורה, כולנו היינו רוצים לעבוד על SSTO”, אומר דומבאכר. “אבל אנחנו ממוקדים בלוודא שנצליח להביא אנשים רחוק יותר אל תוך החלל, וזוהי הצעה יקרה”.

לטוס לכל מקום בעולם בפחות מ-4 שעות

רקטות מתכלות הן אמצעי הגיוני עבור משימות שמעבר למסלול לווייני נמוך. הן יכולות לשאת יותר מטען ויותר דלק מכלי טיס חד שלבי. רקטות גם מספקות אמינות – בממוצע, רק אחד מכל 20 שיגורים נכשל, באופן חלקי מכיוון שהם אינם סובלים מבלייה כתוצאה משימוש חוזר. ולבסוף, רקטות דורשות פחות עלויות מחקר ופיתוח, כיוון שרוב הטכנולוגיה קיימת מאז שנות ה-60.

אבל בשביל משימות שגרתיות אל ה-ISS, או כדי להכניס לוויין תצפית קטן למסלול לווייני, העלות הופכת לשיקול קריטי. אלון מאסק, מנכ”ל SpaceX אמר ב-2011 לקהל במועדון העיתונות הלאומי, שטיסות חלל פרטיות יצטרכו ללכת על מודל קרוב יותר לזה של חברות תעופה. “אם מטוסים לא היו לשימוש חוזר, מעט מאוד אנשים היו טסים”, הוא אמר. SpaceX מתכננת להפוך שלבי-רקטות לברי שימוש חוזר, אבל גם לזה יש חסרונות: בעוד זה אפשרי להשיב שלבי-רקטה, תכנון חלקים לשרוד את הכניסה מחדש לאטמוספרה במצב עבודה טוב מוסיף רמה של מורכבות ועלות.

המפסל טוען שה-Skylon יוכל לבצע, באופן פוטנציאלי, 100 טיסות בשנה – אשר, אם כך יהיה, יוכל להביא בשנתו הראשונה להחזר ההשקעה על המחקר, הפיתוח והבנייה שלו, ולהותיר רק עלויות כמו דלק, תחזוקה והוצאות תקורה. טכנולוגיית המנוע של בונד, פרט לכך שהיא מותירה כלי שיגור שלם מההתחלה עד הסוף, מציעה יתרון נוסף: תעופה על-קולית. “היא תוכל לאפשר לכלי טיס לטוס לכל מקום בעולם בתוך פחות מארבע שעות”, אומר בונד.

כשאוויר פוגע במנוע במהירות הגבוהה פי חמישה ממהירות הקול, הוא יכול להתחמם לטמפרטורה של עד 1,100 מעלות. הפגת החום הזה באופן מיידי, לפני שהאוויר מגיע אל מדחס הטורבו ואל תא הדחיפה, היוותה את האתגר הטכני הכבד ביותר למהנדסי Reaction Engines. הפתרון של בונד הוא מחלף חום שפועל על ידי הזרמת הליום נוזלי קר דרך מערך צינוריות בעלות דופנות מתכת בעובי נייר. בעוד האוויר הלוהט עובר דרך המחלף, הצנרת המקוררת סופגת את האנרגיה, ומקררת את האוויר למינוס 150 מעלות בחלקיק השנייה. לדברי בונד, המחלף שלו יוכל להתמודד עם כ-400 מגה-וואט של חום (המקבילה לכור גז-טבעי בגודל בינוני). “אם היה מדובר בכור אנרגיה, הוא כנראה היה מחלף חום 200 טון”, הוא אומר. “זה שבנינו הוא כ-1.4 טון”.

עבור מדעני רקטות, הדבר החשוב ביותר הוא משקל. “כל ק”ג שאתה מכניס למסלול לווייני דורש כעשרה ק”ג של דלק כדי להביאו לשם”, אומר דומבאכר מנאס”א. “האתגר עם ה-SSTO תמיד היה להביא כלי טיס קל ככול האפשר [ולייצר] את מירב כמה כוח הדחיפה”. בונד מעריך שה-Skylon ישקול בשיגור כ-358 טון ויכיל מספיק דלק מימן כדי לשאת את עצמו וכ-16.5 טון של מטען – בערך אותה קיבולת של רוב הרקטות הפעילות – למסלול לווייני.

אם, וכאשר המנוע יעבור את מבחני הטיסה, אחת התוכניות של Reaction Engines היא למכור ברישיון את הטכנולוגיה לשותף פוטנציאלי בתעשיית תעופת החלל. בונד מקווה שההצלחה האחרונה עם מחלף החום תעורר עניין. אחרי 30 שנות מחקר, היא בהחלט עוררה בו השראה. “היא מייצגת פריצת דרך בסיסית בטכנולוגיית ההנעה”, הוא אומר. “זהו הרגע הגאה בחיי”.


אוהבים מדע ולא מקבלים מספיק ממנו בגיקטיים? Popular Science ישראל וגיקטיים יוצאים בשיתוף פעולה במיוחד במסגרתו יוכלו גולשי האתר להנות ממנוי הכרות מיוחד לגרסה הישראלית של מגזין הטכנולוגיה והמדע במחיר של 20 ש”ח בלבד למשך 3 חודשים. לפרטים נוספים והרשמה

Avatar

מדע פופולארי

הגב

הגב ראשון!

avatar
Photo and Image Files
 
 
 
Audio and Video Files
 
 
 
Other File Types
 
 
 

* היי, אנחנו אוהבים תגובות!
תיקונים, תגובות קוטלות וכמובן תגובות מפרגנות - בכיף.
חופש הביטוי הוא ערך עליון, אבל לא נוכל להשלים עם תגובות שכוללות הסתה, הוצאת דיבה, תגובות שכוללות מידע המפר את תנאי השימוש של Geektime, תגובות שחורגות מהטעם הטוב ותגובות שהן בניגוד לדין. תגובות כאלו יימחקו מייד.

wpDiscuz

תגיות לכתבה: