Η απίστευτη εξέλιξη της τεχνολογίας εκτόξευσης πυραύλων

Οι πύραυλοι διαμορφώνουν την ιστορία εδώ και αιώνες, από τα κινεζικά κροτίδες μέχρι τους επαναχρησιμοποιήσιμους πύραυλους που θα μπορούσαν να μεταφέρουν τους ανθρώπους στον Άρη. Η τεχνολογία εκτόξευσης πυραύλων έχει εξελιχθεί δραματικά με τα χρόνια, με πιο συναρπαστικές καινοτομίες στον ορίζοντα.

Το πρώτο μεγάλο άλμα στην τεχνολογία εκτόξευσης πυραύλων ήταν από στερεό καύσιμο σε υγρό καύσιμο. Το δεύτερο μεγάλο άλμα ήταν οι μέθοδοι εκτόξευσης πολλαπλών σταδίων που χρησιμοποιούσαν τόσο υγρό όσο και στερεό καύσιμο. Στη συνέχεια ήρθε η εφεύρεση επαναχρησιμοποιήσιμων πυραύλων που θα μπορούσαν να εκτοξευθούν πολλές φορές. Στο μέλλον, η τεχνολογία εκτόξευσης πυραύλων μπορεί να πάρει μερικά συναρπαστικά νέα σχήματα για να ωθήσει τους ανθρώπους βαθιά στο ηλιακό σύστημα.

Η εξέλιξη της τεχνολογίας εκτόξευσης πυραύλων είναι απόδειξη του πόσο μακριά έχει φτάσει η αεροδιαστημική μηχανική. Η κατανόηση του παρελθόντος των πυραύλων αποκαλύπτει υποδείξεις για το πού οδεύει στη συνέχεια.

Gunpowder and Solid Fuel

Η αρχαιότερη μορφή τεχνολογίας εκτόξευσης πυραύλων αναπτύχθηκε στην Κίνα γύρω στο 1100 μ.Χ. Οι στρατιώτες τοποθέτησαν βέλη με πυρίτιδα και στη συνέχεια τα εκτόξευσαν από τα τόξα. Το στερεό προωθητικό άναψε με μια δυνατή, σπινθηροβόλο λάμψη που ανησύχησε και σκόρπισε τους εχθρούς στη μάχη. Αργότερα σε αυτήν την περίοδο, οι Κινέζοι επινόησαν μεγαλύτερους πυραύλους που εκτοξεύονταν από ξύλινα ράφια.

Η λέξη πύραυλος προέρχεται από αυτά τα αρχαία όπλα, που έχουν τις ρίζες τους στην κινεζική λέξη για «βέλος πυρός». Τα χειριστήρια πτήσης αυτών των πυραύλων αποτελούνταν από το φτερό που έπεφτε πάνω στο βέλος. Είναι ενδιαφέρον ότι οι σύγχρονοι πύραυλοι εξακολουθούν να έχουν σχήμα βέλους, με λεπτομέρεια.

Για εκατοντάδες χρόνια, επιστήμονες σε όλο τον κόσμο προσπάθησαν να εξελίξουν τα «βέλη πυρός» της Κίνας. Ωστόσο, η ίδια η τεχνολογία γνώρισε μικρή καινοτομία. Τα στερεά προωθητικά χρησιμοποιήθηκαν για την εκτόξευση ρουκετών για πόλεμο καθώς και για ψυχαγωγία. Όλα αυτά άλλαξαν το 1926.

Εκτοξεύσεις πυραύλων με υγρά καύσιμα

Για αιώνες, η πυρίτιδα και άλλα στερεά προωθητικά ήταν ο μόνος τρόπος για να εκτοξευτεί ένας πύραυλος. Τα στερεά προωθητικά ήταν καλά για την εκτόξευση πυραύλων σε μικρές αποστάσεις, όπως ένα πεδίο μάχης ή στον ουρανό για επίδειξη πυροτεχνημάτων. Ωστόσο, για να γίνουν πραγματικότητα τα όνειρα για εξερεύνηση του διαστήματος, η τεχνολογία εκτόξευσης πυραύλων θα πρέπει να εξελιχθεί.

Ο Γκόνταρντ αλλάζει την ιστορία

Στις 16 Μαρτίου 1926 στο Auburn της Μασαχουσέτης, ένας νεαρός επιστήμονας ονόματι Robert Goddard έκανε κάτι που λίγοι πίστευαν ότι ήταν δυνατό. Εκτόξευσε τον πρώτο πύραυλο με υγρά καύσιμα. Αυτή η νέα τεχνολογία εκτόξευσης πυραύλων χρησιμοποιούσε συνδυασμό οξυγόνου και βενζίνης. Αυτό το προωθητικό διοχετεύτηκε μέσω του σκελετού του πυραύλου από μεταλλικούς σωλήνες. Ο Goddard συνειδητοποίησε ότι το υγρό καύσιμο θα παρείχε περισσότερη ενέργεια με λιγότερη μάζα και θα παρήγαγε μεγαλύτερη επιτάχυνση από ότι τα στερεά προωθητικά. Η θεωρία του ήταν σωστή.

Ο πύραυλος του Γκόνταρντ έφτανε τα 60 μίλια την ώρα, που ήταν πολύ πιο γρήγορος από τον μέσο πύραυλο στερεού καυσίμου εκείνης της εποχής. Αυτό απέδειξε ότι οι εκτοξεύσεις πυραύλων υγροπροωθούμενων δεν ήταν μόνο δυνατές, αλλά και το μέλλον. Σήμερα, ο Robert Goddard θεωρείται ο πατέρας της σύγχρονης πυραύλων. Μέχρι τον θάνατό του το 1945, ο Goddard κατείχε πάνω από 200 διπλώματα ευρεσιτεχνίας στον τομέα της πυραύλων και έσπασε έξι ρεκόρ υψομέτρου.

Το σημείο καμπής του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου

Το 1942, με φόντο τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, μια εφεύρεση άλλαξε τον ρου της ιστορίας:ο πύραυλος V2. Μια ομάδα Γερμανών επιστημόνων με επικεφαλής τον διάσημο Wernher von Braun σχεδίασε το V2 ως όπλο για τον ναζιστικό στρατό. Οι Γερμανοί εκτόξευσαν χιλιάδες από αυτούς τους πυραύλους κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, καταστρέφοντας στόχους σε όλη την Ευρώπη, συμπεριλαμβανομένου του Παρισιού, του Βελγίου και της Μεγάλης Βρετανίας.

Παρά τον θανάσιμο σκοπό του V2, θεωρείται ο πύραυλος που «εκτόξευσε τη διαστημική εποχή». Το V2 είχε αυτονομία και χωρητικότητα ωφέλιμου φορτίου σε αντίθεση με οτιδήποτε άλλο είχε δει ποτέ. Θα μπορούσε να ταξιδέψει έως και 50 μίλια (80 χιλιόμετρα) πάνω από την επιφάνεια της Γης και θεωρείται ο πρώτος αληθινός διαστημικός πύραυλος.

Το V2 είχε ύψος περίπου τέσσερις ορόφους, προωθούμενο από έναν συνδυασμό οξυγόνου και αιθανόλης. Εκμεταλλεύτηκε ένα από τα επαναστατικά πλεονεκτήματα του υγρού καυσίμου:τον έλεγχο. Η υγρή πρόωση επιτρέπει την προσαρμογή της τροχιάς του πυραύλου κατά την πτήση, σε αντίθεση με τα στερεά προωθητικά. Με τον αυτοματοποιημένο ενσωματωμένο υπολογιστή καθοδήγησης του V2, αυτό το σύστημα πρόωσης επέτρεψε την εκτόξευση ενός πυραύλου από οπουδήποτε για να φτάσει σε οποιοδήποτε προορισμό.

Εκκινήσεις πολλαπλών σταδίων και η επιστροφή στο στερεό καύσιμο

Αφού οι Σύμμαχοι βγήκαν νικητές από τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, οι ΗΠΑ και η Σοβιετική Ένωση στρατολόγησαν πολλούς από τους φημισμένους επιστήμονες πυραύλων της Γερμανίας. Μεταξύ αυτών ήταν ο Βέρνερ φον Μπράουν και ο Σεργκέι Κορόλεφ, που και οι δύο εργάστηκαν στον πύραυλο V2. Ο Κορόλεφ πήγε στη Σοβιετική Ένωση ενώ ο φον Μπράουν βοήθησε στην ίδρυση του αμερικανικού διαστημικού προγράμματος.

Το σύστημα εκτόξευσης Apollo

Μία από τις κύριες προκλήσεις που αντιμετώπισε ο πυραύλος σε όλη την ιστορία είναι η μάζα. Όσο πιο βαρύ είναι ένα αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερη μάζα χρειάζεται για να εκτοξευτεί, αλλά το ίδιο το καύσιμο προσθέτει ακόμα περισσότερη μάζα στον πύραυλο. Για να λύσει αυτό το πρόβλημα, η NASA ανέπτυξε πυραύλους πολλαπλών σταδίων, με ώθηση υγρού. Αυτή η τεχνολογία εκτόξευσης είναι ο λόγος που οι αποστολές στη Σελήνη ήταν δυνατές.

Ο πύραυλος Saturn V εκτόξευσε τις αποστολές Apollo. Αυτός ο πύραυλος τριών σταδίων χρησιμοποιούσε τρεις διαφορετικές διαμορφώσεις υγρού καυσίμου και η δεξαμενή καυσίμου κάθε σταδίου ήταν αναλώσιμη. Αυτό επέτρεψε στον πύραυλο να χάσει μάζα με την πάροδο του χρόνου, καθιστώντας τον πιο αποτελεσματικό όσο αυξανόταν το ύψος του. Στο πρώτο στάδιο χρησιμοποιήθηκαν πέντε κινητήρες F-1, οι οποίοι παραμένουν οι πιο ισχυροί πυραυλοκινητήρες με υγρό καύσιμο ενός ακροφυσίου που έχουν εφευρεθεί ποτέ.

Το F-1 χρησιμοποίησε έναν υγρό συνδυασμό οξυγόνου και κηροζίνης. Πάνω από τους κινητήρες F-1 ήταν το δεύτερο στάδιο, που περιείχε πέντε κινητήρες J-2, οι οποίοι χρησιμοποιούσαν υδρογόνο και οξυγόνο. Τέλος, το τρίτο στάδιο, που περιείχε έναν μόνο κινητήρα J-2 εκτινάχθηκε από το δεύτερο στάδιο χρησιμοποιώντας υγρό υδρογόνο και υγρό οξυγόνο.

Η άνοδος και η πτώση του διαστημικού λεωφορείου

Μετά τις αποστολές Apollo, η NASA πέρασε σε ένα νέο σύστημα εκτόξευσης πυραύλων:το διαστημικό λεωφορείο. Αν και δεν έφτασε ποτέ στη Σελήνη, το διαστημικό λεωφορείο παραμένει ένα κρίσιμο μέρος της αεροδιαστημικής εξέλιξης, σχηματίζοντας μια γέφυρα μεταξύ της τεχνολογίας εκτόξευσης της δεκαετίας του '60 και αυτής του σήμερα.

Σε αντίθεση με τους περισσότερους πυραύλους που αναπτύχθηκαν κατά τον 20ο αιώνα, το διαστημικό λεωφορείο χρησιμοποίησε κινητήρες με στερεά καύσιμα για τους δύο ενισχυτές του. Οι τρεις κύριοι κινητήρες του τροχιακού ήταν με υγρά καύσιμα. Η NASA επέλεξε να χρησιμοποιήσει κινητήρες με στερεά καύσιμα επειδή είναι ασφαλέστεροι, λιγότερο περίπλοκοι και λιγότερο ακριβοί. Ωστόσο, μετά την καταστροφή του Challenger το 1986, η NASA επένδυσε 300 εκατομμύρια δολάρια για να επανασχεδιάσει τους ενισχυτές στερεών πυραύλων (SRB) για να βελτιώσει την ασφάλεια και τη σταθερότητα.

Τα δύο SRB παρείχαν το μεγαλύτερο μέρος της ώσης εκτόξευσης του διαστημικού λεωφορείου. Μετά από αυτό, μια δεξαμενή υγρού καυσίμου τροφοδότησε τους τρεις κύριους κινητήρες για το υπόλοιπο της εκτόξευσης πυραύλων. Παρά τα δύο φρικτά ατυχήματα, το διαστημικό λεωφορείο ήταν ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην τεχνολογία εκτόξευσης πυραύλων. Έθεσε τις βάσεις για τους πυραύλους του 21ου αιώνα με τους επαναχρησιμοποιήσιμους ενισχυτές και το τροχιακό του.

Modern Spaceflight:Reusable Rockets

Σήμερα, ιδιωτικές εταιρείες διαστημικών πτήσεων οδηγούν την καινοτομία στην τεχνολογία εκτόξευσης πυραύλων, με επικεφαλής τη SpaceX που εδρεύει στις ΗΠΑ. Ιδρύθηκε από τον Elon Musk, η SpaceX άλλαξε για πάντα την αεροδιαστημική βιομηχανία εφευρίσκοντας τον πρώτο επαναχρησιμοποιήσιμο πύραυλο τροχιακής κατηγορίας στον κόσμο. Μετά την εκτόξευση, οι ενισχυτές του SpaceX επιστρέφουν αυτόνομα στα σημεία προσγείωσης. Από εκεί, ανακτώνται και ανεφοδιάζονται με καύσιμα για άλλη πτήση.

Η SpaceX έγραψε ιστορία εκτόξευσης πυραύλων στις 21 Δεκεμβρίου 2015, όταν προσγειώθηκε με επιτυχία έναν από τους ενισχυτές Falcon 9 κατά τη διάρκεια μιας τροχιακής εκτόξευσης. Το Falcon 9 έχει γίνει ο κύριος τροχιακός πύραυλος που χρησιμοποιείται από τη NASA. Μεταφέρει ακόμη και αστροναύτες στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό με την κάψουλα Dragon. Το πρώτο στάδιο του Falcon 9 χρησιμοποιεί ένα σύμπλεγμα εννέα κινητήρων Merlin, που τροφοδοτούνται από υγρό οξυγόνο και κηροζίνη ποιότητας πυραύλων. Το δεύτερο στάδιο, το οποίο εκτοξεύει το ωφέλιμο φορτίο σε τροχιά, χρησιμοποιεί έναν μόνο κινητήρα κενού Merlin.

Οι επαναχρησιμοποιήσιμοι πύραυλοι είναι ζωτικής σημασίας για το μέλλον των διαστημικών πτήσεων. Οι εκτοξεύσεις είναι πολύ λιγότερο δαπανηρές και σπάταλες όταν τα πιο ακριβά μέρη ενός πυραύλου μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν. Αυτό κάνει τα ωφέλιμα φορτία πιο προσιτά και ανοίγει τις πόρτες του χώρου σε περισσότερους ανθρώπους.

Στόχευση στον Άρη

Παρά τις πολλές αποτυχίες στην αρχή, η SpaceX έχει κατακτήσει την επαναχρησιμοποιήσιμη τεχνολογία εκτόξευσης. Σε μεγαλύτερη κλίμακα, η εταιρεία διαστημικών πτήσεων έχει σχέδια να δημιουργήσει έναν επαναχρησιμοποιήσιμο πύραυλο ικανό να εκτοξεύσει ανθρώπινα πληρώματα στη Σελήνη και τον Άρη. Το επαναχρησιμοποιήσιμο σύστημα εκτόξευσης επόμενης γενιάς του SpaceX, «το Starship», θα είναι το πιο ισχυρό όχημα εκτόξευσης που έχει αναπτυχθεί ποτέ.

Η SpaceX δοκιμάζει πρωτότυπα του Starship χρησιμοποιώντας τους κινητήρες Raptor της SpaceX με μεθάνιο. Αυτό είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό που πρέπει να σημειωθεί, καθώς το μεθάνιο μπορεί να είναι ένα ανανεώσιμο καύσιμο, που δημιουργείται με τη δέσμευση του μεθανίου φυσικά αντί να το αφήνει να συσσωρεύεται στην ατμόσφαιρα. Το μεθάνιο προσφέρει επίσης πλεονεκτήματα κόστους και απόδοσης σε σχέση με άλλα υγρά καύσιμα, οδηγώντας και άλλες ιδιωτικές εταιρείες διαστημικών πτήσεων να το υιοθετήσουν. Όταν το Starship είναι πλήρως λειτουργικό, το SpaceX σχεδιάζει να πετάξει το καθένα έως και 1.000 φορές.

The Future of Rocket Launches

Η τεχνολογία εκτόξευσης πυραύλων έχει προχωρήσει πολύ από τότε που ο Ρόμπερτ Γκόνταρντ έθεσε σε κίνηση τη σύγχρονη διαστημική πτήση. Καθώς οι υπερσύγχρονες εταιρείες διαστημικών πτήσεων όπως η SpaceX οδηγούν το δρόμο προς το διάστημα, πολλοί αναρωτιούνται ποια είναι η τεχνολογία πυραύλων στον ορίζοντα.

Το 2021, το πρώτο αποκλειστικά πολιτικό πλήρωμα εκτοξεύτηκε σε τροχιά στην κάψουλα Dragon του SpaceX. Μέσα στα επόμενα δέκα χρόνια, ένα πολιτικό πλήρωμα θα μπορούσε να περιστραφεί γύρω από τη Σελήνη. Μέσα στα επόμενα είκοσι χρόνια, είναι πιθανό ότι οι άνθρωποι θα μπορούσαν επιτέλους να περπατήσουν στον Άρη.

Αυτές οι εξελίξεις είναι δυνατές λόγω της μακράς εξέλιξης των συστημάτων εκτόξευσης πυραύλων κατά τη διάρκεια των αιώνων. Στο δρόμο, ο κόσμος μπορεί να δει πυρηνική πρόωση, ακόμη και ελαφριά πρόωση να εκτοξεύει την ανθρωπότητα στα αστέρια.