Rocket Science više nije mistika

U pedesetim su se godinama prošloga stoljeća “naši i njihovi Nijemci” natjecali u gradnji ponajprije raketa-nosača koje bi na onu drugu stranu čim preciznije isporučile tzv. koristan teret - nuklearnu ili vodikovu bojnu glavu. Rakete su u svojoj osnovi, još od nacističkog Peenemündea, bile zapravo topničke granate s gorivom. Njihova je kontrolirana eksplozija produžavala domet projektila. Raketa je bila revolucionarna inovacija ondje gdje su, iz fizičkih razloga, haubice udarile plafon svojih performansi, od Kruppove Debele Berte iz I. svjetskog rata do Kruppove haubice K5 teške 218 tona koja se jedino mogla prevoziti na željezničkom lafetu.

Piše: Miroslav Ambruš-Kiš MAK, koordinator istraživanja u timu Synergy Moon (u natjecanju za Google Lunar Xprize)

Wernher von Braun sjetio se koncepata Konstantina Ciolkovskoga koji je još prije I. svjetskog rata razrađivao reaktivnu propulziju u svom kapitalnom djelu “Istraživanje svemirskog prostora s pomoću reaktivnih aparata”. Nije znao za Amerikanca Roberta Goddarda i njegove pokuse s raketama na tekuće gorivo. Također ga, očigledno, nisu impresionirale ni teze o suradnji, umjesto natjecanja iz romana Julesa Vernea “Put na Mjesec”. Verne je u viziji iz 1865. godine do konstrukcije svemirskog vozila došao iz natjecanja američkog inovatora oklopa za vojsku i francuskog topničkog konstruktora koje je završilo kao suradnja. Von Braun se odlučio isključivo za razvojni put artiljerca: dodaj još malo, ciljaj još dalje.

No s raketom, koja je zapravo topnički projektil kojemu iz vlastite cijevi kontinuirano gruvaju eksplozije, postoji jedan nezgodan problem koji je detektirao još Ciolkovski: što je teži koristan teret koji se raketom lansira to će potreba za težinom eksploziva/goriva eksponencijalno rasti. Slično se mora ulagati i u gorivo kad se koristan teret želi dobaciti čim dalje. No čim dodate tonu goriva radi kilograma više na vrhu rakete, morate dodati još dvije tone goriva da biste tu raketu uopće pokrenuli.

Raketa kojom su 1957. godine Sovjeti na obljetnicu Oktobarske revolucije u orbitu lansirali Sputnjik, metalnu loptu promjera 58 centimetara i tešku 83,6 kilograma, bio je zapravo snop od četiri interkontinentalne balističke rakete Semjonka R-7 koje su izbacivale petu. Njena je ukupna masa bila 267 tona. U svemirskoj utrci koja je uslijedila valjalo je jako brzo smisliti kako raketom što dalje na taj način izbaciti što veći teret, makar to bili i ljudi. I onda su obje strane odlučile zidati raketu na raketi, prvi stupanj, drugi stupanj, treći stupanj…

Ipak, takve su rakete dosegnule maksimum sa Saturnom V, koja je ljude odvezla na Mjesec. Ta je raketa s putnicima bila visoka 110 metara, a s raketicom za spašavanje kapsule Apollo s posadom u slučaju greške pri lansiranju - ukupno 117 metara. Konkurentska, na brzinu skrpana neuspješna ruska raketa bila je visoka 105 metara, a buduća američka divot-raketa SLS neće biti viša od 110 metara.

Zašto rakete nikada neće dosegnuti visinu od 120 metara najbolje su osjetili astronauti programa Apollo. Konkretno, razlog sam čuo izravno iz usta astronauta Apolla 16 Charlieja Dukea, kad sam ga pitao koji mu je bio najužasniji dio njegove misije: - Nije to bio trenutak spuštanja na Mjesec, niti povratak s njegove površine. Najgore je bilo u trenutku paljenja motora rakete Saturn V i prvih sekunda nakon što se ona odlijepila od rampe - rekao je Duke. Opisao je doživljaj u kapsuli Apolla na vrhu rakete koja se poprečno tresla u amplitudama od više metara i isto toliko skakutala! Taj je fenomen žestoke uzdužne oscilacije danas poznat kao pogo efekt.

Visina rakete Saturn V iz šezdesetih i sedamdesetih godina prošloga stoljeća tako je postala fizička gornja granična konstanta. Razvoj dosadašnjih materijala i konstrukcija koji bi pridonijeli njezinoj čvrstoći mogao bi donijeti poneki postotak, a i računalno upravljanje potiskom motora dalo bi ponešto kompenzirati, ali kako god bilo, odnos mase i potiska veliku raketu u tom razmjeru čini krhkim objektom. Jer takva je priroda te vrste pogona. Nekakav drukčiji pogon, koji bi manje stresno djelovao na strukturu lansiranog nosača tek treba biti izmišljen.

Danas, dok se svaki dodatni kilogram korisnog tereta na vrhu takvog projektila “prema dolje” piramidalno reflektira potrebom za novim tonama goriva, a koje opet treba smjestiti u nekakve tankove i osigurati njihov sveukupni mehanički integritet - rakete na ovaj način praktično više ne mogu rasti. Zato se u budućnosti tereti veće mase i većih ambicija moraju lansirati s više teških raketa, pa spajati u svemiru: od "rendezvousa" zapovjednog članka Apolla s naknadno ispaljenim Mjesečevim landerom sve do složene strukture kakva je Međunarodna svemirska stanica, čija je osnovna struktura od 1998. godine dograđivana desetljeće i pol.

Space X Elona Muska i Blue Origin Jeffa Bezosa, kao privatne kompanije, oslanjaju se na isti taj pirotehnički pogon. Od nacionalnih svemirskih agencija razlikuju se po tome što ne žele da raketa bude za jednokratnu uporabu. Računica: gorivo u ukupnoj cijeni lansiranja uzima tek 3-5 posto. Nanovo upotrijebljeni komad lansirnog hardvera čisti je dobitak. Barem neko vrijeme.

Raketa SpaceX-a ITS (Interplanetary Space System), koju razvijaju kao koncept da bi njome na Mars poslali prve koloniste, također neće biti viša od 122 metra.

S obzirom na jednostavnost osnovnog pogona, tj. načelo konstantnih eksplozija tekućeg goriva kojega se jedino može precizno dozirati, može se reći da je rocket science kakav poznajemo doživio svoje limite. Trend prema sofistikaciji, kakav je space shuttleom primijenjen u pokušaju da se načini višekratno upotrebljiv raketoplan, također se pokazao pogrešnim. Previše se toga na letjelici kvarilo upravo zato što je previše toga bilo izloženo ekstremnim naprezanjima. Zapravo, ova tehnologija teži čim jednostavnijim rješenjima. I tu ima koncepata koji su u vrijeme svemirske utrke bili napušteni zbog žurbe. I o njima će biti govora.