De ce sunt rachetele reutilizabile greu de realizat?

SpaceX doreşte să obţină un progres important în ceea ce priveşte ingineria navelor spaţiale. Compania americană încearcă să realizeze amerizarea primului etaj al rachetei sale Falcon 9-R pe o platformă plutitoare de pe mare. În mod normal, acest modul ar ajunge pe fundul oceanului. Dacă va avea succes, SpaceX va revoluţiona modul de realizare a rachetelor, reducând cu milioane de dolari costurile de lansare ale acestora.

Lansare Falcon 9

Indiferent de rezultat, această încercare reprezintă punctul culminant al unei serii de realizări remarcabile din ştiinţa dezvoltării rachetelor. Ea marchează noi progrese în ceea ce priveşte repornirea motoarelor rachetă, controlul orientării, ghidării şi navigaţiei, protecţiei termice şi, desigur, asigurării aterizării în siguranţă. Progresele realizate până acum de SpaceX în această industrie au fost fenomenale. Dacă alţi furnizori comerciali nu au acordat atenţia cuvenită acestei competiţii dintre producători, această lansare s-ar putea să-i forţeze să privească cu mai multă atenţie activitatea celor de la SpaceX.

Ce urcă trebuie să și coboare

Rachetele de azi nu se pot reutiliza. Ele îşi consumă combustibilul în câteva minute și apoi se prăbuşesc în oceanele terestre după ce au lansat pe o traiectorie potrivită sarcina utilă pe care o transportă. Acest lucru reprezintă o risipă de resurse și de aceea oamenii de ştiinţă au visat să poată construi vehicule spaţiale reutilizabile.

Sfântul Graal al lansatoarelor de tip rachetă se referă la construirea unui vehicul spaţial într-o singură treaptă pentru lansarea pe orbită (SSTO-single stage to orbit). Ideea este de a se utiliza un vehicul de lansare reutilizabil (RLV-reusable launch vehicle) care să aibă capacitatea de a transporta o sarcină utilă pe orbita dorită şi care, ulterior, să reintre în atmosfera Pământului pentru a ateriza. Acesta va putea fi realimentat cu combustibil.

Deşi în Marea Britanie s-au parcurs deja unii paşi în această direcţie prin dezvoltarea motoarelor de rachetă SABRE pentru vehiculul spaţial Skylon SSTO, dezvoltarea acestei tehnologii, în condiţii de fiabilitate şi la un cost rezonabil, rămâne în continuare o provocare, atât în ceea ce priveşte materialele utilizate cât şi în ceea ce priveşte tehnologia aferentă motoarelor.

Este, practic, imposibil să se atingă o anumită orbită cu ajutorul unui singur vehicul spaţial ce are un motor de rachetă la care atât combustibilul şi oxidantul necesar pentru ardere sunt transportate la bordul acestuia. Chiar şi cu o cantitate de combustibil ce ar reprezenta 90% din masa întregului vehicul, nu s-ar putea îndeplini acest obiectiv. Masa sarcinii utile a rachetei care va ajunge pe orbita finală reprezintă, în mod obişnuit, nu mai mult de 2% până la 4% din masa inițială a rachetei.

În prezent, singurul mod prin care se poate atinge orbita dorită presupune îndepărtarea masei inutile a rachetei, reprezentată de structura de sprijin şi de rezervoarele de combustibil, atunci când combustibilul din acestea se epuizează. În acest fel funcţionează o rachetă construită în mai multe trepte. Aceste etaje pot fi dispuse în serie, unul deasupra celuilalt, ca în cazul rachetei Falcon 9-R realizată de SpaceX sau în paralel, ca în cazul navetei spaţiale Space Shuttle construită de NASA .

Un singur precedent: Naveta spaţială Space Shuttle

Naveta spaţială Space Shuttle, construită de NASA, a reprezentat o încercare de realizare a unui vehicul lansator pe orbită parțial reutilizabil. La acesta modulul orbital putea reintra în atmosfera Pământului pentru ca apoi să aterizeze, în timp ce rezervoarele sale de combustibil puteau fi recuperate cu ajutorul paraşutelor. Cu toate acestea, costurile imense ale acestor vehicule spaţiale precum și dezastrele navetelor Challenger și Columbia, în care şi-au pierdut viaţa 14 astronauţi, au evidenţiat dificultatea de realizare şi de reutilizare în condiţii de siguranţă a acestor navete.

Ar putea părea o nebunie faptul că preferăm să aruncăm pe fundul oceanului unele dintre cele mai bune și mai costisitoare dovezi ale științei şi ingineriei umane. Având în vedere dificultăţile amintite anterior, guvernele și agențiile spaţiale par incapabile să ia în considerare capturarea și reutilizarea lor.

Nici drumul parcurs de SpaceX până în prezent nu a fost lipsit de dificultăţi. Compania se află la a treia încercare de testare a acestei tehnologii. Primele două încercări de lansare au fost anulate din cauza unor defecţiuni apărute în ultimul moment.

Chiar dacă SpaceX va avea succes, compania va trebui să dovedească faptul că tehnologia pe care o propune constituie într-adevăr o alternativă economic validă pentru rachetele de lansare actuale. Pentru a dovedi acest lucru, trebuie ca lucrările de întreţinere de lungă durată şi costisitoare care au afectat programul Space Shuttle să fie evitate.

Acest lucru nu va fi uşor de realizat. Reutilizarea înseamnă că în timp Falcon 9-R îşi va reduce sarcina utilă totală şi performanţele.

Cu toate acestea, SpaceX a făcut faţă provocărilor şi a mers mai departe obţinând o mulţime de realizări cu o viteză ameţitoare. Viteza cu care SpaceX s-a mutat de la concept la realitate nu a dat timp celorlalţi competitori comerciali să evalueze impactul pe care SpaceX îl va avea asupra planurilor lor de afaceri, ca să nu mai vorbim de modul prin care pot reacţiona la aceste schimbări.

Traducere şi adaptare după Explainer: why reusable rockets are so hard to make