Prom kosmiczny – czemu nie? - Pozwól, że wyjaśnię

Czas czytania w minutach: 7

Pod takim, nieco – przyznaję – przewrotnym – tytułem, chciałbym napisać parę słów o tym, co Amerykanie wymyślili jako kontynuację swojego programu kosmicznego po tym jak wygrali wyścig. A wymyślili prom kosmiczny. A dokładniej – system transportu kosmicznego (STS), którego pierwszą częścią miał być prom. A został zarazem ostatnią – na całą resztę Kongres nie dał funduszy. I niestety, prom na długie lata przyhamował rozwój programu kosmicznego, zjadając olbrzymie fundusze, żeby w bardzo niebezpieczny sposób dostarczać pasażerów na niską orbitę Ziemi, gdzie mieli zrobić to, z czym lepiej by sobie poradziły maszyny. Kontrowersyjne? Pozwól, że wyjaśnię…

Prom kosmiczny – miało być tak pięknie

Na system transportu kosmicznego miał składać się szereg składników. Przede wszystkim – dwie stałe bazy kosmiczne: jedna na niskiej orbicie Ziemi, a druga – na orbicie Księżyca. Do tego prom kosmiczny, łączący Ziemię z bazą na jej orbicie, holownik kursujący w miarę potrzeby między niską orbitą Ziemi a orbitą geostacjonarną i wreszcie zasilany jądrowo prom kursujący między bazą nad Ziemią a bazą nad Księżycem. Ale po udanym lądowaniu na Księżycu zainteresowanie opinii publicznej podbojem Kosmosu drastycznie spadło. W związku z tym finansowanie przyznano tylko na prom latający z powierzchni naszej planety na jej niską orbitę. I to był pierwszy kamyczek, który pociągnął za sobą lawinę złych decyzji – i politycznych, i projektowych. Oczywiście, każda z nich miała racjonalne uzasadnienie, ale wszystkie razem przyczyniły się do tego, że prom, per saldo, poniósł porażkę.

Prom miał być tani – a właściwie latać tanio. A kluczem do osiągnięcia tego celu miało być to samo, co w przypadku SpaceX Elona Muska: możliwość powtórnego wykorzystania. Wszystkie wcześniejsze statki kosmiczne były jednorazowego użytku. Czy zostawały na orbicie, czy spalały się w atmosferze lub uderzały w powierzchnię globu wracając po misji – rakiety nie nadawały się do powtórnego użytku. Owszem, w wypadku misji załogowych wracała kapsuła z załogą, ale też nie była przeznaczona do ponownego wykorzystania… Zresztą często to silniki były najdroższą częścią całego pojazdu. A one ginęły bezpowrotnie. Z promem miało być inaczej. Plan był prosty: dwa człony, obydwa miały startować jak rakieta a lądować jak samolot. Potem szybka obsługa i znów w kosmos. I tu właśnie pojawił się problem.

Prom kosmiczny na służbie wojskowej

Prom miał, według pierwszych projektów, latać co tydzień, a nawet częściej. Dzięki szybkiej obsłudze naziemnej była mowa o 55 startach w ciągu roku. Podzielenie kosztów projektu i budowy promu przez spodziewaną liczbę startów dawało całkiem znośną cenę… Tylko co promy miałyby wozić na orbitę? Owszem, gdyby powstał cały projektowany system transportu kosmicznego – byłyby zajęte. Budowa bazy na orbicie Księżyca, dostarczanie tam zapasów, ekspedycje na powierzchnię srebrnego globu, wreszcie przygotowania do załogowej ekspedycji na Marsa… Ale bez całej reszty? Nie było szans na zapewnienie “zatrudnienia” nowemu pojazdowi. To może woziłby satelity komercyjne? Pewnie, mógł, i później woził. Ale w latach 70’ rynek komercyjnych lotów kosmicznych dopiero raczkował. Zapotrzebowanie wciąż było za małe. W związku z tym zwrócono się do organizacji, która miała pod dostatkiem obiektów, które chciała wynieść w kosmos: do wojska. I to był kolejny kamyczek.

Wojsko z entuzjazmem zgodziło się na rezygnację z rozwijania własnej rakiety jednorazowego użytku i przekazanie swoich misji w ręce NASA. Problem w tym, że postawiło przy okazji szereg warunków. Bo tym, co amerykańskie wojsko chciało w kosmos wystrzeliwać, były przede wszystkim satelity szpiegowskie. Duże, ciężkie satelity z dużymi zwierciadłami. To z kolei oznaczało dużą ładownię oraz konieczność wyposażenia promu w mocniejsze silniki i więcej paliwa, żeby to wszystko wynieść na orbitę. Zainteresowanych szczegółami odsyłam do naszego artykułu o tyranii równania rakietowego. W każdym razie to przekreśliło szanse projektu z małym, stosunkowo lekkim orbiterem¹. Siłą rzeczy również rakieta wspomagająca musiała być silniejsza, żeby cięższy orbiter dostarczyć, gdzie trzeba.

Do pełna proszę! Paliwo w rakietach

Kosmiczne Mission Impossible

Ale to nie wszystko. Energia kinetyczna przy danej szybkości jest proporcjonalna do masy. Ciężki orbiter ma jej więcej niż lżejszy, więc więcej musi wytracić, żeby wyhamować, wracając na ziemię. A to z kolei oznacza bardziej skomplikowaną osłonę termiczną, mającą chronić miękką zawartość przed wysoką temperaturą podczas powrotu z orbity. Jako że celem były częste loty, ta osłona nie mogła być tego samego typu, co wykorzystywana w jednorazowych kapsułach. Stosowana tam osłona ablacyjna zużywała się, chroniąc statek – o szczegółach możecie przeczytać w jednym z naszych wcześniejszych artykułów. Sęk w tym, że tu potrzebne było coś zupełnie nowego. Coś, co wytrzyma przeszło tysiąc stopni z jednej strony, ale utrzyma kilkanaście z drugiej. I coś takiego udało się wykonać. Problem polegał na tym, że było to bardzo kruche – ale do tego tematu jeszcze wrócimy.

Kolejnym problemem było to, gdzie wojsko chciało wysyłać swoje satelity szpiegowskie. Najlepsze pokrycie całej powierzchni globu uzyskują satelity krążące po orbitach biegunowych. Ale start na taką orbitę, jak już tu kiedyś pisałem, zużywa więcej energii. Co za tym idzie? Więcej paliwa – mocniejsze silniki – więcej energii przy powrocie – bardziej skomplikowana osłona termiczna. I to wciąż jeszcze nie koniec! Bo wojsko chciało jeszcze jednego: możliwości ściągnięcia z orbity wrogiego satelity i szybkiego powrotu z nim na Ziemię, zanim tamci się zorientują. Czyli po jednej orbicie: start prosto do celu, podjęcie satelity na pokład, po hamulcach i do domu. I wszystko pięknie², tyle że… Dom nie stoi w miejscu. Ziemia się kręci, więc dom ucieka na wschód. Co to oznaczało? Że prom musiał mieć możliwość w “drodze powrotnej” przelecieć przeszło półtora tysiąca kilometrów na wschód. Oznaczało to konieczność uwzględnienia w projekcie większych skrzydeł. To zaś oznaczało cięższy orbiter, silniejszą rakietę nośną, i tak dalej, i tak dalej.

Przepraszam, którędy do góry? O manewrowaniu w kosmosie

Prom kosmiczny – co poszło nie tak?

Do tego wszystkiego dołożyły się ambicje NASA dotyczące liczebności załogi. Choć niemal wszystko, co osiągnął prom, dałoby się zrobić w grupie maksymalnie czteroosobowej, NASA chciała mieć możliwość wysłania w kosmos siedmiu, a w porywach nawet ośmiu osób. Stąd też duża kabina, drugi pokład z fotelami… i większy, cięższy orbiter, potężniejsze silniki… Wiecie, co dalej. W każdym razie połączenie tego wszystkiego, o czym pisałem, zmusiło NASA do przyjęcia nieoptymalnej konfiguracji pojazdu.

Zamiast orbitera zamontowanego na szczycie rakiety bądź też na “plecach” drugiego, w pełni wielorazowego pojazdu, zdecydowano się na przymocowanie go z boku olbrzymiego zbiornika paliwa ciekłego… do którego dodano dwie rakiety pomocnicze na paliwo stałe, nigdy wcześniej ani później niewykorzystywane do misji załogowych. Powód? Bardzo prosty: rakiety na paliwo stałe nie da się kontrolować, nie można zmniejszyć jej ciągu czy wyłączyć – co przyczyniło się do katastrofy Challengera. Z kolei konfiguracja z orbiterem zamontowanym na boku zbiornika paliwa oznaczała, że wyłożony kruchą warstwą osłony termicznej spód orbitera i przednie krawędzie skrzydeł będą narażone na uderzenia wszystkiego, co odczepi się od zbiornika w czasie startu. Na przykład fragmentów pianki termoizolacyjnej, o czym dokładniej napiszemy, gdy opiszemy katastrofę promu Columbia z 2003 roku.

Poza tym siedmioosobowa załoga rozmieszczona na dwóch pokładach wykluczała zastosowanie wyrzucanych foteli, umożliwiających ucieczkę z pojazdu w razie problemów. Przed katastrofą Challengera w 1986 roku w ogóle nie było szans na ucieczkę w razie problemów innych niż wyłączenie któregoś z silników orbitera przed czasem. Również w czasie powrotu możliwości były bardzo ograniczone: orbiter nie miał na pokładzie żadnego paliwa do silników głównych, nie miał silników odrzutowych, nie miał praktycznie żadnego napędu poza silnikami manewrowymi wykorzystywanymi w kosmosie. A choć skrzydła pozwalały mu “szybować”, to jego profil aerodynamiczny był daleki od optymalnego. Tak bardzo daleki, że budując swój³ odpowiednik, Rosjanie spojrzeli na oryginał i stwierdzili: “Nie no, to jest zbyt niebezpieczne, trzeba tu dodać parę rzeczy”. No, ale montaż silników odrzutowych to byłby kolejny drastyczny wzrost masy i komplikacji. A co za tym idzie – większe silniki, więcej paliwa… Warto też dodać, że przy niemal każdej okazji decydenci wybierali rozwiązania, które obniżały koszt początkowy budowy promu, podwyższając jednocześnie koszt jego eksploatacji.

Czy było warto?

I tak właśnie, na skutek decyzji politycznych i nadmiernie optymistycznych prognoz dotyczących częstotliwości lotów, powstał prom kosmiczny. I błyskawicznie się okazało, że radosne prognozy dotyczące cotygodniowych lotów to można między bajki włożyć. Zresztą – NASA prawdopodobnie była tego przynajmniej częściowo świadoma, ponieważ maksymalną przepustowość zakładu produkującego zewnętrzne zbiorniki paliwa ustalono na 24 na rok. A maksymalna liczba startów w ciągu jednego roku osiągnięta przez cały czas trwania programu? Dziewięć. Dlaczego? Ponieważ po każdym powrocie z kosmosu promy wymagały solidnego przeglądu i wielu napraw. W tym na przykład naprawy osłony termicznej, składającej się z 24 300 płytek – a każda inna. Brak lub uszkodzenie którejkolwiek z nich mógł się skończyć katastrofą. Podobnego przeglądu wymagały silniki w orbiterze. Jeszcze gorzej było z rakietami pomocniczymi, które opadały na spadochronach i były wyławiane z oceanu: kontakt ze słoną wodą nie robi dobrze gorącym silnikom. A serwisowanie i ponowne przygotowanie rakiet pomocniczych odbywało się w zakładach położonych w stanie Utah – ładny kawałek od Florydy i przylądka Canaveral, z którego promy startowały.

Wróćmy jeszcze do liczb. Całkowity koszt programu? Około 210 miliardów dolarów⁴. Odbyło się 135 misji promu, co oznacza, że koszt jednej misji wyniósł średnio około półtora miliarda dolarów. Ile w tym było misji na orbity biegunowe, których domagały się siły zbrojne USA? Okrągłe zero. Ile satelitów podjęto z kosmosu i sprowadzono na Ziemię? Całe 5. W ilu misjach faktycznie potrzebna była i duża ładownia, i duża załoga? To ciężko jednoznacznie określić. Warto wspomnieć, że zgodnie z zasadami NASA wszystkie eksperymenty wykonywane w czasie misji załogowych wymagały udziału człowieka… Ale ten udział niejednokrotnie był ograniczony do wciśnięcia włącznika. A co z innym kosztem, czysto ludzkim? Na 135 misji dwie zakończyły się katastrofą⁵, za każdym razem zabijając całą, siedmioosobową załogę. Czyni to z promu najniebezpieczniejszy załogowy pojazd kosmiczny spośród tych, które odbyły więcej niż kilka lotów. No cóż, jeśli Sowieci kradną twój pomysł, po czym stwierdzają “no bez przesady, trzeba tu dodać parę rozwiązań poprawiających bezpieczeństwo”, to wiedz, że coś jest bardzo nie tak.

I to nie jest tak, że prom nie miał zalet. Od strony inżynieryjnej był wręcz cudem. Inżynierom udało się pogodzić wiele sprzecznych wymagań i doprowadzić do tego, że prom – najczęściej – latał i wracał bezpiecznie. Katastrofy wynikały raczej z zaniedbań zarządczych, niż inżynieryjnych – inżynierowie przewidywali możliwe problemy i informowali managerów o tych możliwościach. Trzeba też przyznać, że wyjątkowe właściwości promu bywały intensywnie wykorzystywane, na przykład wtedy, gdy astronauci naprawiali na orbicie teleskop Hubble’a – o czym możecie poczytać więcej w książce o precyzji. No i bez promu nie mielibyśmy Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, na którą za kilka dni leci drugi polski astronauta – choć temat sensowności utrzymywania tej stacji to zagadnienie na osobną dyskusję. Nie da się natomiast ukryć słonia w pokoju: za kosmiczne pieniądze dostaliśmy loty na niską orbitę Ziemi. A większość tego, co zrobili tam astronauci, spokojnie mogły zrobić automaty.

Pytanie, gdzie byśmy dziś byli, gdyby na czas skasować program promów, te miliardy dolarów przeznaczyć na bardziej ambitną eksplorację kosmosu, pozostaje otwarte.

Bibliografia

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!