Το διαστημικό λεωφορείο της NASA λειτουργούσε σε χαμηλή τροχιά της Γης για 30 χρόνια πριν παροπλιστεί το 2011. Ωστόσο, ο αντικαταστάτης αυτού του διαστημικού σκάφους της αμερικανικής διαστημικής υπηρεσίας, το Orion, επανήλθε στο σχέδιο κωνικής κάψουλας που ήταν γνωστό από τις αποστολές Apollo. Αυτό συνέβη επειδή η NASA σκόπευε να χρησιμοποιήσει αυτό το νεότερο διαστημόπλοιο για να εξερευνήσει προορισμούς στο βαθύ διάστημα, όπως η Σελήνη.
Όμως τα τελευταία χρόνια έχουμε δει την επιστροφή του σχεδιασμού του διαστημικού αεροπλάνου. Από το 2010, η Διαστημική Δύναμη των ΗΠΑ (και πρώην η Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ) έχει εκτοξεύσει ένα ρομποτικό διαστημικό αεροπλάνο που ονομάζεται X-37B σε χαμηλή τροχιά της Γης ως μέρος μυστικών αποστολών. Η Κίνα έχει το δικό της στρατιωτικό διαστημικό αεροπλάνο που ονομάζεται Shenlong.
Φέτος θα μπορούσαμε να δούμε μια δοκιμαστική πτήση του Dream Chaser της Sierra Space – του πρώτου εμπορικού διαστημικού αεροπλάνου ικανού να πετάξει σε τροχιά. Εάν όλα πάνε καλά, το όχημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον εφοδιασμό του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού (ISS) με φορτίο και τελικά πλήρωμα.
Τα διαστημικά αεροπλάνα μπορούν να πετάξουν ή να γλιστρήσουν στην ατμόσφαιρα της Γης και να προσγειωθούν σε διαδρόμους, αντί να χρησιμοποιούν αλεξίπτωτα για να προσγειωθούν στο νερό ή σε επίπεδο έδαφος σαν κάψουλες. Είναι επίσης πιο ευέλικτοι όταν το διαστημόπλοιο εισέρχεται ξανά στην ατμόσφαιρα, αυξάνοντας την περιοχή της επιφάνειας της Γης όπου είναι δυνατή η προσγείωση από ένα δεδομένο σημείο επανεισόδου.
Τα διαστημικά αεροπλάνα επιτρέπουν επίσης μια πιο ομαλή αλλά μεγαλύτερη διαδρομή πτήσης επανεισόδου και μια πιο ήπια προσγείωση, η οποία είναι ευκολότερη για το πλήρωμα και το φορτίο από τις κάψουλες που μπορούν να προσγειωθούν με ένα χτύπημα. Ένας διάδρομος επιτρέπει επίσης την ανάπτυξη ομάδων υποστήριξης εδάφους και υποδομής στο σημείο προσγείωσης.
Κόστος και πολυπλοκότητα
Ωστόσο, τα διαστημικά αεροπλάνα είναι πιο περίπλοκα και βαρύτερα από μια αντίστοιχη κάψουλα. Το σχήμα του αμαξώματος με πτερύγια αποτελεί ιδιαίτερη πρόκληση για την ανάπτυξη συστημάτων θερμικής προστασίας (TPS) – των ανθεκτικών στη θερμότητα υλικών που προστατεύουν το όχημα από τις καυτές θερμοκρασίες κατά την επανείσοδο. Αυτά τα πρόσθετα κόστη καθιστούν μη πρακτικό τον σχεδιασμό ενός διαστημικού αεροπλάνου για μία μόνο πτήση. Πρέπει να χρησιμοποιούνται ξανά και ξανά για να είναι βιώσιμα.
Το ενδιαφέρον για τα διαστημικά αεροπλάνα υπήρχε από τις πρώτες μέρες της επανδρωμένης διαστημικής πτήσης. Ένα έργο στρατιωτικού διαστημικού αεροπλάνου που ονομάζεται Dyna-Soar ξεκίνησε στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1957 και ακυρώθηκε λίγο μετά την έναρξη της κατασκευής. Το όχημα, εξελιγμένο για την εποχή του, ήταν κατασκευασμένο από κράμα μετάλλου ικανό να αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες και διέθετε μια θερμική ασπίδα στο μπροστινό μέρος που μπορούσε να αφαιρεθεί μετά την επιστροφή από το διάστημα, επιτρέποντας στον πιλότο να δει καθαρά την προσγείωση.
Το Διαστημικό Λεωφορείο, το οποίο τέθηκε σε υπηρεσία το 1981, ήταν το πρώτο επιχειρησιακό διαστημικό αεροπλάνο. Είχε σκοπό να εκτοξευτεί πιο συχνά από πριν και να είναι πιο επαναχρησιμοποιήσιμο, αλλά αποδείχθηκε ότι απαιτούνταν εκτεταμένες εργασίες ανακαίνισης μεταξύ των εκτοξεύσεων. Ωστόσο, απέδειξε την ικανότητα επιστροφής αστροναυτών και μεγάλων φορτίων από την τροχιά.
Άλλες διαστημικές υπηρεσίες επένδυσαν τις δεκαετίες του 1980 και του 1990 στην Ευρώπη με το διαστημικό αεροπλάνο Hermes και στην Ιαπωνία με το διαστημόπλοιο HOPE. Και τα δύο προγράμματα ακυρώθηκαν σε μεγάλο βαθμό λόγω ανησυχιών σχετικά με το κόστος. Η Σοβιετική Ένωση ανέπτυξε το δικό της όχημα που μοιάζει με λεωφορείο που ονομάζεται Buran, το οποίο πέταξε επιτυχώς στο διάστημα μία φορά το 1988. Το πρόγραμμα ακυρώθηκε μετά την κατάρρευση της Σοβιετικής Ένωσης.
Νιώσε τη ζέστη
Τα διαστημικά αεροπλάνα έχουν ειδικές απαιτήσεις για το τελευταίο μέρος του ταξιδιού τους – την επιστροφή από το διάστημα. Όταν εισέρχονται ξανά στην ατμόσφαιρα, θερμαίνονται σε περισσότερους από χίλιους βαθμούς Κελσίου και κινούνται με υπερηχητικές ταχύτητες άνω των επτά χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο – περισσότερο από 20 φορές την ταχύτητα του ήχου. Ένα αμβλύ σχέδιο μύτης (όπου το άκρο του διαστημικού σκάφους είναι στρογγυλεμένο) είναι ένα ιδανικό σχήμα επειδή μειώνει τη συσσώρευση θερμότητας στο πιο μπροστινό μέρος του οχήματος.
Ωστόσο, οι αναμενόμενες θερμοκρασίες στις οποίες θα εκτεθεί το όχημα μπορεί να είναι έως και 1600°C, απαιτώντας ένα σύστημα θερμικής προστασίας στο εξωτερικό του οχήματος. Το διαστημικό λεωφορείο TPS διέθετε ιδιαίτερα ανθεκτικά στη θερμότητα κεραμικά πλακίδια και μια ενισχυμένη μήτρα άνθρακα-άνθρακα που μπορούσε να αντέξει θερμοκρασίες έως και 2400 °C.
Η απώλεια του λεωφορείου Columbia κατά την επανείσοδο το 2003, κατά την οποία πέθαναν επτά αστροναύτες, ήταν το αποτέλεσμα μιας ρήξης στο TPS στην πρόσθια άκρη της πτέρυγας. Αυτό οφείλεται στο ότι ένα κομμάτι μονωτικού αφρού πετούσε από την εξωτερική δεξαμενή του λεωφορείου και χτύπησε στο φτερό κατά την εκτόξευση της Columbia.
Αυτό το πρόβλημα με τον αφρό ήταν ένα επαναλαμβανόμενο πρόβλημα στο διαστημικό λεωφορείο λόγω του τρόπου με τον οποίο εκτοξεύτηκε από το πλάι της εξωτερικής δεξαμενής καυσίμου. Αλλά νεότερα σχέδια διαστημικών αεροπλάνων θα πετάξουν με συμβατικούς πυραύλους, όπου η πτώση αφρού δεν είναι πρόβλημα.
Ένα αποτελεσματικό TPS παραμένει κρίσιμο για τη μελλοντική επιτυχία των διαστημικών αεροπλάνων, όπως και τα συστήματα που παρακολουθούν την απόδοση του TPS σε πραγματικό χρόνο.
Τρέχοντα οχήματα
Αυτή τη στιγμή υπάρχουν δύο διαστημικά αεροπλάνα σε υπηρεσία, ένα κινέζικο και ένα αμερικανικό, ικανά να φτάσουν σε τροχιά. Λίγες πληροφορίες είναι διαθέσιμες για το Shenlong της Κίνας, αλλά το X-37B του αμερικανικού στρατού είναι περισσότερο γνωστό. Το μη επανδρωμένο όχημα μήκους εννέα μέτρων ζυγίζει σχεδόν πέντε τόνους κατά την εκτόξευση, εκτοξεύεται με συμβατικό πύραυλο και προσγειώνεται αυτόνομα σε διάδρομο στο τέλος της αποστολής του.
Το TPS του X-37B χρησιμοποιεί πλακίδια παρόμοια με του Shuttle στην κάτω πλευρά, με μια εναλλακτική λύση ενισχυμένου άνθρακα χαμηλότερου κόστους που ονομάζεται Tufroc, που αναπτύχθηκε για το X37B, στη μύτη και στις μπροστινές άκρες.
Σύντομα θα ενταχθούν στο Dream Chaser, το οποίο αναπτύχθηκε από την εταιρεία για τη μεταφορά φορτίων και αστροναυτών. Ωστόσο, η NASA θέλει να αποδείξει την ασφάλειά της από τη μεταφορά ανθρώπων χρησιμοποιώντας πρώτα για τη μεταφορά φορτίου στον διαστημικό σταθμό. Η ικανότητα επαναφοράς συγκριτικά εύθραυστου φορτίου πίσω στην επιφάνεια μέσω μιας πιο ήπιας προσγείωσης είναι μια βασική λειτουργία. Τα πλακάκια που προστατεύουν τα Dream Chasers είναι κατασκευασμένα από πυριτικό και το καθένα έχει ένα μοναδικό σχήμα προσαρμοσμένο στην περιοχή του οχήματος που προορίζεται να προστατεύσει.
Μελλοντικές εξελίξεις
Συνεχίζει να υπάρχει ενδιαφέρον για τα διαστημικά αεροπλάνα λόγω της ικανότητάς τους να επιστρέφουν πλήρωμα και φορτίο σε διάδρομο. Η ζήτηση για αυτή τη δυνατότητα είναι προς το παρόν περιορισμένη. Ωστόσο, καθώς το κόστος της εκτόξευσης στο διάστημα συνεχίζει να μειώνεται και η επέκταση της διαστημικής βιομηχανίας αυξάνει τη ζήτηση, θα γίνουν μια ολοένα και πιο βιώσιμη εναλλακτική λύση για τις κάψουλες.
Μακροπρόθεσμα, υπάρχει επίσης δυνατότητα για διαστημικά αεροπλάνα που μπορούν να εισέλθουν σε τροχιά μετά την απογείωση από έναν διάδρομο. Οι προκλήσεις στην ανάπτυξη αυτών των οχημάτων ενός σταδίου σε τροχιά (SSTO) είναι σημαντικές. Ωστόσο, ιδέες όπως το όχημα Skylon οδηγούν σε τεχνικές εξελίξεις που θα μπορούσαν τελικά να υποστηρίξουν την ανάπτυξη ενός οχήματος SSTO.
Για το άμεσο μέλλον, τα διαστημικά αεροπλάνα φαίνονται πολλά υποσχόμενα για τους εξής λόγους: νέες τεχνικές σχεδιασμού, βελτιωμένα υλικά για το TPS, προηγμένα εργαλεία μοντελοποίησης και προσομοίωσης υπολογιστών για τη βελτιστοποίηση διαφόρων σχεδιαστικών πτυχών και παραμέτρων πτήσης και συνεχείς βελτιώσεις στα συστήματα πρόωσης.
Με πολλές κυβερνήσεις, διαστημικές υπηρεσίες και ιδιωτικές εταιρείες παγκοσμίως να επενδύουν σε μεγάλο βαθμό στην έρευνα και ανάπτυξη διαστημικών αεροπλάνων, θα μπορούσαμε να δούμε ένα μέλλον όπου οι πτήσεις με αυτά τα οχήματα θα γίνουν ρουτίνα.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
Οι συγγραφείς δεν εργάζονται, δεν συμβουλεύουν, δεν κατέχουν μετοχές ή δεν λαμβάνουν χρηματοδότηση από οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα επωφεληθεί από αυτό το άρθρο και δεν έχουν αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα από την ακαδημαϊκή τους απασχόληση.