Prolog – Imperiul lui Von Braun
La al 7-lea Congres International al Astronauticii, tinut la Roma in septembrie 1956, pionierul spatial si aeronautic Gaetano Crocco descrie o traiectorie orbitala inedita: un survol al planetei Marte folosind o manevra de tip asistenta gravitationala oferita de catre Venus. Astfel, ipotetica nava spatiala putea survola planeta rosie, apoi folosi gravitatia planetei Venus, printr-o trecere la distanta mica, pentru a-si schimba traiectoria catre Pamant, si, la un an de la parasirea initiala a orbitei terestre, sa se intoarca pentru ca echipajul sa-si tina rundele de parade si osanale. Practic, nou-definita traiectorie nu folosea combustibil dupa ce parasea orbita Pamantului.
6 ani mai tarziu, suntem in anul de gratie 1962. Cu un an inainte, presedintele John F. Kennedy stabilise obiectivul NASA: aselenizarea. Nou-infiintata agentie spatiala trebuia sa il indeplineasca in mai putin de un deceniu (desi, se spera ca misiunea avea sa aterizeze in 1967, in timpul celui de-al doilea mandat al lui Kennedy la Casa Alba).
Pentru ca efortul programului Apollo era atat de mare (si pentru ca congresmenii cereau tot timpul fonduri pentru statele lor), diferite parti ale sistemelor erau elaborate in diferite laboratoare. Dintre acestea, cel mai important era Marshall Space Flight Center (MSFC), situat in Huntsville, Alabama.
De ce era atat de important? Pentru ca componenta cea mai critica a unui vehicul aerospatial de orice fel sunt motoarele. Iar MSFC era centrul de dezvoltare al motoarelor, la conducerea sa aflandu-se legendarul Wernher von Braun, unul dintre marii proponenti ai misiunilor pilotate catre Luna si Marte, si unul dintre marii populizatori al conceptelor de zbor cosmic in anii premergatori cursei spatiale.
Sub ploaia de fonduri si influxul masiv de talent din intreaga tara, Von Braun si-a creeat o adevarata armata de savanti si ingineri capabili sa creeze, testeze si sa construiasca motoare spatiale. Erau cruciali pentru programul Apollo, in speta pentru lansatoarele de mare greutate (>100 tone pe orbita joasa) care erau necesare programului lunar.
Insa, inginerii de la MSFC avea ambitii chiar mai mari de atat. Ei isi doreau sa continue devoltarea de lansatoare grele si in epoca post-Apollo. Iar von Braun stia, ca, in lipsa unui program de misiuni ulterioare, centrul si-ar pierde repede scopul si talentul tehnic.
Asadar, pe langa seria de lansatoare Jupiter (redenumite apoi Saturn, cel mai faimos model fiind Saturn V, care a purtat misiunile Apollo pe Luna), echipele de la MSFC s-au concentrat pe dezvoltarea unor modele de vehicule spatiale super-grele ulterioare. Ele purtau numele de Nova si Supernova, si urmau sa foloseasca inclusiv motoare nucleare pentru treptele superioare.
Pentru testarea acestor concepte, s-a formulat ideea folosirii unuia dintre aceste modele timpurii de Saturn pentru o serie de lansari, avand incorporat un motor din seria KIWI in treapta superioara. Lansarile nu urmau sa ajunga pe orbita, ci doar sa demonstreze si sa studieze conceptul. Acest mini-program a fost dezvoltat impreuna cu NRDS, si a purtat numele de Reactor In-Flight Test – RIFT. Il vom mentiona in trecere la finalul seriei, insa, conceptul nu a fost foarte temeinic explorat, el fiind considerat de la bun inceput, riscant geopolitic (“lansam un reactor nuclear pe o racheta uriasa, si-l lasam sa cada in mijlocul oceanului….doar ca test” nu e genul de scuza care sa-i linisteasca pe rusi….).
O alta dezvoltare ulterioara a fost un model de racheta Saturn V cu o treapta superioara nucleara. Acest concept purta numele de Saturn C-5N, si era, la fel ca Nova, un succesor al propulsorului post- Apollo.
Dar, pentru a asigura continuitatea imperiului sau stiintific, Von Braun si MSFC trebuiau sa propuna si misiuni spatiale care sa aibe nevoie de asemenea lansatoare super-grele.Mai pe romaneste, rachetele lor dragi erau solutii, si trebuiau sa propuna niste probleme pentru acele solutii.
Astfel, in 1962, Oficiul pentru Proiecte de Viitor din cadrul MSFC a acordat contracte de studiu pentru trei tipuri de misiuni spatiale post-lunare unor companii din mediul privat. General Dynamics a primit sarcina de a studia misiuni orbitale martiene, Lockheed a primit portofoliul pentru survoluri (fara a intra pe orbita) iar Aeroneutronic (divizie a Ford) a primit sarcina de a investiga survoluri duale Venus-Marte. Intregul program de studiu a primit acronimul (usor fortat) de Early Manned Planetary-Interplanetary Roundtrip Expeditions – EMPIRE.
Comparatie intre Saturn I, Saturn V si preconizata Nova – Saturn V, in centru, e inalta de 110 metrii si cantareste 2970 tone
EMPIRE – Aeroneutronic
Studiul intreprins de catre compania Aeroneutronic, finalizat in 1962. Misiunea ar fi folosit o singura nava spatiala all-inclusive, cu masa de 170 de tone, lansat pe robita folosind un singur vehicul de tip Nova.
Misiunea era de tip fly-by, adica survolare, asadar vehiculul spatial nu includea si un vehicul de amartizare/decolare sau habitat de suprafata. Usor dezamagitor, dar misiunea folosea sus-numita orbita Crocco, permitandu-i sa realizeze si un survol scurt al planetei Venus (la acea vreme, o bila de culoare bej, cu o compozitie atmosferica necunoscuta, si suprafata ascunsa sub pacla densa de nori).
O regula de aur este ca reintoarcerea pe Pamant necesita la fel de multa energie cinetica precum plecarea de pe orbita terestra (13.5 km/sec), insa, spre deosebire de alte planete, Pamantul are atmsofera, si, cum s-a facut si in cazul misiunilor Apollo, o capsula de reintoarcere poate folosi atmosfera pentru a a frana, fara sa consume masa de reactie. Crocco descoperise ca era posibila o traiectorie care sa aduca nava spatiala in orbita terestra la exact un an dupa plecare (chiar aceeasi zi). Aceasta traiectorie, precum si excluderea echipamentelor si a vehiculelor de suprafata, permitea folosirea unui vehicul minimalist. Denumirea tehnica este Traiectorie Neperturbata Non-Simetrica.
Durata misiunii cu acest tip de traiectorie era de 396 de zile. Insa, s-a dovedit a fi problematica arhitectura initiala, deoarece necesita o viteza totala de 11.95 km/s. Vehiculul necesar pentru o asemenea misiune ar fi cantarit in jur de 1100 tone. Asadar, s-a folosit un tip de traiectorie deriavata din cea Crocco, denumita Traiectorie Neperturbata Simetrica.
In felul acesta se realiza o economie majora, in speta pentru ca noua traiectorie permitea realizarea misiunii cu un delta-V de numai 5.3 km/sec. Cat de majora? Noua configuratie a navei spatiale cantarea numai 17% din cea veche. 170 de tone la pornirea in misiune.
Comparatie intre configuratiile celor doua tipuri de nave
Noua configuratie promitea sa faca vehiculul mult mai usor si, deci, ieftin de lansat, necesitand o singura lansare cu preconizata racheta Nova (sarcina utila de 220 tone vs 120 la Saturn V). Din pacate, ca de obicei in mecanica orbitala, exista un compromis: misiunea ar fi durat 611 zile, adica proximativ 21 de luni.
Urmatoare fereastra orbitala pentru respectiva misiunea era pe 19 Iulie 1970. Odata lansat vehiculul, el ar fi fost despachetat si re-asamblat pe orbita.
Impulsul initial de 5.3 km/sec se realiza intr-o singura ardere folosind un singur motor NTR, cu o durata de aprindere de 48 de minute. Unul dintre punctele interesante ale raportului este ca aceasta durata de ardere este aproape de durata de viata maxima a unui motor asa cum se preconiza in acel moment (1962 – motor KIWI avansat).
Motorul era preconizat ca avand un impuls specific de 800 secunde (deci viteza de evacuare de 7.85 km/sec), si o tractiune de 182 de tone.
Configuratie vehicul – Imagine disponibila prin amabilitatea projectrho
Legenda:
- ROZ BOMBON: motor NTR NERVA
- ROSU : Rezervoare de hidrogen periferice inconjurand un rezervor central. Treapta I
- ORANJ: Rezervoare de hidrogen secundare. Treapta II
- VIOLET: Reactoare SNAP-8 pentru energie electrica (vom discuta despre ele mai incolo, he, he)
- BLEU INCHIS: Antene de comunicatie
- GALBEN: Rezervoare pentru combustibil de corectie a traiectoriei in timpul zborului
- BLEU DESCHIS: Platforma stabila pentru verificarea traiectoriei
- ACVAMARIN: Vehicul de reintrare in atmosfera terestra la intoarcere
Profilul misiunii
Prima treapta este alcatuita dintr-un motor NERVA, un rezervor central si 6 rezervoare periferice in jurul celui central. Injectia pe traiectorie consuma 56.2 tone de masa de reactie. Dupa terminarea acestei arderi, rezervoarele periferice sunt aruncate (masa 3.3 tone). Rezervorul central si motorul sunt pastrate, cu rol structural in cazul rezervorului.
Masa navei scade de la 170.1 tone la 119.1 tone, iar durata arderii este de 1000 secunde.
Configuratia navei inainte de prima ardere
A doua treapta este formata din NERVA, rezervorul gol, si 8 rezervoare in jurul modului de habitat. A doua ardere consuma 34.7 tone de masa de reactie.
In urma ei, motorul NERVA si rezervorul central sunt aruncate (11.9 tone). Cele 8 rezervoare golite sunt pastrate ca si protectie suplimentara impotriva meteoritilor si radiatiei.
Masa navei ajunge la 69.1 tone si nu mai necesita un motor (fiind in bratele Sfantului Kepler).
Configuratia navei inante de ce-a de-a doua ardere
Configuratia orbitala este cea in care isi va petrece nava majoritatea timpului dupa plecarea de pe orbita terestra. Cele doua habitacluri sunt detasate de corpul central, la capetele unor brate telescopice. De fiecare dintre ele sunt legate antene de telecopmunicatie de 16 metrii diametru, tintite spre Terra.
Unul dintre reactoarele SNAP-8 isi desface radiatorul de caldura si incepe sa produca curent electric. Bugetul de putere al navei este de 300 kW.
Un aspect interesant este ca ei denumesc SNAP-8 ca fiind un generator electric cu radio-izotopi. Ori, din datele publice, SNAP-8 era un reactor nuclear-electric prototip. Un generator cu radioizotopi nu prea produce mai mult de 1-2 kW. Daca aceasta confuzie era datorita unei nomenclaturi diferite la momentul respectiv, sau daca doreau sa induca in eroare potentialii adversari ….geostrategici…. e cam in aer. Cert este ca, de obicei, astfel de generatoare necesita ori ecranare buna, ori sunt situate la oarecare distanta de habitacluri si senzori (spre, ex, la capetele unor brate, dupa cum vom vedea in viitor).
Zona centrala a corpului navei contine un adapost de furtuna cu rol dublu de centru de comanda. Protectia in fata unor furtuni solare cu protoni se realiza folosind circa 50 de centimetrii de polietilena.
Langa acest centru de comanda era situata si platforma navigationala stabilizata, un compartiment pentru experimente in gravitatie zero, rezervoare suplimentare continand 10.9 tone de combustibil chimic pentru eventuale modificari de traiectorie (dispuse in jurul centrului pentru protectie suplimentara) si vehiculul de reintrare atmosferica atasat de un pachet de retro-propulsie.
Modulele de habitat ofera 126 m^3 de spatiu de locuit, care, la echipajul preconizat de 6 oameni, ar oferi 21 m^3 per persoana (comparativ cu valoarea minima a NASA, de 17 m^3). Din pacate, centrul de comanda cu rol de adapost nu ofera decat 1.4 m^3, dar nu era gandit sa fie ocupat de catre tot echipajul mai multe de cateva ore.
Sus: Nava in configuratie orbitala, cu bratele intinse
Jos: Vedere detaliata a zonei centrale
Etapa de reintrare: nava nu incetineste pentru a intra pe orbita la intoarcere. In schimb, echipajul se muta in vehiculul de reintrare.
Acesta are configuratia unui „lifting body”, configuratie care era considerata futuristica la momentul raportului (si acum este, dar este si scumpa, si netestata la asemenea viteze). folosind grupul de retropropulsoare, vehiculul se separa de restul navei (care, neincetinind, este abandonata in spatiu, devening un deseu orbital pe o orbita heliocentrica) si incepe manevrele de aterizare.
Reintrand in atmosfera cu viteza de 13.5 km/sec, echipajul (la fel ca pe Apollo) este supus unei decceleratii masive de 10 G, pana cand viteza scade suficient cat sa permita deschiderea parasutelor. Teoretic, vehiculul poate ateriza pe un aeroport, sau pe apa, ca o capsula (desi, in acest caz, ne-am putea intreba de ce nu au folosit chiar o capsula…. in fine).
Eroii sunt recuperati, iar NASA cere repejor o crestere de buget.
Sus: Imagina artistica a vehicului de reintrare
Jos: Detalii tehnice pe scurt a vehiculului
Vedere schematica a procedurilor de franare si detasarea de grupul propulsor (vehiculul in sine nu are propria sa propulsie)
Detalii tehnice
- An de conceptie: 1962
- Companie: Ford Aeroneutronic (da, acel Ford)
- IMLEO: 170.1 tone
- Echipaj: 6 persoane
- Lungime: 47 m
- Durata misiunii: 21 luni/630 zile
- Data preconizata pentru lansare: Iulie, 1970
- Motor: Nucleo-termic
- Forta propulsiva: 182 tone
- Vehicul de lansare: Nova MM-1B
Observatii personale: dintre vehiculele studiate in cadrul studiului EMPIRE, propunerea Aeroneutronic este cea mai conservatoare. Masa orbitala de 170 de tone este surprinzator de mica, chiar si comparativ cu arhitecturile moderne de lansare (Mars Direct – 2 lansari a 100 tone fiecare).
Parte din aceasta caracteristica este si faptul ca misiunea era un simplu survol, fara aterizare (sau macar inscriere pe orbita martiana). durata de observare stiintifica a planetei este de 40 de zile din 630, ceea ce e… nu foarte grozav. O situatie similara gasim si in timpul survolului venusian, numai ca acolo, durata poate fi extinsa, fiindca distanta in timpul manevrei nu se schimba la fel de mult.
Totusi, aspectul e facut ceva mai acceptabil de faptul ca nava utiliza gravitatie centrifugala. Astfel, chiar si la cei 0.3-0.4 G preconizati, echipajul ar fi suferit pierdei mai reduse de masa osoasa si musculara. Partea neplacuta este impactul psihologic al claustrarii, dar raportul include si o lista de sarcini pentru echipaj pe parcursul zborului pentru a le ocupa atentia (lista care, la prima vedere, pare a fi inspirata de programul de lucru al marinarilor submarini).
Multi veti sugera, pertinent, ca un simplu survol se poate realiza cu o sonda automata. Just, dar in 1962 trecusera numai patru ani de la Sputnik, el insusi o biata baliza radio orbitala. La vremea aia, daca voiai sa faci explorare, iti trebuiau oameni (de altfel, asa se explica necesitatea prezentei puntii stabilizate pentru observatii; calculatorul Apollo, el insusi foarte primitiv, era la 5 ani distanta, si tot iti trebuiau oameni ca sa obtii date navigationale, avand in vedere ca „soft de pilotare” era un termen SF).
De asemenea, ne putem intreba, dupa cum am mentionat, de ce nu au folosit o simpla capsula in locul unui vehicul aerodinamic. Ei bine, partea de aterizare din raport era cea mai putin detaliata, pentru ca importanta ei, in acel moment, era secundara. Aeroneutronic a propus cel mai „hip” sistem de la acea vreme pentru puncte de „Wow”, dar, daca s-ar fi facut, probabil s-ar fi refolosit componente de Apollo.
Faptul ca nava se… dezintegreaza in timp ce zboara e usor suparator. Faptul ca unul dintre componentele aruncate este un NTR incins, extrem de radioactiv, e si mai suparator (chiar daca orbita ar fi heliocentrica, fara sanse de a lovi Pamantul). Data fiind arhitectura zborului, eu unul stau si ma intreb de ce arunca motorul si rezervorul central dupa a doua ardere. La urma urmei, nu e necesar, totul e deja accelerat, si singura explicatie la care m-as putea gandi e ca nu doreau sa iradieze echipajul…. prea mult. 630 de zile cu un reactor fierbinte in spinare ar fi discutabil.
De asemenea, este posibil ca ei sa fi dorit o amplasare optima a SNAP-8 si a radiatorului sau aferent (care, intre noi fie vorba, pare relativ redus ca dimensiuni).
Este evident ca ei nu cunosteau la acel moment caracteristicile unui NTR. Estimarile erau mult prea optimiste (11.9 tone pentru motorul ipotetic, vs 18.9 tone pentru XE-PRIME-ul de la NERVA; tractiunea de 182 tone vs 2.4 tone pentru PRIME). Ca atare, misiunea poate fi categorisita ca fiind „fantezista”.
Dar, e un punct de plecare util pentru genul de misiuni studiate in acest program (care erau tehnic mai plauzibile, dar cu mase orbitale muuult mai mari).
Profil misiune
Grafica de prezentare
Echipaj
Orbita
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. https://spaceflighthistory.blogspot.com/2015/06/empire-building-ford-aeronutronics-1963.html
2. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/realdesigns.php#id–EMPIRE_(Aeronutronic)
3. https://history.nasa.gov/monograph21.pdf
4. https://archive.org/details/nasa_techdoc_19640000998
5. http://www.astronautix.com/e/empireaeronutronic.html