Űrrepülés cigányúton

Az űreszközöknél, számos, komplex problémát kell a tervezőknek megoldania a rendszer működőképességének az érdekében. Szükség van kicsi, nagy teljesítményű rakétahajtóművekre. A sokszor mérgező, korrozív, robbanásveszélyes tüzelőanyagokat befogadó tartályokra. A személyzet életben tartását ellátó létfenntartó berendezésekre. Kormányzást végző aerodinamikai és propulziós rendszerekre. A fentiek működését és koordinálását végző számítógépes rendszerekre. És mindezt össze kell fogni egy aerodinamikailag megfelelő, a visszatérés igénybevételeinek ellenálló szerkezetbe.
És mindezeknek együtt könnyűnek kell lennie, lévén az űreszköz által elérhető legmagasabb pályát az határozza meg, hogy egy adott tolóerővel mekkora tömeget kell gyorsítani.
A Spaceship Two esetében a hajtőmű kiválasztásánál az egyik fő szempont a fajlagos tömeg minimalizálása és a hajtómű jó szabályozhatósága volt. A hibrid rakétahajtóművek, szemben a szilárd hajtóanyagú hajtóművekkel jól szabályozhatóak, viszont a tömegük kisebb a turbópumpás folyékony hajtóanyagú hajtóművekhez képest. Viszont ismeretes két komoly problémájuk, ami miatt nem terjedt el eddig a használatuk. Az egyik a tüzelőanyag töredezéséből származó eltömődés és hajtóműrobbanás veszélye. A másik a tüzelőanyag egyenetlen égéséből származó oszcilláció. Hogy ezeknek a problémákat megértsük, lássuk dióhéjban a hibrid hajtóművek felépítését.
A hibrid rakétahajtóművek, szilárd tüzelőanyagot égetnek folyékony oxidálószer segítségével. A tüzelőanyag tipikusan középen kifúrt hengeres polimer tömb (pl. gumi, polyamid), amit a hajtómű égésterében helyeznek el. Az égőtérben elhelyezésre kerül egy vagy több oxidálószer fúvóka, ami egy szabályozószelepen keresztül kerül a nagynyomású oxidálószerrel megtáplálásra. A tüzelőanyag begyújtása után az oxidálószer adagolásával széles skálán szabályozható a hajtómű által leadott tolóerő, vagy szükség esetén, az oxidálószer elzárásával leállítható.
A problémák a tüzelőanyag fogyásával kezdődnek. Elméletben az oxidálószer a tüzelőanyag egyenletesen fog elfogyni, a valóság, hogy ez sokkal inkább pulzáló jellegű. Az égéstérben kialakuló magas hőmérséklet és nyomás hatására, nem lassan és egyenletesen kopik a tüzelőanyag rúd, hanem kisebb, nagyobb darabok válnak le. Ezek a darabkák egyenetlenné teszik az égést a tolóerő hirtelen változásait, rázkódást idézve elő. Az egyenetlen égés és hőterhelés miatt a tüzelőanyag elrepedhet, és az így elszabaduló nagyobb darab elzárhatja a gáz útját a fúvócső felé. Az emiatt megnövekvő nyomás könnyen a hajtómű robbanásához vezethet.
A Spaceship Two esetében az oxidálószer kiválasztása is kérdéseket vet fel. A dinitrogén-oxid, az oxidálószerek közt, olcsó, megbízható, könnyen cseppfolyósítható, relatíve nyugodt anyagnak számít, mindaddig míg a hőmérséklete el nem éri a 36 C fokos hőmérsékletet. Ekkor szuper-kritikus állapotúvá válik és egy nyomássokk hatására robbanásszerű halmazállapot változáson megy át. A jelenség régóta ismert, a versenyautók nitro rendszerében túlnyomásszelepek alkalmazásával védekeznek ellene. Egyetlen eltérés, hogy egy versenyaut esetében maximum pár liter nitro van a rendszerben.
A mostani esetben is vagy a tüzelőanyag darabolódása, vagy az oxidálószer hirtelen gázosodása vezethetett.

További kérdéseket vet fel a Scaled Composites biztonsághoz való viszonya. Burt Rutan nehéz természetű, művészjellegű ember, életpályája során elfogyasztott négy céget (javarészt csőd) és négy feleséget (javarészt válás). Hajlamos a mérnöki kérdéseket a cél, design és az aerodinamikai szempontok mögé sorolni és ez megmutatkozik az általa tervezett gépek hibáin.(Lásd: Spaceship One becsukló futóműve, Rutan Voyager letört szárnyvége, Pond Racer kigyulladó motorja, Virgin Atlantic GlobalFlyer folyató üzemanyagrendszere, BD-2 hajmeresztő kezelhetősége, Boomerangban hagyományos műszerek helyett Apple Laptop használata, stb.)
A 2007-es balesetben 11-en álltak a tartály melletti drótkerítés mögött. Még akkor is, ha csak egy hideg áramlás teszt volt, ez nagyfokú felelőtlenség. Egy instabil oxidálószer, minden állapotban és mennyiségben ugyanolyan óvatosságot igényel, de a rakétafejlesztők ismertek a biztonsági szabályok lazán vételéről. (Figyeljük csak a folyékony oxigén csapját kioldó úriember, nagyfokú védelmet nyújtó, farmer-póló hazmat ruháját.)
A Spaceship One összesen hat járóhajtóműves repülést végzett az űrugrási kísérletig.
A laza, kockázatvállaló mentalitás az egyedi, kísérleti repülőeszközök esetében jól jön, de egy üzleti célú repülőgép estében felvállalhatatlan. Több tízezer dolláros jegyáraknál nem opció a tűzhalál.

A Spaceship One megmutatta, hogy egy vízszintesen felszálló űrrepülőgép képes többszörösen túlszárnyalni egy függőlegesen felszálló rakétát, a hibrid hajtóművel lehetőség van költséges átszerelések, hajtóműcsere nélkül 1-2 napon belül megismételni a repülést. Lehetőség van minden speciális infrastruktúra nélkül startolni és leszállni.
Ez túlmutat a jelenleg használt egyszer használatos űreszközökön, mindössze a lépték növelésére van szükség, méghozzá drasztikusan. A biztonságos emberes űrrepüléshez, nem elégséges egy ember+egy szkafander tömeggel számolni. Egy hasonló katasztrofális esemény túléléséhez, különösen ha az az űrben történik a személyzeti modulnak vissza kell tudnia térnie még sérül állapotban is. Ehhez biztonsági berendezések, különálló vezérlés és kontroll rendszerek szükségesek. A Szoyuzokon használt mentőegység súlya nagyjából 7700 kg, ami három főre vetítve, 2566kg utasonként. A Virgin Galactic esetében (2+6 fő) ez 20.5 tonnára jönne ki, ami megegyezik a Spaceship Two felszállósúlyával. Látható, hogy közel tízszeresére kellene növelni az űrhajó méretét, ami biztosan nem férne bele a Virgin költségvetésébe.

A fentiek, hosszútávon, a emberes magánűrrepülés elhalásához vezethetnek. Ha nincs kinek eladni a jegyeket, nincs üzlet, amiből megtérülnek a fejlesztési költségek.

A Virgin Galacticnak, most fel van adva a lecke. Egy ilyen baleset az előre lefoglalt jegyek tömeges lemondásához és imagevesztéshez vezethet. Szerkezetileg nincs sok mozgási lehetőségük, mert a Spaceship Two követi a klasszikus műgyanta repülőgép felépítését. Kérdéses, hogy elviselné-e egy hagyományos, folyékony tüzelőanyagú hajtómű tömegét, helyigényét és belefér-e a költségvetésbe a nulláról történő kifejlesztése?
A szektorban egyetlen komoly konkurensként az XCOR van jelen, sokkal lassabb és kényelmesebb fejlesztési tempóval. Az XCOR hajtóműveit 2011-ben többször is tesztelték és kitűnő eredménnyel vizsgáztak. Az űrrepülőjük lassan és biztosan épül, strukturálisan erősen moduláris felépítésű, négy hajtóművel. Hátrányuk, hogy méretileg jóval kisebb az űrrepülőgépük és az egy fő szállítható személy kisebb bevételi lehetőséget jelent.

Update: A megjelent képek alapján kizárható az oxidálószer tartály robbanása. A törzsközéprész közel egy darabban, háthelyzetben ért földet, a tartály látszólag érintetlenül maradt. Érdekes, hogy a roncs törési élei a tartály előtt és mögött találhatóak, és a kabin összeroncsolódott a becsapódáskor. Szintén furcsa, hogy az orrész nincs a legnagyobb roncsdarabbal együtt és a szárnytőnél, éles törési él található. Így elsőre, olyan mintha nem foglalkoztak volna a terhelés átadással, vagy nem erősítették volna meg ezeket a területeket.

Update 2: Az első vizsgálatok alapján úgy tűnik a visszatérés közbeni, a farokrészt felemelő mechanika idő előtti működésbe lépése okozta a balesetet. A Spaceship Two atmoszférába történő visszatérésekor, felfelé irányba hajtja a két faroktartót és a szárnyon található, nagyméretű kormányfelületeket. Az így keletkező aerodinamikai konfiguráció stabil helyzetben, orral felfelé néző, nagy légellenállású helyzetben tartja az űrrepülőgépet, ezáltal segítve a fékeződését. Ugyanennek a rendszernek az aktiválása kis magasságban, nagy sebességnél katasztrofális eredményhez, az űrrepülőgép széteséséhez vezet. Gyk. a légerők széttépik a gépet. Ez utóbbi megmagyarázza a faroktartók leválását.
A vizsgálat szerint a baleset a visszatérítő rendszer élesítésekor következett be, mivel az élesítés pillanatában megkezdődött annak az átállása visszatérő módba. A Spaceship Two visszatérítő rendszerének a működtetése kétlépcsős, először egy kar segítségével aktiválják a rendszert, aminek következtében kioldja a faroktartók rögzítését, majd egy másik kar működtetésével indítják a faroktartók billentését. A telemetria adatok és a kabin kamera videója alapján, a másodpilóta 1 Mach-os sebességnél kioldotta a faroktartók rögzítését, amit két másodperccel később követett a rendszer átállása. Ezalatt az idő alatt sem a pilóta, sem a másodpilóta nem nyúlt a rendszert működtető karhoz. Az még kérdéses, hogy milyen meghibásodás áll a rendellenes működés hátterében.

Update 3: Megkezdődött az első beparázott utasok jegyár visszaigénylése. A cég CEO-ja elmondta, hogy az eddig a lekötött utak 3%-ban kérték vissza a foglalót.

Kacsolódó linkek:
http://www.nytimes.com/2014/11/04/business/international/virgin-galacti…
http://hosted.ap.org/dynamic/stories/U/US_SPACE_TOURISM?SITE=AP&SECTION…
http://index.hu/tudomany/2014/11/03/tul_koran_fekeztek_a_lezuhant_urrep…
(Humor kategória: "A roncsokat vizsgáló szemtanúk szerint az üzemanyagtartályok közül legalább egy sértetlennek tűnt, vagyis lehet, hogy a gép nem felrobbant, hanem összetört.")
http://www.telegraph.co.uk/science/space/11215854/Virgin-Galactic-crash…