Rakieta obrotowa - Rotary Rocket

Rotary Rocket Company
Przemysł Przemysł lotniczy
Zmarły 2001
Kluczowi ludzie
 Gary Hudson
Bevin McKinney
Produkty Roton

Rotary Rocket Company to firma rakietowa , która opracowała koncepcję Rotona pod koniec lat 90. jako w pełni nadający się do ponownego użytku statek kosmiczny z załogą jednostopniową na orbitę (SSTO) . Projekt został początkowo wymyślony przez Bevina McKinneya, który podzielił się nim z Garym Hudsonem . W 1996 r. powstała firma Rotary Rocket Company, która miała skomercjalizować koncepcję. Roton miał dziesięciokrotnie obniżyć koszty wynoszenia ładunków na niską orbitę okołoziemską.

Firma zgromadził znaczny kapitał podwyższonego ryzyka od prywatnych inwestorów i otworzył fabrykę siedzibą w 45.000 stóp kwadratowych (4200 m 2 ) zakładu w Mojave Air and Space Port w Mojave w Kalifornii . Kadłub ich pojazdów został wykonany przez firmę Scaled Composites na tym samym lotnisku, podczas gdy firma opracowała nowatorski projekt silnika i system lądowania podobny do helikoptera. Pełnowymiarowy pojazd testowy wykonał trzy loty w zawisie w 1999 roku, ale firma wyczerpała swoje fundusze i została zamknięta na początku 2001 roku.

Początki przedsięwzięcia

Bevin McKinney od kilku lat myślał o pojeździe startowym wykorzystującym łopaty helikoptera, kiedy magazyn Wired poprosił Gary'ego Hudsona o napisanie artykułu na temat tej koncepcji. Powstały artykuł zaowocował zobowiązaniem finansowania od miliardera Walta Andersona , co w połączeniu z początkową inwestycją autora Toma Clancy’ego pozwoliło firmie na rozpoczęcie działalności. Do Hudsona i McKinney dołączyli współzałożyciele Frederick Giarrusso , Dan DeLong , James Grote , Tom Brosz i Anne Hudson, którzy wspólnie założyli firmę w październiku 1996 roku.

Ewolucja projektu Rotary Rocket

Helikopter na orbitę

Początkowa koncepcja Gary'ego Hudsona i Bevina McKinney'a polegała na połączeniu pojazdu startowego z helikopterem: obracające się łopaty wirnika , napędzane dyszami typu tip jet , podniosłyby pojazd na najwcześniejszym etapie startu. Gdy gęstość powietrza zmniejszy się do tego stopnia, że ​​lot helikopterem będzie niepraktyczny, pojazd będzie kontynuował wznoszenie na czystej mocy rakiety, z wirnikiem działającym jak gigantyczna turbopompa .

Obliczenia wykazały, że łopaty śmigłowca nieznacznie zwiększyły efektywny impuls właściwy ( I sp ) o około 20-30 sekund, w zasadzie jedynie wynosząc łopaty na orbitę „za darmo”. W związku z tym podczas wynurzania nie było żadnych ogólnych korzyści z tej metody. Łopaty mogły jednak służyć do miękkiego lądowania pojazdu, więc jego system lądowania nie pociągał za sobą dodatkowych kosztów.

Jednym z problemów wykrytych podczas badań w Rotary było to, że po opuszczeniu atmosfery przez pojazd konieczny byłby dodatkowy ciąg. W związku z tym potrzebnych byłoby wiele silników zarówno u podstawy, jak i na końcach wirnika.

Ta początkowa wersja Rotona została zaprojektowana z myślą o małym rynku satelitów komunikacyjnych. Rynek ten jednak załamał się, sygnalizowany przez awarię Iridium Communications . W związku z tym koncepcja Rotona musiała zostać przeprojektowana pod kątem cięższych ładunków.

Helikopter z orbity

Zmieniona i przeprojektowana koncepcja Rotona była pojazdem nośnym w kształcie stożka, z wirnikiem helikoptera na górze do użytku tylko podczas lądowania. Wewnętrzna ładownia mogłaby służyć zarówno do przenoszenia ładunków na orbitę, jak i do sprowadzania innych z powrotem na Ziemię. Przewidywana cena tego projektu na orbitę została podana jako 1000 USD za kg ładunku, mniej niż jedna dziesiąta ówczesnej ceny startu. Ładowność została ograniczona do stosunkowo skromnych 6000 funtów (2700 kg).

Zmieniona wersja wykorzystywałaby unikalny obrotowy, pierścieniowy silnik aerospikerowy : silnik i podstawa rakiety nośnej obracały się z dużą prędkością (720 obr/min ), aby pompować paliwo i utleniacz do obręczy przez obrót. W przeciwieństwie do wirnika do lądowania, ze względu na mały kąt ustawienia dysz w wirniku podstawowym, prędkość obrotowa samoogranicza się i nie wymaga systemu sterowania. Ponieważ gęstość LOX ( ciekłego tlenu ) była wyższa niż nafty, w LOX dostępne było dodatkowe ciśnienie, więc można by go użyć do chłodzenia gardzieli silnika i innych elementów, zamiast używać nafty jako chłodziwa w konwencjonalnej rakiecie LOX/nafta. Jednak przy wysokich poziomach przeciążenia na zewnętrznej krawędzi obracającego się bloku silnika klarowność działania LOX jako chłodziwa była zarówno nieznana, jak i trudna do zweryfikowania. To dodało jedną warstwę ryzyka.

Ponadto wirujący wydech działał jak ściana na zewnętrznej krawędzi podstawy silnika, obniżając temperaturę podstawy poniżej temperatury otoczenia dzięki efektowi pompy eżektorowej i tworząc przyssawkę na dole w atmosferze. Można to złagodzić, stosując gaz uzupełniający do wytworzenia ciśnienia bazowego, co wymaga dodatkowego silnika rakietowego do wypełnienia podstawy głównego silnika rakietowego. (Podobne problemy wystąpiłyby w konwencjonalnym silniku aerospike , ale tam naturalna recyrkulacja plus wykorzystanie spalin generatora gazu turbopompy, ponieważ gaz uzupełniający w dużej mierze złagodziłby problem „za darmo”).

Na obręczy 96 miniaturowych dysz wyrzucałoby palące się propelenty (LOX i naftę ) wokół obręczy podstawy pojazdu, co zapewniało pojazdowi dodatkowy ciąg na dużej wysokości – działając jako ścięta dysza aerospikera o zerowej długości. Podobny system z silnikami nieobrotowymi badano dla rakiety N1 . Ta aplikacja miała znacznie mniejszą powierzchnię podstawy i nie powodowała efektu ssania, jaki wywołuje większy silnik peryferyjny. Silnik Rotona miał przewidywane podciśnienie I SP (impuls właściwy) wynoszące ~355 sekund (3,48 km/s), co jest bardzo wysokie jak na silnik LOX/nafta – i stosunek ciągu do masy wynoszący 150, co jest niezwykle lekkie.

Podczas powrotu baza służyła również jako osłona termiczna chłodzona wodą . To był teoretycznie dobry sposób na przetrwanie ponownego wejścia, szczególnie w przypadku lekkiego pojazdu wielokrotnego użytku. Jednak użycie wody jako chłodziwa wymagałoby przekształcenia jej w przegrzaną parę w wysokich temperaturach i ciśnieniach, i pojawiły się obawy dotyczące uszkodzenia mikrometeorytu na orbicie przebijającej naczynie ciśnieniowe, powodujące awarię osłony powrotu. Problemy te zostały rozwiązane za pomocą odpornego na awarie, masowo nadmiarowego systemu przepływu, stworzonego z cienkich blach metalowych wytrawionych chemicznie z układem mikroporów tworzących system kanałów, który był odporny na awarie i uszkodzenia.

Ponadto chłodzenie osiągnięto na dwa różne sposoby; jednym ze sposobów było odparowanie wody, ale drugi był jeszcze bardziej znaczący i wynikał z tworzenia warstwy „chłodnej” pary otaczającej powierzchnię podstawy, zmniejszającej zdolność do nagrzewania się. Co więcej, system pomiaru wody musiałby być wyjątkowo niezawodny, dając jedną kroplę na sekundę na cal kwadratowy, i został osiągnięty dzięki metodzie prób/błędów na prawdziwym sprzęcie. Pod koniec programu Roton zbudowano i przetestowano część sprzętu. Trajektoria powrotu miała zostać skrócona, podobnie jak w przypadku Sojuza, aby zminimalizować obciążenia G na pasażerów. A współczynnik balistyczny był lepszy dla Rotona i mógł być lepiej dopasowany. Kiedy system trymowania Sojuz zawiódł i osiągnął pełną balistykę, poziomy G wzrosły znacznie, ale bez incydentów dla pasażerów.

Pojazd był również wyjątkowy, ponieważ planował użyć do lądowania wirników przypominających helikopter , a nie skrzydeł czy spadochronów. Koncepcja ta pozwalała na kontrolowane lądowania (w przeciwieństwie do spadochronów) i stanowiła 1/5 wagi stałych skrzydeł. Kolejną zaletą było to, że helikopter mógł wylądować niemal wszędzie, podczas gdy uskrzydlone samoloty kosmiczne, takie jak prom kosmiczny, musiały wrócić na pas startowy. Łopaty wirnika miały być napędzane rakietami z końcówką nadtlenkową. Łopaty wirnika miały być rozmieszczone przed powrotem; pojawiły się pytania, czy ostrza przetrwają do lądowania.

Początkowym planem było ustawienie ich prawie pionowo, ale okazało się to niestabilne, ponieważ musiały opadać coraz niżej i obracać się szybciej, aby uzyskać stabilność, szybkość ogrzewania wzrosła dramatycznie, a przepływ powietrza stał się bardziej bezpośredni. Konsekwencją tego było to, że łopatki przeszły z lekko nagrzanego elementu sprzętowego do takiego, który musiał być aktywnie chłodzony lub wykonany z SiC lub innego materiału ogniotrwałego. W tym momencie pomysł wysuwania ostrzy stał się znacznie bardziej atrakcyjny i przeprowadzono wstępne badania nad tą opcją. Ta koncepcja konstrukcji wirnika nie była bez precedensu. W 1955 roku jeden z pięciu sowieckich projektów planowanych suborbitalnych misji pilotowanych miał zawierać wirniki z końcówkami rakiet jako system lądowania. Plany te porzucono 1 maja 1958 r., ponieważ podjęto decyzję o bezpośrednim przejściu do lotów orbitalnych.

Rotary Rocket zaprojektował i przetestował ciśnieniowo wyjątkowo lekki, ale mocny kompozytowy zbiornik LOX. Przetrwał program testowy, który obejmował cykl ciśnieniowy i ostatecznie celowo zastrzelony, aby przetestować jego czułość zapłonu.

Nowy silnik

W czerwcu 1999, Rotary Rocket ogłosiła, że będzie korzystać z pochodną Fastrac silnika w fazie rozwoju w NASA „s Marshall Space Flight Center , zamiast spółki własnym niekonwencjonalnej konstrukcji silnika przędzenia. Podobno firma nie była w stanie przekonać inwestorów, że jej konstrukcja silnika jest opłacalna; konstrukcja kompozytowa i ponowne wejście do wiatrakowca były łatwiejsze do sprzedania.

Równocześnie z tą zmianą firma zwolniła około jednej trzeciej swoich pracowników, zmniejszając w przybliżeniu liczbę pracowników z 60 do 40. W tym momencie firma planowała rozpocząć usługi komercyjnego uruchomienia gdzieś w 2001 roku. Chociaż firma zebrała 30 USD milionów, nadal musiał zebrać dodatkowe 120 milionów dolarów przed wejściem do służby.

Atmosferyczny pojazd testowy (ATV)

Kokpit ATV został nazwany przez pilotów „Batcave” ze względu na ograniczone pole widzenia.

Pełnowymiarowy, 19-metrowy, atmosferyczny pojazd testowy (ATV) został zbudowany na podstawie umowy z Scaled Composites do użytku w lotach testowych w zawisie. ATV o wartości 2,8 miliona dolarów nie był przeznaczony do testowania całości, ponieważ nie miał silnika rakietowego ani osłony termicznej. ATV został wyprowadzony z hangaru Mojave 1 marca 1999 roku, mając w rejestrze FAA N990RR.

Głowica wirnika została uratowana z rozbitego Sikorsky S-58 za cenę 50 000 dolarów – w porównaniu do 1 miliona dolarów za nową głowicę. Każdy wirnik był napędzany strumieniem nadtlenku wodoru o mocy 350 funtów (1560 N) , zgodnie z przeznaczeniem dla pojazdu orbitalnego. Zespół wirnika został przetestowany w kamieniołomie przed montażem na ATV.

ATV wykonał trzy udane loty testowe w 1999 roku. Pilotem tych trzech lotów był Marti Sarigul-Klijn, a drugim Brian Binnie (który później zyskał sławę jako pilot SpaceShipOne firmy Scaled Composites podczas drugiego lotu X-Prize ).

ATV wykonał swój pierwszy lot 28 lipca. Lot ten składał się z trzech pionowych przeskoków trwających 4 min 40 s i osiągających maksymalną wysokość 8 stóp (2,4 m). Piloci uznali latanie za niezwykle trudne z wielu powodów. Widoczność w kokpicie była tak ograniczona, że ​​piloci nazwali ją Batcave . Widok ziemi był całkowicie zasłonięty, więc piloci musieli polegać na wysokościomierzu sonarowym, aby ocenić odległość od ziemi. Cały statek miał niską bezwładność obrotową, a moment obrotowy z wirujących łopat wirnika powodował obrót ciała, chyba że przeciwdziałał temu pchnięcie zbaczające w przeciwnym kierunku.

Drugi lot, 16 września, był ciągłym lotem w zawisie trwającym 2 min 30 s, osiągając maksymalną wysokość 20 stóp (6,1 m). Długotrwały lot był możliwy dzięki zainstalowaniu silniejszych sterów strumieniowych na końcówkach wirnika i automatycznej przepustnicy .

Trzeci i ostatni lot odbył się 12 października. ATV przeleciał wzdłuż linii lotniczej w Mojave Air and Space Port , pokonując w locie 4300 stóp (1310 m) i wznosząc się na maksymalną wysokość 75 stóp (23 m). Prędkość wynosiła aż 53 mph (85 km/h). Ten test ujawnił pewną niestabilność w locie translacyjnym.

Zaplanowano czwarty test symulujący pełne zniżanie autorotacyjne. ATV wspiąłby się na wysokość 10 000 stóp (3050 m) o własnych siłach, po czym przyspieszył do tyłu i wrócił do miękkiego lądowania. W tym momencie, biorąc pod uwagę, że dalsze finansowanie było wtedy mało prawdopodobne, względy bezpieczeństwa uniemożliwiły podjęcie próby.

Krytyka projektu

Rotary Rocket zawiódł z powodu braku funduszy, ale niektórzy sugerują, że sam projekt był z natury wadliwy.

Rotary Rocket wykonał trzy loty testowe, a kompozytowy zbiornik na paliwo przetrwał pełny program testów, jednak testy te ujawniły problemy. Na przykład ATV zademonstrował, że lądowanie Rotary Rocket było trudne, a nawet niebezpieczne. Piloci testowi mają system oceny, skalę ocen Cooper-Harper , dla pojazdów od 1 do 10, która odnosi się do trudności pilota. ATV Roton zdobył 10 punktów — symulator pojazdu okazał się prawie nie do pilotowania przez nikogo oprócz pilotów testowych Rotary, a nawet wtedy zdarzały się krótkie okresy, w których pojazd wymknął się spod kontroli.

Inne aspekty planu lotu pozostały nieudowodnione i nie wiadomo, czy Roton mógł osiągnąć wystarczającą wydajność, aby osiągnąć orbitę w jednym etapie i wrócić – chociaż na papierze mogłoby to być możliwe.

Ostatnie dni przedsięwzięcia

Rotary Rocket Hangary w Mojave Air and Space Port , jak widać w 2005 roku. Wyższy hangar po lewej to budynek Rotary Rocket Assembly Building.

Rozwój silnika przerwano w 2000 roku, podobno dwa tygodnie przed terminem testów na pełną skalę. Pojazd nie zdołał zapewnić kontraktów na uruchomienie i Rotary Rocket został zamknięty w 2001 roku.

Moment przedsięwzięcia był niefortunny: przedsięwzięcie Iridium Communications zbliżało się do bankructwa, a przemysł kosmiczny ogólnie przeżywał stres finansowy. Ostatecznie firma nie pozyskała wystarczających funduszy – mimo że wiele osób zapewniło łącznie 33 miliony dolarów wsparcia, w tym pisarz Tom Clancy .

Niektórzy inżynierowie, którzy tam pracowali, założyli inne przedsięwzięcia rakietowe, w szczególności XCOR Aerospace , t/Space i Space Launch.

Atmosferyczny pojazd testowy miał być wystawiony w Classic Rotors Museum , muzeum śmigłowców w pobliżu San Diego w Kalifornii , ale próba przeniesienia go tam 9 maja 2003 r. Za pomocą krótkiego pasa podwieszonego pod wojskowym rezerwowym CH-47 Chinook zawiódł, gdy Roton zaczął oscylować przy prędkości powyżej 35 węzłów (65 km/h). Zamiast tego administracja lotniska Mojave pracowała nad utrzymaniem tego zabytkowego pojazdu w Mojave, a 10 listopada 2006 r. Roton został przeniesiony do stałej lokalizacji na skrzyżowaniu Airport Blvd i Sabovich Road. Dla wielu Roton reprezentuje program, który wprowadził Mojave w erę kosmosu, a temat ten został powtórzony podczas ceremonii poświęcenia, która odbyła się podczas obchodów Dnia Weteranów 11 listopada, podczas której Brian Binnie był głównym mówcą.

Hangary Rotary Rocket są obecnie zajmowane przez Narodową Szkołę Pilotów Testowych .

Specyfikacje Roton C-9

Dane z

Ogólna charakterystyka

  • Pojemność: 7000 funtów (3200 kg) ładowności
  • Długość: 64 stopy (20 m)
  • Średnica: 22 stopy (6,7 m)
  • Masa brutto: 400 000 funtów (181 437 kg)
  • Pojemność paliwa: 372 500 funtów (169 000 kg)
  • Zespół napędowy: 72 x Rotary RocketJet silniki rakietowe , 6950 lbf (30,9 kN) ciąg każdy w próżni
  • Impuls właściwy: 340 s (3,3 km/s)
  • Czas palenia: 253 s

Występ

  • Zasięg: 120 mil (190 km, 100 mil)

Zobacz też

  • Hiller Hornet , helikopter z silnikami strumieniowymi zamontowanymi na końcówkach łopat wirnika.

Bibliografia

Cytaty
Bibliografia
  • Petit, Charles, „Rakiety dla reszty z nas”. Air&Space/Smithsonian Magazine , marzec 1998. Spojrzenie na wczesny projekt Rotary Rocket.
  • Sarigul-Klijn, Marti , „Przeżyłem rakietę obrotową”. Air&Space/Smithsonian Magazine , marzec 2002. Pilot testowy ATV opisuje trzy loty testowe.
  • Weil, Elżbieto, wszyscy śmiali się z Krzysztofa Kolumba: Nieuleczalny marzyciel buduje pierwszy cywilny statek kosmiczny . Bantam, 2003. Spojrzenie wtajemniczonych na rozwój Rotary Rocket. ISBN  978-0-553-38236-5

Linki zewnętrzne

Współrzędne : 35.055321°N 118.158375 °W 35°03′19″N 118°09′30″W /  / 35.055321; -118.158375