Εκτοξεύσεις πυραύλων με... αέριο αναψυκτικών; Η κινεζική τεχνολογία που μειώνει το κόστος

Σύνοψη

• Η κινεζική αεροδιαστημική startup Z-Trak Space δοκιμάζει σύστημα «κρύας εκτόξευσης» πυραύλων χρησιμοποιώντας υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα.
• Η τεχνολογία εξαλείφει την ανάγκη ανάφλεξης των κινητήρων στην εξέδρα, προστατεύοντας τις υποδομές εδάφους από καταστροφικές θερμοκρασίες άνω των 3.000°C.
• Η χρήση του συγκεκριμένου αερίου υπόσχεται σημαντική μείωση του λειτουργικού κόστους και ελαχιστοποίηση των χρόνων αναμονής μεταξύ των εκτοξεύσεων.
• Στόχος είναι η βελτιστοποίηση των εμπορικών διαστημικών αποστολών μικρών οχημάτων, προσφέροντας ασφαλέστερες και περιβαλλοντικά καθαρότερες πτήσεις.

Η παραδοσιακή διαδικασία εκτόξευσης διαστημικών πυραύλων αποτελεί μια εξαιρετικά δαπανηρή και τεχνικά απαιτητική δοκιμασία, κυρίως λόγω των ακραίων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στην εξέδρα. Μια νέα προσέγγιση από την κινεζική αεροδιαστημική startup Z-Trak Space επιχειρεί να επιλύσει το πρόβλημα της φθοράς των υποδομών, εφαρμόζοντας τεχνολογία «κρύας εκτόξευσης» με τη χρήση υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα. Αξιοποιώντας το ίδιο αέριο που χρησιμοποιείται ευρέως για την ενανθράκωση των αναψυκτικών, η συγκεκριμένη μέθοδος εστιάζει στην ενίσχυση της ασφάλειας, τη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος και την πτώση των απαιτούμενων κεφαλαίων για τη συντήρηση των διαστημοδρομίων.

Τι είναι η «κρύα εκτόξευση» με υπερκρίσιμο CO2;

Η «κρύα εκτόξευση» με υπερκρίσιμο CO2 είναι μια μέθοδος όπου ο πύραυλος ωθείται αρχικά στον αέρα από ταχέως εκτονωνόμενο, υψηλής πίεσης διοξείδιο του άνθρακα. Η κανονική ανάφλεξη των κινητήρων του πυραύλου γίνεται σε ασφαλές, προκαθορισμένο υψόμετρο, αποφεύγοντας την έκθεση της εξέδρας εκτόξευσης σε καταστροφικά καυσαέρια και θερμοκρασίες άνω των 3.000 βαθμών Κελσίου.

Στις κλασικές, «θερμές» εκτοξεύσεις, η ανάφλεξη των κινητήρων υγρού ή στερεού καυσίμου πραγματοποιείται απευθείας πάνω στην πλατφόρμα. Η απελευθέρωση τεράστιας κινητικής και θερμικής ενέργειας απαιτεί ανθεκτικές κατασκευές, όπως βαθιά χαρακώματα εκτροπής φλόγας και γιγαντιαία συστήματα κατακλυσμού με νερό για την απόσβεση της ακουστικής ενέργειας και τη μείωση της μεταδιδόμενης θερμότητας. Παρά τα μέτρα αυτά, οι εγκαταστάσεις υφίστανται σημαντικές δομικές καταπονήσεις κατά την αναχώρηση του οχήματος.

Μετά από κάθε αποστολή, οι πύργοι εκτόξευσης και οι γύρω υποδομές χρειάζονται εκτεταμένες εργασίες συντήρησης, τεχνικούς ελέγχους και επισκευές. Σύμφωνα με την Z-Trak Space, αυτές οι απαιτήσεις αυξάνουν κατακόρυφα τα λειτουργικά κόστη και δημιουργούν χρονικές καθυστερήσεις, επιβραδύνοντας την κλιμάκωση του ρυθμού των εμπορικών αποστολών. Οι καθυστερήσεις αυτές έχουν άμεσο αντίκτυπο στην τιμολόγηση της μεταφοράς φορτίων στο διάστημα.

Τα πλεονεκτήματα του υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα

Η σύμπραξη των εταιρειών Zhiyu Aerospace Technology και Chiyang Space Power Technology Company κάτω από την ομπρέλα της Z-Trak Space εισάγει μια νέα μηχανική προσέγγιση. Η κατάσταση του υπερκρίσιμου ρευστού επιτυγχάνεται όταν το CO2 ξεπερνά την κρίσιμη θερμοκρασία των 31,1°C και την κρίσιμη πίεση των 73,9 bar. Σε αυτό το θερμοδυναμικό σημείο, εξαφανίζονται τα όρια μεταξύ της υγρής και της αέριας φάσης και το αποτέλεσμα είναι ένα μέσο που μπορεί να ρεύσει όπως ένα αέριο, αλλά διατηρεί την πυκνότητα ενός υγρού.

Αυτό επιτρέπει τη συμπίεση μεγάλων ποσοτήτων υλικού σε πολύ μικρό όγκο. Κατά την ταχεία αποσυμπίεση του αερίου μέσα στον ειδικό σωλήνα ή τον θάλαμο εκτόξευσης, η ακαριαία, βίαιη εκτόνωσή του παρέχει την απαραίτητη ώθηση για να εκσφενδονιστεί το σκάφος κατακόρυφα. Ο Zhang Zihan, ιδρυτής της εταιρείας και απόφοιτος αεροδιαστημικής μηχανικής του Πολυτεχνείου του Χονγκ Κονγκ, αναφέρει ότι η επιτυχής εφαρμογή αυτής της μεθόδου σε εμπορική κλίμακα θα αλλάξει ριζικά το μοντέλο κατασκευής και λειτουργίας των μικρών οχημάτων εκτόξευσης υγρού καυσίμου.

Επιπτώσεις στο κόστος και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα

Η απουσία θερμικής φθοράς στην πλατφόρμα συνεπάγεται μικρότερους χρόνους αναμονής μεταξύ των εκτοξεύσεων, γεγονός κρίσιμο για τη διαστημική βιομηχανία της Κίνας, η οποία πέρυσι κατέγραψε 50 εκτοξεύσεις αποκλειστικά από τον εμπορικό της τομέα. Παράλληλα, μειώνεται η συνολική κατανάλωση προωθητικού μίγματος από το ίδιο το διαστημικό όχημα. Εφόσον ο πύραυλος δεν ξοδεύει το δικό του καύσιμο για τα πρώτα και πιο ενεργοβόρα μέτρα της ανύψωσης, όπου η πυκνότητα της ατμόσφαιρας αντιστέκεται ισχυρά, το ωφέλιμο φορτίο που μπορεί να μεταφέρει αυξάνεται αναλογικά.

Σε επίπεδο περιβάλλοντος και ασφάλειας, το διοξείδιο του άνθρακα είναι χημικά αδρανές και μη τοξικό σε ανοιχτό χώρο σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μίγματα, όπως τα παράγωγα της υδραζίνης ή η κηροζίνη (RP-1). Η χρήση του για την αρχική ώθηση αποτρέπει τη συσσώρευση επιβλαβών ρύπων κοντά στις εγκαταστάσεις εδάφους. Η «κρύα εκτόξευση» εφαρμόζεται εδώ και δεκαετίες σε στρατιωτικά συστήματα βαλλιστικών πυραύλων (εκτοξεύσεις από υποβρύχια ή υπόγεια σιλό μέσω συστημάτων αερίου ή ατμού). Εντούτοις, η προσαρμογή της στην εμπορική διαστημική βιομηχανία μέσω υπερκρίσιμου CO2 για οχήματα τροχιάς συνιστά μια νέα μηχανολογική εφαρμογή.