Przyszłe statki załogowe

W ostatnich dniach emocjonowaliśmy się udaną, na razie bezzałogową misją statku Dragon 2 firmy SpaceX. Lot ten relacjonowały nawet media popularnego nurtu, które w swych nieraz entuzjastycznych artykułach zapowiadały przełom w załogowej astronautyce. Warto zatem przyjrzeć się, jakie są obecnie perspektywy dla załogowych lotów kosmicznych.

Co w planach?

W ubiegłym roku premier Indii uroczyście ogłosił, że kraj ten planuje przeprowadzić do 2022 r. załogowy lot orbitalny, a kilka tygodni później Elon Musk – charyzmatyczny prezes i współwłaściciel firmy SpaceX oznajmił, że przystępuje do budowy statku przeznaczonego do kolonizacji Marsa. Teraz zaś czekamy na pierwsze misje budowanych w ramach współpracy z NASA prywatnych statków załogowych, a w nieco dalszej perspektywie na Oriona, nowy statek NASA. Powstała ciekawa sytuacja: jedynym używanym obecnym załogowym statkiem kosmicznym jest rosyjski Sojuz, szczycący się już kilkudziesięcioletnimi tradycjami, jeśli pominąć raz na kilka lat wysyłanego w kosmos chińskiego Shenzhou. Jednocześnie na różnych etapach budowy znajduje się obecnie aż siedem nowych konstrukcji statków załogowych, które w najbliższych latach mogą znaleźć się w kosmosie.

W Tabeli 1 znajduje się wykaz wszystkich statków, które są na różnych etapach przygotowań do lotów w kosmos. Blisko są już amerykańskie statki Dragon 2 i CST-100 Starliner amerykańskich firm odpowiednio SpaceX i Boeing, zaawansowane są prace nad amerykańskim Orionem budowanym na zlecenie NASA przez firmę Lockheed Martin, pierwsze analizy są już wykonywane przy rosyjskiej Federacji i indyjskim Gaganyaan. O zaawansowaniu prac nad nową chińską kapsułą niewiele wiadomo poza tym, że już w 2021 r. ma odbyć się testowy lot, prawdopodobnie bezzałogowy. Wielkim przełomem, przede wszystkim ze względu na rozmiary przedsięwzięcia i jego cel, powinna okazać się realizowana już koncepcja firmy SpaceX kompleksu zwanego dawniej BFR (Big Falcon Rocket, i nieoficjalnie Big F****ing Rocket), a obecnie Falcon Super Heavy (pierwszy stopień) oraz Starship (drugi stopień będący jednocześnie statkiem kosmicznym). Również firma Blue Origin przewiduje loty załogowe budowaną przez siebie rakietą New Glenn, ale nie zaprezentowała jeszcze żadnych szczegółów odnośnie statku załogowego.

Trend: kapsuły!

Przeglądając dołączone zdjęcia nowych kapsuł trudno nie zauważyć, że wszystkie statki z Tabeli 1 mają bardzo zbliżony kształt – stożków, na ogół ściętych, o różnych nachyleniach boków. Są znane i były już stosowane inne koncepcje, przede wszystkim mowa tu o amerykańskich wahadłowcach, mających kształt samolotu, i które również lądowały poziomo. Podobną koncepcję kilkadziesiąt lat temu przyjął także Związek Radziecki dla Burana, zaś ostatnio amerykańska firma Sierra Nevada zaproponowała ją w znacznie mniejszej skali dla statku Dream Chaser. Niestety, NASA nie zaakceptowała tego ostatniego projektu do rozwijania w ramach programu załogowego Commercial Crew Program, za to będzie on używany w bezzałogowej wersji w programie Commercial Resupply Service do transportu towarowego. Wydaje się, że doświadczenia programu amerykańskich wahadłowców Space Transport System (bardziej znanego pod nazwą Space Shuttle), który mimo wielokrotnego wykorzystania orbiterów okazał się bardzo drogi, skłoniły do powrotu do klasycznej stożkowej kapsuły, z wielkim sukcesem zastosowanej w dawnym programie księżycowym Apollo. W odróżnieniu od dotychczas używanych kapsuł, które były jednorazowe, wszyscy producenci deklarują, że przyszłe statki będą już do wielokrotnego wykorzystania.

W Tabeli 1 podano masę samych kapsuł, w których będzie przebywała załoga, a także całych statków. Każdy z nich będzie wyposażony w moduł napędowy, w którym znajdzie się zasilanie, silniki manewrowe, paliwo itd. Oddzielanie tych modułów od kapsuł załogowych wynika z braku potrzeby sprowadzania całości na Ziemię. Dzięki temu wystarczy wyhamowywać i delikatnie osadzić na powierzchni znacznie mniejszą masę. Jedyne odstępstwo od tego rozwiązania zastosowano w statku Dragon 2, w którym nie ma oddzielnego modułu napędowego, gdyż jest on zintegrowany z kapsułą załogową. Kapsuła w dolnej części jest niejako otoczona tym modułem, kosztem przestrzeni przeznaczonej dla załogi.

Statki przeznaczone do misji BEO są wyposażane w większe moduły napędowe, gdyż potrzebują więcej paliwa, mocniejszych silników, a także większej redundancji systemów. Same kapsuły też są masywniejsze, gdyż wymagają bardziej efektywnych osłon przed promieniowaniem słonecznym, które poza ziemskim polem magnetycznym bez przeszkód bombardują statek.

Na tym tle wyróżnia się projekt systemu znanego wcześniej jako BFR, realizowany przez wspomnianą firmę SpaceX, składający się z dwóch stopni: ciężkiego nosiciela Super Heavy oraz właściwego statku Starship. System ten ma stanowić ukoronowanie działalności założyciela firmy Elona Muska, którego dalekosiężnym celem jest doprowadzenie do kolonizacji Marsa. Projekt został ogłoszony w 2016 r., a rok później znacząco zmodyfikowany. Obecna wersja pochodzi z jesieni 2018 r., i według niej w 2022 r. mają odbyć się pierwsze misje na Marsa, najpierw cargo, a już w 2014 r. załogowe. Starship będzie wyróżniał się przede wszystkim swoimi rozmiarami. Pojemność użyteczna statku ma wynieść 825 m³, co w porównaniu z innymi kapsułami oferującymi do kilkunastu metrów sześciennych, jest wielkością niebotyczną, zbliżoną do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Ale też zadaniem statku Starship będzie kilkumiesięczny transport nawet 100 osób na powierzchnię Marsa. Również masa 85 t jest wielokrotnie większa, niż pozostałych projektów.

Ogólnym trendem stało się projektowanie statków zakładając ich odmienne przeznaczenie. Są to statki mające albo obsługiwać stacje orbitalne, takie jak międzynarodowa ISS czy wkrótce chińska, albo mają realizować misje poza orbitę wokółziemską, czyli w kierunku Księżyca, a docelowo także Marsa. Przeznaczony wyłącznie do lotów BEO będzie więc Orion, zostawiając orbitę okołoziemską Dragonowi i Starlinerowi, a według ostatnich informacji z Roskosmosu rosyjska Federacja (jej nazwa ma zostać zmieniona na „bardziej odpowiednią”, pomimo że obecną wybrano w ogólnokrajowym konkursie) też ma być stosowana tylko do BEO, a obsługiwać ISS będzie prawdopodobnie kolejna wersja Sojuza.

W Tabeli 2 podano bardziej szczegółowe informacje o kapsułach załogowych, które obecnie oraz w najbliższej przyszłości będą wdrażane do regularnej wymiany załóg stacji ISS, czyli w praktyce będą spełniały rolę „taksówki kosmicznej”. Ta grupa statków, łącznie z chińskim Shenzhou, będzie najczęściej obecna w kosmosie.

Pojemność hermetycznych pomieszczeń w Sojuzie, który według astronautów jest niezwykle ciasny, jest niewiele mniejsza niż budowanych następców, ale należy wziąć pod uwagę, że na pojemność Sojuza składają się dwa bardzo małe moduły, co bardzo zmniejsza komfort misji, ponadto na Ziemię wraca tylko jeden z nich.

Podobną tabelę porównującą statki przeznaczone dla misji w rejony tzw. głębokiego kosmosu (deep space), czyli BEO, trudno byłoby zestawić, gdyż poza statkiem Orion szczegóły techniczne tych projektów albo nie są publikowane, albo na tym etapie prac nie są jeszcze sprecyzowane.

Kiedy nowe statki zabiorą ludzi w kosmos?

Opóźnienia w programach kosmicznych, niekiedy bardzo duże, w przemyśle astronautycznym są czymś normalnym, co wynika nie tylko z technicznego skomplikowania i innowacyjności projektów, ale także z ekstremalnie trudnych warunków dla sprzętu panujących w kosmosie . Wiele projektów w ogóle nie zostaje zrealizowanych, gdyż z powodu trudności są przerywane.

Daty startów będą więc opóźniać się, a zwłaszcza terminy później planowanych pierwszych startów, zwłaszcza Federacji i Starship, można traktować jako życzeniowe. Jeśli idzie o Starship, to jest to na tyle innowacyjna konstrukcja, że pomimo legendarnego już optymizmu dyrektora firmy, nie sposób przewidzieć teraz trudności, na jakie projekt jeszcze napotka. Natomiast rosyjska Federacja trafiła na okres permanentnego kryzysu ekonomicznego Rosji. W 2018 r. już po raz kolejny zmieniono wybór rakiety nośnej dla statku – obecnie ma nim być projektowana konstrukcja Sojuz 5.

Cele dla misji załogowych

Czy potrzebnych jest aż tyle nowych statków? Dragon i Starliner są budowane na zamówienie NASA dla konkretnego celu: wymiany załóg ISS. Dwa, gdyż NASA chce zachować redundancję środków transportu, co przy załogowych programach jest kluczowe. Dla wymiany 3-4 osób amerykańskiej części ISS (czyli astronautów ze wszystkich krajów programu poza Rosją) na 6-miesięczne turnusy starczą dwie misje rocznie – czyli po jednej misji na rok na każdy statek. Przy eksploatacji stacji do 2030 roku, każdy z nich wykona ok. 10 misji. To mało zważywszy na bardzo wysokie koszty projektowania i budowy.

Czy są inne perspektywy wykorzystania tych statków? Od lat mówi się o budowie turystycznych stacji orbitalnych. Najbardziej znanym projektem jest stacja firmy Bigelow Aerospace, składająca się z dwóch elastycznych modułów B330, który mają obsługiwać te same dwa statki. Firma czeka więc z umieszczeniem stacji na orbicie do ich wejścia do operacyjnej sprawności. Wiarygodności planom firmy Roberta Bigelowa przydało umieszczenie już dwóch małych modułów Genesis I i II, a przede wszystkim udany eksperyment z modułem BEAM zbudowanym w tej samej technologii, który przez dwa lata był testowany na ISS, po czym w 2018 r. został zaakceptowany przez NASA jako pełnoprawny moduł stacji. O podobnych projektach innych firm zdążyliśmy już zapomnieć. Bez zaangażowania statków firm SpaceX i Boeing w roli kosmicznej taksówki, żaden projekt tego rodzaju nie będzie miał racji bytu.

I ambitniej…

Natomiast Orion, budowany na zlecenie NASA, jest statkiem projektowanym specjalnie do lotów poza niską orbitę okołoziemską. Przede wszystkim będzie służył do budowy i dostarczania załóg do wokółksiężycowej stacji Gateway, która będzie budowana międzynarodowym wysiłkiem, przez USA, Europę, Japonię, Kanadę i prawdopodobnie także Rosję. Będzie to oznaczało zapotrzebowanie na ok. jedną misję rocznie.

Natomiast całkiem inną sprawa jest wspominany już Starship. Obecnie trwają prace nad zmniejszonym demonstratorem tego projektu. Obserwatorzy liczą, znając determinację Elona Muska, że projekt w jakiejś formie zostanie zrealizowany, jednocześnie jednak obawiają się, że podawane terminy zostaną bardzo mocno przekroczone. Czy statek znajdzie inne wykorzystanie? Przy tak dużych rozmiarach będzie to trudne, ale widzi się więcej zastosowań dla wersji cargo, ewentualnie transportu międzykontynentalnego na Ziemi.

Podobnie jest za statkami pozostałych trzech krajów. Nowy chiński statek, na razie bez nazwy, z jednej strony ma zastąpić obecnie eksploatowane Shenzhou wzorowane na rosyjskim Sojuzie, a z drugiej w wersji BEO ma stanowić element chińskiego programu księżycowego, który państwo to coraz wyraźniej zapowiada. Rosja pracuje nad Federacją, który ma być przeznaczona przede wszystkim do obsługi projektowanej stacji Gateway. Rosja mówi też o własnym programie księżycowym, ale perspektywa jego realizacji wydaje się obecnie dość odległa. Indie dopiero rozpoczynają swój program załogowy, planują swoją pierwszą misję załogową pod koniec 2021 r., i raczej nie będą w stanie odegrać większej roli w załogowej astronautyce w najbliższych kilkunastu latach.

Jeśli idzie o dalekosiężny cel misji załogowych, to dla największej krajowej agencji kosmicznej NASA jest nim Mars, ale dla pozostałych może nim być co najwyżej Księżyc. NASA planuje na bazie stacji Gateway stworzyć na orbicie Księżyca kompleks Deep Space Transport, który złożony z kapsuł Orion, habitatów i niezależnych modułów napędowych, docelowo ma być przemieszczony na orbitę Marsa, ale to jeszcze dość odległa przyszłość.