Do niewątpliwych osiągnięć włoskiego przemysłu kosmicznego należy konstruowanie i produkcja kosmicznych rakiet nośnych. Chodzi o rakiety serii Vega. Choć powstają w ramach międzynarodowej współpracy, także finansowej pod auspicjami Europejskiej Agencji Kosmicznej, Vegi są przykładem włoskiej myśli technicznej. Dlatego warto je przybliżyć, choćby też dlatego, że z dzisiejszej perspektywy już można określić Vegę udaną konstrukcją.
W swym zaraniu program kosmicznej rakiety nośnej – dziś znanej jako Vega – był programem wyłącznie włoskim. Jego początki sięgają drugiej połowy lat 80. Wówczas Włochy zdecydowały, że samodzielnie skonstruują nową lekką rakietę nośną, która zastąpi importowane amerykańskie rakiety nośne Scout spółki LTV Aerospace, używane we włoskim programie satelitarnym Progetto San Marco. Wówczas program nowej rakiety nosił jeszcze kryptonim Zefiro, od nazwy silnika rakietowego. ASI (Agenzia Spaziale Italiana) powierzyło skonstruowanie nowej rakiety spółce BPD Difesa E Spazio. Firma ta odpowiadała za konstruowanie i produkcję pomocniczych silników rakietowych na kompozytowe paliwo stałe, od 1975 r. najpierw do rakiet nośnych Ariane 3 i 4, a po 1984 r. do Ariane 5. W 1994 r. FiatAvio S.p.A. kupił spółkę BPD. Natomiast w 2003 r. Fiat sprzedał cały swój oddział aeronautyczny. W ten sposób powstała obecna spółka Avio S.p.A., która w grudniu 2012 r. sprzedała swój biznes zajmujący się silnikami lotniczymi – powstała w ten sposób spółka Avio Aero, kupiona wówczas przez amerykańską spółkę GE Aviation. Natomiast pozostała część Avio, zajmująca się napędami rakietowymi, działa nadal jako Avio i jest spadkobiercą tradycji BPD.
Rakieta nośna Vega (misja VV04) ustawiona na stanowisku startowym w kosmodromie CSG, 11 lutego 2015 r. Fot. ESA/M. Pedoussaut, 2015
Pierwszy projekt Vegi spółka FiatAvio zaprezentowała w 1995 r. Miała to być rakieta z trzema stopniami napędowymi – wszystkimi na kompozytowe paliwo stałe. Dwa pierwsze miały być silnikami Zefiro, a trzecim (do umieszczenia ładunku na właściwej orbicie) miał być tzw. IRIS (ang. Italian Research Interim Stage). Projekt nie doczekał się realizacji. Zamiast tego w 1997 r. FiatAvio nawiązał współpracę z dniepropietrowskim KB Jużnoje. W ten sposób powstały projekty rakiet Vega K0 i Vega K. Vega K0 miała składać się z czterech stopni napędowych – dwoma pierwszymi miały być silniki P16 Zefiro, trzecim silnik RD-861 na paliwo ciekłe, oryginalnie użyty w trzecim stopniu radzieckiej kosmicznej rakiety nośnej 11K68 Cykłon-3 (zaprojektowanej w KB Jużnoje), a czwartym silnik RD-869, także na paliwo ciekłe. Vega K miała różnić się od Vegi K0 pierwszym stopniem, którym miał być silnik P85 (skrócona wersja pomocniczego silnika startowego rakiety Ariane 5). W 1998 r. program dostał nowego impulsu – ESA zaakceptowała program do wspólnotowej realizacji. Ówczesny projekt zakładał, że będzie to trójstopniowa rakieta, składająca się z silników rakietowych P85, P16 i P7 (ten był na wczesnym etapie projektowania). Włochy pozostały głównym udziałowcem i płatnikiem programu, mając w nim 65% udziałów (Francja 12,43%, Belgia 5,63%, Hiszpania 5%, Niderlandy 3,5%, do tego jeszcze Szwajcaria i Szwecja). Uprzedzając trochę fakty, produkcję Veg zlecono włoskiej spółce ELV (European Launch Vehicle), powołanej w grudniu 2000 r., w której 70% udziałów ma Avio, a 30% ASI. 1 marca 2018 r. ELV zmieniła nazwę na SpaceLab. Jedynym użytkownikiem Veg jest francuska spółka Arianespace, która jest operatorem kosmodromu Centre spatial guyanais (CSG) w Kourou, jedynego ośrodka startów kosmicznych dostosowanego technicznie do odpalania Veg.
Miniatury rakiet w skali 1:33, od lewej: Vega, Vega C, Sojuz-ST/Friegat, Ariane 5 i projektowana Ariane 64. Fot. Juan Kulichevsky (flickr.com/people/10644906@N04/)
Nową rakietę nazwano Vega (pol. Wega), od najjaśniejszej gwiazdy w gwiazdozbiorze Lutni. Niemniej w języku włoskim nazwa rakiety to także akronim Vettore Europeo di Generazione Avanzata (europejska rakieta-nosiciel zaawansowanej generacji). Skonstruowanie i integrację Vegi powierzono włoskiej spółce Avio. Można dodać, że Leonardo jest większościowym udziałowcem Avio, mając 29,6% akcji. Vegę zaprojektowano do wynoszenia stosunkowo lekkich satelitów o masie w przedziale 0,3–1,5 t (de facto nawet 2 t, a standardowo 1,6 t). Vega może wynieść ładunek 1,5 t na wysokość 700 km, na orbitę biegunową. W „hierarchii” rakiet nośnych używanych przez Arianespace/ESA Vegi okupują kategorię lekką, powyżej nich były (niedostępne po 2022 r.) średnie rosyjskie rakiety Sojuz-2.1a/b (wersje odpalane z CSG miały oznaczenie Sojuz-ST-A/B), a zestawienie zamykają francuskie ciężkie rakiety serii Ariane 5.
Silnik rakietowy P80FW podczas integracji, widoczna właśnie zamontowana dysza wylotowa i korpus silnika z kompozytu węglowego. Fot. Europropulsion via ESA
Vega składa się z czterech stopni napędowych. Trzy pierwsze można nazwać zasadniczymi, natomiast czwarty to manewrowy do umieszczenia ładunku statku towarowego (ostatniego stopnia rakiety) na orbicie. Część towarową zaprojektowano do jednoczesnego przenoszenia i wynoszenia także kilku mniejszych ładunków (oddzielnych satelitów) w ramach limitu masy. Trzy pierwsze stopnie to silniki rakietowe na kompozytowe paliwo stałe, którym jest polibutadien zakończony hydroksylowymi grupami funkcyjnymi (tzw. ang. HTPB 1912, czyli 19% sproszkowanego glinu i 12% butadienu wiążącego 69% nadchloranu amonu jako utleniacza).
Silnik rakietowy Zefiro 23 podczas montażu rakiety nośnej Vega (misja VV16) w kosmodromie CSG. Fot. ESA/CNES/Arianespace/Optique Video du CSG/P. Piron, 2020
Pierwszy stopień – P80FW (P oznacza stałe paliwo, 80 jego orientacyjną masę, FW ang. filament winding, pl. nawijanie wiązki pasm rovingu, w tym przypadku węglowego, czyli technologię produkcji korpusu silnika) – ma długość 10,6 m (wg Avio, a wg Arianespace 11,2 m), średnicę 3,005 m (zarazem maksymalna średnica Vegi), masa korpusu silnika to 3,26 t, masa suchego silnika 7,33 t, masa paliwa 87,71 t (88,365 t wg Avio), masa startowa stopnia to 96,243 t. Średnia siła ciągu silnika to 3015 kN, impuls właściwy (wzg. masy) wynosi 280 s, czas pracy silnika 113 s. Stopień P80 jest odrzucany na wysokości 52–58 km. Za rozwój P80FW odpowiadał wspólny zespół specjalistów z CNES, ESA i ASI. Avio wybrano głównym partnerem przemysłowym i producentem. W rozwoju pomniejszych systemów P80 uczestniczyła włosko-francusko spółka Europropulsion (integracja), belgijska SABCA (układ kierowania), francuska Snecma (dysza wylotowa), holenderski Stork BV (zapłonnik). Avio produkuje P80FW w swej fabryce w Colleferro k. Rzymu. Koszt skonstruowania P80FW wyniósł 76 mln EUR (66% wyłożyła Francja). Prace nad P80FW zaczęto w 2005 r., pierwszy zapłon stanowiskowy w CSG przeprowadzono w listopadzie 2006 r., badania zakończono w grudniu 2007 r. Początkowo do roli pierwszego stopnia planowano zaadoptować skrócony pomocniczy startowy silnik rakietowy EAP P238/241 rakiety Ariane 5 (ww. P85), z czego ostatecznie zrezygnowano na rzecz P80.
Silnik rakietowy Zefiro 9 podczas montażu rakiety nośnej Vega (misja VV02) w kosmodromie CSG. Fot. ESA/CNES/Arianespace/Optique Video du CSG/G. Barbaste, 2013
Drugim stopniem Vegi jest silnik rakietowy Zefiro 23. Nazwa oryginalnie była akronimem ZEro FIrst stage ROcket (motor), czyli silnik rakietowy zerowego (pomocniczy) i pierwszego stopnia, co jest pamiątką po programie San Marco i pierwszym studium zastąpienia rakiety Scout. Poza tym Zefiro to po włosku mitologiczny Zefir. Zefiro 23 ma 7,5 m długości (8,39 m wg Arianespace), 1,9 m średnicy, masa suchego silnika wynosi 1,935 t, masa korpusu silnika 0,9 t, masa paliwa to 23,814 t, masa startowa stopnia to 26,3 t, średnia siła ciągu to 1122 kN, impuls właściwy 287,5 s, czas pracy 77 s. Zamontowana przegubowo dysza wylotowa zapewnia sterowanie wektorem ciągu. Zużyty Zefiro 23 jest odrzucany na wysokości 113 km (wartość „standardowa”).
Spód stopnia AVUM, dobrze widoczny silnik RD-843 z jego centralnie umieszczoną dyszą wylotową i kulistymi zbiornikami paliwa i utleniacza. Fot. ESA
Zefiro 9 ma 3,9 m długości (4,12 m wg Arianespace), 1,9 m średnicy, masa suchego silnika wynosi 0,906 t, masa korpusu silnika wynosi 0,4 t, masa paliwa 10,567 t, masa startowa stopnia 12 t, średnia siła ciągu 314 kN (maks. 317 kN), impuls właściwy to 295,2 s, czas pracy 119,6 s. Zefiro 9 także ma ruchomą dyszę do wektorowania ciągu. Odrzucenie wypalonego silnika następuje zazwyczaj na wysokości 176 km.
Stopień AVUM podczas integracji z silnikiem Zefiro 9 podczas przygotowań przedstartowych przed misją VV02, marzec 2013 r. Fot. ESA/CNES/Arianespace/Optique Video du CSG/S. Martin, 2013
Prototypowe silniki Zefiro były gotowe w 2005 (Z9) i 2006 (Z23) roku, swoje badania na poligonie rakietowym Salto di Quirra na Sardynii przeszły w latach 2006–2008 (Z23) i 2005–2008 (Z9). Silniki powstały siłami Avio, a SABCA ponownie dostarczyła układ kierowania.
Pojazd kosmiczny IXV osadzony na adapterze typu PLA 937 VG podczas przygotowań przedstartowych 26 stycznia 2015 r. przed misją VV04. Fot. ESA/M. Pedoussaut, 2015
Czwartym i ostatnim stopniem napędowym jest tzw. AVUM (ang. Attitude and Vernier Upper Module), czyli moduł orientacji (ładunku) w przestrzeni kosmicznej. Jego zasadniczą częścią (głównym napędem) jest importowany, zaprojektowany w KB Jużnoje, silnik rakietowy RD-843. Jego konstrukcja bazuje na RD-869 (ozn. wojsk. 15D300) skonstruowanym w latach 1983–1985 w KB-4 (Jużnoje) do radzieckiego międzykontynentalnego pocisku balistycznego 15A18M systemu R-36M2 Wojewoda. 15D300 pełni tę samą funkcję co RD-843 w AVUM. Jest napędem ostatniego stopnia pocisku 15A18M, czyli „statku towarowego”, którym w pocisku jest część bojowa przenosząca indywidualnie naprowadzane części bojowe (głowice) z ładunkami termojądrowymi. RD-843 ma masę 16,5 kg, siła ciągu wynosi 250 kgf (2,45 kN), impuls właściwy 315,5 s, maks. czas pracy 667 s. Paliwo jest ciekłe, hipergolowe, jest nim niesymetryczna dimetylohydrazyna (ang. UDMH) i czterotlenek azotu jako utleniacz. Dzięki temu RD-843 może być włączany i wyłączany na orbicie – standardowo pięć razy. Cały stopień AVUM ma 2,18 m średnicy i 2,04 m wysokości. Masa suchego stopnia wynosi 688 kg. Zapas UDMH to 196 kg, a utleniacza 381 kg. Całkowity czas pracy napędu to 612,5 s. Do manewrów na orbicie AVUM wykorzystuje ruchomą dyszę silnika RD-843, która zapewnia dwuosiowe wektorowanie ciągu. Uzupełnia ją układ gazodynamicznego manewrowania w trzeciej płaszczyźnie, który skonstruowała niemiecka spółka EADS Astrium (dziś to Airbus Defence and Space). Układ składa się z sześciu miniaturowych rakietowych silniczków korekcyjnych o sile ciągu 240 N każdy (najwyraźniej z poprzecznie wyprowadzonymi dyszami) na paliwo ciekłe (monometylohydrazyna, MMH) – zapas 38,6 kg, układu nawigacji bezwładnościowej i komputera sterującego. RD-843 produkował Jużmasz, elementy strukturalne AVUM hiszpański oddział EADS (teraz Airbus DS), Avio odpowiada za integrację AVUM. ESA planowała zastąpić RD-843 wyłącznie „europejskim” rozwiązaniem (oczywiście przede wszystkim dla dobra środowiska naturalnego), tzw. AVUM+ do rakiety Vega C, za co miała odpowiadać Niemiecka Agencja Kosmiczna (DLR). Ale najwyraźniej Niemcy nie dali rady, bo mimo plusa, w AVUM+ nadal jest RD-843.
Zasobnik SSMS z zestawem minisatelitów, wyniesionych podczas misji VV16 3 września 2020 r., osadzony na adapterze typu PLA 1194 VG podczas przygotowań przedstartowych w kosmodromie CSG. Fot. Arianespace
Vegę wieńczy stopień towarowy, we wnętrzu którego mieści się wynoszony ładunek, który osadza się za pomocą adaptera. Gdy ładunkiem jest pojedynczy satelita stosuje się adapter PLA 937 VG lub PLA 1194 VG (w obu przypadkach ładunek o masie maks. 2000 kg). Oba adaptery to ścięte stożki różnej wysokości zrobione z kompozytu węglowo-epoksydowego (ang. CFRP). Jeżeli trzeba wynieść dwa lub więcej satelitów (np. cubesatów) stosuje się adapter VESPA (Vega Secondary Payload Adapter) o dwustożkowej bryle. W jego walcowej podstawie można umieścić satelity o maks. masie łącznej 600 kg (podstawowym ograniczeniem jest objętość wnętrza adaptera). Natomiast na szczycie adaptera można osadzić satelitę o masie maks. 1000 kg.
Załadunek naukowego satelity TARANIS (ang. Tool for the Analysis of RAdiation from lightNIng and Sprites) we wnętrzu adaptera VESPA podczas przygotowań przedstartowych przed nieudaną misją VV17. Fot. Fot. ESA/CNES/Arianespace/Optique Video du CSG/P. Baudon, 2020
Prototypową Vegę wystrzelono z kosmodromu CSG 13 lutego 2012 r. Drugą 7 maja 2013 r. i była to zarazem pierwsza misja komercyjna. Dotąd użyto Vegi dwadzieścia jeden razy. Z tych startów dwa były nieudane (VV15 11 lipca 2019 r., zawiódł 2. stopień, i VV17 17 listopada 2020 r., satelity nie oddzieliły się od adaptera). Także jak dotąd ostatnia misja Vegi (VV23 9 października br.) nie zakończyła się pełnym sukcesem – VESPA przenosiła dwa główne satelity oraz dodatkowo zasobnik SSMS (ang. Small Spacecraft Mission Service) z 10 cubesatami. Dwa z nich nie zdołały opuścić SSMS-a. Zatem dotąd Vegi wyniosły 43 satelity i eksperymentalny bezzałogowy pojazd kosmiczny Intermediate eXperimental Vehicle (IXV; VV04 11 lutego 2015 r.), wyprodukowany przez Thales Alenia Space, który po ponownym wejściu w atmosferę wykonał w niej hipersoniczne szybowanie, wykorzystując siłę nośną generowaną tylko przez swój kadłub. cdn.
Adapter VESPA w całej okazałości z osadzonym na nim francuskim optoelektronicznym satelitą PROBA-V (ang. Project for On-Board Autonomy – Vegetation) podczas przygotowań przedstartowych 24 kwietnia 2013 r. przed misją VV02. W tle widać obie połówki odrzucanej osłony stopnia towarowego. Fot. ESA/CNES/Arianespace/Optique Video du CSG
Podobne z tej kategorii:
Podobne słowa kluczowe:
Pełna wersja artykułu
Pełna wersja artykułu
Pełna wersja artykułu
Pełna wersja artykułu
Pełna wersja artykułu
