Yeniden kullanılabilir fırlatma sistemi
Tarihi

20. yüzyılın ilk yarısında popüler bilimkurgu dergi ve romanlarında sık sık çeşitli uzay mekiği modelleri tasvir edilirdi. Bu araçlar tek bölüm olarak dikey fırlatma ve kalkış yapabilen yeniden kullanılabilir roket gemileri ya da tek bölüm olarak yatay fırlatma ve kalkış yapabilen yeniden kullanılabilir roket gemilerden oluşmaktadır.
İlk motor teknolojisindeki gerçekler, yetersiz itiş gücü ya da Dünya’ nın kaçış hızına erişip yerçekimi etkisinden kurtulamama gibi sebepler yer almaktadır. Bunlarla birlikte aracın yapımında kullanılan malzemelerin yeterli performansı sağlayamaması (güç, sertlik, ısı yalıtımı) ve düşük yük kapasitesine sahip olmaması sebebiyle birinci bölümün yeniden kullanılabilir araç vizyonu için imkânsız olduğunu gözler önüne sermekteydi.
Fakat malzeme ve motor alanlarındaki teknolojik gelişmeler yeniden kullanılabilir araç konseptini mümkün kıldı.
VTVL SSTO tasarımları önce kısmen yeniden kullanılabilir çok bölmeli NEXUS fırlatıcısı ile Krafft Arnold Ehricke tarafından kullanılmıştır. VTVL SSTO alanındaki öncü Philip Bono Douglas’ ta çalıştı. Rono birkaç çeşit fırlatma araç örneği sunmuştu. Bunlar ROOST, ROMBUS, lthacus, Pegasus ve SASSTO fırlatma araçlarıydı. Bono’ nun tasarladığı fırlatma araçlarının çoğunda benzer değişiklikler yapılarak SSTO kabiliyetine erişmesi hedeflendi. Bono’ nun önerilerine göre:
Silindirik ağızlı motorların tüm irtifalarda yüksek itiş gücü sağlaması
Atmosfere giriş sırasında alt bölümün ilk girmesiyle motorların ısı kalkanı olarak kullanılması sağlanacaktı. Böylelikle gerekli olan ısı kalkanı kütlesi azaltılmış olacaktı.
Küresel tanklar ve güdük(kısa ve kalın) şekiller kullanılarak aracın yapısal ağırlığını azaltmak hedeflendi.
Havada atılabilir tanklar kullanılarak menzilin arttırılması hedeflendi.
Yörüngede yakıt ikmaliyle menzilin arttırılması hedeflendi.
Ayrıca Bono kendi tasarladığı araçların uzay fırlatması, kıtalararası hızlı askeri sevkiyat(lthacus), kıtalararası hızlı sivil taşımacılığı(Pegasus), hatta Ay ve Mars görevleri(Selena ve Deimos Projeleri) için kullanılabileceğini öne sürdü.
Avrupa’ da Dietrich Koelle, Bono’ nun SASSTO tasarımından ilham alarak kendi tasarımı olan VTVL aracı BETA’ yı öne sürdü.
HTHL SSTO tasarımları gelmeden önce Eugen Sanger ve onun Silbervogel (Gümüş Kuş) adlı tasarımı yörünge altından bombalamak amacıyla tasarlanmıştı. Yörünge hızına ulaşabilen HTHL araçlarını tasarlaması VTVL araçlarını tasarlamaktan daha zordu. Çünkü HTHL araçlarının yapısal araç yükü çok fazlaydı. Bu sebepten dolayı birçok çok katmanları prototiplerin oluşmasına(yörünge altı X-15) sebep oldu. Havacılık-uzay aracı, HTHL SSTO konseptlerinin ilklerindendir. Yapılan bazı öneriler bu araçların kullanılabilirliğini arttıracak nitelikteydi. Bu öneriler:
Yakıt iticileri(270 m/s lik bir hızla 3000m irtifatadaki bir dağdan SSTO %35 daha az yükle NASA çalışmalarında kalkış yapabilecektir.)
Kaldırma gövdeli tasarımlar kullanılarak aracın yapısal ağırlığı azaltılabilir.
Uçuş sırasında yakıt ikmali
Diğer fırlatma sistemi konfigürasyonu tasarımlarının da kullanılması mümkündü. Örneğin yatay fırlatma ile dikey iniş(HTVL) ve dikey uçuşla yatay iniş(VTHL) tasarımları. HTVL konseptli tasarımlarının sadece birkaçından biri olan 1960’ların tasarımında olan Hyperion SSTO uzayaracı Philip Bono tarafondan tasarlanmıştır. X-20 Dyna Soar VTHL tasarımlarının ilklerinden bu sırada da HL-20 ve X-34 ise 1990’larından örneklerdir. Şubat 2010'da VTHL X-37 ilk gelişimini tamamladı ve ilk gizli yörünge görev uçuşunu yedi aylık bir sürede yapmıştır. Şu an önerilen VTHL insanlı uzay araçları arasında Dream Chaser ve Prometheus yer almaktadır. Her iki araçta 2010 yılı civarı uzay aracı konseptleri olup NASA’ ya CCDev programı için önerilmiştir.
1960’ lı yılların sonlarına doğru uzay mekiği tasarım sürecinin başlandığı görüldü. Yeniden kullanılabilir VTHL iki bölmeli tasarımlarının birçoğu daha ileriye götürüldü. Bu gelişmelerin sonucunda yeniden kullanılabilir yörünge yük taşıma uzay aracı ve yeniden kullanılabilir katı roket iticilerinin oluşmasıyla sonuçlandı. Harici tank ve fırlatma aracı yük yapısı çıkarılmıştı ve parçaların uçuş için yenilenme süreci 10000 kişilik bir çalışan grubunun dokuz ayını almıştı. Böylelikle uzay mekiklerinin her uçuş sonundaki maliyeti milyar dolarları bulmaktaydı. 1980 ve 1982’ lerin ilk çalışmaları tankların uzayda tekrar kullanılması için çeşitli uygulamalar önerildi fakat NASA hiçbir zaman bu seçenekleri öneri aşamasından daha ileriye götüremedi.
1970'lerin VTVL ve HTHL SSTO tasarımları solar güç uyduları ve askeri uygulamalar için önerildi. VTVL SSTO çalışmalarından biri Boeing tarafından yapılmıştı. HTHL SSTO tasarımları Rockwell Star-Raker ve Boeing SSTO çalışmalarını içeriyordu. Fakat Birleşik Devletler’deki uzay mekiklerinin her uzay fırlatması için odaklanılan bütçe bu ihtimalleri yok etmişti. Sovyetler birliği Buran’ı takip etme yoluna girmişti. Diğerleri düşük tasarım risklerini ve düşük tasarım maliyetlerini önermişti.
En sonunda uzay mekiğinin çok pahalı olduğu kanısına varıldı. Hatta bu mekik genişletilebilir fırlatma sisteminden bile daha pahalıydı. Challenger uzay mekiği faciasından sonra Centaur uzay mekiği roketi de iptal edildi. Challenger faciası Amerika Birleşik Devletler’ de büyük bir boşluğa yol açmıştı. Birleşik Devletler askeri için bu çok büyük önem taşımaktaydı. Askeri yüklerin taşınması için bu fırlatmalar çok önemliydi. Çoğu uydu ticaretiyle uğraşan müşteriler bu olaydan önce gereksiz şeylere döndüler. Çünkü uzay mekiği fırlatmalarının iptali sonrası müşterilerin sorularına cevap verilememesinden dolayı endişe duyuluyordu.
1986 yılında başkan Ronald Reagen, hava emici scramjet uçağının 2000’ li yıllara doğru yapılacağını duyurdu. Bu jet NASP/X-30 olarak bilinip SSTO ile yakından benzerlik göstermektedir. Bakır kanyonu araştırma projesine dayanmaktaydı ve çeşitli teknik sebepler yaşanmasından dolayı başarısız olarak 1993 yılında iptal edildi.
Bu araştırma İngiliz HOTOL programına ilham verdi. Hava emiciden yüksek hipersonik hızlı NASP yerine 5.5 mah’ a kadar soğutma işlemi görecek bir ön soğutucu kullanılması önerildi. Bu programın gelirleri İngiliz Hükûmeti tarafından iptal edildi. Araştırma yapıldığı zaman bazı teknik sorunlar belirlendi. Aracın bütünsel yapısının yörüngeye büyük çapta yük taşımak yerine daha küçük boyutlarda yük taşıma kapasitesi bulunuyordu.
Sovyetler Birliği’nin 90’ların başında çöktüğünde Buran uzay aracının masrafları savunulmaz hale gelmişti. Rusya sadece basit gereksiz şeyleri uzay fırlatmalarında kullanmıştı.
1990’ larda görüldüğü gibi yeni gelişmekte olan yeniden kullanılabilir araçlara olan ilgi oldukça yüksekti. Askeri stratejik savunma sistemi(Yıldız Savaşları) programı bir dönüm noktası olmakla birlikte çok düşük bir maliyet gerektiriyordu ve uzay fırlatmalarına hızlı bir dönüştü. Bu ihtiyaçtan dolayı McDonnell Douglas Delta Clipper VTVL SSTO önerisinde bulundu. Delta Clipper için DC-X prototipinin zaman açısından hızlı bir dönüş yolu olacağı gösterildi ve bu tip prototip için otomatik bilgisayar kontrol sisteminin kullanılması mümkündü. Yeniden kullanılabilir uzay fırlatma aracı yapmanın uzay mekiğindeki gibi askeri yardıma o kadar çok ihtiyacı olmayacağı da gösterilmiş oldu.
1990’ ların ortasında gelişmiş İngiliz araştırmaları ve ileri mühendislikle HOTOL tasarımındaki yetersizliklerden kaçınılacaktı. HOTOL tasarımı Skylon tasarımından daha fazlasını sunarak yük kapasitesinin daha fazla olmasına olanak sağlıyordu.
Bu işin ticari tarafından büyük uydu takımları (özellikle Iridyum uydu takımları) önerisinde bulunulmuştu. Bu takım uydular düşük maliyetle uzay erişim imkânı sağlamaktaydı. Bu yakıtlı özel fırlatma endüstrisi kısmen yeniden kullanılabilir araç oyuncuları içermekteydi. Buna örnek olarak roket uçağı Kistler ve yeniden kullanılabilir araç oyuncusu Rotary roketiydi.
Bu on yılın sonlarına doğru görüldüğü üzere marketlerin Iridyum stoğunun tükenmesiyle takımyıldız uyduların içten içe çökmesine neden oldu. Buna tekabulen özel fırlatma endüstrisi çöktü. Daha sonra Sovyetler Birliği’nin çöküşüyle politik dalgalanmaya yol açtı. Ayrıca balistik füze savunmasının zayıflamasına yol açmış bulunmaktaydı. Ayrıca dahi dönüm taşı programının iptal edilmesini de kapsamaktaydı. Ordu eskiyen fırlatma demirbaşlarını balistik füze teknolojisi ile geliştirilen EELV programı ile değiştirmeyi planlıyordu. NASA riski yeniden kullanılabilir konseptlerini uzay mekikleriyle değiştirmeyi önerdi. Bunlar ise X-33 ve X-34 programlarında gösterilmesi planlanıyordu.
21. yüzyulda görülen maliyetlerdeki artış ve en başta çıkan olaylardan doğan sorunlar X-33 ve X-34 programlarının iptal edilmesine sebep oldu. Daha sonra meydana gelen Columbia uzay mekiği faciası ve diğer donanmanın yere çakılması meydana geldi. Şu anki uzay mekiği tasarımları 20 yıllık olduğundan eskimiş durumda ve yenilenmeye ihtiyacı vardır. Bu sırada ordu EELV programı kapsamında yeni varyasyon ve daha iyi olan malzemelerin seri üretimine geçti. Ticari uygu marketi çökme noktasına gelmişti. Çünkü piyasada ucuz roket tokluğu vardı ve uydu yükleri kıtlığı vardı.
Bu zemine karşı olarak gelen Ansari X ödülü yarışması 20. Yüzyılın başlarındaki havacılık ödüllerinden ilham alınarak düzenlenmişti. Çoğu özel şirketler bu Ansari X ödülünü kazanmak için kıyasıya mücadele vermişti. Bu yarışmayı kazanan ölçekli kompozitler ile onların yeniden kullanılabilir HTHL SpaceShipOne olmuştu. Bu tasarımla 10 milyon dolarlık ödülün sahibi oldular. Kabinde bulunan üç kişilik mürettebatla iki haftalık periyotta iki kez 100 kilometrelik irtifaya ulaşmıştı. Aracın yük kapasitesinin %10’ undan daha az bir yük kapasitesiyle uçuşlar gerçekleştirilmişti.X-15 gibi SpaceShipOne’da yörünge altı aracıydı. Bazı özel sektörler yeniden kullanılabilir yörünge araçları üretmek geliştirmek için yeterli ilhamı aldıklarını düşünüyorlardı. Buna son örnek SpaceX özel fırlatma pazarının en son başarılı ürünüydü. Fırlatıldıktan sonra Falcon 9 yük fırlatma aracının içinde kısmen yeniden kullanılabilir araç ile ilk bölümünün yeniden kullanmak üzeri geri getirilmesiydi.
23 Kasım 2015’te Blue Origin roketi dikey kalkış ve dikey inişin ilk kanıtlanan örnek olmuştu(VTVL). Bu roket uzaya ulaşabiliyordu ve Karman sınırı, deniz seviyesinden 100 km yüksekliğe ulaşmayı başarmıştı. Bir önceki kaydedilen VTVL deneme girişimi 1994 yılında gerçekleşmişti. McDonnell Douglas DC-X yere başarılı iniş yapmadan önce deniz seviyesinden 3.1 km yüksekliğe ulaşmıştı.