Skylon

 
Skylon on kosmoselennuk, mille disainis Suurbritannia ettevõte Reaction Engines Limited (REL). Skylon kasutab SABRE mootoreid, mis on stardi ajal võimelised töötama kombineeritud tsüklis, kasutades nii kosmoselennuki pardal olevat vedeldatud hapnikku kui ka Maa atmosfääri hapnikku. SABRE mootorid on taaskasutatavad ja võimaldavad teha kuni 200 lendu. Taoline kosmoselaev võimaldaks plaanide kohaselt vähendada Maa madalorbiidile ühe kilogrammi saatmise hinda kuni 20 korda (praegusest hinnast ~ 15 000 €/kg kuni ~ 650 €/kg).
Skyloni kosmoselennuk kujutab endast vesinikkütusel töötavat piloodivaba õhulaeva, mis on võimeline startima tavaliselt lennuväljalt. Pärast starti tõuseb lennuk 26 km kõrgusele ja kasutades atmosfääris olevat hapnikku, saavutaks kiiruse 5,4 machi. Järgmises etapis peaks Skylon lülituma ümber sisemise vedeldatud hapniku kasutamisrežiimi ja lendama Maa-lähedasele orbiidile ("Low-Earth orbit"). Orbiidil olles oleks lennuk võimeline vabastama kuni 15 tonni lasti. Pärast oma ülesannete täitmist siseneks Skylon tagasi atmosfääri ja sooritaks maandumise lennuväljale. Korduslennule saaks kosmoselennuk minna pärast tehnilist kontrolli juba kahe päeva pärast.
2013. aasta seisuga oli Skyloni kosmoselennuk Reaction Engines Limited ettevõtte planeerimisjärgus projekt, mille elluviimiseks on vaja umbes seitse miljardit eurot. 2012. aastaks oli osaline rahastus juba olemas, näiteks SABRE mootorite väljatöötamine toimub Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) grandi all. Jaanuaris 2011 esitas REL Suurbritannia valitsusele taotluse projekti finantseerimiseks ning juba sama aasta märtsis tagati ettevõttele 300 miljonit eurot SABRE mootori eeljahutussüsteemi testimiseks, mis tõi hiljem ka edu. 2013. aasta juulis lubas Suurbritannia valitsus väljastada Skyloni projekti rahastamiseks veel 70 miljonit eurot. Viimane toetus valitsuse poolt toetab projekti kriitilist faasi, kus peab valmis saama SABRE mootori esimene prototüüp.
Kui kõik läheb plaanide kohaselt, siis esimesed Skyloni lennud peaksid toimuma 2019. aastal ning 2022. aastal peaks Skylon olema võimeline külastama Rahvusvahelist kosmosejaama (ISS). Kosmoselennuk on 300 km kõrgusele orbiidile suuteline viima kuni 15 tonni lisakoormust ja ISS-i juurde kuni 11 tonni lasti, mis on peaaegu 45% rohkem kui praegu kasutuses olev ESA ATV (Automated Transfer Vehicle).
Tehnoloogia ja disain.
Ülevaade.
Skylon, mis peaks valmima 2019. aastaks, on üheastmeline Maa-lähedasele orbiidile lendav kosmoselennuk. Skyloni disaini väljapakkujad väidavad, et mitmeastmelisus tekitaks erinevaid probleeme, mille pärast on väga raske või üldse võimatu taastada ja taaskasutada mitmeid kosmoselaeva osi, mis omakorda viib suurte kuludeni. Kulude vähendamiseks sarnaneb Skyloni kosmoselennuk disainilt tavalise lennukiga, mis saab startida tavaliselt lennuväljalt ja, nii nagu lennukidki, samasse kohta ka maanduda.
SABRE mootorid.
Üks peamistest Skyloni kosmoselennuki eripäradest on mootor nimega SABRE. See mootor on disainitud töötama nagu tavaline reaktiivmootor, mille abil lennuk saavutab kiiruse 5,4–5,5 machi (1700 m/s) ja kõrguse 26 km. Sellest kõrgusest kõrgemal lähevad mootori õhulõõrid kinni ja mootor hakkab töötama kui üliefektiivne rakett, kuni saavutab vajaliku orbitaalkiiruse. SABRE mootor ei ole tavaline "scramjet"-mootor, vaid kombineerib endas eeljahutamisega reaktiivmootori, õhu otsevooluga reaktiivmootori ja raketimootori. Alguses ei olnud sellise mootori jaoks vajalikku jahutamistehnoloogiat, aga projekti algusjärgus tehtud uuringute abil leiti, et nõutud jahutussüsteemi jõudlust on võimalik saavutada.
Mootori töö kiirusel kuni 5,5 machi ei ole triviaalne ja peidab endas mitmeid tehnilisi väljakutseid. Peamiseks probleemiks peetakse seda, et sellisel kiirusel mootorisse surutav õhk kuumeneb järsku ja väga suurte temperatuurideni. Peale selle, et suur temperatuur võib põhjustada mootori osade sulamist, vähendab see ka suurel määral tõukejõudu, mida saab kätte kütuse põletamisel. Katsed seda probleemi vältida viivad mootori kaalu suurenemisele või tõukejõu vähenemisele, mille lõpptulemusena luuakse liiga rasked või vähevõimsaid mootorid, mis ei võimalda enam orbiidile lennata, rääkimata sellest, et viia sinna teisi objekte.
SABRE mootori disain väldib loetletud probleeme, kasutades vedelvesiniku kütust, et jahutada heeliumi kinnises eeljahutussüsteemis, mis vähendab kiiresti õhulõõridest tuleva õhu temperatuuri. Jahutatud õhku kasutatakse kütuse põletamisel nagu tavalises reaktiivmootoriski. Heeliumi, mis tuleb eeljahutist välja, kuumutatakse eelpõleti produktide abil, andes sellele piisavalt energiat, et see oleks võimeline käivitama vedelvesiniku pumpa. Kuna õhk on suurematel kiirustel (kuni 5,5 machi) piisavalt jahutatud, võib reaktiivmootori ehitada kergematest sulamitest ja vähendada nii mootorite kaalu umbes 50% võrra. Lisaks sellele saab mootorites põletada ka rohkem kütust. Kiirustel, mis on suuremad kui 5,5 machi, muutub õhk siiski ebatavaliselt kuumaks isegi taolise jahutamise juures. Sellises olukorras lähevad õhulõõrid kinni ja mootoris hakatakse kütuse põletamiseks kasutama Skyloni pardal olevat vedelhapnikku nii, nagu tavalistes rakettides.
Kuna mootorid kasutavad madalatel kõrgustel atmosfääri hapnikku, saadakse väga suur eriimpulss ja kütust läheb viis korda vähem kui tavalistel rakettidel. Sellest tulenevalt saab startida väiksema kütusehulgaga. See omakorda tähendab, et vajatakse vähem tõukejõudu ja saadakse hakkama väiksemate mootoritega ning kasutada õhkutõusuks disainilt lennukiga sarnanevat kosmoselennukit. Tiibade kasutamine võimaldab palju efektiivsemalt ületada Maa gravitatsioonijõudu, mis omakorda jälle vähendab lennu jaoks vajaliku kütuse kogust.
Kere ja struktuur.
Skyloni kosmoselennuki kere raam plaanitakse teha süsinikkiududest, mis tagab kerge ja tugeva struktuuri. Raam hakkab toetama keraamilise kattega kaetud alumiiniumist paake. Raami tühimikud täidetakse mitmekihilise termoisoleeriva materjaliga.
Uusim Skyloni mudel on suhteliselt suur kosmoselennuk, mille pikkus on 83 m ja läbimõõt 6,8 m. Kuna kosmoselennuk hakkab kasutama väikese tihedusega kütust, on vaja suure mahuga paake, mis võimaldaksid hoida piisavalt palju energiat, et kosmoselennuk suudaks orbiidile lennata. Kusjuures peab kütust hoidma madala rõhu all, et vähendada pinget. Masin, mis on korraga nii kerge kui ka suur, omab teatud eeliseid Maa atmosfääri sisenemisel, sest selle ballistiline koefitsient on väiksem võrreldes tavaliselt kasutatavate masinatega. Väikese ballistilise koefitsiendi abil on Skylon võimeline pidurdama suurematel kõrgustel, kus õhk on hõredam. Selle tulemusena tõuseb kosmoselennuki väliskatte temperatuur ainult 1100 kelvinit. Tavaline kosmosesüstik (Space Shuttle) kuumenes Maa atmosfääri sissetungimisel kuni 2000 kelvinit. Seepärast oli vaja kasutada väga kuumuskindlat, aga habrast ränidioksiidist kaitsesüsteemi. Skylon seda süsteemi ei vaja ning võimaldab kasutada peenemat keraamilist katet. Sellest hoolimata tuleb tiibade kasutusest tingitud turbulentse õhuvoo tekkimisel teatud kere komponente aktiivselt jahutada.
Skylon hakkab kasutama väga tihedalt paigutatud rattabaasi, et vähendada kaalu ja säästa kere siseruumi. Kuna maandumisel jaotavad rattad kosmoselennuki kaalu väga väikesele pinnale, nõuaks lennuvälja maandumisrada spetsiaalset tugevdamist. Pidurite jahutus on planeeritud vee jahutussüsteemiga ning probleemide tekkimisel stardi ajal hakkavad pidurid tööle ning tekkivat kuumust viiakse ära keeva vee abil. Eduka stardi korral heidetakse vesi üle parda, millega vähendatakse lennuki massi mitme tonni võrra. Maandumisel on Skyloni kosmoselennuk piisavalt kerge, et vett ei lähe enam pidurdamiseks vaja.
Skyloni pardakoormus võib olla oluliselt suurem, kui tavalistel rakettidel ja kosmoselennuk lubatakse teha täielikult taaskasutatavaks (kuni 200 korda või rohkem).