מבוא
מאמר זה מציג שיטות שילוח לוויינים וציוד לחלל. אנו נציג בקצרה את סוגי השילוח, הטכניקות והמוטיבציה בשיגור לוויין מהים, יבשה או האוויר.
מאמר זה גם יכלול את המטרה החיונית של השיטה בה משתמשים לרוב כיום שהיא החזרתם לקרקע ושימוש חוזר, ומתן השוואות בין שיטה זו לשיגורים חד פעמים.
נתמקד בנושא השיגורים ונפרט על כל אחד בנפרד בעזרת דוגמאות רלוונטיות, ונציג סקירה כללית של יתרונותיהם וחסרונותיהם.
לכבוש את החלל ומעבר לו הינו מרוץ יוקרתי שהחל באמצע המאה ה-20, כאשר שחקניות הראשיות היו מעצמות העל באותה תקופה – ארצות הברית וברית המועצות. כדי לשים תביעת רגל בחלל ויותר מאוחר גם בירח, במאדים ובעוד מקומות מחוץ לכדור הארץ, היו צריכים לפתח דרכים להתגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ. דרך זו הושגה בעזרת משלחים מתכלים שפיתחו מדינות אלו לשיגור מחוץ לכדור הארץ, שהייתה הגישה המקובלת ביותר והעלויות בדרך זו היו גבוהות מאוד, כגון: הדלתא (Delta), האטלס (Atlas) , פגסוס (Pegasus) ועוד לארצות הברית.
האנגרא (Angara), הקוסמוס(Kosmos 3-M) , המולניה (Molniya-M)ועוד לברית המועצות.
ככל שהשנים עברו הצטרפו עוד ועוד מדינות לשילוח לוויינים וציוד לחלל כגון הודו, סין והאיחוד האירופי. בשנים אלו תעשיית החלל עלתה הון תועפות ולכן ראינו רק קומץ מדינות שהשתתפו בפרויקטים אלו.
עם התקדמות השנים והפיתוח הטכנולוגי מהנדסים הצליחו לתכנן משלחים שניתן להשתמש בהם שוב ושוב על ידי החזרתם לאחר השיגור וכך לחסוך בהמון עלויות. מה שהיה פעם נחלת הבודדים הופך היום לנחלת הרבים, כאשר למרוץ הזה מצטרפות גם חברות פרטיות כגון “”Blue origin של “”Jeff Bezos ו-“Space-X” של “Elon Musk”.
הקדמה
משגרים הינם תוצאה של מחשבות פילוסופיות, גילויים, המצאות וניסויים שערכו קרוב לאלפיים שנה משילובים של מספר תחומים כגון: מנוע קיטור שהומצא על ידי “Hero engine” והסינים שהשתמשו באבק שריפה. בעזרת חוקי ניוטון ועד ג’ול וורן (Jules Verne) שתיאר בספרו המדע בדיוני “מכדור הארץ לירח” שיגור של אדם לירח בעזרת תותח. שילוב כל הדרכים האלה יחד עם עוד נושאים הביאו לפיתוח הרקטה ה-V2 ששימשה את הגרמנים במלחמת העולם השנייה. לאחר סיום המלחמה מדענים גרמנים רבים היגרו לארצות הברית וברית המועצות. הבולט ביניהם היה ד”ר וורניר ואן בראון (Dr. Werner Van Brown) שהוביל את הפיתוח של הסטורן 5, ששימש לשיגור משימות לירח. עבור משימות אחרות בחירת המשלח המתאים תהיה לפי מסלול הלוויין אליו הוא עתיד להגיע, כגון: תקשורת במסלול GEO או תצפית ואיסוף מידע במסלול LEO.
את המשלחים ניתן לסווג ל-2 קבוצות עיקריות שהן: משגרים מתכלים או משגרים לשימוש חוזר.
משלחים אשר מושמדים לאחר היפרדותם מהמטען בחלל נקראים משלחים מתכלים (Expandable Launch Vehicle-ELV). למשלחים אלו יש 3 שלבי שיגור, אשר בשלב הראשון והשני הזביל משוגר לאזור 80-160 ק”מ, ובשלב השלישי ה-ELV ממקם את המטען במסלול הרצוי בחלל. המשימה של אותו משלח תושלם כאשר הלוויין מגיע ליעדו והחלקים שניתן להזניח ייפלו חזרה לארץ ואף יישרפו באטמוספירה.
הסוג השני נקרא זבילים לשימוש חוזר (REUSABLE LAUNCH VEHICLE-RLV). בסוג זה ניתן להשתמש מספר פעמים לשיגור לוויין ולאחר השלמת המשימה שלו יחזור לכדור הארץ במצנח או ינחת בחזרה באזור שנקבע מראש על ספינה או אזור נחיתה. לדוגמא, מעבורת החלל האמריקאית מהווה דוגמא נפלאה לשימוש חוזר והפאלקון 9 שהוא המשלח היחיד כיום שמשתמשים בו שוב.
סוגי משלחים
2.1. סטורן 5
סטורן 5 (Saturn) (ראה איור 1) מציג צעד ענק בפיתוח השיגור טילים לחלל. הוא גדול יותר, כבד יותר וחזק יותר עד היום. הינו, למעשה, משגר לוויינים ששימש את ארה”ב מ-1967 עד 1972 ובעל 3 שלבים שהורכבו זה על גבי זה והופעלו בשלבים להאצה הדרגתית של החללית, כאשר השלב השלישי נועד להאצה סופית של החללית למסלול המבוקש מחוץ לכדור הארץ. מאז הסטורן הראשון שפותח ב-1957 וזכה להצלחה בלפחות 10 משימות הגיע הסאטורן IB וסאטורן 5 ששימש בעיקר למשימות תכנית אפולו, ובהן אפולו 11 ב-1969, שבמסגרתה נחת לראשונה אדם על הירח.
האמינות והביצועים של הסטורן 5 היו בין הגורמים העיקריים לפיתוח סוג זה.
המשימה העיקרית של השלב הראשון שכלל 4 מנועי F-1, היא, בעצם, לשגר מסה של 2.8 אלף ק”ג ולהביאו לגובה של 61.1 ק”מ במהירות של 9656 קמ”ש במשך של 2.5 דקות ספורות.
השלב השני הוא החלק הגדול והעוצמתי ביותר שמונע על ידי מימן נוזלי וכולל 5 מנועי J-2 הפועלים למשך 6 דקות מרגע ניתוק השלב הראשון. גובהו של השלב השני משוערך ל24.8 מטר ומשקלו 454 אלף ק”ג כאשר מתודלק.
השלב השלישי פועל בדומה לשלב השני, אך בניגוד לו הוא בעל מנוע J-2 אחד שזמן פעולתו מאוד קצר – קרוב ל-2.5 דקות. אותו ניתן לכבות ולהדליק שוב ברגע המתאים כדי לצאת מהמסלול בו עדיין פועל כוח המשיכה אל עבר הירח.
2.2. פגאסוס
פגאסוס (Pegasus) הוא משלח שנישא על ידי מטוס ומשוחרר באוויר. הוא פותח באמצע שנות
ה-80 ומטרתו לשלח לוויינים קטנים עד כ-500 ק”ג למסלולי LEO (Low Earth Orbit) משלח זה מורכב מ-3 חלקים, כאשר כל חלק מכיל מנוע רקטי העובד על דלק מוצק, כך שהחלק הראשון מורכב מכנפיים בצורת דלתא המייצרות עילוי למשלח.
את הפגאסוס בתחילת דרכו הרכיבו על מטוס B-52 שלאחר מכן הוחלף במטוס L-1011. המטוס נוסק לגובה של 12.2 ק”מ ומגיע למהירות של 0.8 מאך (לשם השוואה: מהירות הקול השווה ל
כ-341 מטר לשנייה). במצב זה משוחרר הפגאסוס מהמטוס והוא עושה נפילה חופשית במשך של 5 שניות (בשביל מרחק בטוח בין המטוס למשגר) עד להצתה של השלב הראשון. לאחר השלמת שלושת השלבים המטען יגיע למסלול שנקבע.
שילוח מגובה נותן למשלח גובה התחלתי וכך חוסך באנרגיה ובעיות שיכולות להיווצר משילוח קרקעי. בנוסף לכך המשלח מתחיל את תנועתו עם מהירות אופקית של המטוס הקרובה ל-0.8 מאך.
מכיוון שהשילוח מתבצע מהמטוס (ראה איור 2) , ניתן לבצע את השילוח כמעט מכל מקום בעולם בגובה התחלתי של 12.2 ק”מ. כמו כן, לשיטת שיגור זאת חיסרון אחד בוהק שלא ניתן לשגר ציוד כבד.
לעומת זאת המשגר לא צריך להתמודד עם כוחות הפועלים באטמוספירה בטווח הזה ולכן השקעת אנרגיה לשיגור קטנה.
2.3. מעבורת החלל
מעבורת החלל הינה כלי תחבורה מדהים לשילוח לוויינים, ציוד ואנשים לחלל, ושימשה למגוון רחב של משימות כגון שילוח לוויינים למסלול מבוקש, מעבדות ששימשו למחקרים בגרביטציה נמוכה, לקיחת ציוד לתחנת חלל בינלאומית ועוד בגלל העיצוב הייחודי שלה.
מעבורת החלל מורכבת מארבעה רכיבים עיקריים: מיכל חיצוני, 3 מנועים עיקריים של המעבורת, שני מאיצים המבוססים על דלק מוצק וגוף המעבורת המגיע לחלל.
כאשר המעבורת בתכולה מלאה, היא שוקלת כ-2 מיליון ק”ג ונדרשים שעור של 35 מיליון ניוטון להביאה לגובה שממנו היא מגיעה למסלול. כוח זה מושג בעזרת הרקטות והמנוע של המעבורת.
הרקטות בנויות ממיכל חיצוני שגובהו מגיע ל-49 מטר וקוטרו 8.5 מטר, והינו הרכיב הגדול ביותר במערכת.
בשלב ההתחלתי שני המאיצים שגובהם 45.5 מטר וקוטרם 3.6 מטר משמשים לסיבוב ותמרון המעבורת, ומספקים את האנרגיה הדרושה להרמת המעבורת מקן השילוח – הם מספקים דחף שקרוב ל-14.7M ניוטון.
לאחר סיום השלב הראשון המאיצים מופרדים מהמעבורת וחוזרים לכדור הארץ בעזרת מצנח שמחובר אליהם. לאחר חזרתם הם עוברים סדרת בדיקות ותיקונים שלאחרה יחזרו לשיגור נוסף.
לאחר מכן מתחיל השלב השני בו הדחף העיקרי מגיע מהמנועים של המעבורת. כל מנוע מספק דחף של 1.75M ניוטון באטמוספירה ו-2.2M ניוטון בחלל. את הדלק למנועים מקבלת המעבורת מהמכל החיצוני בו ישנם שני מכלים פנימיים שתכולתם הוא הדלק שמורכב ממימן נוזלי וחמצן נוזלי. שני מכלים אלו מספקים את הדלק למנועי המעבורת ביחס של 6:1 של מימן נוזלי וחמצן נוזלי, וזה נותן את הדחף הדרוש להשיג את המסלול המבוקש.
רוב תהליך פעולת המנוע מתבצע באופן אוטומטי ונשלט על ידי מערכת בקרה האחראית על המנוע.
לאחר השלמת המשימה וחזרתה לכדור הארץ, צריכה המעבורת להאט את מהירותה מ-28000 קמ”ש למהירות של 340 קמ”ש בנחיתה. מהלך זה יוצר טמפרטורות גבוהות מאוד של 920-1600 מעלות צלזיוס ושימוש במגני חום עוזרים למעבורת להתמודד עם טמפרטורות אלו.
מעבורת החלל נוחתת על מסלול נחיתה בדומה לדאון וניתן להתחיל לעבוד עליה למשימה הבאה. תהליך זה לוקח כחמישה חודשים שבמהלכם מתבצעים בדיקות עבור חלקי המעבורת ורכיביה שעדיין ברי שימוש. את משימות מעבורות החלל הפסיקו בשנת 2011. (ראה איור 3)
3. לאן פנינו מועדות
התוכניות מאז הנחיתה לירח השתנו אינספור. אם לפני 50 שנה הנחיתה התבצעה בפעם אחת, היום המשימה מתוכננת להתבצע בשני שלבים, כאשר בשלב הראשון מתוכננת תחנת חלל בין הירח לכדוה”א שתקרא “Getaway” שהינה בעצם תחנת מעבר לירח, בנוסף לעוד משימות כמו חקר וביצוע ניסויים שהתבצעו בחלל. ובשלב השני המשך המסלול לירח. לשם בניית תחנת החלל נמצא בפיתוח משלח הנקרא “Space launch system” (SLS) המיועד לשילוח ציוד רב ואסטרונאוטים, תכנונו ובנייתו נמשכים כבר 8 שנים המובל על ידי בואינג(Boeing) וחברות נוספות כגון ULA ועוד. עלותו עד כה 17 ביליון דולר והפיתוח חורג ב3 שנים מהתכנון המקורי .
יחד עם זאת מפתחים משלחים כבדים נוספים כגון “March 9” של סין שמיועד לשיגור ב-2030, וה“Yenisei”- של רוסיה ב-2028.
כיום קיימות חברות גדולות המפתחות
משגרים שניתן להשתמש בהם שוב.
“Blue Origin” בבעלות ג’ף בזוס מייסד “אמזון” שחושב בגדול ומחשבותיו מתחילות להתבהר בשנים האחרונות, מפתחת משגרים כגון גלן החדש (New Glenn) – משגר בעל שני שלבים שייקח ציוד ולוויינים למסלול נמוך כאשר השלב הראשון מתוכנן לנחות בחזרה על אוניה ויוזיל עלויות משמעותית במשימות לחלל . בנוסף לכך החברה מפתחת את תיירות החלל ולשם ביצוע זה החברה בונה את ה-New Shepard שישמש תיירים להגיע לחלל ושיגורו יבוצע בסוף השנה הנוכחית.
3.1 New Glenn & New Shepard
משלחים אלו יעשו שימוש במנועים שהם שיא הטכנולוגיה אשר מוזילים משמעותית עלויות בעזרת סוג דלק מטאן שהינו זול וידידותי לסביבה. מנוע זה הינו מנוע ה- BE-4 שמהונדס להפיק דחף של 2400kN. דחף זה קטן משמעותית ממונעי העבר ששימשו לשיגור למרחקים גדולים כגון הירח, אולם בשילוב מספר מנועים אלו ניתן להפיק כוח מספיק גדול לכל משימה.
מפתחי המנוע BE-4 שאבו השראה ממהנדסים סובייטים שפיתחו את הרעיון של שימוש ביחס גבוה בחמצן עוד בשלב מקדים לתא הבעירה, לשם כך נבנו מנועים מדגם N1 המורכבים ממספר שלבים כדי לנצל כל אנרגיה אפשרית של פליטת הגזים בזמן ההצתה.
אותם מנועים נקנו על ידי חברה אמריקאית באמצע שנות ה-90 לשם מחקר ופיתוח. ב2011 כאשר החלו לעבוד על מנוע BE-4 לאמריקאים היה מספיק ידע ויכולת ליישם את הרעיון. הבעיה העיקרית הייתה עייפות החומר שנגרם כתוצאה מלחץ, מתיחה, וחום רב שפועלים בתא הבעירה, כדי להתגבר על הבעיה הזאת הציע Tim Ellis מהנדס בצוות להדפיס בתלת מימד חלקי מתכת של המנוע והצעה זו תרמה לשיפור עמידות החומר ובניה מהירה. ההערכה לשימוש במנועים אלו ללא תיקון הוא לפחות 25 פעמים.
החברה בחרה להשתמש במתאן שהינו המרכיב העיקרי לדלק אותו ניתן להפיק בקלות מפחמן דו חמצני ומים אשר את שניהם ניתן למצוא במערכת השמש שלנו ובפרט במאדים, ולכן עבור משימות עתידיות למאדים בחירה זו הינה פרקטית.
יחד עם זאת המתאן פחות מזהם מנפט שמשמש משלחים אחרים ומאוחסן באותה טמפרטורה של חמצן נוזלי מה שגורם לתדלוק קל ובטוח.
מרבית הניסויים של החברה מתבצעים במזרח טקסס רחוק מסקרנים ומכיוון שהם ממומנים על ידי ג’ף בזוס החברה יכולה להרשות לעצמם לבצע ניסויים רבים אשר ישתלמו להם בעתיד.
ניתן לראות כיום, שהחברה עושה שיתופי פעולה עם חברות אחרות כמו ULA (United Launch Alliance) שברשותה ה-וולקן (Vulcan) וחיל האוויר האמריקאי, דרישה מצד החברות הייתה לספק דחף גבוה יותר של 40% מהדחף הקיים, דרישה זו הוסיפה לתכנון המנוע מספר שנים נוספות שכן היה צורך להתחיל את התכנון מהיסוד. הצפי לשיגור ה-New Glenn ושימוש במנוע BE-4 יהיה ב2021.
כמו כן, ה-“Space-X” – חברה בבעלות אילון מאסק שהוכיחה את עצמה בשיגורים רבים וכיום
כ-20% מכלל השיגורים בעולם (כמו בראשית ששוגרה לאחרונה) משוגרים בעזרת ה”פאלקון 9″ (Falcon 9) שהינו אחד המשגרים.
3.2 פאלקון 9
פאלקון 9 הינו משלח בעל שני שלבים והיחיד כרגע שאינו מתכלה וניתן להשתמש בו שוב כאשר השימוש החוזר בו הינה המטרה העיקרית של Space x. באמצעות זאת הם מורידים את מחירי השילוח באופן דרמטי.
המשלח מסוגל להביא לוויינים לגבהים שונים והתכנון העתידי הוא לשלח חללית עם אנשים למאדים, כאשר המשלח יהיה ממשפחת פאלקון.
קיימים מספר דגמים שפותחו במהלך השנים, כמו הHeavy falcon- שמשמש לשילוח מטענים מאוד כבדים או משימות רחוקות, כמו הירח והמאדים, אולם כולם פועלים על אותו עיקרון של משגר בעל שני שלבים. התכנון החכם וההשקעה הרבה במשלח נתנו תוצאות של אמינות רבה לאחר הצלחה של מספר שיגורים.
השלב הראשון שגובהו 70 מ’, קוטרו 3.7 מ’, פועלים 9 מנועים (מכאן שמו) מסוג מרלין באמצעות חמצן נוזלי במשך 162 שניות. המשלח מייצר דחף בעוצמה של 7607 קילו ניוטון באטמוספירה ובריק מגיע המשלח ל8222 קילו ניוטון.
בתום פעולתו חוזר המשגר בעזרת שימוש באותם 9 מנועים שעוזרים לו לבצע נחיתה אנכית על פלטפורמות ייעודיות, וייעשה בו שימוש חוזר במשגר.
השלב השני מתחיל את פעולתו מספר שניות לאחר ניתוק השלב הראשון, שגובהו 8.1 מ’ וקוטרו 3.7 מ’. גם הוא מסוג מרלין ומביא את המטען למסלול המבוקש. בעזרת התכנון החכם שלו ניתן להביא באמצעותו מספר מטענים למסלולים שונים באותו שיגור. שלב זה מפיק דחף של 934 קילו ניוטון.
עם סיום פעולתו שלב זה נשרף באטמוספירה, אולם יש תוכניות להביאו לשימוש חוזר בעתיד.
סיכום
ההוצאות הכספיות העצומות למסע מוצלח בחלל הובילו ליצירת סוכנויות חלל שהיו שייכות למעצמות כמו ארה”ב ובריה”מ. עם התקדמות השנים הפיתוח הטכנולוגי הוביל להוזלת עלויות משמעותיות שנבעו בעיקר משימוש חוזר במשגרים, פיתוח סוגי דלק חדשים ומנועים לשימוש המשלחים. כתוצאה מכך, החקר והמסע לחלל התאפשר לחברות הפרטיות ולציבור הרחב.
משלחים המבוססים על רקטות הם כיום האמצעי היחיד לשיגור לווייניים ואנשים מחוץ לכדור הארץ. פיתוחם לקח יותר מאלפיים שנה ויש צורך להמשיך ולפתח, ולמצוא דרכים חדשות לשילוח מחוץ לכדור ארץ.
גם אם הרעיון יישמע לא מציאותי ובגדר מדע בדיוני יש לזכור שכל הפיתוחים החלו כניסויים מחשבתיים וספרים יצרי דמיון.
“…to seek out new life new civilizations , To boldly go where no man has gone before…” (“star trek”)
ביבליוגרפיה
[1] Martinus M Sarigul-Klijn, Nesrin Sarigul-Klijn, Gary Hudson,Mike Quayle (September 2008)’Selection of a Carrier Aircraft and a Launch Method for Air Launching Space Vehicles
[2] Ilcev St. D. , 2016 ,Spacecraft Launching Technique and Systems Ilcev St. D. (ilcev@dut.ac.za) – Durban University of Technology (DUT), Durban, South Africa IEEE.
[3] Cédric Dupont*, Andrea Tromba*, Bastien Haemmerli**, Eduard Diez*** , Giulio Molinari****, Christoph Karl**** * Bertin Technologies, ALTAIR – Design & Progress on the Space Launch Vehicle Design-C. Dupont, A. Tromba, B. Haemmerli, E. Diez, G. Molinari, C. Karl-7 TH EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND SPACE SCIENCES (EUCASS).
[4] Tom Irvine May 12, 2001 The Pegasus Launch Vehicle: Shock & Vibration Environments/
[5] https://what-when-how.com/space-science-and-technology/air-and-ship-based-space-launch-vehicles/
[6] https://www.hq.nasa.gov/alsj/CSM02_Saturn_Launch_Vehicles_pp8-14.pdf
[7] www.spacex.com
[8] www.nasa.gov
[9] Mark Harris, July 2019, THE HEAVY LIFT, spectrum.IEEE.org .
[10] Eliza Strickland, July 2019, THREE STEPS TO A MOON BASE, spectrum.IEEE.org .
[11] Eliza Strickland & Glenn Zorpette, July 2019, THE COMING MOON RUSH, spectrum.IEEE.org .
[12] Jeff Foust, July 2019, NASA’s Lunar Space Station Is a Great/Terrible Idea, spectrum.IEEE.org.
