Til hovedsiden
    

   
    Bli medlem
    Siste nytt
    Artikler
    Bildeserier
    Temasider
    Bildearkiv
    Foredrag
    Effekter til salgs
    Lenker
    Spørsmål og svar
    Spør oss
    Prosjektoppgave
    Om oss
    NAF på Facebook
    Kontakt oss
    Nettstedskart
    Hovedsiden
Trykk for å lese mer om sitatet
 

Med ett trinn til Månen

Av Per Arne Marthinsen

 

Artikkel publisert i Nytt om Romfart, 25. årgang, nummer 96, oktober-desember 1995, sidene 31-33 av Norsk Astronautisk Forening/www.romfart.no.

Skriv ut

Tips bekjent

 

Apollo-programmet skrapet så og si bare overflaten til Månen, som er den nærmeste og den mest logiske grensen for utnyttelse av rommet med hensyn på vitenskapelige og kommersielle initiativ. Å vende tilbake til Månen vil være viktig for videre utforskning av rommet.

Det å bruke Månen som et midtpunkt for utforskning av verdensrommet vil kreve ny teknologi, ikke bare for å kunne returnere til Månen, men også å kunne etablere en base som mennesker kan oppholde seg på. Noe av det som er spennende i denne sammenheng er det å komme opp fra Jorden med noe annet enn en Saturn V-rakett som under Apollo-tiden, men med et såkalt ett-trinn-til-bane-romfartøy (eng. forkortet SSTO). Det som det blant annet vil stå på, er det som denne artikkelen tar for seg, hvordan man teknisk og politisk sett kan gjøre dette mulig.

Å vende tilbake til Månen har vært et mål helt siden avslutningen av Apollo-programmet. Amerikas tidligere president, George Bush, hadde romutforskning som et av sine mål. På grunn av usikkerheten i den amerikanske økonomien og det politiske klimaet måtte romutforskningen legges på hyllen. Siden termineringen av Apollo-programmet er det mange romprogrammer som har fått samme skjebne.

Uavhengig av økonomi og politikk har interessen alltid vært der for å igjen å lande på Månen. Utfordringen i å kunne nå dette målet ligger i å finne en måte å integrere målet i et totalt romprogram som politisk og økonomisk er akseptabelt. Romprogrammet under Bush hadde Månen som et av sine mål. Måten å nærme seg Månen på var teknisk sett av den konvensjonelle typen med standard bæreraketter av typen Saturn V, sammen med en egen månelander. Dette programmet hadde fått betegnelsen «First Lunar Outpost Study» (FLO), og vil være utgangspunktet for denne artikkelen.

Brenselsystemet

Likheten mellom de totale hastighetsforandringene for en reise rundt Månen og tilbake med utgangspunkt fra en lav jordbane (LEO) og for den samme reisen med utgangspunkt direkte fra Jorden opp i LEO, viser at et SSTO-romfartøy («Single Stage To Orbit»/ett-trinn-til-bane) i lav jordbane fylt med drivstoff skal kunne gjennomføre en reise rundt Månen med betydelig last. Det nødvendige drivstoffet for reisen vil på forhånd bli plassert i LEO ved hjelp av flere oppskytinger av det samme romfartøyet.

Dagens konsept for SSTO tar utgangspunkt i vertikal oppskyting, men kan egentlig deles inn i to kategorier, avhengig av hvilken måte man tenker seg å lande fartøyet på. Kategoriene er vertikal landing ved hjelp av rakettmotorer og horisontal landing etter mønster av dagens romferge på en rullebane, det være seg med eller uten vinger.

Det primære brenselsystemet til grunnkonseptet for SSTO inneholder 597 tonn flytende oksygen (LO2) og 85 tonn flytende hydrogen (LH2). Dette er det som er beregnet å brukes for å komme fra LEO inn i månebane, lande på Månen, ta av igjen fra Månen og returnere til Jorden. For å kunne utføre de nødvendige kurskorreksjoner underveis er SSTO utstyrt med et stillingskontrollsystem (RCS) som har sitt eget brenselsystem. Dette hjelpesystemet inneholder 9,1 tonn LO2 og 1,7 tonn LH2.

Dersom hovedtanken i dagens SSTO-system ikke blir forbedret med hensyn til isolasjon, vil det daglige tapet av drivstoff være uakseptabelt, da tanken ikke er beregnet for bruk under mer enn et kort opphold i rommet. Det vil være nødvendig med superisolering av drivstofftanken for at ikke drivstoffet skal fordunste. For at dette ikke skal skje vil drivstofftanken kreve et «teppe» med superisolering.

Grunnkonseptet for SSTO omfatter en selvstendig tank for flytende hydrogen. Det er forutsatt at flere lag med isolasjon, MultiLayer Insulation (MLI), kan legges på innsiden av drivstofftanken. Den koniske tanken for flytende oksygen er en lastbærende delstruktur med den eksterne isolasjonen og det termiske beskyttelsessystemet festet direkte til drivstofftankens vegg. MLI er installert som en ekstern «sokk» som passer på utsiden for å gi den siste nødvendige isolasjonen. MLI er med på å redusere LO2-tapet til 5,4 kg/tonn og LH2-tapet til 5,9 kg/tonn.

Et minimum av 62 SSTO-oppskytinger må til for å transportere opp i jordbane det som er nødvendig av drivstoffet LO2 for en måneferd. På grunn av tap under transporten opp i bane og under videre lagring regner en med at antallet SSTO-oppskytinger vil ligge på 70. Minste antall oppskytinger for å bygge opp et lager av LH2 for en måneferd vil være 16, inklusive oppskytinger for å dekke tapet av drivstoff. For en måneferd betyr dette et antall av 86 oppskytinger for lagring av drivstoff til en måneferd fra lav jordbane.

Lagring av brennstoffet i bane

For å kunne gjennomføre en reise til Månen ved hjelp av et SSTO-romfartøy vil det være helt nødvendig med et depot av drivstoff i lav jordbane. For å kunne møte dette kravet med det romfartøyet vi har tatt utgangspunkt i - et romfartøy som både tar av og lander vertikalt - er det nødvendig at dette depotet er i stand til å lagre 667 tonn LO2 og 109 tonn LH2 til SSTO-romfartøyet. Dette er inkludert det forventede tapet under frakt og andre eventualiteter.

Mange alternativer til hvordan dette skal kunne gjennomføres i praksis er blitt vurdert. Tre alternativer har for øvrig skilt seg ut. Det første alternativet inkluderer to drivstofftanker fra den amerikanske romfergen; det andre en rekke av tanker som er tilpasset lasterommet i SSTO-romfartøyet. Det tredje alternativet er at to avdankede tanker sendes opp i bane og blir modifisert. Tankene i alle de tre alternativene roterer sakte under overføringen av drivstoffet.

Grunnkonseptet for dette SSTO-romfartøyet er konstruert med åtte hovedmotorer. Fire av disse er konstruert for å kunne gi maksimal skyvekraft fra bakkenivå, og har en enkel ekspansjonsdyse. De fire andre motorene har en toposisjonsdyse optimalisert for å fungere i vakuum. For selve reisen til Månen er det ikke nødvendig med noen ekstra skyvekraft. Ved å fjerne denne motoren allerede i LEO vil det bli ekstra plass for mer nyttelast, eller mindre behov for drivstoff. Når SSTO igjen skal lande på Jorden må denne ekstra motoren settes tilbake på romfartøyet.

På grunn av at den ekstra motoren ikke er med på reisen til Månen, har romfartøyet ikke mulighet til å bremse opp på normalt vis, men er nødt til å luftbremse for å redusere hastigheten før møtet med depotet i LEO. Svakheten her ligger i det termiske beskyttelsessystemet. Dersom ikke hastigheten endres under reisen fra Månen vil inngangshastigheten til LEO nærme seg 11 km/s.

Til sammenligning er den normale hastigheten når et romfartøy går fra LEO og inn i atmosfæren 7,8 km/s. For å holde opphetingen på et akseptabelt nivå, vil romfartøyet måtte holde en høyere bane (over 80 km) enn det som er normalt ved tilbakevending til en bane rundt Jorden. Det normale er 60 km, men ved tilbakekomst i en høyde av 80 km vil hastigheten reduseres med 1/25-del i forhold til den normale høyden. Selv om hastigheten på denne måten reduseres er ikke dette tilstrekkelig til å komme ned i den nødvendige hastigheten. For å komme ned i riktig møtehastighet vil det være nødvendig med ytterligere korrigeringer. Med de beregninger som er gjort vil det være nødvendig med tre ekstra runder rundt Jorden. Ulempen med dette er at oppholdet blir ca. 12 timer lengre, og at romfartøy og mannskap tilbringer en lengre tid i Jordens strålebelte.

Alternativet VTHL

Et romfartøy som skal skytes opp vertikalt og lande horisontalt (Vertical Takeoff/Horizontal Landing, eller VTHL) er i utgangspunktet ikke i stand til å lande på månen uten betydelige modifikasjoner. Normalt krever ikke motorene i et VTHL-romfartøy store reguleringen for å utføre nødvendige justeringer i LEO. Forholdet 10 til 1 er nødvendig for å kunne lande vertikalt med to motorer.

Siden det i dag ikke finnes noe annet SSTO-fartøy enn det som er under utvikling ved McDonnell Douglas, nemlig DC-X, er utgangspunktet for beregningene rent teoretiske. Et VTHL-romfartøy med vinger ble konstruert på papiret på grunnlag av data fra et VTVL-romfartøy (Vertical Takeoff/Vertical Landing) ved å bruke dets strukturelle data og fornuftige antagelser om dets egenskaper. Konstruksjonen endte tett opptil andre romfartøyer med vinger. Blant mulighetene for å lande et VTHL på Månen ble det blant annet vurdert å bytte RL-10-motorene til bæreraketten og å modifisere hovedmotoren for å gi et større reguleringsområde. Et landingsunderstell var lagt til i begge tilfeller.

Under analysen av VTHL som et månelandingsfartøy ble det ikke funnet noen gjennomførbar grunn til å bruke dette. Det eksterne landingsunderstellet ble funnet for tungt, og det samme gjaldt for RL-10-motoren som sitter bak. Selv de nødvendige modifiseringer av motorene for å kunne gi et større reguleringsområde for hastighet og fjerning av bærerakettene vil ikke gjøre en månereise gjennomførbar. I et lufttomt rom trenger et romfartøy ikke vinger. Dette er bare dødvekt som trekker ned ytelsen til fartøyet.

Alternativet VTVL

For et VTVL SSTO-romfartøy er landingsdrivstoffet ekvivalenten til vingene hos et VTHL-romfartøy. Dette er en ikke uvesentlig faktor i å gjennomføre en landing på Månen. Det er faktisk forskjellen mellom å lykkes eller ikke.

Ved at bærerakettmotoren blir fjernet kan VTVL-fartøyet levere 11,3 tonn fra LEO til Månen, og samtidig også ett tonn tilleggsdrivstoff for bruk på månebasen. En nyttelast på 4,5 t kan returneres fra Månen til LEO. Muligheten til å kunne gjennomføre et enklere oppdrag med bærerakettene montert vil kunne gi operasjonen større sikkerhet og også muliggjøre eventuelle redningsaksjoner.

Kostnader

Kostnadene i dette er basert på sammenligning med tilsvarende oppgaver presentert i den ovennevnte rapporten kalt FLO, og på overslag basert på dens antagelser om omfanget av nødvendig arbeid.

FLO-rapporten antyder 12 millioner dollar per oppskyting. Dette vil uten tvil være diskutabelt. I virkeligheten vil kostnadene kunne ligge mellom 20 til 40 millioner dollar per oppskyting med en oppskytingsfrekvens på 30-40 per år. Skulle oppskytingsfrekvensen bli mindre vil kostnadene stige tilsvarende.

En månebase vil alene kreve 180 oppskytinger per år av nødvendige forsyninger. (Dette forutsetter at basen etterforsynes hver sjette måned.) Med en total oppskytingsfrekvens på over 200 per år skulle det være mulig å redusere kostnadene til det nivået som FLO-rapporten tar utgangspunkt i. Med dette utgangspunktet vil hver oppskyting komme på 12 millioner dollar, og antall dollar per kg nyttelast vil kunne være akseptabelt for aktuelle kommersielle interessenter.

Ettertanke

En utpost på Månen der transporten foregår ved hjelp av et SSTO-romfartøy av typen VTVL tror jeg er teknisk mulig og økonomisk sett høyst realistisk. Den ekstra dødvekten som et fartøy av typen VTHL nødvendigvis bærer i sine vinger vil ikke være ønskelig, og et slikt konsept vil ikke være praktisk gjennomførbart med dagens teknologi. Morgendagens DC-X burde ha alle muligheter til å bli brukt som fremtidens transportmiddel til Månen.

Rammetekst 1

Da Apollo-astronautene Eugene Cernan og Harrison Schmitt forlot Månen 14. desember 1972 som de siste i rekken av 12 astronauter, ble den totale akkumulerte tiden for måneutforskning mindre enn to uker. Dette over en periode på fire år.

Det ble samlet inn 381 kg med månejord og steiner som skulle være med på å bestemme Månens opprinnelse og utvikling.

I de siste årene har interessen økt med tanke på å bruke Månen som en energiressurs. En tanke er å plassere solpaneler på Månen som samler energi fra Solen og sende dette tilbake til Jorden med lasere eller via mikrobølger. Et annet forslag er å etablere et gruveselskap som kan utvinne Helium-3 og sende dette tilbake til Jorden.

Vi vil oppleve at de naturlige ressursene på Jorden vil være brukt opp i løpet av det neste århundre. Månen kan være stedet å utvinne fremtidige ressurser for bruk på Jorden.

Rammetekst 1

Ved siden av den kommersielle siden av å drive et gruveanlegg på Månen, er det også andre grunner til å reise tilbake. Den lave gravitasjonskraften som omgir Månen gjør denne egnet til et oppskytingssted for fremtidige romfartøy som har som mål å reise videre ut i rommet. Det lufttomme rommet på Månen gjør den også ideell for optiske astronomiske observasjoner.

Mulighetene for å returnere til Månen er ikke bare studier som ligger i en skuff, men er blitt diskutert av blant annet ESA. Dette er ledet av et team fra Deutsche Aerospace med sete i Brehmen.

Med et SSTO-fartøy burde det være muligheter for dette innenfor et tidsrom på 20 år.

Tekster til illustrasjoner brukt i artikkelen

Et modifisert SSTO-romfartøy som vi kjenner det i dag vil det være mulig å bruke til en reise til Månen. Dette er teknisk mulig til en kostnad som fremtidige nyttelastkunder kan være villige til å betale for. Her sees den eksperimentelle amerikanske VTVL-raketten DC-X, som fullførte sin åttende testferd i juli. Raketten er ikke i stand til å nå opp i bane.

Kommersielt, fjernstyrt anlegg for produksjon av måneoksygen. Ved å produsere flytende oksygen på Månen, vil fremtidens transittfartøy kunne reduseres kraftig i vekt, da dette ikke lenger blir nødvendig å ta med seg fra Jorden.

 
Forrige artikkel | Neste artikkel | Alle NOR 1995 | Alle Romfart/NOR
 
 
 

Alt stoff på romfart.no/.com/.org er opphavsrettslig beskyttet.
romfart.no/.com/.org eies og drives av Norsk Astronautisk Forening.