Jaka jest historyczna rola Polaków w sukcesie rakietowym SpaceX ?

Jaka jest historyczna rola Polaków w sukcesie rakietowym SpaceX ? 
Spójrzmy najpierw na historyczną rolę Amerykanów ! 

Z wielkim zaangażowaniem mediów całego świata na środę 27 maja 2020 anonsowano historyczne wydarzenie. Miało nim być po raz pierwszy od niemal dekady wyniesienie na niska orbitę wokółziemską amerykańskich astronautów amerykańska rakietą startująca z Ameryki aby zacumować do amerykańskiego modułu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).

Po zaniechaniu lotów poronionego od zarania systemu wahadłowców, ze względu na zakaz dokowania do ISS chińskich statków załogowych, Amerykanie w lotach do i z ISS musieli korzystać z rosyjskich rakiet Sojuz.

Na kwadrans przed pla­no­wa­nym momentem startu, ze względu na warunki po­go­do­we na pół­noc­nym At­lan­ty­ku zagrażające be­zpie­czeń­s­twu lotu, śro­d­owa próba została od­wo­ła­na. Następny termin wyz­na­czo­no na 30.maja.

Astronautów na orbitę do ISS miała wynieść rakieta Falcon 9 Heavy z umiesz­czo­nym u jej szczy­tu załogowym statkiem Dragon Demo-2. Taka sama rakieta z kapsułą Dragon Demo-1 ale bez załogi na pokładzie odbyła próbny lot rok temu.

Kompleks rakietowy zaprojektowała i wyprodukowała firma SpaceX ufun­do­wa­na na początku XXI wieku przez zdolnego inżyniera - nie­z­wyk­łe­go wizjonera - Elona Muska pochodzącego z Republiki Południowej Afryki.

Po bokach silnika głów­ne­go zespołu rakietowego umiesz­czone są dwa potęż­ne bu­ste­ry - rakiety wspo­­maga­jące pierwszą fazę lotu.

Jako astronautów mających odbyć ten tes­to­wy lot NASA wybrała dwóch doświadczonych pięćdziesięciolatków, są to:

Robert Behnken i Douglas Hurley. Trzy godziny przed zaplanowanym momentem startu astronauci ubrani w fantazyjnie kombinezony udali się do windy, która zawiozła ich na szczyt rakiety ....

Astronauci weszli do kabiny Dragona na ponad dwie godziny przed planowanym momentem startu. Po zajęciu foteli zostali przez obsługę przymocowani. Ekipa przypięła astronautów pasami oraz rozmieściła w zasięgu ich rąk i wzroku niezbędne przyrządy. W łatwe do sięgnięcia miejsca przymocowano ich tablety i inne przyrządy potrzebne im w kabinie.

Pół godziny przed pla­no­wa­nym startem na Przylądek Kennedego pre­zy­den­ckim samolotem, tak jak przed środową próbą, wylądował prezydent Donald Trump. Tym razem w to­wa­rzys­twie wiceprezydenta Pence i jego mał­żon­ki. Melania Trump została w domu. Prezydent został uprzedzony że ocze­ku­je się pogody odpowiedniej dla startu z prawdopodobieństwem 70%.

Pogoda dopisała. Pomimo ulewnego deszczu start w sobotę 30. maja odbył się co do sekundy w wyznaczonym czasie.

Kilkanaście minut przed odliczanym momentem „zero”rozpoczęto napełnianie rakiety płynnymi materiałami pędnymi. Paliwem tych rakiet jest nafta a utleniaczem ciekły tlen. Intensywne parowanie ładowanego w ujemnej temperaturze ciekłego tlenu tworzy przy rakiecie fotogeniczną dużą chmurę skroplonego powietrza.

Chwila po starcie. Pracuje silnik główny i dwa bustery.

Aby przez gęste warstwy atmosfery przelecieć najkrótszą drogą, start rakiety dokonywany jest pionowo do góry.

Przez pierwsze minuty lotu zespół rakietowy Falcon-9 napędzają trzy silniki rakietowe: centralny silnik i dwa boczne bustery. Po zużyciu w nich paliwa najpierw odrzucane są bustery a następnie silnik centralny.

To drugi (a właściwie trzeci) człon rakiety Falcon pchający przed sobą kabinę Dragona Demo-2 z astronautami. W miarę nabierania wysokości trajektoria lotu zakrzywia się, by pod koniec lotu silnikowego wejść na kołową orbitę.

W trakcie wznoszenia rakieta rozpędzana jest do pierwszej prędkości kos­micz­nej 26700 km/h, która jest potrzebna dla utrzymywania obiektu na orbicie.

Dragon zostaje wprowadzony na orbitę leżącą w płaszczyźnie orbity ISS ale bliższej Ziemi niż orbita Stacji. Dzięki umieszczeniu na niższej orbicie niż Stacja Dragon miał od niej większą prędkość orbitalną i przez kilkanaście godzin orbitowania Dragon dogonił ISS, by po dok­ład­nym wyrównaniu z nią prędkości w sposób automatyczny przycumować.

Po technicznym dokowaniu do ISS, przed wejściem do jej wnętrza załoga Dragona miała do wykonania według rozpisanego harmonogramu prace zajmujące jej około 3 godziny.

Spełniły się marzenia obywateli Ameryki. Po raz pierwszy od wstrzymania ponad 8 lat temu programu „wahadłowców” startującą z amerykańskiej ziem amerykańską rakietą amerykańscy astronauci zadokowali do ame­ry­kań­skie­go modułu ISS.

Na ISS była już obecna 3-osobowa załoga #63. Są to

Amerykanin Chris Cassidy - wyznaczony na komendanta załogi  Stacji #63

Rosjanie: Anatol Iwaniszyn i Iwan Wagner

Ta trójka 9. kwietnia przyleciała na ISS rosyjskim Sojuzem .

Przygotowując ISS do przyjęcia pasażerów Dragona przez wspomniane 3 godziny Chris (Krzyś) krzątał się samotnie.

Zwykle zespół załogi stacji współpracuje. Tym razem Amerykanin jakby miał za zadanie pokazać, że „ruscy” mu niepotrzebni. Chris po za­do­ko­wa­niu Dragona, ubrany sportowo w szorty dokonał wyrównania ciśnień, pod­łą­czył kamery i przygotował uroczystość powitania pasażerów Dragona w amerykańskim salonie ISS.

Po dwóch godzinach Chris (chyba na polecenie „Houston”:) przebrał się w oficjalny kombinezon :)

Pracy samotnej miał sporo. Pierwszym zadaniem było wyrównanie ciś­nie­nia wewnątrz Dragona z ciśnieniem panującym na Stacji. Potem łączył systemy zasilania i instalował urządzenia audioizyjne. Oglądaliśmy to przez ponad 3 godziny.

Po trzech godzinach zjawił się Rosjanin Iwan Wagner. Ubrany w iden­tycz­ny kombinezon jak Chris. Przysiadł z boku, w nic się nie angażował tylko spokojnie czekał. Dowódca załogi zapewne go nie poprosił o pomoc aby nie wynikło iż przedsięwzięcie SpaceX wykonano niesamodzielnie. :)

Wkrótce dołączył Anatol Iwaniszyn - drugi inżynier pokładowy ekipy ISS, usiadł obok Iwana i też czekał.

Krzyś w rękawie stacji z modułem cumującym, do którego zadokował Dragon „stawał na głowie” :)

Astronauci w kapsule Dragona przebrali się z kombinezonów, w których przylecieli, w bardziej swobodne ubrania i postępując według czytanej z tabletów listy czynności też mieli sporo pracy przez ponad 3 godziny zanim z obu stron otworzyło się przejście prowadzące do amerykańskiej części ISS.

Praca w ciasnej kabinie Dragona w stanie nieważkości wymagała zwinnych ruchów.

Pełna fantazji ekipa Elona Muska wstawiła do Dragona maskotkę smoka. Smok od startu wisiał jak wahadło. Pełnił ważną rolę wskazywania w prosty sposób wpiętym w swoje fotele astronautom przyspieszenia lotu, a na końcu stanu nieważkości.

Na statkach Sojuz podobną rolę pełni kulka na sznureczku tworząc proste wahadełko.

Po ciągnących się godzinach czekania - wreszcie SĄ. Jakby płynęli korytarzem łączącym właz z salonem gościnnym amerykańskiej części ISS.

Warto przypomnieć, że układ dokujący dla połączenia dwóch obiektów w kosmosie opracowany był na początku lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku w programie Sojuz - Apollo. Używają go Amerykanie, Rosjanie, UE, Japończycy oraz będący poza programem ISS i budujący własną stację załogową Chińczycy.

Przywitanie już było całkiem naturalnie. Ci co przybyli serdecznie się wyściskali z całą oczekującą ich załogą ISS.

NASA dzień później kontynuowała relacje ze stacji kosmicznej. Ale wtedy już przyjaznych kontaktów z Rosjanami nie pokazywano. Dowódca załogi ISS Chris Cassidy ubrał się tak samo jak ubrani byli nowi przybysze. Zdawał relacje dla telewidzów na Ziemi już tylko w towarzystwie swoich amerykańskich kolegów.

Wbrew temu co mówią powtarzający za propagandą ten lot na orbitę nie jest to przedsięwzięcie realizowane za prywatne pieniądze firmy Elona Muska. Koszty projektu Dragon Demo ponosi NASA finansowana przez amerykańskiego podatnika i dla podatnika projekt SpaceX nie jest tańszy niż dotychczas eksploatowany system korzystania z rosyjskich statków Sojuz. NASA i jej amerykańscy sponsorzy wprowadzają opinię publiczną w błąd podobnie jak kiedyś przy lansowaniu wahadłowców.

Używanie Sojuza do transportu astronautów do i z ISS kosztują NASA do max 86 milionów USD rocznie. Średnio w ciągu ostatniej dekady około 55 milionów USD rocznie - zgodnie z raportem z Biura Generalnego Inspektora NASA z 2019 roku.

Daje to w sumie opłaty NASA dla Roskosmos przez dekadę 550 milionów USD. Dla SpaceX NASA już zapłaciła 6 razy więcej chociaż sukces jej projektu dalej jest niejasny a cena jeszcze może znacznie wzrosnąć. Sprawdzony przez ponad pół wieku Sojuz wydaje się do końca eksploatacji ISS być bardziej niezawodnym systemem niż w projekcie SpaceX eks­pe­ry­men­ta­lny jeszcze i będący w wersji "demo" Dragon Demo.

Z całym szacunkiem dla autorów projektu a Elona Muska w szczególności należy zauważyć że wersja Demo-2 została wprawdzie już opłacona z naddatkiem, ale wykonana jest na razie tylko do połowy. Jeszcze należy bezpiecznie zwieźć astronautów na Ziemię.

Polska myśl w technice rakietowej

Rozprawiamy tu o zdobyczach technicznych w technice rakietowej Amerykanów, Rosjan, nieco było o Chińczykach, UE i Japończykach

... a gdzie w tej materii wspomnieni w tytule Polacy?

Zanim przejdziemy do Polaków zacznijmy od Niemców i ich osią­g­nięć w tej materii.
SS-Sturmbannführer (major) Werner von Braun, fa­na­tyk ra­kie­to­wy, przed wojną asystent Hermana Obertha rumuńskiego Austriaka, fizyka teoretyka rakietnictwa, podczas wojny kierował zbudowaniem rakiety bojowej V2.

Oznaczenie „V” dla niemieckich pocisków rakietowych sugerujące zwy­cięs­two Niemiec w II Wojnie Światowej wymyślił minister propagandy Narodowo-socjalistycznych Niemiec dr Józef Goebbels.

Z rakietami eksperymentował polski inżynier wojskowy i ar­tylerzysta Kazimierz Siemienowicz (ok. 1600-1651).  W 1650 roku opublikował w Amsterdamie fundamentalne dzieło "Artis Magnae Artilleriae pars prima" ("Wielkiej sztu­ki artylerii część pierwsza"), przez prawie 200 lat pod­s­ta­wo­wy podręcznik artylerii w Europie.

Na światową technikę rakietową z punktu widzenia teorii po­tęż­ny wpływ miał Polak Konstanty Ciołkowski, urodzony w 1857 w Rosji (zm. 1935, tamże), pochodzący ze znanej od XVII w. polskiej szlachty herbu Jastrzębiec

(autor grafiki te­go herbu Ta­de­usz Gajl).

W 1834 doku dziadkowi Konstantego car ro­syj­ski Mikołaj I uznał his­to­rycz­ną god­ność szlachecką, co pozwoliło Kon­s­tan­te­mu na sze­ro­ki kontakt z elitą naukową carskiej Rosji. Matka Kon­s­tan­te­go Maria, z domu Jumaszewa, również była szlachcianką, ukończyła szkołę średnią, znała łacinę, matematykę i inne nauki.

Konstanty Ciołkowski był wiz­jo­ne­rem i fantastą a także pisarzem SF. W dzie­ciń­s­t­wie zachorował na szkarlatynę skut­ku­ją­cą w wieku 10 lat niemal całkowitym pozbawieniem go słuchu. Ponieważ miał przez to trudności w nauce szkolnej był se­ko­wa­ny przez nauczycieli. Spo­wo­do­wa­ło to że niemal całą swoją wiedzę uzyskał z czy­ta­nych książek. Został nauczycielem ma­te­ma­ty­ki i przedmiotów ścisłych oraz pasjonatem wy­na­laz­cą.

Od młodych lat pasjonował się budowaniem balonów na pod­grze­wa­ne po­wie­trze uważając, że dla wożenia ludzi będą bar­dziej bez­pie­cz­ne niż balony unoszone przez wybuchowy wodór. Zaprojektował skła­dany w har­mo­nij­kę sterowiec metalowy (na fotografii stoi z jego modelami), a także kolej na poduszce po­wie­t­rznej.

Pasją i przedmiotem badań naukowych Konstantego Ciołkowskiego była teoria lotów rakiet. Wyprowadził słynny wzór Ciołkowskiego, który od ponad stu lat jest pod­sta­wo­wym narzędziem dla oceny osiągów rakiet:

dV =­V × log( Mo / Mk )

gdzie: "dV" - przyrost prędkości rakiety, "V" - prędkość odrzucanych gazów, "Mk" - masa rakiety po wypaleniu paliwa, "Mo" - masa rakiety z paliwem, "log" oznacza logarytm naturalny.

Prędkość odrzutu gazów silników rakiet na paliwo ciekłe, to ok. 3600m/s, stosunek masy rakiety z paliwem do tejże rakiety bez paliwa jest ok 5. Można więc oszacować z wzoru Ciołkowskiego, że (pomijając opory powietrza) przyrost jej prędkości wynosi ok. 5000m/s, co jest 2 - 3 razy za mało aby wejść na orbitę.

Przewidując to, Ciołkowski zaproponował budowanie rakiet wielostopniowych. Na pierwszym stopniu rakiety ustawia się stopień drugi na nim trzeci, dalej ewentualnie kolejne.

 

Po wojnie Werner von Braun został zaangażowany przez USA dla kon­ty­nu­owania prac rakietowych. Był jednym z czołowych inżynierów pracujących nad zbudowaniem rakiet dla programu załogowych lotów na Księżyc. W latach sześćdziesiątych XX wieku dla spełnienia tego celu posłużyła rakieta Saturn V (fot).

Spoglądając na fotografię Saturna V zauważyć można podobieństwo geo­me­t­rycz­ne do rakiety V2, która jako rakieta jednostopniowa ledwie musnęła granicę Kosmosu leżącą umownie na wysokości 50 mil morskich (dla Anglosasów) lub na 100 km (dla stosujących system metryczny).

Z wzoru Ciołkowskiego wynika, że w stronę Księżyca wyprawić się będzie można rakietą wielostopniową. Miała temu służyć wielostopniowa rakieta Saturn V. Jeden na drugim ustawiono kolejne stopnie rakiety, z których ostatnie dotarły do Księżyca.

Na fotografii Saturna V widać jej geometrię mało róż­nią­cą się od geometrii rakiety V2.

 

W tym samym czasie kiedy toczył się wyścig o podbój Kosmosu między USA i ZSRR, od początku lat sześćdziesiątych XX wieku w zespołach pracowników warszawskiego Instytutu Lotnictwa budowane były rakiety meteorologiczne dla son­do­wa­nia górnych warstw atmosfery. Był to tajny projekt „Meteor”. W ramach tego projektu zbudowaliśmy i dokonaliśmy testów w locie trzech wariantów tych rakiet oznaczonych kolejno: Meteor-1, Meteor-2 i Meteor-3. Dla ce­lów badawczych stosował te rakiety Państwowy Instytut Hydrologiczno - Meteorologiczny (PIHM) angażując do tego zespół krakowskich ra­kiet­ni­ków pod kierunkiem Jacka Walczewskiego.

Nasze rakiety eksploatowali też Niemcy z NRD strzelając je ze swojego wybrzeża Bałtyku.

Instytut Lotnictwa w starannie dobranym miejscu polskiego wybrzeża na Mierzei Łebskiej w punkcie o współrzędnych E17°29'26" N54°45'17" zbudował wyrzutnię z regulowanym kątem odpalania rakiet od -3° do +15° licząc dodatnie kąty podniesienia wyrzutni od kierunku na wyspę Bornholm.

Przed startem starannie były badane warunki meteorologiczne zwłaszcza prędkość i kierunek wiatru. Podniesienie wyrzutni zwykle dobierane było tak, aby odpowiednio kompensować wpływ aktualnego wiatru na zakrzywienie toru lotu rakiet. Zagrożenia dla bałtyckiej żeglugi nasze próby nie po­wo­do­wa­ły, bo przed każdym spodziewanym startem rakiety zamykany był odpowiedni obszar akwenu. Niekiedy zdarzało się że w pobliże tego akwenu wpływały ciekawskie okręty marynarki RFN.

Geometria naszej rakiety Meteor-2K istotnie różniła się od geometrii V2 czy geometrii rakiety Saturn 5. My zmieniliśmy nieco koncepcję rakiety wielostopniowej Ciołkowskiego.

Po bokach silnika głównego rakiety umieszczone zostały dwa bustery wspomagające pierwsze sekundy roz­pę­dza­nia rakiety blisko Ziemi w gęstej atmosferze.

Elon Musk, podobnie jak projektanci wielu współczesnych rakiet też zas­to­so­wał bustery proporcjonalnie znacznie większe, tej same średnicy co rakieta główna.

Wszystkie trzy silniki były odpalane równocześnie. Na fotografii jest pokazane jak 50 lat temu, 10 października 1970 wys­tar­to­wa­ła z polskiej ziemi zbu­do­wa­na przez Polaków rakieta Meteor-2K-10, któ­ra po 200 sekundach od startu osiągnęła umowną granicę przestrzeni kos­micz­nej. 

Po około trzech sekundach lotu skończyły pracę oba silniki wspomagające i zostały odłączone. Na fo­to­grafii widać spadający jeden z nich. Dalej roz­pę­dzał rakietę silnik główny do liczby Macha>5 by dalej lotem bezwładnym więc w nieważkości rakieta wyniosła ładunek użyteczny na wysokość nieco ponad 100 km. 30 sekund przed osiągnięciem pułapu wystrzelany został ob­łok dipoli, który niemal w zenicie prze­chwy­ci­ły na wysokości 92 km stacje radiolokacyjne, którymi kierował odbierający temat zespół PIHM kie­ro­wa­ny przez mgr Jacka Wal­czew­skie­go.

 

 

Polska stała się szóstym państwem świata budującym rakiety kosmiczne. Kupowaniem naszych rakiet interesowały się Bułgaria i Rumunia a także Indie. Te ostatnie budowały wtedy rakiety nie osiągające pułapu 10 km. 

Indie prowadziły wówczas politykę państwa „niezaangażowanego”, które wolało współpracę z nami niż ze światowymi mocarstwami: ZSRR, USA a zwłaszcza z Wielką Brytanią. 

Polacy odmówili. Tylko Jacek Walczewski prywatnie zaangażował się w In­diach jako konsultant ich programu ra­kie­to­we­go, w którym Indie wkrótce nawiązały wieloletnią wpółpracę z ZSRR.

Standardowo testy naszych rakiet przedtem odbywały się z podniesieniem wy­rzu­tni na 80...93 stopnie - w zależności od kierunku i prędkości wiatru. Odpalenie rakiet Meteor-2K 10. października 1970 wykonano z wyrzutni podniesionej tylko do 75 stopni.

Nie podano powodu tej decyzji. Spowodowało to obniżenie nominalnego pułapu o 20 kilometrów i od­su­nię­cie punktu upadku rakiety o 150 km w stronę Bornholmu. 

Punkt szczytowy toru rakiety odległy był od wyrzutni ponad 70 km. Ut­rud­ni­ło to znacznie przechwytywanie anteną radaru obłoku dipoli wyrzuconych z rakiety w 120 sekundzie lotu. 

Zastanawiam się po co to piszę. Temat budowy pojazdów kosmicznych jest dobrym przykładem jak osiągnięcia przypisywane jednostkom - jak Elon Musk, czy państwom - jak USA. Kiedyś ktoś mądry zauważył, że nawet karły umieszczone na barkach gigantów widzą więcej niż sami giganci. 

Pożartowałem sobie z przechwałek Amerykanów i ich kosmicznego dzieła dokonanego na barkach gigantów. Elon Musk jest też gigantem, ale dokonać tego czego dokonał w wyniesieniu w maju 2020 astronautów amerykańskich do stacji ISS na orbicie nie dałby rady gdyby nie inni ukrywani przez media giganci. 

A gdzie Polacy? Gdzie ich rola w Kosmosie?
Kto pamięta? 

Podczas lotu Dragona mieszkający w Japonii ale urodzony i wykształcony w Polsce trzydziestolatek Emil Truszkowski przedstawił w swoim vlogu nadawanym z Tokio, że telewizja Korei Północnej relacjonuje lot Dragona na orbitę ISS. Kiedy u niego na czacie wspom­nia­łem polskie doświadczenia kosmiczne on się zdziwił, bo nic o nich nie wiedział. Skłoniło mnie to do przygotowania tej notatki. Zauważyłem właśnie, że 7 czerwca o 6:34 w zenicie nad Warszawą przelatuje zbudowany przez Koreańczyków Północnych, wystrzelony z północno ko­re­ań­skiej ziemi (Sohae Satellite Launching Station) w 2012 roku na orbitę polarną satelita obserwacyjny. Z satelity umiesz­czo­ne­go na orbicie polarnej można obserwować każdy punkt na Ziemi. 

Baza rakietowa Instytutu Lotnictwa na Mierzei Łebskiej. W tle przy­go­to­wa­na do startu rakieta Meteor 2K. 
Przy wyrzutni przed rekordowym od­pa­le­niem rakiety od lewej stoją: XX, Andrzej Ksyk - próby w Locie, Główny Konstruktor -Jerzy Haraźny, dr Czesław Skoczylas, Adam Obidziński - silniki, Witold Błaszczyk - obliczenia, Tadeusz Andrzejewski - technik laborant, Elżbieta Bakoń - obserwacje, Krzysztof Nowak - automatyka pirotechniczna, Grzegorz Pawlak - kierownik prób w locie, XX, XX, dwaj reporterzy z radia Koszalin i Wiktor Kobyliński (autor tej notatki)- obliczenia aerodynamiczne i osiągi w próbach, grzanie, studia przedprojektowe, siedzą: XX, Jacek Walczewski (z kamerą) - odbiór tematu ze strony PIHM, X i Franciszek Starorypiński - Kraków - próby w locie i eksploatacja rakiet. (XX - osoby niezidentyfikowane).
Z za­an­ga­żo­wa­nych merytorycznie w Projekt Meteor brak na zdjęciu: dr inż Justyn Sandauer - dyrektor naukowy ILot do jesieni 1968, Waldemar Dylewski - obliczenia wytrzymałościowe konstrukcji, Antoni Jankowski - budowa i próby silników, Jerzy Grodzicki - kierownik laboratorium i intendent logistyki prób.