Boeing studerer solkraftdrevet baneoverføringstrinn

Av Øyvind Guldbrandsen

Det amerikanske aerospacekonsernet Boeing inngikk i februar 1998 en kontrakt på opptil 48 millioner dollar med USAs luftforsvar om bygging av et eksperimentelt, solkraftdrevet baneoverføringsfartøy kalt Solar Orbit Transfer Vehicle (SOTV). Man håper at prosjektet vil resultere i et operativt baneoverføringsfartøy som vil gi betydelig reduserte kostnader for oppskyting av nyttelaster til høye (primært geostasjonære) baner. Man planlegger å prøvefly testtrinnet i 2001, og håper at en fullskalaversjon kan fly i 2005 og bli operasjonell i 2007 eller 2008.

Baneoverføringstrinn (eller bane-til-bane-fartøyer) har vært benyttet siden romalderens tidligste år. Deres vanligste oppgave er å bringe nyttelast fra lav jordbane opp til en høyere en. Det går for seg ved at bærerakettens nederste trinn (eventuelt romfergen, som ikke kan komme seg høyere enn noen hundre kilometer) bringer det øvre trinnet, som har oppgaven som baneoverføringstrinn, opp til en parkeringsbane, normalt et par hundre kilometer høy. (Ofte trengs en innledende avfyring av baneoverføringstrinnet selv for å komme opp i denne banen.)

Etter å ha kretset litt i parkeringsbanen, vanligvis en halv gang eller så rundt Jorden, tenner baneoverføringstrinnet (for første eller andre gang) og sender nyttelasten inn i for eksempel en geostasjonær overføringsbane. Denne banen er avlang, med laveste punkt omtrent på høyde med den opprinnelige parkeringsbanen, og høyeste punkt på høyde med den geostasjonære banen, det vil si 35 800 km. (Enkelte ganger benyttes overføringsbaner med høyeste punkt lavere eller betydelig over dette.)

Skal banen bli geostasjonær, det vil si kretse rundt Jorden på 24 timer over ekvator og således stå stille i forhold til bakken, må baneoverføringstrinnet vente i 5-6 timer til det har svevet opp til høyden på knappe 36 000 km. Der må det foreta en ny avfyring, som både gjør banen sirkelrund i denne høyden og parallell med ekvator, det vil si gir den en ekvatorinklinasjon på 0°. Nyttelasten kan så frakobles baneoverføringstrinnet.

Det er egentlig mest vanlig at man benytter en annen variant, hvor nyttelasten frakobles baneoverføringstrinnet allerede straks etter at den er sendt inn i geostasjonær overføringsbane. Nyttelasten benytter da sine egne rakettdyser for å komme opp i endelig geostasjonær bane.

En tredje variant, en mellomting mellom de to førstnevnte, benyttes ved Proton-oppskytinger: Fjerdetrinnet, som benyttes som baneoverføringstrinn, sender først seg og nyttelasten opp fra lav parkeringsbane til geostasjonær overføringsbane på rundt 250 km x 36 000 km og 51° inklinasjon. Å gjøre en bane med så høy inklinasjon (et resultat av at oppskytingene foregår fra Bajkonur) geostasjonær krever store mengder drivstoff. Arbeidet blir derfor fordelt mellom fjerdetrinnet og nyttelasten: Ved høyeste punkt i den geostasjonære overføringsbanen tenner fjerdetrinnet på nytt og bruker resten av drivstoffet sitt til å endre banen til rundt 10 000 km x 36 000 km og 12° inklinasjon. Derfra kommer nyttelasten seg opp til geostasjonær bane på egen hånd.

Massen til nyttelast som ender i geostasjonær bane er i størrelsesorden bare på rundt 20 % av massen (nyttelast + baneoverføringstrinn + drivstoff) som innledningsvis ble sendt opp til parkeringsbane. Dette varierer dessuten mye, alt etter inklinasjonen til parkeringsbanen og drivstofftypen i baneoverføringstrinnet. Baneoverføringstrinn benyttes naturlig nok også til å sende nyttelaster fra parkeringsbane til andre høyere baner, eller helt ut av jordbane dersom målet er et annet himmellegme eller tilsvarende.

I likhet med bærerakettenes nedre trinn benytter dagens baneoverføringstrinn seg av kjemisk drivstoff, hvor brennstoff og oksidasjonsmiddel blandes og gjennomgår en kjemisk forbrenning i rakettmotoren. Denne metoden er effektiv når det gjelder å oppnå høy skyvekraft, noe som er viktig i starten av en oppskyting, når en bærerakett på hundrevis av tonn skal løfte seg loddrett oppover.

Er man først i kretsløp, er høy spesifikk impuls (Isp), som enkelt sagt betyr hvor mye skyvekraftenergi man får ut per masseenhet drivstoff, betydelig viktigere enn høy skyvkraft. Her er kjemiske fremdriftssystemer temmelig ineffektive.

Den mest effektive drivstoffkombinasjonen i bruk, hydrogen og oksygen, kan med avanserte rakettmotorer oppnå en spesifikk impuls på opp mot 460 s i vakuum (det vil si at 1 kg drivstoff kan gi en skyvekraft på 9,8 N (eller 1 kilopund) i 460 s). Andre, enklere håndterlige drivstofftyper, som fast eller hypergolsk drivstoff (for eksempel hydrasin/nitrogentetroksid, som tenner ved kontakt og kan oppbevares i tilnærmet romtemperatur), ligger i området rundt 300.

Hoveddelen av baneoverføringstrinnet som Boeing skal bygge vil utgjøres av en tank med flytende hydrogen, som vil være det eneste drivstoffet trinnet benytter. Under oppskytingen vil tre solspeil være foldet rundt tanken. I kretsløp vil disse foldes ut og konsentrere sollys på en grafittblokk som varmes opp til drøye 2000 °C. Hydrogenet føres gjennom grafittblokken, hvor det ekspanderer på grunn av opphetingen og strømmer ut med høy hastighet med skyvekraft som resultat. Man anslår at systemet vil gi en spesifikk impuls på rundt 800 s.

Ved NASAs Lewis Research Center ble det sommeren 1997 oppnådd en Isp på 760 s med en demonstrasjonsmotor som ble varmet opp til over 1800 °C. Grafittblokken vil også utstyres med termoioniske omformere som på testtrinnet vil levere 100 W elektrisk energi.

I praksis betyr den høyere spesifikke impulsen 55-70 % mer nyttelast til geostasjonær bane når baneoverføringstrinnet plasseres på eksisterende bæreraketter. Kapasiteten begrenses blant annet av at hydrogen har lav tetthet og således krever en stor drivstofftank, men det indre volumet i bærerakettenes nyttelastdeksler setter grenser for hvor stor man kan lage denne. Like aktuelt som tyngre nyttelast er det at nyttelaster med «normal» masse vil klare seg med et lettere baneoverføringstrinn dersom dette er solkraftdrevet, og at dette kan plasseres i parkeringsbane med mindre og rimeligere bæreraketter.

Man har allerede vedtatt at det første testtrinnet eventuelt (hvis prosjektet holder frem) vil bli skutt opp som sekundær nyttelast på en av det amerikanske luftforsvarets tidligste EELV-raketter (Evolved Expendable Launch Vehicle), i oktober 2001. Testtrinnet vil ha en masse på 620 kg, hvorav 83 kg er drivstoff. Trinnet er gjort relativt lite for å kunne skytes opp med en Taurus-rakett dersom EELV-programmet forsinkes. Skyvekraften vil ligge på 7,1 N (drøye 0,7 kilopond). Forholdet skyvekraft/fartøyets masse vil altså være på rundt 0,001, altså minimalt sammenlignet med kjemiske rakettmotorer.

Et operasjonelt solkraftdrevet baneoverføringstrinn vil dermed bruke 20 til 30 døgn på å løfte en nyttelast opp til geostasjonær bane, mot ned til en halv dag for dagens kjemiske trinn. Til sammenligning vil xenon-ion-motorer, som har skyvkraft under 0,25 N (og hittil bare er benyttet til stillings- og banefinjusteringer på en håndfull satellitter), bruke 6-12 måneder på samme oppgave. Xenon-ion-motorene har imidlertid spesifikk impuls på 3800 s. I første omgang vil det benyttes engangstrinn.

Boeing planlegger bruk på Delta 4/EELV og Sea Launch Zenit (selvfølgelig, siden det er disse bærerakettprosjektene konsernet er sterkt involvert i). Testferden i oktober 2001 inkluderer imidlertid også systemer som vil kunne lede til et gjenbrukbart baneoverføringstrinn.

Tekst til illustrasjon brukt i artikkelen

Utfoldbare speil fokuserer sollys på en grafittblokk hvor hydrogen varmes opp og strømmer ut med større hastighet enn hva som er mulig å oppnå med kjemisk forbrenning. Solkraftkonseptet skal testes i rommet i 2001, og et fullskalatrinn vil kunne bli operasjonelt i 2007 eller 2008.