Motorer for X-33, X-34 og Delta 4

Av Øyvind Ryan

Det er lenge siden siste store nyvinning innen utvikling av rakettmotorer for romfartsindustrien. Utviklingen av hovedmotorene til romfergen ble gjennomført så tidlig som slutten av 1970-tallet. De siste fem årene er det kommet flere prosjekter som ser ut til å akselerere utviklingen igjen. Viktig testing av rakettmotorene som er planlagt brukt i X-33, X-34 og Delta 4 er nå kommet til en innledende fase.

Hovedmålet for prosjektene er utvikling av rakettmotorer til en lav pris. Prosjektene har skapt en liten revolusjon i utviklingen av rakettmotorer, da det for bare fem år siden var få nye rakettmotorer i emning. Den oppblomstringen som nå skjer gjør at milliarder blir investert i forskning og utvikling, og nye firmaer får en mulighet til å etablere seg på markedet. Av nye firmaer som baserer sin virksomhet på rakettfremdrift kan nevnes Barber-Nichols Inc. (Arvada, Colorado) og Summa Technology Inc. (Huntsville, Alabama). Mer etablerte selskaper som Boeing/Rocketdyne, Aerojet og en del russiske firmaer forventer derfor skarpere konkurranse i utviklingen av nye konsepter. Av de prosjektene som omtales, er det X-34 som skal ferdigstilles først. Rakettmotoren som skal brukes her går under navnet Fastrac.

Fastrac-motoren (X-34)

Denne motoren skal brukes på X-34 i forbindelse med flyvninger opp til 8 mach, og opp til 80 km høyde. Alt i alt skal sju motorer bygges for NASA av Orbital Sciences Corp. Motoren vil drives av oksygen og parafin, og vil ha en skyvekraft på 27,2 tonn. Testing blir foretatt ved NASAs Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama. De siste månedene har man testet turbopumpene, hvordan det kalde drivstoffet oppfører seg og innsprøytningsmekanismen. Det skal også foretas diverse andre tester av rakettkamrene ved avfyringer. Innsprøyting i motoren vil i den forbindelse bli foretatt i 150-sekunders intervaller, noe som tilsvarer en tur med X-34 for motorens del. Kammerdysen i motoren har vist tendenser til sprekker ved tidligere avfyringer. Dette tror man kom av en produksjonsfeil, og problemet skal være løst. Det samme gjelder noen problemer med turbomaskineriet.

Ledere i Marshalls romtransportprogram sier at den nye innsprøytningsmekanismen som utvikles i forbindelse med motoren vil kunne presse prisen på innsprøytningsmekanismer for hydrogen-/parafin-motorer fra 2,5 millioner kroner, som er hva denne delen koster på en Atlas-rakett, ned til omtrent 400 000 kroner.

Nytt er også at pumpene for drivstoff og oksidasjonsmiddel i motoren er satt på samme aksel. Dette, sammen med ny støpeteknologi, gjør at ingeniører fra Barber-Nichols og Marshall tror at de har utviklet en ny rakettpumpe med en markedspris på rundt to millioner kroner. Til sammenligning har de tilsvarende pumpene på dagens Atlas-raketter en pris på rundt sju til åtte millioner kroner. Utviklingen av billigere turbopumper og innsprøytingsmekanismer vil kunne gjøre det mulig å lage fullstendige oksygen-/petroleums-motorer som Marshalls Fastrac-motor til rundt sju til åtte millioner kroner. Dette er rundt sju ganger billigere enn dagens motorer.

Etter planen skal monteringen av hele Fastrac-motoren fullføres i disse dager, hvorpå den vil bli levert til NASAs Stennis Space Center. Motoren kan bli erstattet av den russiske motoren NK-39 på visse flyvninger av X-34. Dette vil skje hvis motoren møter uforutsette problemer i utviklingsfasen. I så fall vil NK-39 fungere som en reserve, og dermed minimere risikoen for videre forsinkelser. Det har allerede vært visse problemer i utviklingsfasen til Fastrac-motoren, uten at man tror disse får innvirkning på datoen for første prøveflyvning. Videre vil Fastrac-motoren ikke kunne brukes på flyvninger hvor X-34 skal holde konstant hastighet. Dette skyldes at man ikke kan justere skyvekraften til motorene under selve flyvningen. Ved konstant avfyring av rakettmotoren vil hastigheten gradvis øke etter hvert som drivstoffet blir brukt opp og farkostens totalmasse avtar. NK-39 ble utviklet på 1960- og -70-tallet av et russisk firma. Den er en liten versjon av NK-33, som igjen skal brukes i et gjenbrukbart rakettsystem utviklet av Kistler Aerospace. NK-39 modifiseres av GenCorp Aerojet for flyvning med X-34. De første motoriserte flyvninger med X-34 er ment å starte sent i 1999. Dette er ett år senere enn hva man hadde planlagt før man bestemte seg for å bygge to farkoster i stedet for én. Før dette vil man ha en flyvetest av X-34 uten avfyring av motorene for å teste flyveegenskaper, navigasjons- og landingssystemer. Disse prøveturene er viktige, siden X-33 med sin XRS-2200-motor senere skal fly med samme type elektroniske kontrollsystem. Begge X-34-farkostene bygges av Orbital Sciences Corp. Selskapets kontrakt med NASA er på omtrent en halv milliard kroner. Den dekker også de første to flyvningene med X-34, med opsjon på 50 videre flyvninger.

Boeing/Rocketdynes aerospike-motor (XRS-2200)

Dette er den mest banebrytende nye motoren av dem som beskrives her. Motoren drives av oksygen og hydrogen, og vil kunne gi X-33 en skyvekraft på tilnærmet 227 tonn. (X-33 ble senest omtalt i artikkelen X-33 i Nytt om Romfart nummer 105, 1998, sidene 26-29.) XRS-2200 er en helt ny type motor, noe som skyldes at man har forsøkt å løse problemet med å gi motoren maksimal effektivitet, uavhengig av høyden i atmosfæren. Problemet her er at ekspansjonen av gass er mye større høyere oppe i atmosfæren, noe som gir forskjellig effektivitet på motoren i forskjellige høyder. Alle rakettsystemer frem til i dag har forsøkt å løse dette problemet ved å benytte flere trinn. X-33 vil heller benytte en tomotors konfigurasjon av aerospike-motorer. Totalt vil det være 20 avfyringsceller på hver side av to sammenfallende ramper. Hver av dem vil produsere en skyvekraft på grovt regnet 5,7 tonn. Bruk av så mange avfyringsceller gjør også retningskontroll over flere akser til en lettere oppgave.

Det er mange utfordringer ved design av X-33. Én av dem er hvordan man skal avkjøle de to sammenfallende rampene, når de på forskjellige tidspunkter kan operere ved forskjellige temperaturnivåer og forskjellig skyvekraft. Rampene er laget av en kobberlegering kalt Narloy-Z. Som i romfergemotoren vil man avkjøle rampen ved å la flytende hydrogen flyte gjennom rampen før det blir fraktet til avfyringscellene for avfyring. Forskjellen her fra romfergemotoren er at rør-systemet for hydrogenet i rampen er støpt som en enhet. Turbopum-pe-, drivstoff- og tenningsprøver er blitt foretatt de seneste månedene ved NASAs Stennis Space Center i Bay St. Louis, Missouri. Turbopumpene som skal drive X-33 er nesten 30 år gamle enheter. De er tatt fra J-2 oksygen-/hydrogen-motorer for Saturn Vs andre og tredje trinn. Disse ble laget for senere Apollo-ferder, men ble aldri tatt i bruk på grunn av kansellering av USAs månelandingsprogram tidlig på 1970-tallet. Siden den gang er de blitt oppbevart i konrollerte omgivelser, og siden de er i utmerket stand kan man bruke dem på X-33. Planen er at motoren skal testes i full skala ved Stennis Space Center i november. Første oppskyting av X-33 er planlagt til sommertider 1999. Dette tidspunktet holder man fast ved, selv om Lockheed Martin Skunk Works nylig har annonsert en tre måneders forsinkelse i den planlagte leveringsdatoen for motorene. Forsinkelser i utviklingen av motorene tror man kan bli tatt igjen senere ved justeringer i tidsskjemaet for montering av resten av X-33. X-33 er ment å være en prototyp for det senere fullt ut gjenbrukbare romtransportsystemet VentureStar.

Milliarder ble brukt på testing av aerospike-motorer så tidlig som sent på 1970-tallet. Teknologien ble den gang betraktet som for ukonvensjonell til å kunne benyttes i det bemannede romfergeprosjektet.

Hvis X-33 flyr som man håper den skal, vil aerospike-motoren starte en ny tidsalder for rakettmotorteknologi.

Boeing/Rocketdynes RS-68

Motoren drives av oksygen og hydrogen, og skal være førstetrinnsmotor for den planlagte Delta 4. Mens Fastrac-motoren kun er ment å demonstrere teknologi, er RS-68 mer ment som en operasjonell enhet med bedre ytelse enn noen annen eksisterende oksygen-/hydrogenbasert motor. Den skal kunne produsere en skyvekraft på 295 tonn ved start, og en skyvekraft på 338 tonn høyere opp i atmosfæren. Dette er hele 50 % kraftigere enn hovedmotorene for romfergen. Utviklingskostnadene for denne motoren er dog bare en brøkdel av de tilsvarende ut-viklingskostnadene for romfergemotorene. De første turbopumpe-testene, tester av drivstoffet og den første fullskalatesten av motoren er blitt foretatt de siste månedene. Testingen foregår ved det amerikanske flyvåpenets forsk-ningslaboratorium ved Edwards Air Force Base i California. Den siste delen av programmet før oppskyting vil bli gjennomført ved Stennis Space Center. Kostnadene for utviklingen av RS-68 vil avhenge av konkurranseforholdet til Lockheed Martins EELV-program (av Evolved Expendable Launch Vehicle) og selskapets RD-180. Men det er helt klart at kostnadene vil bli langt lavere enn ved utviklingen av andre oksygen-/hydrogenmotorer. Utviklingen av J-2 for Saturn V kostet rundt 12 milliarder kroner, mens romfergens motorer kostet omtrent 18 milliarder kroner, begge beløp i 1995-kroner. Prisreduksjonen er blant annet en konsekvens av ny datateknologi som har gjort det mulig med god simulering av hvordan drivstoffet flyter i motoren samt hvordan mekanikken fungerer. Alt i alt har ny datateknologi gjort det mulig å få motoren fra tegnebrettet til testing på rekordtid; det har tatt bare litt over 15 måneder. Forgjengerne har stort sett brukt mange ganger så lang tid i denne fasen. Ny datateknologi har også gjort det mulig å redusere antall komponenter med over 80 % sammenlignet med romfergemotoren. Som eksempel kan nevnes turbopumpen i RS-68. Den har 30 komponenter, mens tilsvarende enhet i romfergemotoren har 200 komponenter. Montering av deler av RS-68 er forenklet gjennom ny teknologi sammenlignet med romfergesystemet, hvor man i større grad var avhengig av separat støping av mange komponenter etterfulgt av manuell sammenstilling.

Ved å ta i bruk datateknologi har man kunnet foreta en tredimensjonal utforming av motoren på planleggingsstadiet, og mange dollar er blitt spart.

Første oppskyting av Delta 4 er planlagt i 2001.

Boeing/Rocketdyne har også planlagt en ny type motor som skal drives av oksygen og parafin og gi en skyvekraft på 408 tonn. Denne skal kunne brukes som fastspent motor på romfergen.

Den siste tids investeringer i ny motorteknologi gjør at også gamle motorkonsepter blir tatt frem igjen og modernisert. I forbindelse med Lockheed Martins EELV skal Pratt & Whitney oppgradere den russiske Energomasj RD-180. Testing av denne har foregått i Russland, og foregår for tiden også ved Marshall Space Flight Center. I forbindelse med Delta 3 er Pratt & Whitneys motor RL-10 oppgradert med en rakettdyse av sammensatte materialer utviklet av franske SEP. Selskapet Aerojet utvikler også en oppgradert versjon av motoren Agena 2000 for Lockheed Martins EELV-program. Nye selskaper som Kistler Aerospace oppgraderer også russiske rakettmotorer. Det er med andre ord mye spennende som kan skje i årene som kommer.

Tekster til illustrasjoner brukt i artikkelen

Testing av innsprøyting i Fastrac-motoren for X-34. Hovedmålet med motoren er å utvikle ny lavkostnads-teknologi for industrien.

Boeing/Rocketdynes aerospike-motor for X-33 bruker flere avfyringsceller, hver med en individuell skyvekraft på 5,7 tonn, som avfyres nedover rampen. Pumper montert i midten er fra Saturn Vs J-2-motorprogram.

J-2-motor fra tredje trinn på en Saturn V-rakett på utstilling ved Kennedy-romsenteret. Pumper fra J-2-motorer på lager vil brukes i X-33s aerospike-motorer.

Den nye Boeing/Rocketdyne RS-68 oksygen-/hydrogen-motoren for Delta 4 har en skyvekraft på 295 tonn ved oppskyting. Den arver noe av designen fra Saturn Vs J-2-motorer. (Boeing)

Fastrac-motoren som skal brukes på X-34 vil bli erstattet av russiske NK-39 på enkelte testflyvninger. Fastrac-motoren kan bli brukt på flyvninger fra slutten av 1999. (Orbital Sciences Corporation)