Electron – pierwsza na świecie rakieta „zasilana bateryjnie”

Rakieta Electron firmy Rocket Lab

Electron jest dwustopniową rakietą orbitalną, zaprojektowaną i używaną przez Rocket Lab do komercyjnego wynoszenia małych satelitów. Jest to pierwsza na świecie rakieta, która używa cyklu pracy z użyciem pomp elektrycznych.

Electron z widocznymi dziewięcioma silnikami Rutherford

Electron jest w stanie wynieść ładunek o masie 225 kilogramów na LEO (Low Earth Orbit – Niska Orbita Okołoziemska), a koszt jego startu wynosi niecałe 5 milionów dolarów. To niewiele w porównaniu do kosztu startu Falcona 9 lub Atlasa V.

Rocket Lab został założony w Nowej Zelandii w 2006 roku przez Petera Becka. Aktualnie główna siedziba znajduje się w Stanach Zjednoczonych a jednostka zależna (spółka córka) w Nowej Zelandii. Electron lata więc pod amerykańską banderą. Misją firmy było stworzenie efektywnej kosztowo usługi, wycelowanej w niszę małych i mikrosatelitów. Do tej pory, firmy chcące wysłać mikrosatelitę, musiały niejako podłączać się do startu jakiegoś dużego. Z tego też powodu miały niewiele do powiedzenia na temat daty startu oraz docelowej orbity swojego ładunku.

Rakieta Electron w całej okazałości

Program rakiet Electron został uruchomiony, w celu zapewnienia elastycznej usługi wysyłania małych ładunków na orbitę. Rakieta została zaprojektowana w taki sposób, że może wykonywać zarówno dedykowane loty z jednym satelitą, jak i łączone (głównie na GEO), które pozwalają na jeszcze większe obniżenie ceny.

Kolejnymi zaletami Rocket Lab są możliwość szybkiego zaplanowania lotu oraz integracja ładunku z rakietą trwająca tylko kilka godzin.

Zdjęcie: Rocket Lab

W 2009 roku Rocket Lab wysłał rakietę Ātea-1 na sub-orbitalną misję, która miała symboliczny charakter – po raz pierwszy prywatna firma z południowej półkuli przekroczyła granicę kosmosu. Firma otrzymała kontrakt od U.S. Operationally Responsive Space Office na zbadanie możliwości stworzenia niskobudżetowego systemu wynoszenia nanosatelitów. Projekt został ufundowany przez kilka prywatnych przedsiębiorstw ze Stanów Zjednoczonych oraz Nowej Zelandii.

Rocket Lab Launch Complex 1 – Zdjęcie: Rocket Lab

Podstawowym kompleksem startowym rakiety Electron jest Rocket Lab Launch Complex – 1 znajdujący się na półwyspie Mahia na północnej wyspie Nowej Zelandii. Udostępnia on korytarze startowe na wiele różnych orbit, włączając w to orbitę heliosynchroniczną. Pierwotnie, główna baza miała się znajdywać w Kaitorete Spit, który jest blisko drugiego pod względem wielkości miasta Nowej Zelandii, Christchurch, w którym firma planowała zbudować fabrykę rakiet. Budowa jednak nie doszła do skutku z powodu niemożliwości uzyskania odpowiednich pozwoleń.

Pracownicy firmy Rocket Lab

Budowa bazy w mieście Mahia rozpoczęła się w grudniu 2015 roku i trwała do czerwca 2016. Zbudowano 50 tonową platformę startową wraz z wieżą, hangar dla rakiet Electron oraz infrastrukturę naziemną do tankowania rakiety. Zadbano także o polepszenie infrastruktury drogowej i telekomunikacyjnej w najbliższej okolicy. Ceremonia otwarcia odbyła się 26 września 2016.

Aby zapewnić sobie możliwość regularnych startów, Rocket Lab podpisał porozumienie z narodowym operatorem lotniczym Airways New Zeland w celu wydzielenia specjalnej strefy powietrznej dookoła bazy. Firma uzyskała licencję uprawniającą ją do startów co 72 godziny na okres 30 lat. Firma planuje dokonywać jednego startu na tydzień. Electron startujący z RLLC-1 może wynieść ładunek na orbitę o inklinacji od 39 do 98 stopni.

Electron pozytywnie przeszedł testy w 2016 roku i firma planuje rozpocząć program lotów testowych na początku roku 2017 a następnie przejście rakiety do działania operacyjnego. Przewidywany koszt dedykowanego lotu rakiety Electron wynosi 4,9 miliona dolarów. Misje łączone mają się odbywać raz na kwartał, w zależności od zapotrzebowania, oraz z ceną rozpoczynającą się na 77 000 dolarów za satelitę 1U oraz 340 000 dolarów za 3U. Electron będzie miał miejsce na 82 jednostki CubeSat, podzielone odpowiednio na dwa miejsca 12U, cztery miejsca 6U, dziesięć miejsc dla 3U oraz cztery miejsca dla 1U. Wyniesienie takiego ładunku kosztować będzie łącznie ok 6,5 miliona dolarów.

Specyfikacja rakiety Electron

Electron jest pierwszą na świecie rakietą orbitalną wykorzystującą pompy elektryczne. Ma wysokość 17 metrów oraz średnicę 1,2 m. Składa się z dwóch stopni napędzanych za pomocą dziesięciu silników i może wynieść ładunek o masie 150 kilogramów na orbitę heliosynchroniczną o wysokości 500 km. Rakieta korzysta z nowoczesnych technologii, takich jak materiały kompozytowe i druk 3D, aby zapewnić wydajny system do wynoszenia małych satelitów, który jest prosty i tani w budowie i umożliwia częste starty.

Typ Electron
Wysokość 17 m
Średnica 1,2 m
Masa startowa 12550 kg
Ilość stopni 2
Ilość dodatkowych rakiet nośnych Brak
Ładunek na LEO 225 kg
Ładunek na SSO 150 kg (500km SSO)
Koszt startu $4,9 Milionów

Inżynierowie pracujący nad rakietą Electron przyjęli podobne podejście do twórców Falcona 9 firmy SpaceX, gdzie pierwszy stopień napędzany jest przez dziewięć identycznych silników, a drugi stopień przez jego zmodyfikowaną wersję, zoptymalizowaną do działania w warunkach próżni. Rocket Lab wykonał wszystkie komponenty rakiety we własnej fabryce, włączając w to silnik Rutherford, nazwany na cześć, nowozelandzkiego naukowca Ernesta Rutherforda.

Electron to pierwsza rakieta orbitalna, która wykonana jest w całości z materiałów kompozytowych, wykorzystująca kompozyty węglowe do uzyskania mocnej i bardzo lekkiej struktury. Rocket Lab zbudował także kompozytowy zbiornik na ciekły tlen, pozwalający na znaczące obniżenie masy względem konwencjonalnych technologii. Oba stopnie Electrona używają ciekłego tlenu i kerozyny jako paliwa napędowego.

Silnik Rutherford

Rutherford to silnik rakietowy wykorzystujący pompy elektryczne, napędzany za pomocą ciekłego tlenu (w roli utleniacza) oraz RP-1 (kerozyny). Skonstruowano dwie wersje, jedną do użytku w pierwszym stopniu rakiety oraz drugą, zoptymalizowaną do działania w warunkach próżni, posiadającą powiększoną dyszę, dzięki czemu może napędzać drugi stopień Electrona.

Zdjęcie: Rocket Lab

Jest to pierwszy operacyjny silnik rakietowy wykorzystujący cykl pracy z użyciem pomp elektrycznych. Pozwala to na zmniejszenie kosztów jego budowy oraz znaczne uproszczenie konstrukcji. Jest to także pierwszy silnik napędzany mieszanką ciekłego tlenu i kerozyny, wykorzystujący technologię druku 3D do wytwarzania jego wszystkich najważniejszych elementów: komory silnika, wtryskiwacza, pomp oraz głównych zaworów paliwowych. Rocket Lab twierdzi, że wyprodukowanie komponentów potrzebnych do budowy jednego egzemplarza trwa 24 godziny, co pozwala na masową produkcję tego silnika i utrzymanie wysokiej częstotliwości lotów Electrona. Do budowy dyszy i komory spalania użyty został Inconel, stop niklu, chromu i żelaza, który pozwala wytrzymać ciśnienie i temperaturę występującą podczas procesu spalania.

Unikalny cykl pracy silnika Rutherford używa dwóch bezszczotkowych silników prądu stałego do napędzania turbozespółów. Każdy z tych małych silników elektrycznych jest wielkości puszki Coca-Coli i dostarcza moc 50 koni mechanicznych (37kW) pracując z prędkością 40000 obrotów na minutę. Główną zaletą cyklu pracy napędzanego silnikiem elektrycznym jest jego prostota – eliminuje on skomplikowane generatory gazu oraz systemy turbin, które są najbardziej skomplikowanymi częściami nowoczesnych silników napędzanych paliwem ciekłym i znacząco zwiększają ich koszt oraz czas produkcji. Wadą rozwiązania z pompami elektrycznymi jest jednak zestaw ciężkich baterii, które muszą zasilać silniki. Na szczęście uproszczenie konstrukcji i eliminacja wielu ciężkich części silnika, np. turbin, częściowo kompensuje ten problem.

Silnik Rutherford

Rutherford używa systemu chłodzenia regeneratywnego – kerozyna jest pompowana przez rury przechodzące przez komorę spalania, dzięki czemu ciepło transferowane jest do paliwa, które potem spala się w tej samej komorze. Jeden silnik Rutherford, bez baterii, waży ok 20 kilogramów.

Kolejną zaletą używania silników elektrycznych do pompowania paliwa jest możliwość precyzyjnej regulacji mieszanki oraz możliwość regulacji siły ciągu całego silnika. Konwencjonalne sterowanie silnika opartego o generator gazu jest zdecydowanie bardziej skomplikowane. Silniki elektryczne zasilane są za pomocą zestawu 16 baterii litowo-polimerowych znajdujących się wewnątrz rakiety.

Wersja silnika używana w pierwszym stopniu, posiada dyszę o średnicy ok 20 cm i na poziomie morza generuje ciąg o wartości 16,9 kN, który rośnie do 20,3 kN w próżni. Impuls właściwy tej wersji wynosi 303 sekundy. Wersja zoptymalizowana do działania w próżni, generuje 22 kN ciągu przy stosunkowo dużym impulsie właściwym wynoszącym 333 sekundy. Podczas nominalnej pracy, Rutherford zużywa trochę mniej niż 7 kilogramów paliwa na sekundę.

Pierwszy stopień

Pierwszy stopień rakiety Electron

Typ Pierwszy stopień Electrona
Wysokość 12,1 m
Średnica 1,2 m
Masa własna 950 kg
Masa paliwa 9250 kg
Paliwo RP-1 (kerozyna)
Utleniacz Ciekły tlen
Zbiorniki Kompozytowe
Napęd 9 x Rutherford
Typ silnika Cykl z pompą elektryczną
Ciąg (poziom morza) 16.89 kN
Ciąg (próżnia) 20.33 kN
Ciąg startowy 152 kN
Impuls właściwy 303 s
Waga silnika 20 kg
Czas pracy ~155 s
Utrzymywanie ciśnienia Hel
Kontrola położenia Wychylenie silników
Separacja stopni Pneumatyczna

Pierwszy stopień rakiety Electron ma 12,1 metra wysokości i 1,2 metra średnicy oraz 950 kg masy własnej. Stopień ten zawiera zespół napędowy składający się z dziewięciu silników Rutherford, zestaw baterii napędzających elektropompy i dwa kompozytowe zbiorniki na ciekły tlen oraz kerozynę. Zbiorniki te zajmują znaczną część objętości rakiety. Zarówno struktura rakiety jak i zbiorniki są wykonane z kompozytów węglowych.

Pierwszy stopień mieści w sobie 9250 kg paliwa, zużywanego przez dziewięć silników Rutherford ustawionych w systemie „Octaweb„, podobnie jak w silniku Falcon 9, gdzie osiem silników ustawionych po okręgu otacza jeden, centralny. Takie ustawienie jest najkorzystniejsze, ponieważ zmniejsza ilość elementów nośnych potrzebnych do przeniesienia ciągu generowanego przez silniki na zewnętrzną strukturę nośną rakiety.

Elektron posiada ciąg całkowity wynoszący 147 kN, rosnący do 183 kN podczas lotu przez rozrzedzoną, górną warstwę atmosfery. Pierwszy stopień rakiety Electron pracuje przez około dwie i pół minuty.

W pierwszym stopniu znajduje się 13 zestawów baterii litowo-polimerowych, zainstalowanych w dolnej części rakiety, w bezpośredniej bliskości silników. Baterie są wstanie wygenerować 1 MW energii podczas krótkiej pracy pierwszego stopnia. Trzyosiowa kontrola rakiety podczas pracy pierwszego stopnia możliwa jest dzięki odchylaniu wszystkich dziewięciu silników.

Electron używa helu w celu utrzymywania odpowiedniego ciśnienia w zbiornikach paliwa a separacja stopni odbywa się za pomocą pneumatycznego systemu opracowanego przez Rocket Lab.

Drugi stopień

Drugi stopień rakiety Electron

Typ Drugi stopień Electrona
Wysokość 2,4 m
Średnica 1,2 m
Masa własna 250 kg
Masa paliwa 2150 kg
Paliwo RP-1 (kerozyna)
Utleniacz Ciekły tlen
Zbiorniki Kompozytowe
Napęd 1 x Rutherford Vacuum
Typ silnika Cykl z pompą elektryczną, opt. do próżni
Ciąg 22 kN
Impuls właściwy 333 s
Czas pracy ~320 s
Kontrola położenia Wychyleie silnika
Kontrola obrotu RCS

Drugi stopień rakiety Electron odpowiedzialny jest za przyspieszenie ładunku do odpowiedniej prędkości, umożliwiającej wprowadzenie go na docelową orbitę po tym jak pierwszy stopień zakończy pracę. Ma wysokość 2,4 metra oraz taką samą średnicę jak stopień pierwszy, czyli 1,2 metra. Posiada on 250 kg masy własnej i tak jak pierwszy stopień, kompozytową strukturę i zbiorniki na paliwo.

Koncepcja rakiety Electron jest bardzo podobna do tej wykorzystywanej przez SpaceX – jeden silnik, którego kilka identycznych egzemplarzy napędza pierwszy stopień oraz jego zmodyfikowana wersja do pracy w próżni dla drugiego stopnia. Wersja Rutherford Vac posiada rozszerzoną dyszę zapewniającą optymalną pracę podczas lotu poza atmosferą ziemską.

Drugi stopień mieści w sobie 2150 kilogramów paliwa, umożliwiającego jego działanie przez ok 5,5 minuty. Posiada ona także 3 zestawy baterii litowo-polimerowych zasilających silnik podczas jego pracy. Dwie baterie zostają odrzucone, ponieważ wyczerpują się podczas wznoszenia się. Jedna bateria zabierana jest na orbitę i zostaje w drugim stopniu aż do ponownego wejścia w atmosferę. Niska temperatura samozapłonu, wynosząca tylko 150°C powoduje, że baterie spalają się całkowicie podczas ponownego wejścia w atmosferę.

Kontrola położenia drugiego stopnia uzyskiwana jest poprzez odpowiednie wychylanie głównego silnika oraz dzięki systemowi RCS (Reaction Control System), używającego zimnego gazu do obrotu i kontroli w trzech osiach podczas ostatniego etapu lotu oraz rozmieszczania satelitów.

Drugi stopień posiada awionikę i komputery kontroli lotu całej rakiety. Wszystkie systemy zostały skonstruowane i wyprodukowane przez Rocket Lab w ich własnej fabryce. Opierają się one głównie na technologii FPGA (Programowalnych Bramek Logicznych), która umożliwia łatwe dostosowywanie działania przy braku zmian sprzętowych.

Owiewki ładunku

Owiewki rakiety Electron

Owiewki Standardowe
Wysokość 2,5 m
Średnica 1,2 m
Masa 50 kg

Electron wykorzystuje kompozytowe owiewki o średnicy 1,2 m (jak cała rakieta) oraz wysokości 2,5 m, oferując wystarczającą ilość miejsca dla wszystkich satelitów, które zawierają się w klasie wagowej, którą jest w stanie wynieść. Owiewki ważą 50 kilogramów i są odrzucane niedługo po separacji obu stopni rakiety.

Zestaw owiewek Electrona

Jednym z mocnych punktów oferty Rocket Lab jest pomysł na modułową integrację, oddzielając integrację ładunku od ogólnego przygotowywania rakiety do misji. Klienci mogą wykonać integrację ładunku na własną rękę, w swoich własnych budynkach i dzięki własnym pracownikom, umieszczając satelitę w module, a następnie wysłać go w kontenerze zapewniających kontrolę środowiskową do głównej bazy firmy Rocket Lab. Integracja modułów z rakietą odbywa się następnie w ciągu kilku godzin. Koncepcja ta jest szczególnie interesująca dla operatorów satelitarnych, które nakładają specjalne obostrzenia na swoje ładunki, dzięki czemu Electron nadaje się do wynoszenia ładunków rządu USA.

Podejście modułowej integracji ładunku umożliwia klientom być zawsze w gotowości do wystrzelenia swojego ładunku, bez kaskadowania opóźnień w startach.

Firma Rocket Lab zapowiedziała ostatnio, że na początku roku 2017 odbędą się trzy loty testowe rakiety Electron. Pierwszy z nich odbędzie się bez żadnego ładunku a dwa kolejne wyniosą już komercyjne satelity. Firma planuje wystrzelenie łącznie siedmiu rakiet w 2017 roku. Na tę chwilę dokładna data pierwszego startu nie jest znana.

Źródło: Spaceflight101

Gadżeciarz. entuzjasta technologii, inżynier i redaktor naczelny serwisu Musk Industries. Zafascynowany rozwojem technologii i eksploracją kosmosu. Po doświadczeniu lotu w stanie nieważkości ma nowy cel: lot suborbitalny lub orbitalny.

6 komentarzy

  1. CosteC napisał(a):

    Błagam o zatrudnienie autorów/tłumaczy władających językiem polskim zamiast bezkrytycznego użycia automatycznych translatorów. Owiewki są w motocyklach, cykl spalania może mieć silnik Diesla, a nie rakietowy. Skrót FPGA ma 4 litery, naprawdę można przetłumaczyć 4 z 4 a nie 3 z 4. Nikiel to metal z polską nazwą od paru stuleci, kopiowanie angielskiego „nickel” nie ma sensu. Błędy w oryginalnym artykule nie usprawiedliwiają słabego tłumaczenia.

    • Bartłomiej Górnicki napisał(a):

      Z niklem to fakt, przeoczenie, ale z resztą uwag się nie zgadzam. Osłonę ładunku w rakietach od dawna nazywa się owiewkami a silniki rakietowe także posiadają cykl spalania, czy Ci się to podoba, czy nie. To, że skrót angielski ma cztery znaki, nie znaczy, że na siłę trzeba wszystkie tłumaczyć.

      • CosteC napisał(a):

        Poproszę źródła zatem, chętnie przekonam się, że silnik rakietowy pracujący ze spalaniem ciągłym ma „cykl spalania”. Termin ten bywa używany ale jako skrót myślowy, wprowadzający zresztą w błąd – cykl zakłada etapy które się czymś różnią. Silnik rakietowy takich nie ma. Nowatorstwo silnika w artykule polega na elektrycznym napędzie pompy paliwa i utleniacza zamiast zazwyczaj stosowanego generatora gazowego, ale nie mylmy tego z cyklem spalania który jest niezależny od napędu pomp.

        Owiewka – rakiety nie mają owiewek. Mają osłony aerodynamiczne.

        Co do skrótów proponuję zatem nie tłumaczyć skoro sprawia to trudności.

        • Bartłomiej Górnicki napisał(a):

          Podałem link do grafiki, która pokazuje cykl spalania. To, że paliwo jest spalane ciągle, nie znaczy, że takie coś jak cykl tam nie istnieje. Cykl hydrologiczny Ziemi wg Ciebie także nie istnieje jak rozumiem, bo odbywa się ciągle?

          Osłony aerodynamiczne są inaczej zwane owiewkami.

          Tłumaczenie skrótów nie sprawia trudności, ale proszę, możesz się wykazać i zaproponować jakieś.

  1. 24 marca 2017

    […] wynikającym z postępującej miniaturyzacji. Firma Rocket Lab zamierza wystrzelić swoją rakietę Electron już w tym roku, a Virgin Orbit (dawniej część Virgin Galactic) przygotowuje rakietę Launcher […]

  2. 3 maja 2017

    […] Vector Space Systems to mała firma, która chce zrewolucjonizować rynek wynoszenia małych satelitów. Do tego celu buduje dwie rakiety orbitalne: Vector-R (Rapide) i Vector-H (Heavy), pozwalające wynieść kolejno 50 kg i 100 kg na niską orbitę okołoziemską (LEO). Mają to być najmniejsze rakiety orbitalne na świecie. Firma celuje w podobny rynek co Rocket Lab ze swoją „elektryczną” rakietą Electron. […]

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *