Έχουν περάσει περισσότερα από 60 χρόνια από τότε που ο πρώτος άνθρωπος πάτησε το πόδι του στο διάστημα. Σήμερα, ο ονειρεμένος στόχος της ανθρωπότητας να κατακτήσει το διάστημα είναι πιο κοντά από ποτέ. Με πληθώρα ιδιωτικών εταιρειών που δημιουργούν τα δικά τους διαστημικά οχήματα, όπως η SpaceX και η Rocketlab, και κυβερνητικές οργανώσεις όπως η NASA και η ESA∙ η εξερεύνηση του ηλιακού μας συστήματος δεν είναι πλέον θέμα του εάν, αλλά του πότε!
Ενώ η ιδέα της εκτόξευσης κάποιας μάζας στο διάστημα είναι αρκετά ‘απλή’, υπάρχει μια πληθώρα τρόπων να πραγματοποιηθεί και μια ποικιλία μηχανών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Αναλόγως με την εφαρμογή, χρειάζεται ένα σύστημα ώθησης (propulsion system). Μπορείς να επιλέξεις μεταξύ μηχανών υψηλής ώθησης μικρής διάρκειας (high thrust engines of short duration) – που είναι ιδανικές για γρήγορη επιτάχυνση και απομάκρυνση από τη βαρύτητα της γης- ∙ ή μια μηχανή χαμηλής ώθησης, αλλά υψηλότερης ειδικής ώθησης (lower thrust but higher specific impulse engine), η οποία όμως δεν προσφέρει γρήγορη επιτάχυνση. Το τελευταίο είδος μηχανής δεν είναι χρήσιμη κατά την εκτόξευση από τη γη, είναι όμως στο διάστημα - όπου απουσιάζει η βαρύτητα και η ατμόσφαιρα της γης! Αυτή η μέθοδος προώθησης είναι χρήσιμη καθώς είναι πολύ πιο αποδοτική από τη μέθοδο υψηλής ώθησης, καθώς οι μηχανές αυτές μπορούν να λειτουργούν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Τα συστήματα προώθησης που χρησιμοποιούν χημικές ουσίες συνήθως ταξινομούνται ως συστήματα υψηλής ώθησης, ενώ όσα χρησιμοποιούν ηλεκτρική ώθηση ταξινομούνται ως σύστημα χαμηλής ώθησης. Αυτές οι δύο κατηγορίες έχουν άλλες υποκατηγορίες που λαμβάνουν το όνομα τους από τον τρόπο λειτουργίας τους. Για παράδειγμα, τα χημικά συστήματα μπορούν να διαιρεθούν σε στερεά, υγρά ή υβριδικά, όπου στα στερεά, τα χημικά που χρησιμοποιούνται είναι σε στερεά μορφή και τα υγρά σε υγρή μορφή, όπως υποδηλώνει και το όνομα τους. Στα υβριδικά γίνεται μια συνένωση των δύο, όπου εισάγεται το καύσιμο στερεό και το οξειδωτικό (oxidiser) σε υγρή μορφή.
Η κατηγορία υγρών χωρίζεται περαιτέρω στα μονο-προωθητικά (monopropellants) και στα δι-προωθητικά (bi-propellants), όπου τα δι-προωθητικά μπορεί να είναι είτε κρυογενικά (cryogenic), είτε όχι. Τα μονο-προωθητικά χρησιμοποιούν μόνο ένα καύσιμο, το οποίο έρχεται σε επαφή με έναν καταλύτη ο οποίος επιτρέπει στο καύσιμο να αποδιασπαστεί και να επιταχυνθεί παράγοντας ώθηση. Τα δι-προωθητικά, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, απαιτούν δύο στοιχεία, το καύσιμο και το οξειδωτικό, που με την ανάμειξη τους και εν συνεχεία την ανάφλεξή παράγουν ώθηση. Ένας πολύ συχνός συνδυασμός καυσίμου και οξειδωτικού σε δι-προωθητικές μηχανές είναι το υγρό υδρογόνο και το υγρό οξυγόνο.
Αυτές οι τρεις υποκατηγορίες έχουν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους, με τις υβριδικές να βρίσκονται κάπου στη μέση. Θα αναφερθώ μόνο σε μερικές από τις κύριες διαφορές τους. Οι στερεές πυραυλικές μηχανές (solid rocket motors) παρέχουν υψηλότερη ώθηση, αλλά χαμηλότερη ειδική ώθηση σε σύγκριση με τις μηχανές που χρησιμοποιούν στοιχεία σε υγρή μορφή (liquid rocket motors). Ένα από τα μεγαλύτερα μειονεκτήματα τους είναι ότι δεν μπορεί να επιτρέψει τη ρύθμιση της ώθησης που παράγει. Επομένως, μόλις ενεργοποιηθεί αυτή η μηχανή, δεν υπάρχει τρόπος να σταματήσει να καίει πριν τελειώσει το καύσιμο, σε αντίθεση με τους υγρούς κινητήρες που έχουν βαλβίδες και μπορούν να ρυθμίσουν τον ρυθμό ροής του καυσίμου (mass flow rate) και επομένως την ώθηση.
Αυτό το μειονέκτημα των στερεών μηχανών είναι πολύ σημαντικό όταν υπάρχουν στο διαστημόπλοιο ανθρώπινες ζωές, αφού με τη συνεχή ώθηση έρχεται ως αποτέλεσμα και η συνεχής επιτάχυνση, πράγμα που το ανθρώπινο σώμα μπορεί να αντέξει μόνο έως ένα σημείο. Επομένως, εάν θα χρησιμοποιηθούν στερεές μηχανές, αυτός είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας. Από την άλλη πλευρά, οι υγροί κινητήρες πυραύλων τείνουν να καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο, καθώς τα υγρά έχουν χαμηλότερη πυκνότητα από τα στερεά. Οι υβριδικοί προωθητικοί πυραυλοκινητήρες βρίσκονται κάπου ανάμεσα σε στερεούς και υγρούς, και η χρήση τους γίνεται σε κάποιες συγκεκριμένες αποστολές όπου χρειάζεται ένας συνδυασμός των θετικών των άλλων δύο μηχανών.
Όπως και οι χημικοί, έτσι και οι ηλεκτρικοί κινητήρες ταξινομούνται σε διαφορετικές κατηγορίες με βάση τη μέθοδο που χρησιμοποιούν για να παρέχουν ώθηση. Χωρίς να υπεισέλθω σε λεπτομέρειες, κάποιες κατηγορίες είναι η ιοντική προώθηση (ion propulsion; κινητήρας ιόντων), η προώθηση που χρησιμοποιεί το 'Hall-effect' και η θερμική/αντίσταση προώθηση. Η ηλεκτρική προώθηση χρησιμοποιείται κυρίως για δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά για την τήρηση της τροχιάς τους ή για δορυφόρους που ταξιδεύουν μέσω του ηλιακού συστήματος από τον έναν πλανήτη στον άλλο, καθώς μπορούν να παρέχουν τεράστια επιτάχυνση, αλλά μόνο εάν αφεθούν να λειτουργούν για πολύ χρόνο.
Η γενική αρχή του πώς λειτουργούν οι πύραυλοι και τι απαιτείται για να επιταχυνθούν, βασίζεται στην αρχή που διδαχθήκαμε στο σχολείο και είχε καταγράψει ο Νεύτωνας… για κάθε δράση υπάρχει μια αντίθετη και ίση αντίδραση! Επομένως, γι’ αυτό η επιτάχυνση των ιόντων (σύστημα ηλεκτρικής προώθησης/ electric propulsion system) είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους δεν παρέχει τόσο υψηλή ώθηση, όσο οι χημικοί πύραυλοι, όπου τα σωματίδια που επιταχύνονται είναι μεγαλύτερα σε μάζα.
Τα πιο πάνω ήταν μόλις μια πολύ μικρή εισαγωγή στον κόσμο των μηχανών των διαστημοπλοίων υπογραμμίζοντας τις πιο βασικές μηχανές. Στην πραγματικότητα υπάρχουν ακόμη περισσότερα είδη μηχανών και καθημερινά υπάρχουν νέες έρευνες για τον σχεδιασμό νέων, καλύτερων και πιο οικονομικών μηχανών. Ήταν μια πολύ μικρή γεύση ενός πολύ μικρού μέρους απασχόλησης ενός μηχανικού στον τομέα του διαστήματος. Ένα κύριο κατ’ εμένα σημείο που θα ήθελα να καταδείξω μέσα από αυτό το άρθρο είναι η σημαντικότητα της διαδικασίας ελέγχου. Κάθε μέρος του πυραύλου, από το μικρότερο όπως μια βίδα που θα χρησιμοποιηθεί, περνά από μια πολύ-επίπεδη και λεπτομερής ανάλυση. Όλες οι πτυχές του πυραύλου, από τη δομή και τα υλικά που χρησιμοποιούνται, τη μεταφορά θερμότητας και τον θερμικό έλεγχο, τα συστήματα προώθησης, τους αισθητήρες και τους ενεργοποιητές ελέγχου, την αεροδυναμική, την τηλεπικοινωνία με το έδαφος και πολλές άλλες περιοχές∙απαιτούν έναν αριθμό επαναλήψεων ελέγχου προκειμένου να συσταθεί η τελική διαμόρφωση που θα διασφαλίζει ότι πληρούνται όλα τα κριτήρια και οι παράμετροι.
Η κατασκευή τέτοιων μεγεθών είναι ίσως ένα από τα πιο περίπλοκα καθήκοντα που είχε να αντιμετωπίσει η ανθρωπότητα. Ωστόσο, μέσα από σκληρή δουλειά, αφοσίωση, πολλά σκαμπανεβάσματα και το πιο σημαντικό πάθος για αυτό που κάνουν, κατάφεραν να πάρουν τον άνθρωπο στο φεγγάρι, να έχουν ανθρώπους του Διεθνή Διαστημικού Σταθμού (ISS) σε τροχιά γύρω από τη γη, καθώς διαβάζεις αυτό το άρθρο υπάρχουν ήδη σχέδια και προετοιμασίες για να πάει ο πρώτος άνθρωπος σε άλλον πλανήτη.
Όσο ενδιαφέρον και να ακούγεται όλο αυτό, δυστυχώς υπάρχουν άνθρωποι που το κατακρίνουν λέγοντας ότι είναι ανούσιο να ξοδεύονται λεφτά για την εξερεύνηση του διαστήματος ενώ υπάρχουν μεγαλύτερα προβλήματα εδώ στη γη. Τι θα συμβεί όμως όταν γίνει ένα συμβάν μαζικής εξαφάνισης όπως είχε γίνει στο παρελθόν και εξαλείφθηκε σχεδόν η ζωή στη γη; Προσωπικά πιστεύω πως ζούμε σε μια πολύ συναρπαστική εποχή, όπου οι άνθρωποι αρχίζουν να εξερευνούν την κοσμική γειτονιά τους, ανεξάρτητα από το πόσο σκληρό και δύσκολο είναι, έχοντας πάντα κατά νου το περίφημο ρητό «Ad astra per aspera».
Άθως Επαμεινώνδα
MSc; Space Engineering Politecnico di Milano
BEng; Aerospace Engineering University of Sheffield
