La a 60-a aniversare de la primul zbor al Omului în cosmos

Suntem la distanța de 60 de ani de la una dintre cele mai importante realizări în aspirațiile omenirii de a deveni o specie multiplanetară, de la primul zbor al unui om în spațiul cosmic. Acest eveniment ocupă un loc aparte în istoria dezvoltării tehnologiilor spațiale, dar nu este nici primul, nici ultimul în acest șir de evenimente. Omul visa la un zbor spre stele din cele mai timpurii etape ale dezvoltării sale ca specie înzestrată cu rațiune. Astfel de aspirații au suferit o evoluție de la o stare spirituală către una rațională și de la o concepție fantastică ilustrată în operele lui Jules Verne spre realizarea rațională a posibilităților tehnologice pentru ieșirea din fântâna gravitației terestre. O primă etapă a acestor transformări o constituie dezvoltarea conceptelor teoretice ale științei rachetelor și astronauticii, formulate de rusul Konstantin Țiolkovski, americanul Robert Goddard și Hermann Oberth, născut la Sibiu în anul 1894.

La timpul respectiv, ideile teoretice erau considerate a fi utopice, percepție demonstrată prin respingerea lucrării de licență a studentului Hermann Oberth, legate de știința rachetelor, la Universitatea din Heidelberg în anul 1912. Oberth nu a pierdut timpul pentru a convinge opinia publică cu privire la perspectiva ideilor elaborate, apreciind sistemul de învățământ al vremii printr-o comparație cu o mașină cu farurile ațintite înapoi, iar teza de licență a fost susținută un an mai târziu la Universitatea din Cluj, totodată publicând cartea „Racheta în spațiul interplanetar”, în care propunea, printre alte idei, realizarea unei stații orbitale permanente. Lucrările sale teoretice erau însoțite si de realizări practice. În toamna anului 1929, Hermann Oberth a lansat prima sa rachetă cu combustibil lichid, numită Kegeldüse, fiind asistat în experimente de către studenți de la Universitatea Tehnică din Berlin, printre care și Werner von Braun.

Deși nu pot fi neglijate elaborările teoretice anterioare, bazele tehnologiilor spațiale au fost puse la laboratoarele de la Peenemünde din Germania, unde Werner von Braun a construit racheta cu denumirea Agregat 4 (A4), sau Vergeltungswaffen 2 (V-2). Trebuie să menționăm că la dezvoltarea acestei rachete s-au folosit circa 100 dintre invențiile și recomandările lui Hermann Oberth. La Peenemünde, în 1944, a avut loc primul zbor suborbital al rachetei V-2, care a atins înălțimea de 188 km la lansare verticală cu o încărcătură de 0,8 tone. Anume acest aparat de zbor a fost prototipul rachetelor balistice, elaborate ulterior în SUA și URSS. Aici trebuie să facem abstracție de factorul politic, și anume că aceste lucrări au fost efectuate în condițiile celui de-al Treilea Reich. De fapt, politicul, în esență, a fost mereu un obstacol, nu o forță motrice a lucrărilor îndreptate spre atingerea scopului savanților și inginerilor de a zbura spre alte planete. Hitler era interesat doar de dezvoltarea armelor de distrugere, astfel ca să obțină capacități de a transporta spre America focoase, inclusiv nucleare, care la acel moment erau, de asemenea, în curs de elaborare în cel de-al Treilea Reich. Pe de altă parte, aspirațiile genialului constructor von Braun ținteau mult mai departe chiar și în acea perioadă. Proiectele A-9/A-10 urmăreau dezvoltarea rachetelor în două trepte cu o altitudine de 400 km și o distanță de zbor de până la 5000 km, totodată fiind proiectată o rachetă în 4 trepte A-9/A-10/A11/A12 cu o capacitate de a plasa 10 tone pe orbita terestră joasă. Aparatul de zbor (în proiect) avea o înălțime totală de 70 m, un diametru de 11 m, și era propulsat de 50 de motoare A10 cu o forță totală de tracțiune de circa 80 MN. Desigur, acestea erau doar niște schițe de proiect departe de realizare, dar ele sunt un indiciu al viziunilor constructorului.

Oricum, elaborarea și testarea practică a rachetei V-2 a fost prima dintre marile realizări în dezvoltarea aparatelor cosmice de zbor, ea stând la originea competiției dintre cele două mari puteri în perioada postbelică, Uniunea Sovietică obținând accesul la documentația tehnică a lucrărilor de dezvoltare a rachetelor și specimenele rachetelor de la Peenemünde, precum și experiența unei echipe de ingineri, iar Statele Unite au beneficiat de experiența constructorului Werner von Braun și a altei echipe de ingineri.

Aparent, Statele Unite aveau un mare avantaj, dar implicarea politicului a inversat lucrurile. Werner von Braun era puternic limitat în acțiunile sale, din motivul legăturii sale din trecut cu naziștii. Politicul american nu putea accepta ca prima rachetă americană, care să trimită primul om în spațiu, să fie realizată de un fost nazist.

Uniunea Sovietică a beneficiat de această situație și a forțat la maximum lucrările, în eforturile sale de a compensa daunele pricinuite de politicul sovietic din anii precedenți. Cercetările în acest domeniu au început, de fapt, în Uniunea Sovietică, în anii 30 ai secolului trecut, în Laboratorul de Hidrodinamică (ГДЛ) și Grupul de Cercetare a Mișcării Reactive (ГИРД), fiind continuate în Institutul de Cercetări Reactive al Armatei Roșii (РНИИ РККА), fondat prin ordinul mareșalului Tuhacevski. Aceste lucrări, însă, au fost grav periclitate de represaliile staliniste, majoritatea directorilor de institute și de proiecte fiind executați, iar ceilalți savanți și ingineri, printre care și viitorii celebri constructori V. P. Glușko și S. P. Koroliov, ajungând în GULAG-uri. Doar printr-o minune aceste două personalități marcante au rămas în viață. S. P. Koroliov, în calitate de constructor principal de rachete, și V. P. Glușko, în calitate de constructor de motoare reactive, au beneficiat din plin de elaborările de la Peenemünde, ajungând în final, după o serie de rachete R1-R6, la performanta rachetă R7, dotată cu 4 motoare RD-107 în prima treaptă și cu un motor RD-108 în treapta a doua, fiecare dintre aceste motoare având o construcție excepțională cu patru camere și o forță de tracțiune de 80 tf la nivelul mării.

Cu racheta R7 au fost lansate primul satelit artificial al Pământului în 1957 și prima navă cosmică – Vostok 1, cu Iuri Gagarin la bord, în 12 aprilie 1961. Astfel, americanii au pierdut prima fază a cuceririi cosmosului, primul astronaut american Alan Shepard efectuând un zbor suborbital la 5 mai 1961, urmat de zborul astronautului John Glenn la 20 februarie 1962 pe orbita terestră joasă.

De fapt, toate lansările pilotate în URSS și Rusia se bazează pe racheta R7 cu modificațiile ulterioare, inclusiv lansările navelor cosmice Vostok (1961–1963), Voshod (1964–1965), Soyuz (1966–1976) și a modificațiilor mai moderne Soyuz-U (1973–2017), Soyuz-U2 (1982–1993) și Soyuz-FG (2004–prezent). Cu aceste aparate de zbor au fost transportați spre Stația Spațială Internațională și astronauții americani după finalizarea programului Space Shuttle în anul 2011.

Următoarea mare realizare a omenirii în cucerirea cosmosului a fost lansarea aparatelor de zbor spre Lună și prima aselenizare a pământenilor, iar această cursă a fost câștigată de către Statele Unite. După pierderea cursei pentru lansarea primului om în cosmos, establishment-ul politic american i-a dat undă verde lui Werner von Braun, care și-a demonstrat din plin geniul de constructor prin dezvoltarea rachetei Saturn V – cea mai puternică rachetă construită vreodată de omenire. Această rachetă avea o forță de tracțiune de zece ori mai mare decât cea a rachetei R7 (4000 tf contra 400 tf). Forța de tracțiune a rachetei Saturn V era asigurată de 5 motoare Rocketdyne F-1. Compania Rocketdyne a reușit stabilizarea arderii combustibilului (kerosen RP-1 cu oxigen lichid ca oxidant) într-o cameră de motor gigantică (dimensiunile motorului 5,6 m lungime și 3,7 m în diametru), obținând o tracțiune de cca 700 tf la nivelul mării într-o singură cameră (a compara cu tracțiunea motorului RD-107 de 80 tf în 4 camere). Având un astfel de motor la dispoziție și, în plus, motorul Rocketdyne J-2, cu funcționare în baza combustibilului de hidrogen lichid cu oxigen lichid în calitate de oxidant, cu o tracțiune de 100 tf într-o cameră, pentru treapta a doua a rachetei, von Braun a configurat racheta sa elegantă Saturn V în 3 trepte, cu 5 boostere Rocketdyne F-1 în prima treaptă, 5 motoare Rocketdyne J-2 în treapta a doua și cu un motor Rocketdyne J-2 în treapta a treia. Boosterele dispozitivului de zbor aveau capacitatea de a plasa 140 t pe orbita terestră joasă și o injecție trans-lunară de 50 t.

După o serie de lansări ale rachetei Saturn V cu diferite configurații ale navei cosmice Apollo, misiunea Apollo 11 a îndeplinit obiectivul președintelui SUA John F. Kennedy de a plasa oameni pe suprafața Lunii până la sfârșitul anilor 1960. Primii pământeni Neil Armstrong și Buzz Aldrin au pășit pe suprafața Lunii la 21 iulie 1969. După misiunea Apollo 11 au mai urmat șase zboruri către Lună (Apollo 12 – Apollo 17), toate cu succes, cu excepția misiunii Apollo 13. Astfel, până în prezent 12 pământeni și-au pus amprenta papucilor pe regolitul de pe Lună.

Racheta N1 a lui Koroliov, proiectată în competiție cu Saturn V, nu a avut sorți de izbândă. Dispozitivul a fost configurat în 5 trepte după schema 30:8:4:1:1, adică cu 30 de motoare în prima treaptă, 8 în treapta a doua etc. Motoarele din prima treaptă aveau o forță totală de tracțiune de 45,4 MN (4600 tf). Testările rachetei au început deja după trecerea lui Koroliov în neființă (anul 1966). Între anii 1969-1972 au fost efectuate, în total, 4 tentative de lansare, toate nereușite, finalizând cu explozii de puterea unei bombe nucleare de câteva kilotone. Succesorul lui Koroliov la postul de constructor general V. Glușko a închis programul. În schimb, el a început dezvoltarea proiectului Buran-Energy (Энергия-Буран), care a fost finalizat în anul 1988 cu construcția unei rachete cu o forță de tracțiune de 3200 t și capacitatea de a plasa pe orbita terestră joasă o greutate în jur de 100 t, adică greutatea navei Buran cu capacitate de aterizare fără pilot. Cu regret, acest aparat de zbor a efectuat doar o singură lansare, programul fiind ulterior închis.

Printre alte mari realizări în domeniul lansărilor spațiale pilotate, putem menționa proiectul Space Shuttle, derulat în Statele Unite în perioada 1981-2011, și lansarea navei cosmice Dragon-2 a companiei Space X (director executiv Elon Musk) în anul 2020. Complexul Space Shuttle consta din două boostere recuperabile pe bază de combustibil solid cu puterea de tracțiune de 1250 t fiecare, aparatul orbital Shuttle cu trei motoare Rocketdyne RS-25 cu forță de tracțiune totală de 530 t și un rezervor extern pentru combustibil. Greutatea aparatului orbital Shuttle era în jur de 100 t, ca și a navei Buran, acesta având o capacitate de încărcătură utilă de 24 de tone pe orbita terestră joasă și o încărcătură de întoarcere pe pământ de 14 tone, ceea ce permitea transportarea a 7 astronauți. În cadrul acestui program au fost construite 6 aparate orbitale Shuttle, care au efectuat 135 de lansări, dintre care două nereușite. Capacitatea de transportare a navei Dragon-2 este de 7 astronauți, ca și a aparatului Shuttle.

Actualmente, acest domeniu tehnologic este într-o dezvoltare extrem de dinamică. Deși mai predomină giganții de altă dată, de tipul Boeing, Martin Lockheed Martin și Northrop Grumman, o serie de noi companii aeronautice cu capital privat „dau din coate” pe piață. Multe dintre ele, precum Space X (director executiv Elon Musk), Blue Origin (director executiv Jeff Bezos), Virgin Galactic (director executiv Michael Colglazier), Rocket Lab (director executiv Peter Beck), Stratolaunch (director executiv Jean Floyd), Orbital ATK (director executiv David W. Thompson), Bigelow (director executiv Robert Bigelow) ș. a. au progresat foarte rapid de la start-up-uri până la companii multimiliardare. Alte start-up-uri, printre care Relativity Space (Los Angeles), Ursa Major Technologies (Berthoud), Additive Rocket Corporation (San Diego), Made in Space (Jacksonville) au ajuns la nivelul de prototipuri de produse deja testate sau în proces de testare, care au fost executate prin tehnologii progresive, principial noi, de tipul 3D printing de dimensiuni mari, care ar permite producerea robotică și în condițiile altor planete, de exemplu, pe planeta Marte. Existența posibilităților de producere în condițiile altor planete este de o importanță principială în conceptul de promovare a omenirii ca o specie multi-planetară, care este într-o discuție tot mai reală în mediul inovativ. Or, producerea robotică este un element cheie pentru ca așezările umane pe alte planete să devină auto-sustenabile. Important este, de asemenea, ca pe alte planete, de exemplu, pe Marte să fie organizată producerea combustibililor pentru rachete. În această ordine de idei, ultimele motoare ale rachetelor sunt dezvoltate pe bază de metan, în loc de kerosen sau hidrogen lichid în calitate de combustibil, exemple fiind motoarele Raptor pentru boosterul și corabia cosmică Starship (Space X) și Be-4 pentru racheta New Glenn (Blue Origin). Or, metanul ar putea fi produs din CO₂ prezent în atmosfera planetei Marte și apă, existența rezervelor căreia a fost demonstrată de ultimele misiuni robotice pe această planetă, cum ar fi Spirit, Opportunity și Curiosity, și urmează a fi explorată în continuare de către misiunile Perseverance Rover (NASA) și Tianwen-1 (China).

Pentru asigurarea auto-sustenabilității așezărilor umane pe Marte sunt în discuție și idei de Terraformare a planetei Marte prin modificarea atmosferei acesteia și prin reinițializarea fluxurilor metalelor lichide in nucleul planetei, pentru a forma un câmp magnetic de tipul câmpului magnetic al Pământului, care ar proteja vietățile de pe planetă de acțiunea distructivă a radiației cosmice proveniente din vântul solar și radiația cosmică ionizantă. Important este ca politicienii să nu Martformeze Terra înainte ca savanții și inginerii să Terraformeze planeta Marte. Politicienii acordă prea puțină atenție viitorului omenirii și al planetei Pământ, în general. De exemplu, Rusia a fost depășită cu mult nu doar de Statele Unite, dar și de China. Racheta Chineză CZ-9 (Drum Lung 9) poate plasa încărcături masive pe orbita Lunii, iar Roscosmosul, care inițial planifica sa producă racheta Enisei, ulterior a renunțat la acest vehicul în favoarea rachetei Angara cu o capacitate de un ordin de mărime mai joasă.

Pentru realizarea acestor perspective este extrem de important de a reduce drastic costul zborurilor cosmice, iar acest lucru este posibil doar prin implementarea sistemelor de lansare reutilizabile. În această ordine de idei, boosterele rachetelor Falcon 9 și Falcon Heavy (Space X) și ale rachetei New Glenn (Blue Origin) sunt reutilizabile. Space X a demonstrat deja reutilizarea de 9 ori a unui booster, dar acesta este doar începutul. Într-un mesaj către Roskosmos, care a anunțat lucrările asupra rachetei reutilizabile Amur, Elon Musk a încurajat începuturile, dar a atras atenția asupra necesității unei reutilizări totale. Actualmente, Space X este în proces de dezvoltare a rachetei sale futuristice StarShip, care este un complex cu două trepte, cu un booster super-greu, înzestrat cu 28 motoare Raptor cu o forță totală de tracțiune de aproape 80 MN în calitate de prima treaptă și nava cosmică StarShip cu 6 motoare cu o tracțiune în jur de 12 MN, în calitate de a doua treaptă. Acest complex cu o înălțime totală de 120 m și un diametru de 9 m va fi cel mai puternic vehicul dezvoltat vreodată de omenire. Aici putem menționa că o astfel de rachetă, doar că nereutilizabilă, a fost proiectată de către Werner von Braun la Peenemünde (sistemul A9/A10/A11/A12). Desigur, acel proiect era irealizabil la acea vreme. În primul rând, nu era posibilă sincronizarea celor 50 de motoare planificate de către Werner von Braun pentru prima treaptă a rachetei. O astfel de performanță nu a reușit nici în anii ‘70 ai secolului trecut cu racheta lui Koroliov N1, planificată cu 30 de motoare în prima treaptă. I-a reușit doar lui Elon Musk în anul 2018, când a fost lansată cu succes racheta Falcon Heavy cu 27 de motoare Merlin. Oricum, aceasta demonstrează forța de cutezanță a lui Werner von Braun.

Vedem că progresul poate fi asigurat doar de către firmele private în ascensiune. În acest context, competiția tehnologiilor dezvoltate pentru trimiterea oamenilor pe Lună în anii ‘60 ai secolului trecut nu a fost o competiție economică, ci una politică, care reieșea din contextul geostrategic global la acea perioadă istorică, marcată de competiția civilizațională și ideologică a celor două mari puteri: SUA și URSS. Competiția spațială era un non-sens din perspectivă economică, dovadă fiind faptul că după cele șase aselenizări zborurile spațiale spre Lună nu au mai avut continuitate timp de o jumătate de secol. SUA au cheltuit pentru acest program 25 de miliarde de dolari la acea perioadă, ceea ce constituie peste 150 de miliarde în recalculare pentru anul 2018. Cheltuielile URSS nu pot fi evaluate din cauza caracterului ermetic al economiei sovietice.

Planurile recente de a trimite din nou oameni pe Lună prin Programul NASA Artemis sunt, de asemenea, un nonsens economic, deoarece acestea au ca bază complexul de lansare Space Launch System (SLS), care utilizează tehnologiile din programul Space Shuttle, depășite de timp: aceleași două boostere pe bază de combustibil solid, produse de Northrop Grumman, și aceleași motoare RS-25 Rocketdyne, doar că 4 motoare în locul celor 3 de pe Shuttle. Deja au fost cheltuite în jur de 20 de miliarde de dolari SUA pentru dezvoltarea acestui sistem, iar costul unei lansări este estimat la 2 miliarde de dolari SUA, ceea ce nu poate fi nicidecum sustenabil.

Viitorul tehnologiilor spațiale, cu siguranță, aparține noilor tehnologii de fabricare a vehiculelor complet reutilizabile și noilor modele de business. În final, trebuie să menționăm că până în prezent aproape 600 de pământeni au fost în spațiul cosmic, dar au fost și nereușite cu victime omenești, iar noi trebuie să avem în memorie numele eroilor, printre care echipajul navei cosmice Apollo1 – Virgil Ivan, Edward Higgins White și Roger Bruce Chaffee; cosmonautul Vladimir Komarov din misiunea Soiuz 1; echipajul navei cosmice Soiuz 11 – Gheorghii Dobrovolski, Vladislav Volkov și Victor Pațaev, și 14 membri ai echipajelor navelor Challenger și Columbia din Programul Space Shuttle.

Dr. hab. Veaceslav Ursachi,

conducător adjunct al Secției Științe Exacte și Inginerești a AȘM