Racheta - arma și vehicul în secolul XXI

1. Scurt istoric

Primele rachete în sensul simplist al cuvântului au fost inventate în China (Fig. 1), ca un fel de săgeți autopropulsate reactiv, încă din primele secole ale mileniului I, probabil după identificarea potențialului prafului de pușcă. În acest fel, au fost folosite sporadic și în perioadele următoare. O primă atestare a folosirii rachetei în luptă datează însă din anul 1232, în bătălia dintre chinezi și mongoli de la Kai Feng Fu, unde au fost folosite adevărate baterii de lansare a săgeților propulsate reactiv.

- Fig. 1. Rachetă chinezească timpurie (primele secole ale mileniului I)

Deși compoziția prafului de pușcă a fost cunoscută de europeni în 1267, printr-o consemnare într-un document al lui Roger Bacon, rachetele au fost folosite ca arme abia în războaiele napoleoniene, între anii 1803 - 1815, de englezi. Erau numite rachete Congreve (Fig. 2), după numele celui care le dezvoltase și le producea, Sir William Congreve. Fuseseră inspirate după rachetele inventate de Tipu Sultan și tatăl său, Hyder Ali, și folosite în războaiele Anglo-Mysore, între anii 1780 și 1799. După o perioadă de dezvoltări și testări ale rachetelor Congreve, se înregistrează primele tipuri de rachete, aproape de semnificația actuală a termenului. Unele dintre aceste rachete au atins și 2743 m față de punctul de lansare.

 - Fig. 2. Tipuri de rachete Congreve

Folosite de trupele de uscat, rachetele au fost utilizate mai eficient pe nave, două nave engleze, HMS Galgo și HMS Erebus, fiind primele adaptate special pentru lansarea rachetelor și care au participat la războaiele napoleoniene.

Dacă până în acea perioadă precizia rachetelor era cvasiinexistentă, inventatorul englez William Hole a imaginat o soluție (în anul 1844) pentru ca racheta să capete o rotație în jurul axei proprii, obținută cu ajutorul unor orificii tăiate oblic, plasate în spatele camerei de combustie, astfel că precizia și distanța atinse au crescut considerabil (Fig.3).

 - Fig. 3. Invenția lui William Hole

Rachetele au fost folosite relativ intens pe parcursul secolului al XIX-lea, inclusiv în războiul Crimeei (1856). Un moment de importanță majoră în istoria rachetei este însă contribuția matematicianului rus Konstantin Țiolkovsky, care a publicat, în 1903, prima lucrare științifică despre călătoria spațială, Explorarea spațiului cosmic cu ajutorul dispozitivelor cu reacție. El a argumentat necesitatea folosirii hidrogenului lichid și a oxigenului lichid drept combustibil, existența mai multor trepte. Tot de la el a rămas Ecuația Țiolkovsky, care cuprinde principiul propulsiei rachetelor. Un rol important în istoria rachetei l-a avut și Robert Goddard, care a intuit și o posibilă călătorie până la Lună.

Ajungem, astfel, la anii 1920 - 1930 ai secolului XX, când colaborarea dintre Hermann Oberth, originar din Sighișoara, și Wernher von Braun va pune bazele industriei moderne a rachetelor. Echipa condusă de Wernher von Braun (Fig. 4) va realiza racheta V2, prima rachetă balistică, ce va fi, practic, modelul rachetelor realizate ulterior, inclusiv cele de astăzi.

 - Fig. 4. Hermann Oberth (în prim plan), Wernher von Braun, Ernst Stuhlinger, Robert Lusser, Holger Toftoy și modelele de rachete avute în vedere (pe fundal)

2. Motorul de rachetă

Motorul de rachetă este principala componentă a acesteia, care îi asigură propulsia. Este un motor cu reacție, dar diferit de motorul aeroreactor de la avioanele cu reacție, deoarece funcționează independent de mediul exterior, carburantul găsindu-se în corpul rachetei. Cel mai răspândit tip este motorul-rachetă termochimic, la care jetul de gaze, cu presiunea și temperatura ridicate, se realizează în urma unor reacții chimice puternic exoterme. Motorul-rachetă termochimic utilizează  combustibil solid sau lichid și este constituit din: camera de ardere, ajutaj reactiv, rezervoare de combustibil, sistem de alimentare, dispozitiv de aprindere. Una dintre cele mai utilizate substanțe este propergolul (amestec de substanțe capabil de reacții chimice puternic exoterme), care poate fi: lichid, în care caz forța de tracțiune este reglată prin acționarea asupra debitului, sau solid - încărcătura este amplasată în camera de ardere, iar forța de propulsie este reglată prin modificarea suprafeței de ardere a blocului de propergol. Mai există, în diferite stadii de proiectare și experimentare: motorul-rachetă electric, care utilizează energia electrică pentru accelerarea jetului format dintr-un fluid ionizat sau din plasma unui gaz, și motorul-rachetă nuclear, care utilizează energia termonucleară pentru a încălzi jetul de gaze sau utilizează pentru propulsie un jet de izotopi radioactivi. Pentru viitorul mai îndepărtat poate fi amintită și racheta fotonică propulsată cu un motor fotonic.

 3. Rachetele sovietice și primul zbor spațial

După Al Doilea Război Mondial, Uniunea Sovietică începe realizarea unui program amplu de producere a unor rachete care să poată lansa sateliții, ceea ce s-a îndeplinit în 1957, prin lansarea primului satelit artificial al Pământului denumit Sputnik. În 12 aprilie 1961, a fost lansată racheta Vostok  3KA (Fig. 5), în cadrul misiunii Vostok 1, care a plasat pe orbită în jurul Pământului modulul spațial în care se afla cosmonautul sovietic Iuri Gagarin, fiind astfel consemnată prima călătorie a unui om pe o orbită circumterestră dincolo de atmosferă.

 - Fig. 5. Rachetă sovietică din clasa Vostok

4. Rachetele americane

Rachetele americane au fost realizate de echipa lui Wernher von Braun, care a fost transferată din Germania în SUA după Al Doilea Război Mondial, și a primit misiunea de a dezvolta tehnologia rachetelor. A fost realizată mai întâi racheta Redstone și apoi rachetele din seria Saturn (Fig. 6), cu care s-au reușit și misiunile către Lună, inclusiv aselenizarea.

 - Fig. 6. Racheta Saturn V - misiunea Apollo 15

Rachete cu destinații civile au dezvoltat: Europa de Vest (un consorțiu format din Franța, Germania și Marea Britanie), care a realizat racheta Ariane, China, India, Coreea de Nord și Japonia. Există preocupări și în alte câteva țări, în colaborare cu unul sau mai mulți dintre actorii principali în domeniul rachetelor.

5. Rachetele militare

În paralel cu programele civile, atât în spațiul sovietic, cât și în cel american, s-au dezvoltat tipuri de rachete cu scop militar, inclusiv purtătoare de încărcături nucleare. În prezent există trei tipuri principale de rachete-vehicule militare, și anume: racheta balistică, vehiculul planor hipersonic și racheta hipersonică.

- Fig. 7. Diferențele între traiectoria unei rachete balistice (cu albastru), a unui vehicul planor hipersonic (cu verde) și a unei rachete hipersonice (cu maro)

O rachetă balistică (Fig. 7)  are o traiectorie balistică suborbitală, cu scopul de a duce la o țintă prestabilită unul sau mai multe focoase explozive convenționale sau nucleare. Motorul rachetei funcționează în prima fază a zborului, după care racheta se înscrie pe o traiectorie parabolică și cade pe sol. Unele rachete moderne pot face manevre și pe traiectoria de întoarcere, având mai multe focoase, altele pot face manevre de reglare, și unele pot devia din fața antirachetelor trimise împotriva lor.

Un vehicul hipersonic (Fig. 7) fără motor este transportat de o rachetă, de care se detașează la aproximativ altitudinea de 100 km, după care planează cu o viteză de 8 - 10 Mach până la ținta prestabilită.

O rachetă hipersonică (Fig. 7) se poate deplasa cu viteze mai mari de Mach 5 (de cinci ori viteza sunetului sau 6174 km/h), în timp ce transportă o încărcătură explozivă, clasică sau nucleară, care poate fi manevrată în timpul zborului și teleghidată, în cele din urmă, spre distrugerea țintei stabilite. Spre deosebire de rachetele balistice, care urmează o traiectorie parabolică, armele hipersonice  zboară la o înălțime relativ constantă, sub 100 de km, și au potențialul de a reduce timpul de avertizare și de a le face mai greu de detectat.

În prezent, cele mai avansate rachete hipersonice ar fi cele rusești, urmate de cele chinezești și, venind din urmă puternic, cele americane. Astfel, racheta rusească Oreșnik poate transporta cel puțin șase focoase nucleare ghidate individual; este o  rachetă cu rază medie de acțiune, are o viteză de Mach 10 sau „2,5 - 3 kilometri pe secundă", ceea ce o face nedetectabilă pentru apărarea antiaeriană și ar putea lovi, teoretic, ținte aflate la mii de kilometri distanță, cu o marjă de eroare de doar câteva zeci de metri. Cea mai rapidă rachetă hipersonică dezvoltată până acum este racheta Avangard a Rusiei, despre care se susține că ar putea ajunge la o viteză de Mach 27, adică puțin peste 33 300 km/h, cu toate că viteza menționată cel mai des este de Mach 12, 14 800 km/h.

Țara cu cel mai puternic arsenal hipersonic este însă China, care a prezentat la finalul anului 2024 cea mai nouă rachetă hipersonică cu planare, GDF-600. Rachetă hipersonică chinezească, YKJ-1000, este capabilă să atingă o viteză de până la șapte ori mai mare decât viteza sunetului și să zboare până la circa 1300 km.

Programul american „Long-Range Hypersonic Weapon", mai bine cunoscut drept „Dark Eagle", a dezvoltat o rachetă hipersonică care este în perioada testelor finale. Dark Eagle se bazează pe „Common Hypersonic Glide Body", un sistem care este destinat lansării de pe distrugătoarele din clasa Zumwalt. Sistemul armatei este însă bazat la sol și folosește lansatoare montate pe camioane pentru a desfășura vehiculul de planare hipersonică după ce un propulsor cu două trepte îl ridică în aer. Marina a dezvoltat corpul de planare, iar Lockheed Martin și Northrop Grumman au dezvoltat propulsorul rachetei.

Și alte țări au înregistrat progrese semnificative în acest domeniu. Israelul are o rachetă hipersonică ce funcționează ca o armă de interceptare - Arrow 3. Iranul susține, de asemenea, că are arme hipersonice și a susținut că a lansat astfel de rachete asupra Israelului în războiul de 12 zile. Coreea de Nord dezvoltă propria sa versiune a unei rachete hipersonice încă din 2021 și susține că deține deja arme de acest tip care pot fi folosite în luptă. Marea Britanie, de asemenea, a început să aloce fonduri importante pentru dezvoltarea tehnologiei rachetelor hipersonice, așa cum au făcut și alte națiuni, precum Franța și Japonia.

6. Rachetele viitorului

Planuri pentru rachete care ar urma să fie realizate și utilizate mai ales civil în perioada următoare au principalele puteri în acest domeniu: SUA, Rusia, China și Uniunea Europeană. În SUA continuă procupările NASA de a dispune de o rachetă pentru reluarea zborurilor spre Lună și apoi spre Marte. NASA a ales racheta Starship pentru prima misiune cu echipaj uman din cadrul programului său Artemis, care, după zborul recent reușit de a înconjura Luna și a reveni pe Pământ, își propune să-i readucă pe astronauții americani pe Lună pentru prima dată după era misiunilor Apollo.

 - Fig. 8. Racheta Space X Starship la a cincea lansare

Conform planului, Starship va aseleniza astronauți în apropierea polului sud selenar pentru prima dată în cadrul misiunii Artemis 3, a cărei lansare a fost programată pentru 2027. Racheta SpaceX Starship (Fig. 8) este un vehicul de lansare super-greu complet reutilizabil, dezvoltat de SpaceX. Are o înălțime de 119 m, fiind cel mai înalt și mai puternic vehicul de lansare construit până acum și primul destinat să fie complet reutilizabil. Vehiculul de lansare Starship este alcătuit din două componente: prima treaptă denumită Super Heavy, care trimite vehiculul în spațiu, și a doua treaptă, denumită Starship. A doua treaptă funcționează ca o navă spațială autonomă pentru transportul echipajului sau încărcăturii. Ambele trepte ale rachetei sunt alimentate de motoare Raptor, care folosesc oxigen lichid plus metan lichid pentru propulsor într-un ciclu de combustie în etape de mare eficiență. După finalizarea zborului, ambele trepte ale rachetei vor fi recuperate, inclusiv propulsorul Super Heavy care va fi prins de brațele mecanice ale turnului de lansare. Racheta este planificată să aibă o capacitate de încărcătură utilă de 150 t pe orbita joasă a Pământului în configurația sa complet reutilizabilă și 250 t pe orbita joasă a Pământului dacă este consumată complet. Odată aflată pe orbită, nava spațială poate fi alimentată de nave-cisternă pentru a permite tranzitul către orbite mai înalte sau alte destinații, cum ar fi Luna sau planetele apropiate.

Încă din 2005, la SpaceX au fost făcute planuri pentru a crea un vehicul de lansare greu. Începând din 2012 au fost dezvoltate motoarele metan-oxigen (numite ulterior Raptor), iar în 2016 planul de construire a vehiculului de lansare a fost anunțat public pentru prima dată. Primul test de zbor orbital a avut loc la 20 aprilie 2023, însă vehiculul a fost distrus după ce a scăpat de sub control înainte de separarea treptelor. Testele din a doua parte a anului 2025, inclusiv ultimul, testul 11, au fost reușite, dar mai sunt necesare în continuare. După omologarea completă, racheta este destinată zborurilor spre Lună, apoi mai ales zborurilor spre planeta Marte. Încă din iulie 2010, SpaceX a prezentat la o conferință conceptul de remorcher spațial Marte și vehicule de lansare grele, numite Falcon X, Falcon X Heavy și Falcon XX. Cel mai mare dintre aceste vehicule de lansare este Falcon XX, cu o capacitate de 140 tone pe orbita joasă a Pământului. Pentru a furniza o astfel de încărcătură, Falcon XX ar fi fost la fel de înalt ca Saturn V (110 metri) și ar fi folosit șase motoare Merlin 2. În jurul anului 2012, compania a menționat pentru prima dată conceptul de rachetă Mars Colonial Transporter, conceput pentru colonizarea planetei Marte. Racheta urma să poată transporta 100 de oameni sau 100 tone de marfă pe Marte și să fie alimentată de motoarele Raptor cu metan-oxigen aflate în curs de dezvoltare.

Programul chinezesc de dezvoltare a utilizării rachetelor în scopuri civile, purtând numele zeiței chineze a Lunii, Chang e, a ajuns în faza a IV-a, care constă în principal în dezvoltarea unei stații lunare autonome de cercetare în apropierea polului sud al Lunii. Acest program a intrat în dezvoltare activă în 2023, în urma finalizării cu succes a celor trei faze anterioare. Principalele etape ale acestui program au fost și sunt:

▪ Chang e 6 - a fost lansată la 3 mai 2024 și a investigat topografia, compoziția și structura superficială a bazinului Polul Sud - Aitken de pe partea întunecată a Lunii. În această misiune s-au returnat pe Pământ eșantioane din bazinul Apollo de pe partea întunecată a Lunii. Totodată, a fost transportat un rover chinez numit Yidong Xiangji cu scopul de a efectua spectroscopia în infraroșu a suprafeței lunare și a fost lansat un modul de aterizare Chang e 6 pe suprafața Lunii;

▪ Chang e 7 - se preconizează să fie lansată în 2026; este o misiune care va explora Polul Sud al Lunii în căutare de resurse. Misiunea va include mai multe componente, și anume: un orbitator, un modul de aterizare și o minisondă zburătoare;

▪ Chang e 8 - este prevăzută să fie lansată în 2028, cu scopul de a verifica tehnologiile de dezvoltare și utilizare a resurselor în situ. Misiunea poate include un lander, un rover și un detector zburător, precum și un experiment de imprimare 3D care va utiliza resurse în situ (ISRU) pentru a testa construcția unei structuri. Va mai transporta, de asemenea, un mic experiment de ecosistem sigilat. Va testa și  tehnologia necesară pentru construirea unei baze științifice lunare. Pentru perioada 2029 - 2030, folosind o rachetă  Long March 10, se urmărește plasarea a doi astronauți pe suprafața lunară prin intermediul navei spațiale cu echipaj de ultimă generație și al modulului lunar chinezesc cu echipaj.

7. Concluzii

Racheta, pe parcursul erei creștine, în cele două milenii ale acesteia, până la sfârșitul secolului XIX, a fost practic mai mult o curiozitate și se folosea timid, după datele existente, începând mai ales cu războaiele napoleoniene. La sfârșitul secolului al XIX-lea, interesul pentru utilizarea rachetelor a început să crească, stimulat poate și de romanul lui Jules Verne, De la Pământ la Lună (1865), iar în acest context lucrarea matematicianului rus Țiolkovsky, din 1903, care expune bazele științifice ale zborului rachetei, este esențială. Primul salt semnificativ în dezvoltarea tehnologiei rachetelor este făcut în timpul celui de-Al Doilea Război Mondial, prin realizarea în Germania a rachetei V2, model pentru toate rachetele din prezent, la a cărei realizare un rol l-a avut și savantul Hermann Oberth, născut în Sighișoara, deci din spațiul cultural al Transilvaniei.

În timpul Războiului Rece s-a desfășurat o cursă puternică pentru accesul în spațiul cosmic atât cu caracter civil, cât și cu caracter militar. Ca rezultat au fost realizate rachetele sovietice Vostok, care au permis lansarea primului satelit (1957) și ajungerea primului om în spațiu (1961), și rachetele Saturn, americane, care au reușit trimiterea primilor oameni pe Lună (1969), realizându-se astfel vechiul vis al lui Jules Verne la numai aproximativ 100 de ani, ceea ce este remarcabil. Militar s-au realizat rachetele purtătoare de arme convenționale sau nucleare care au permis menținerea echilibrului geostrategic până în prezent. Totuși până în primii ani ai secolului XXI, domeniul rachetelor a intrat într-o perioadă de ușoară stagnare din care l-a scos realizarea rachetelor hipersonice și a megarachetelor de tip SpaceX Starship.

Rachetele hipersonice se caracterizează prin viteze greu de imaginat, chiar de până la Mach 27, adică puțin peste 33 300 km/h, ceea ce supune la cele mai mari solicitări toate componentele unui astfel de sistem, și trebuie văzut care este limita în această direcție, toate variantele având destinație militară. Megarachetele, cum este racheta SpaceX Starship de ultimă generație, având o înălțime de 119 metri, un diametru de 9 metri și o masă de 5000 de tone (cu încărcătura maximă), este considerată racheta care deschide perspectiva călătoriilor interplanetare, în baza conceptului Mars Colonial Transporter, care ar putea transporta spre Marte 100 de oameni sau roboți umanoizi. Această perspectivă este viabilă; societatea actuală are capacitatea tehnologică de a realiza astfel de rachete și a le folosi pentru atingerea unui asemenea obiectiv, nu mai departe poate de 2050.

În acest context, specialiștii români din domeniul aerospațial, al cărui pioner rămâne în continuare unicul cosmonaut român, Dumitru Prunariu, au o perspectivă bună de manifestare și realizare, folosind în special platforma Agenției Spațiale Europeane (The European Space Agency), care poate fi accesată la adresa European Space Agency. Nu putem decât să sperăm că dezvoltarea tehnologiei rachetelor va continua mai ales cu scop pașnic; racheta va rămâne un produs emblematic al secolului XXI (semnalăm și racheta de croazieră românească Sahara, realizată și testată la începutul acestui an), care să fie folosit în special pentru cercetarea spațiului cosmic, ca și pentru ca oamenii sau roboții umanoizi să atingă noi frontiere, într-o primă etapă cel puțin planetele apropiate.

Precizare: Acest articol conține date prelucrate și sistematizate de pe Internet și din unele articole științifice sau articole de popularizare a domeniului rachetelor, precum și considerații personale.