Poměr startovní ku konstrukční hmotnosti

Dopravit užitečné zatížení (družici, sondu, kosmickou loď) na oběžnou dráhu není vůbec nic jednoduchého. Musíte mu totiž udělit rychlost takřka 7,9 kilometrů za sekundu (mimochodem jí označujeme jako 1. kosmickou rychlost) a přitom překonat zemskou přitažlivost a její odpor.

Z tohoto důvodu je tu historická snaha o snížení hmotnosti konstrukce nosného prostředku tak, aby poměr mezi startovní hmotností s palivem ku hmotnosti konstrukce byl možná, co nejnižší, jelikož každý kilogram sebou navíc nesený v konečném důsledku snižuje nosnost. Proto je tu logicky u Single-Stage-To-Orbit prostředků snaha o maximální snížení konstrukční hmotnosti, které zde nemůže z principu koncepce řešit odhazování vyhořelých stupňů.

Mimochodem tomuto poměru mezi startovní a konstrukční hmotností říkáme Ciolkovského číslo a to po ruském teoretikovi Konstantinu Eduardovičovi Ciolkovském, který žil v letech 1857 až 1935. Ten je totiž zakládajícím teoretikem oboru, kterému dnes říkáme kosmonautika a to mimo jiné svým dílem Výzkum světových prostorů reaktivními přístroji (Issledovanije mirovych prostranstv reaktivnymi priborami) z roku 1903, v němž se raketě věnoval matematicky jakožto tělesu s proměnnou hmotností.

Ostatně odtud je snaha o návrh vícestupňových raket, z nich část konstrukce – tzv. stupně odpadávají poté, co vypotřebují všechny pohonné látky ve svých nádržích. Právě tímto opatřením se razantně zlepšujeme poměr Ciolkovského čísla a vůbec umožňujeme nosné raketě, aby vynášenému objektu udělila potřebnou 1. kosmickou rychlost s aktuálně dostupnými technologiemi výroby raket/nosičů.

Odhazování vyhořelých stupňů

Odhazováním vyhořelých stupňů tedy řešíme problematiku Ciolkovského čísla spojeného s proměnnou hmotností rakety, která je dána postupnou spotřebou paliva a okysličovadla raketovým motorem. V žádném případě se však nejedná o novinku, která přišla až se vstupem člověka do kosmického prostoru v padesátých letech. První vícestupňové rakety konstruoval už německý ohňostrůjce Johann Schmidlap na konci 16. století, když chtěl zvýšit výškový dostup.

Skládání jednotlivých stupňů přitom není jen tak. Proto je tu i snaha o co nejpřesnější výpočty, aby potenciál daného stupně s určitým raketovým motorem byl využit co nejlépe. To je také důvod, proč některé nosiče existují ve více variantách, které jsou přizpůsobeny například k nošení užitečného nákladu v určitém rozsahu hmotnosti. V tomto ohledu je ideálním příkladem evropská raketa Ariane-5, která létá v jiném provedení, když je třeba vynést několik tun vážící družici na geostacionární dráhu ve výšce 37 800 kilometrů a v jiném provedení, když je třeba dopravit 20tunovou nákladní loď na dráhu ve výšce 350 kilometrů k Mezinárodní kosmické stanici.

Každý stupeň na konvenčním kosmickém nosiči se také na výsledné rychlosti podílí určitým procentem a z pravidla spodní stupně bývají mnohem těžší, než stupně horní. V hustých vrstvách atmosféry je totiž zapotřebí překonat její odpor a rozpohybovat sestavu o největší hmotnosti z celé doby letu. To se teoreticky vzato projevuje také na samotné nosnosti. Zatímco u hmotnějších nákladů je vhodné používat horní stupně s vyšší tahem, u méně hmotných nákladů určených na vyšší dráhy je tomu naopak.

Horní stupně kosmických raket navíc udělují zpravidla mnohem vyšší rychlost a to z toho důvodu, že celá nosná sestava je mnohem lehčí a především proto, že se raketa nachází v prostředí s minimálním odporem a ve vakuu mají raketové motory o několik desítek procent lepší specifický impuls a tah.

Specifický impuls nám přitom říká, jak moc je raketový motor účinný, jinak řečeno nám udává množství tahu k množství spotřebovaného paliva za jednu sekundu (asi nejednodušší definicí je, že udává palivovou účinnost raketového motoru). U nás proto pro něj používáme složenou jednotku N.s/kg, ale na západě se jako jednotka používají jen sekundy, které vyjadřují poměr tahu a gravitačního zrychlení). Při přepočtu jej tak stačí jen vynásobit hodnotou gravitačního zrychlení, které činí ~9,81 m/s². V žádném případě však není specifický impuls synonymem pro energetickou hodnotu jednotlivých pohonných látek!

Pohonné látky jsou Achillovou patou

Pohonné látky jsou ostatně Achillovou patou snad všech současných kosmických nosných prostředků a to hned z několika důvodů. Jednak si je rakety berou sebou a musí být umístěny v interních nádržích, které zvyšují hmotnost, velikost a tedy i odpor celého daného nosného prostředku – rakety nebo raketoplánu. Přitom právě ideální paliva, co se týče energetické hodnoty, mají zase malou molekulární hmotnost a proto potřebují větší nádrže než palivo, které je méně energeticky hodnotné. Takže se dostáváme svým způsobem do začarovaného kruhu, ze kterého zdánlivě nevede cesta (resp. vhodnou cestou je nalezení optimálního kompromisu dostupného současnými technologiemi).

Dnes jsme se dostali do stavu, kdy nejčastěji používáme jako okysličovadlo kapalný kyslík s palivem, kterým bývá nejčastěji kerosin (letecký petrolej) nebo kapalný vodík. Ostatně o druhé kombinaci, která začala být používaná v 60. letech, referovali už raketový průkopníci Konstantin Eduardovič Ciolkovskij a Američan Robert Hutchings Goddard na přelomu 19. a 20. století. Bohužel nevýhodou kapalného vodíku je jeho nízká molekulární hmotnost.

Takže hledáme palivo, které je někde mezi kapalným vodíkem a kerosinem a takové také existuje – kapalný amoniak známý spíše jako čpavek. Bohužel jeho velkou nevýhodou je to, že se jedná o žíravinu a velice nebezpečný jed. Ostatní uhlovodíky, jako je metan nebo butan, příliš neřeší. Zatímco metan je náročný na skladování, butan nepřináší žádné velké výhody oproti kerosinu a navíc se jedná o velice hořlavý a bezbarvý plyn.

Co s vyhořelým stupněm

Jedním z problémů u současných kosmických nosičů je jejich jednorázové použití. Vyhořelé stupně dopadají na zem nebo do oceánu a nejčastěji v něm také zůstávají a jsou tak doslova jen na jedno použití. Existuje zde sice možnost zpomalení jejich pádu na padácích, jako tomu bylo u startovací motorů SRB amerického raketoplánu, nebo pomocí výklopných křídel navrhovaných u ruského konceptu Bajkal (v podstatě se jedná o okřídlenou variantu rakety Angara), nicméně veškerá řešení pro přistání vyhořelých stupňů jsou drahá a dokonce se ukazuje, že se nevyplatí používat je vícekrát, současně ale nejde ani zdaleka říci, že jako nové jsou levné.

U horních stupňů je situace ještě komplikovanější, jelikož se od lodí/raket oddělují v natolik velkých výškách a vysokých rychlostech, že z velké části v hustých vrstvách atmosféry shoří nebo jsou velmi poškozeny. Při návratu by tak musely být, pokud bychom je chtěli použít vícekrát, chráněny leckdy vlastní tepelnou ochranou, která je nejen drahá, ale především zvyšuje hmotnost. Problém se tak opakuje.