Sériová výroba a vícenásobná použitelnost

Jednou z často navrhovaných možností, jak zlevnit dopravu na oběžnou dráhu a nezasahovat do samotné koncepce, je zavedení sériové neboli pásové výroby dané rakety. To by z ekonomického hlediska mohlo mít podobný dopad jako zavedení výroby automobilů Ford-T na počátku minulého století. Toto řešení je ale na druhou stranu limitováno tím, že raketa by musela být velice jednoduchá a především by o ní musela být dostatečně velká poptávka, což je v silné konkurenci velice obtížně dosažitelný cíl. Nicméně tu již existuje společnost, která jde směrem jednoduchým a sériově vyráběných raket Falcon – SpaceX. Počet jejích startů za rok byste však stále napočítali na prstech vašich rukou a tak se revoluce prozatím nekoná.

Za další je třeba rozlišovat nosný prostředek (kosmickou loď, raketoplán – i když tady je to složitější) od samotného užitečného zatížení, kterým může být družice nebo kosmická loď (z historie můžeme jako příklad jmenovat z ruské strany Vostok, Voschod nebo Sojuz, z americké strany naopak Mercury, Gemini a Apollo). Naopak jediným účelem kosmické rakety je výhradně udělení požadované rychlosti právě vynášenému nákladu.

To však zdaleka neznamená, že bychom se neměli snažit o vícenásobné použití například kabin pro posádky. Příkladem budiž opět kosmická loď Dragon od již zmíněné společnosti SpaceX, která se snaží mezi obrovskou konkurencí přinést zdánlivě nové nápady do praxe a uspět. Kosmické lodě každopádně mohou být také vícenásobně použitelné, zatímco jejich nosná raketa nikoliv. V tomto ohledu je však na místě rozdělit problém na dvě části a buď je řešit samostatně, nebo dohromady, což v případě kombinace raketa – kosmická loď není dost dobře možné. Na druhou stranu vynášené užitečné zatížení jako družice, sonda nebo právě kosmická loď je z pravidla dražší, než mnohem hmotnější a větší nosný prostředek, který je ve své podstatě jen konstrukcí s nádržemi, ve kterých sebou nesete pohonné látky.

Samozřejmě vyjma raketových motorů, které jsou na raketě nebo raketoplánu tím nejdražším. Proto je snaha u jednorázově použitelných nosných prostředků vybírat a upravovat raketové motory levnější na výrobu i přes zhoršené parametry, zatímco například u amerického raketoplánu Space Shuttle mohly být používány moderní a vícenásobně použitelné a zároveň velmi drahé raketové motory SSME (Space Shuttle Main Engine).

Zpočátku měly konvenční rakety a lodě navrch

Dalším a samozřejmě mnohem logičtějším krokem za zlevnění dopravy na oběžnou dráhu je vývoj vícenásobně použitelných dopravních prostředků a to nejen konvenčních raket, ale zejména raketoplánů. Pokud jednu byť dražší věc použijeme vícekrát, tak by se nám investice měla nejen vrátit ale především bychom měli ušetřit v řádech stovek procent. S tím je ovšem spojena celá řada komplikací, které vychází ze samotné povahy vícenásobně použitelných prostředků.

V 60. letech minulého století byl hlavním kandidátem na zlevnění letů do vesmíru raketoplán. Jinak řečeno okřídlený letoun poháněný raketovým motorem, který by přistával bez ztráty vlastní konstrukce a byl by tak vícenásobně použitelný. Bohužel obě velmoci – Sovětský svaz i Spojené státy americké – vstoupily do vesmíru pomocí konvenčních raket a návratových kabin a měly k tomu pádné důvody.

První kosmické rakety totiž vznikly pouhou přestavbou nebo jen přenastavením těch vojenských. Na straně Sovětského svazu můžeme jmenovat mezikontinentální raketu R-7, která létala pod označením Sputnik, na straně druhé zase raketu Redstone, ze které vznikla přidáním stupňů raketa známá jako Jupiter-C.

První kosmonauti a astronauti se tak vydávali na suborbitální dráhu, respektive oběžnou dráhu také jen v jednorázově použitelných kapslích, protože byly oproti raketoplánům mnohem jednoduší, menší a tedy i lehčí a levnější. Přitom obyčejná kapsle může být také vícenásobně použitelná a tak je jedinou skutečnou nevýhodou tohoto druhu prostředku jen to, že na posádku působí větší přetížení a je obtížné až nemožné ovlivnit místo přistání – záleží jen na tom, zda do atmosféry vstoupíte v přesný čas, ve správném bodě dráhy a tou správnou rychlostí (a samozřejmě pod správným úhlem).

Koncepty nám ukázaly cestu

V období prvních letů na oběžnou dráhu vznikla celá řada návrhů na raketoplány jako perspektivní dopravní prostředky. Ostatně právě v této době vznikla celá řada konceptů, které formují kosmonautiku dodnes. Rozdělme si však raketoplány z této doby podle několika poznávacích bodů:

• Dvoustupňové raketoplány: byly nejtypičtějším příkladem raketoplánu v této době. Zatímco atmosférický raketoplán se vracel zpět na zem, kosmický raketoplán měl dosáhnout oběžné dráhy. Tato koncepce je specifická svou absolutní vícenásobnou použitelností, ale také technickou náročností a velkou hmotností celého systému. Bylo by totiž nutné vyvinout a udržovat dvojici raketoplánů.
• Raketoplány vynášené raketou: nejjednodušší koncept, nevýhodou však je, že se hodí spíše pro menší raketoplány a také to, že vůbec neřeší jednorázové použití nosiče, který má z celé sestavy raketa – raketoplán největší hmotnost.
• Raketoplán pro vynášení rakety: jedná se přesně o opačný případ, než tomu bylo v předchozím případě. Atmosférický raketoplán by nedosahoval oběžné dráhy, ale jen by dopravoval raketu na hranici vesmíru a poté se vracel. Jednorázově použitelná raketa by byla mnohem menší, jelikož by už nemusela udělovat tak velkou rychlost a především by už nemusela překonávat odpor atmosféry. Bohužel tato myšlenka byla v 60. letech nejméně propagovaná, ale nedávno se k ní vrátil koncept raketoplánu Gryphon.
• Vedle všech těchto koncepcí se objevila ještě myšlenka raketoplánu s odhazovatelnými nádržemi, respektive urychlovacími raketovými motory, která zjednodušovala značně celou koncepci a zlepšovala Ciolkovského číslo. Ostatně takovým raketoplánem je i dnes už nelétající americký Space Shuttle, který bychom správně měli označovat za tzv. semi-Single-Stage-To-Orbit.

A tím už se pozvolna dostáváme k hlavní náplni dnešního článku – raketoplánům a raketám kategorie Single-Stage-To-Orbit.

První koncepty určovaly vývoj

S myšlenkou jednostupňových nosných prostředků pro lety na oběžnou dráhu Země přišla už řada vizionářů ještě v dobách, kdy jsme o letech do vesmíru jen snili. Přitom zdůrazňovali hlavní nevýhodu takového prostředku a to problém s konstrukční hmotností, který dodnes řešíme právě odhazováním vyhořelých stupňů.

Shodou okolností také v 60. letech se touto myšlenkou začal zabývat letecký inženýr Philip Bono, který v té době pracoval pro Douglas Aircraft Company. Navrhoval konstrukci celé řady prostředků, z nichž zřejmě nejznámější je ROMBUS, který řešil právě problém poměru konstrukční ku startovní, respektive aktuální hmotnosti. K docela obyčejné raketě, která se skládala z jediného stupně, navrhoval umístit startovací raketové motory. Ty se měly po vyhoření oddělit a samostatně přistát na padácích. Tímto způsobem by bylo možné dosáhnout ekonomického provozu a zároveň udělit tělesu dostatečnou rychlost. Toto řešení však můžeme stále považovat za tzv. semi-Single-Stage-To-Orbit.

Ačkoliv později navrhoval tento konstruktér řadu dalších prostředků s podobným konceptem jako například Pegasus nebo Ithacus, žádný z nich nebyl uskutečněn. V té době dostal přednost americký raketoplán jakožto STS (Space Transportion System), existovala celá řada klasických raket a nikdo nebyl ochotný zafinancovat natolik drahý vývoj s nejasným výsledkem, ale tak je to u kosmonautiky jako u všeho nového téměř pokaždé.

V polovině šedesátých let se konceptům tohoto typu věnoval také konstruktér Robert Salkeld, který navrhoval jedno-stupňové raketoplány vynášené do výšky kolem deseti kilometrů nosným letounem, kde by docházelo k oddělení a tzv. vzdušnému startu. Tímto mohl vynechat použití urychlovacích raketových motorů, anebo je mohl v konceptu ponechat s tím, že by zvyšovaly nosnost.

Toto řešení ostatně nebylo ničím špatné, jelikož Američané měli se vzdušnými starty nemalé zkušenosti, neboť je praktikovali u řady raketových experimentálních letounů. Navíc takový nosný letoun je po technické stránce shodný například s dopravním letounem a proto je poměrně nenáročný na údržbu a lze jej ověřeně používat klidně tisíckrát za sebou, když na to přijde. V každém případě se ovšem ani v tomto případě nejedná o čistý Single-Stage-To-Orbit.

Projekt čistokrevného raketoplánu typu Single-Stage-To-Orbit přišel až v polovině osmdesátých let s raketoplánem X-30, který mimo jiné reprezentoval vůbec nejstarší myšlenku využití raketoplánu – rychlou dopravu nákladu a osob na velké vzdálenosti.