Diit.cz - Novinky a informace o hardware, software a internetu

TÉMA: Cesta k vícenásobné použitelnosti kosmických raket

Zatímco celý svět žasne nad přistávajícími raketami Falcon, další konstruktéři také pracují na vícenásobné použitelnosti menších, či větších částí svých raket. Nápad nevyhazovat, ale vícekrát používat jednotlivé raketové stupně, přitom není zdaleka nový.

Důvod, proč se po bez dalšího využití odhazují raketové stupně kosmických nosičů, musíme hledat v úplných začátcích kosmonautiky v druhé polovině 50. let. Jak první sovětské kosmické rakety, tak i mnoho amerických kosmických raket byly v podstatě jen trochu upravenými vojenskými raketami.

Rusové použili svou první mezikontinentální raketu R-7. Američané zase přidali na raketu Redstone několik dalších stupňů, čímž vznikl kosmický nosič Juno. Obě tyto rakety stejně jako řada dalších v Sovětském svazu i Spojených státech vojáci vyvíjeli konstruktéři z pochopitelných důvodů na jedno použití – šlo jedině o úspěšné vypuštění bojové hlavice a zasažení cíle. S ničím dalším si vojenští stratégové hlavu zbytečně nelámali.

Nad tím, že stupně odpadávají z raket jako jablka ze stromu, se tak nikdo zvláště nepodivoval. Jejich výroba probíhala v leckdy ve větším měříku, než dnes. Konstruktéři měli spoustu jiných starostí, než řešit jejich návrat a vícenásobné použití. Trochu jiná situace nicméně ovšem panovala v případě pilotovaných kosmických lodí a raketoplánů.

Raketoplány nebo kosmické lodě

Především ve Spojených státech amerických experimentovali s raketoplánem X-15. Zároveň ještě v době, kdy se už na oběžné dráze létaly lodě Mercury, letectvo vážně pracovalo na projektu raketoplánu X-20 Dyna-Soar. Ke zrušení tohoto ambiciózního, nicméně reálného projektu nakonec došlo až v roce 1963 ve prospěch vojenské části programu Gemini.

Raketoplán Dyna-Soar na špici nosné rakety

Ale také v Sovětském svazu původně uvažovali, že by první kosmonauti létali v menších raketoplánech. Ze všech projektů nakonec sešlo kvůli jejich složitosti, kdy se jako největší problém ukazoval vývoj tepelné ochrany. Navzdory vývoji jednodušších návratových kabin však sovětští konstruktéři snahu o vývoj raketoplánů nevzdali. V 60. a 70. letech probíhal vývoj dvoustupňového raketoplánu Spiral. Z jeho vývoje nakonec navzdory složitostem sešlo až kvůli rozhodnutí postavit podobný raketoplán, jako měli Američané. Ten známe jako Buran, a do kosmu se dokonce i jednou v autonomním režimu podíval, když jej vynesla při svém druhém a posledním startu superraketa Eněrgija.

Raketoplán Spiral

Poněkud jiná situace ohledně vícenásobného použití ovšem panovala u konvenčních kosmických nosičů skládajících se sériově anebo i paralelně z jednotlivých raketových stupňů. I vzhledem k možnostem tehdejší techniky neměli konstruktéři tolik možností, jak vyřešit bezpečný návrat stupňů po jejich vyhoření a odhození. I přesto se o to ale pokoušeli už v rámci vývoje raket řady Saturn pro program Apollo. V roce 1963 zkoušeli na modelu prvního stupně rakety Saturn I návrat pomocí para křídla a několik návrhů vzniklo i pro větší raketu Saturn V. Žádný z nápadů však nebyl dotažen.

Zkoušky para křídla na stupni rakety Saturn

Space Shuttle a ty ostatní

Alespoň vícenásobné použitelnosti se nakonec dočkal alespoň jeden z pohrobků programu Apollo – americký raketoplán Space Shuttle. On sám přistával na letišti „jako dopravní letadlo“ a vícenásobné použití snesly i jeho urychlovací raketové motory SRB. Jen samotná kyslíko-vodíková nádrž shořela po vyčerpání všech pohonných látek v hustých vrstvách atmosféry. Vinou snížené frekvence startů a drahé údržby však ani Space Shuttle nepřinesl kýžené zlevnění dopravy na oběžnou dráhu, ba naopak.

Americký raketoplán Atlantis na startovací rampě

Kýženou revoluci ve vynášení nákladů, potažmo i lidských posádek nepřinesl ani žádný jiný projekt raketoplánu, byť koncepty i projekty vznikaly už od 40. let. Většinou vycházely z toho, že bude-li raketoplán přistávat jako letadlo, bude jej snadné připravit k dalšímu startu. Většina projektů ovšem v různé fázi úvah až vývoje narazila na technické problémy zaviněné často přehnanými očekáváními, zvláště těmi kladenými na pohon.

Vedle raketoplánů ovšem vznikala i celá řada koncepcí a projektů raket na vícenásobné použití v různých podobách. Povětšinou se nicméně jednalo o vize a koncepty, které nenašly cestu z rýsovacích prken konstruktérů. U jiných došlo ke stavbě různých prototypů či alespoň modelů, jako tomu bylo v případě bočních stupňů Bajkal pro ruskou raketu Angara, a které vycházely už z plánů na vícenásobně použitelné boostery dalších modifikací ruské superrakety Energija.

Model vícenásobně použitelného stupně || Vizualizace raketoplánu VentureStar

Kapitolou samou o sobě je dosud nerealizovaná kategorie SSTO (Single-stage-to-orbit). Tyto prostředky můžeme charakterizovat tak, že se do kosmu dostávají tak jak startují, aniž by z nich odpadávaly nějaké stupně.

Pokud bychom definici nebrali doslovně, pak do této kategorie můžeme řadit i jeden z původních konceptů, raketu ROMBUS od konstruktéra Philippa Bona odhazující jen vodíkové nádrže. Z dalších projektů stojí za zmínku raketoplán VentureStar z 90. let, pro něhož byl dokonce vyvíjen i tzv. aerospike motor. Tento typ raketového motoru se vyznačuje tím, že trysku tvoří centrální těleso, po jehož vnějšku vytékají spaliny, jež vstupují do atmosféry nadzvukovou rychlostí.

Delta Clipper během svého prvního přistání

Speciální místo v kategorii SSTO a vícenásobných raket nicméně patří technologickému demonstrátoru rakety DC-X alias Delta Clipper z počátku 90. let. Stavbu tohoto 11,9 m vysokého a přes 16 t s palivem vážícího tělesa měla na starost firma McDonnell Douglas a hlavním úkolem bylo studium vertikálního startu, manévrování a vertikálního motorického přistání – tedy přesně toho, jak dnes startují a přistávají kosmické rakety Falcon od SpaceX. Někteří z inženýrů pracujících na DC-X bylo zároveň zaměstnáno společností Blue Origin, kde získané zkušenosti využili při vývoji suborbitální vertikálně startující i přistávající rakety New Shepard.

Učení se přistávat

Skutečný zlom ve využití vícenásobně použitelných raket přišel až se společností SpaceX. Ta plánovala vícenásobné použití už své úplně první kosmické rakety Falcon 1, u které se měl vracet 1. stupeň na padácích. To se nicméně nikdy nepodařilo vyzkoušet, protože starty takto vybavených raket skončily nezdarem. A k praktickému vyzkoušení přistání na padácích nakonec nedošlo ani u rakety Falcon 9 a to naopak z toho důvodu, že raketa nedokázala přežít návrat v takovém stavu, aby mohla přistání na padácích vyzkoušet. Pozornost se proto definitivně přesunula k vertikálnímu motorovému přistávání.

Konstruktéři tedy nejdříve vyvinuli raketu Grasshopper (v překladu Kobylka) jakožto demonstrátor k ověření jednotlivých technologií a získání prvních zkušeností. Už úplně první prototyp nebyl vůbec malý a raketa na výšku měřila úctyhodných 32 m. K jejímu prvnímu letu došlo v září 2012 a do října 2013 jich bylo uskutečněno v texaském zařízení v McGregoru celkem osm.

Raketa Grasshopper během letu

Až v dubnu 2014 začaly zkušební starty s raketou F9R (Falcon 9 Reusable). Ta už měla podstatně blíže k běžnému Falconu 9 v1.1, ale na místo devíti používala pouze tři raketové motory. Celkem uskutečnil prototyp označovaný jako F9R Dev1 pět letů, při kterých dosáhl maximální výšky 1 000 m a byla otestována funkčnost přistávacích novou i kormidel. Při tom pátém ovšem v důsledku problému se senzorem došlo k sebedestrukci a k dalším letům s druhým prototyp F9R Dev1 nakonec už nedošlo.

Souběžně s tím začali ve SpaceX zkoušet návrat 1. stupňů při ostrých startech. Už v září 2013 došlo ke zkušebnímu návratu stupně, při kterém došlo navzdory činnosti manévrovacích trysek ke ztrátě kontroly. K dalšímu pokusu pak došlo v dubnu 2014, kdy už byl 1. stupeň vybaven i nohami. Tentokrát i kvůli provedeným úpravám nedošlo ke ztrátě kontroly a stupeň po úspěšném vyklopení nohou přistál, byť ještě na mořské hladině.

Následovalo několik neúspěšných pokusů, než začátkem roku 2015 došlo k prvnímu pokusu o přistání na plovoucí plošině ASDS (Autonomous spaceport drone ship). 1. stupeň už vybavený i roštovými kormidly se při něm sice trefil do plošiny, ale přiletěl s velkým náklonem a po nárazu do paluby explodoval. Neúspěšně skončil i další pokus, kdy raketa sice dosedla na rampu, ale následně se převrátil a vybuchl.

První přistání

K prvnímu historicky prvnímu úspěšnému přistání tak poněkud překvapivě došlo až 22. prosince 2015 po půlroční pauze způsobené havárií nosiče, vyšetřováním a úpravami. Při něm už 1. stupeň úspěšně dosedl, byť nikoliv ještě na plovoucí plošinu ale na plošinu vybudovanou na floridském kosmodromu. K prvnímu úspěšnému přistání na mořské plošině nakonec došlo po dvou dalších neúspěšných pokusech 8. dubna 2016.

První úspěšné přistání Falconu 9

V roce 2017 pak SpaceX pokračovala ve zkušebních přistáních, z čehož všechny počítáme-li i prosincové přistání na hladině moře bylo úspěšných. 30. března minulého roku došlo také k historicky prvnímu použití už použitého 1. stupně – od této chvíle tedy můžeme kosmickou raketu Falcon 9 považovat skutečně za vícenásobně použitelnou. V tomto ohledu je třeba zmínit, že se stále jednalo opravdu o zkušební přistání pro získání potřebných zkušeností, vychytání chyb, naučení se údržby apod.

Start a přistání stručně a jasně

Všechny získané zkušenosti zúročil SpaceX při vývoji dosud poslední varianty rakety Falcon 9 označované jako Block 5. Ta už má být opravdu vícenásobně použitelná bez nutnosti zdlouhavých kontrol a oprav mezi starty. Konkrétně by dokonce měla zvládnout až 10 startů i v rychlém sledu, po nichž má následovat údržba. Celkem pak má být 1. stupeň použitelný až stokrát!

Doslova oslavou vícenásobní použitelnosti se začátkem tohoto roku stal start superrakety rakety Falcon Heavy. Když dva její postranní bloky dosedly téměř ve stejný čas na přistávací plochy nedaleko rampy, propukli všichni v jásot. Na neskutečném úspěchu už nic nezměnilo ani to, že centrálnímu stupni se mořské plošině přistát nepodařilo, když dopadl nedaleko námořní plošiny.

Záznam startu Falconu Heavy

Raketa pro let na Mars

Už koncem září 2016 upřesnil Elon Musk na kongresu IAC v Mexiku některé parametry rakety známé dnes jako BFR, které o rok později trochu revidoval. I tak tato raketa v některých ohledech překonává ty nejdivočejší představy, kam se vývoj může během tak krátké doby dostat.

Stručné představení rakety BFR

Raketa BFR měří na výšku 106 m, průměr spodního stupně činí 9 m a na nízkou oběžnou dráhu dokáže vynést až 150 t. Zajímavé je, že se skládá jen ze dvou stupňů, které jsou oba vícenásobně použitelné. Zatímco první stupeň se bude vracet zpátky na zem, 2. stupeň představuje zároveň kosmickou loď.

Ačkoliv parametry rakety budí jisté obavy ohledně realizovatelnosti, SpaceX není dobré brát na lehkou váhu. Vždyť tomu bude letos v září teprve 10 let od chvíle, kdy úspěšné vypustila svou první a to jednorázově použitelnou raketu Falcon 1, která dokázala na oběžnou dráhu vynést maximálně 180 kg (teoreticky až 670 kg). Nyní už disponuje raketou, která má v blízké budoucnosti vynést astronauty na oblet kolem Měsíce.

Stále tajemný Blue Origin

Vícenásobně použitelné rakety vyvíjí také ve společnosti Blue Origin. Ve smyslu svého latinského sloganu Gradatim Ferociter (krok za krokem, zuřivě) postupují pomaleji, než SpaceX. Vzhledem k bohatství svého majitele Jeffa Bezose si ovšem pomalejší tempo v Blue Origin mohou dovolit, protože nejsou závislý na vlastních příjmech z vynášení nákladů.

Už v roce 2020 by nicméně měla poprvé odstartovat podstatně větší rakety New Glenn. A jak napovídá analogie podle jmen astronautů, půjde již o raketu určenou k vynášení nákladů na oběžnou dráhu kolem Země (Shepard – první Američan, co uskutečnil v kabině Mercury suborbitální let, Glenn – první Američan, který uskutečnil první orbitální let).

Raketa New Glenn se zařadí mezi historicky největší rakety – na výšku měří 86 anebo 99 m ve třístupňové variantě, ve které má dokázat navzdory vracejícímu se 1. stupni vynést kolem 45 t na nízkou oběžnou dráhu. Zvláštností rakety je využití raketových motorů spalujících kapalný kyslík a methan.

V Blue Origin už do budoucna počítají ještě s větším nosičem New Armstrong, který už by měl umožňovat, jak již název napovídá, náklady k Měsíci. Žádné bližší informace o tomto nosiči stejně jako dlouhodobých plánek nejsou známy.

Záchrana raketových motorů

SpaceX a Blue Origin nejsou jediné společnosti, které pracují na vícenásobně použitelných raketách. Cestu k vícenásobné použitelnosti se snaží najít i společnosti, které dosud sázely na jednorázově použitelné nosiče. Jednou z nich je také americké konsorcium ULA provozující velmi spolehlivé rakety Atlas V a Delta IV, jejichž služeb využívá americká armáda a letectvo.

Ta u svého nového nosiče Vulcan sice neplánuje zachraňovat celý 1. stupeň, nýbrž jen jeho nejdražší součást – raketové motory. Ty mají být po ukončení činnosti od stupně odděleny s tím, že při svém návratu budou chráněny a zpomaleny nafukovacím štítem. Ještě před dopadem na zem je pak má zachytávat vrtulník Ch-47 Chinook podobně jako byla v počátcích kosmonautiky zachytávána návratová pouzdra od špionážních družic.

Podobně přemýšlí také v evropském Airbusu, který už v roce 2016 vydal prohlášení, že mezi léty 2025 až 2030 plánuje zavést částečně vícenásobně použitelný první stupeň vyvíjeného nosiče Ariane 6. Opět má jít o snahu zachraňovat, tentokráte pomocí okřídlené části, pouze raketové motory.

NewLine-1: malý „čínský Falcon“

Druhou zemí, ze které vzejde vícenásobně použitelný stupeň, bude s největší pravděpodobností Čína. Poměrně neznámá a teprve před čtyřmi lety založená společnost totiž vyvíjí malý nosič NewLine-1 s nosností 200 kg na nízkou oběžnou dráhu a určený tak k vypouštění menších družic.

Dvoustupňová raketa NewLine-1 má při startu vážit pouze kolem 33 t, z čehož většina bude, jak je obvyklé připadat na 1. stupeň. Ten se má přitom vracet podobným způsobem jako první stupně Falconu 9 a motoricky přistávat na sklápěcích nohách. Společnost už dokonce zveřejnila i záběry ze zmenšených prototypů a první start má chystat už na rok 2020.

Podle zpráv by neměla zůstat jedinou vícenásobně použitelnou čínskou raketou. Státní kosmická agentura plánuje stejným způsobem zachraňovat stupně nosiče CZ-8. Zatímco jeho kapalinové stupně se mají vracet opět podobně jako stupně Falconu Heavy, postranní urychlovací raketové motory na tuhé pohonné látky mají přistávat pomocí padáků podobně jako dříve SRB z amerických raketoplánů Space Shuttle.

Diskuse ke článku TÉMA: Cesta k vícenásobné použitelnosti kosmických raket

Čtvrtek, 20 Září 2018 - 15:22 | super master | polkud si mam vybrat vas nazor nebo nazor pana...
Úterý, 29 Květen 2018 - 07:15 | Stoura | Falcon je už na přibližně polovině Vámi udávané...
Úterý, 29 Květen 2018 - 01:50 | Gath G | "Vícenásobné použitelná raketa je více méně...
Pondělí, 28 Květen 2018 - 20:03 | Sheldoniq | Vícenásobné použitelná raketa je více méně...
Pondělí, 28 Květen 2018 - 13:32 | Gath G | Jen proto, že na Zemi je optimální TSTO, bych...
Pondělí, 28 Květen 2018 - 12:47 | Shal | BFR zřejmě bude první SSTO. Měla by mít schopnost...
Pondělí, 28 Květen 2018 - 12:19 | VŠK | Efektivních a levných raket SSTO se jen tak...
Pondělí, 28 Květen 2018 - 10:32 | Ji Si | Souhlas. Nejúčinnější by bylo, kdyby to...
Pondělí, 28 Květen 2018 - 10:14 | urban | Moc pekne cteni a souhrn informaci k tematu. Jen...

Zobrazit diskusi