Ve SpaceX výhledově plánovali vývoj skutečně super-těžkého nosiče od úplných začátků. Už v prezentaci z roku 2010 si lze povšimnout raket Falcon X a Falcon X Heavy, které svými navrhovanými rozměry ve všech ohledech zřetelně převyšovaly i dnes již řadu let vyvinutý Falcon 9 Heavy (nyní označovaný jen jako Falcon Heavy).

Se zcela zásadním oznámením pak přišel Elon Musk na Mezinárodním astronautickém kongresu v roce 2016. Na něm představil prostředek označovaný ještě jako ITS (Interplanetary Transport system) o celkové výšce neuvěřitelných 122 m a průměru 12 m. A s tím rovnou svou vizi kolonizace Marsu. Že nešlo o plané řeči dokládaly snímky zážehu raketového motoru Raptor i prototypu velké nádrže vyrobené z uhlíkových vláken.

Od té doby došlo k celé řadě změn, které nicméně nikterak nesnižují možnosti vyvíjeného dvoj-nosiče. Už v roce 2017 začal být nejen interně ale také veřejně označován jako BFR („Big Falcon Rocket“, ale známější spíše jako „Big Fucking Rocket“). Spolu s tím došlo v rámci návrhu ke zmenšení průměru z 12 na 9 m a snížení počtu motorů ze 42 na 31. Na lodi Starship přibyly jakési „žraločí ploutve“. A ve stejném roce byly publikovány také vizualizace celé řady dalších využití – vynášení nákladů na oběžnou dráhu kolem Země, obsluha Mezinárodní kosmické stanice nebo představa lodi na měsíčním povrchu.

Evoluce konceptu od ITS až po loňskou podobu

Objevil se dokonce i koncept využití 2. stupně jako dopravního prostředku pro rychlé cestování mezi velkými městy na různých kontinentech. Ostatně s něčím takovým, zejména v případě raketoplánů, přicházeli vizionáři ještě před zahájením kosmické éry. Na druhou stranu je třeba si reálně přiznat, že i v případě velké spolehlivosti je řada odborníků k takovému využití skeptická, a to nejen kvůli celé řadě neznámých.

V roce 2018 došlo vedle přejmenování lodi na Starship v rámci konceptu kosmické lodi k jejímu protažení. Dále byla přepracována konstrukce křídel, jenž mají sloužit především jako přistávací nohy a přidání delta křidélek v přední (horní) části. Hlavním změnou bylo rozhodnutí nahradit uhlíkové kompozity vysoce kvalitní korozivzdornou ocelí. Ta je pochopitelně levnější, lépe se s ní pracuje a při vysokém obsahu chromu a niklu je navíc pevná i při kryogenních teplotách. Navzdory očekávání tak nedošlo ke zvýšení celkové konstrukční hmotnosti a tím pádem ani snížený vypočtených nosností.

Takzvaná závětrná strana nosiče Super Heavy, jakožto v podstatě 1. stupně, nebude potřebovat žádnou tepelnou ochranu. Teploty při návratu nemají přesáhnout řádově 330 °C a kolem motorové sekce 925 °C. Na samotné lodi Starship, která už bude muset brzdit z orbitální rychlosti mají být nejvíce namáhaná místa chráněna tenkými vícenásobně použitelnými destičkami. Z jakého materiálu není potvrzeno, ale jako jeden z hlavních kandidátů se přímo nabízí keramický kompozit na bázi TUFROC (Toughened Uni-piece Fibrous Reinforced Oxidation-Resistant Composite), na jehož vývoji SpaceX spolupracuje s NASA. Jedná se o lehký a zároveň levný materiál.

Dvě obří rakety

Super Heavy Starship jsou navrženy ve své podstatě dvě na sobě postavené vícenásobně použitelné rakety. Jediným úkolem Super Heavy je vynášení rakety, respektive kosmické lodi Starship tak, aby následně už sama mohla dosáhnout orbitální rychlosti. Obě rakety mají v současných plánech průměr oněch 9 m a dohromady měří 122 m.

Udává se, že nad rámec své vlastní hmotnosti bude Starship schopen na oběžnou dráhu dopravovat přes 100 t, a to při vícenásobné použitelnosti obou stupňů. Žádná část tedy nemá přijít nazmar. Na geostacionární dráhu se pak má nosnost pohybovat kolem 21 t, ačkoliv Musk v minulosti odhadoval hodnotu v rozmezí 30 až 40 t (obvykle konvenční nosiče dopravují zhruba čtvrtinový náklad oproti nízké oběžné dráze, ale pohon zajišťuje zpravidla už jen poslední stupeň). Stejně tak podle něj by měl nosič zhruba dvojnásobnou nosnost, pokud by nebyl vícenásobně použitelný – s čímž se pochopitelně v plánech rozhodně nepočítá. V každém případě bude Starship dopravovat na oběžnou dráhu více než kterýkoliv jiný kosmický nosič v minulosti.

Oba stupně mají mnoho společného, což má podstatně zjednodušit a zlevnit nejen vývoj ale samotnou výrobu i údržbu. Pohon v obou případech mají zajišťovat raketové motory Raptor. Stejně tak v obou případech je plánováno maximální využití stejných konstrukčních materiálů. A nakonec jak Super Heavy, tak Starship budou vertikálně přistávat v podstatě podobně jako se tomu nyní děje u 1. stupňů Falconu 9.

Takto nějak má vypadat vypuštění (a přistání 1. stupně) celého dvoj-nosiče

Raketa Super Heavy má mít průměr 9 m a na výšku měřit 72 m. Prázdná má vážit kolem 180 t, zatímco po natankování 3 580 t. Pohon budou zajišťovat raketové motory Raptor, jejichž počet se už několikrát změnil. V současnosti má jít o 31 motorů, ale Elon Musk uvedl, že „může jít o 28 motorů“. Celkový tah se má pohybovat kolem 65 MN! Jen pro porovnání: superraketa Saturn V, která vynášela soulodí Apollo k Měsíci měla ve svém 1. stupni celkový tah 35 MN.

Motory na metan

Raketový motor Raptor využívá tzv. uzavřeného cyklu, kdy jsou plyny z turbíny odváděny do spalovací komory a nepřijdou tak vniveč. Pohonnými látkami jsou kapalný kyslík a metan. Ten má celou řadu výhod: nepotřebuje velké nádrže, je levný a čistě hoří, což usnadňuje údržbu motoru. Navíc je možné jej vyrábět přímo na Marsu.

Základní atmosférická varianta s tryskou o průměru 1,3 m má mít tah přes 2 MN. Využívána bude pochopitelně především při samotném startu a dále přistání. Zejména u atmosférické varianty je zapotřebí tah regulovat. Prozatím to vypadá, že alespoň prvotní verze budou schopny jej snížit na nějakých 50% a nikoliv níže z důvodu nebezpečí „utržení plamene“ ve spalovací předkomoře. Vývoj ovšem nadále pokračuje.

Zajímavé je, že vedle toho vzniká ještě jedna atmosférická varianta motoru bez vektorizace a snad i bez možnosti regulace tahu. Ale se zvýšeným tahem 2,6 MN s výhledem k dalšímu navyšování, jednodušší, a tedy i levnější na výrobu. Pokud se vše podaří, bude se jednat vzhledem k tahu a plánované konstrukční hmotnosti 1 500 kg o motor s nejlepším poměrem tahu vůči hmotnosti. Do výroby by tento motor vstoupit snad už v příštím roce.

Loď Starship má být v budoucnu vybavena trojicí atmosférických a také trojicí motorů pro činnost ve vakuu. Ty má kvůli optimalizaci expanzní trysku s průměrem 2,8 m. Chlazeny má být regenerativně – průtokem pohonných látek stěnami trysky.

Vlevo atmosférická a vpravo varianta motoru Raptor s tryskou optimalizovanou pro činnost ve vakuu

Skutečná kosmická loď

Interiér lodi se má lišit podle konkrétní mise. Záležet bude na velikosti posádky, plánované délce i řadě dalších specifik letu. Vzniknout mohou varianty určené pro lety kolem a k Měsíci a dále k Marsu. Zcela odlišná pochopitelně bude nákladní varianta pro dopravu nákladů na oběžnou dráhu kolem Země a vzniknout má také tanker.

Už z vizualizací je zřejmé, že velikost vnitřního prostoru řádově překonává všechny současné i minulé kosmické lodě i raketoplány. K dispozici má být až 1 100 m3 (jen pro porovnání: americký raketoplán Space Shuttle měl přetlakovaný prostor o velikosti 74,3 m³).  I z toho důvodu můžeme Starship bez okolků označit za skutečnou kosmickou loď se vším všudy, co si pod tímto původně převzatým termínem lze představit.

Pro lety k a na Měsíc a Mars bude třeba na oběžné dráze kolem Země doplnit pohonné látky. Konkrétně má probíhat spojením lodí záděmi k sobě, přičemž přečerpání má být řešeno mírným akcelerováním jedním směrem. Plně natankovaná loď pak bude schopna dopravit řádově přes 100 t i k těmto nebeským tělesům. To už jsou tonáže, právě které mají umožnit v kombinaci s vícenásobnou použitelností skutečně ambiciózní plány.

Testovací exempláře

Pochopitelně vývoj takového nosiče je a bude ještě hodně složitý. SpaceX se rozhodlo i na základě předchozích zkušeností vyvíjet za pomoci stavby technologických prototypů a k cíli jít experimentálně. V době testování prototypu jsou obvykle dokončovány další a už se pracuje na vývoji zase dalších. Souběžně s tím dochází i ke konstrukčním změnám plánovaného prostředku, jehož podoba je stále bližší možné realitě.

Stavba prvního velkého prototypu přezdívaného Starhopper započala už v prosinci 2018. Vzhledem k tomu času už byl proto vyroben z oceli. Na výšku měl mít 40 m, ale nakonec měřil zhruba polovinu kvůli chybějící horní duté polovině, kterou zničil začátkem roku 2019 vítr. Novou nebylo třeba vyrábět, protože neměla žádný účel. Ve stejném roce bylo přikročeno k několika statickým zážehům a také dvěma krátkým letům do výšky 20 m a v druhém případě už 150 m nepočítáme-li první metrové „odlepení“ od rampy“

Starhopper během letu s jediným raketovým motorem

Na jaře 2019 vyšlo najevo, že SpaceX pracuje na dvou prototypech lodi Starship zároveň. Dva týmy, jeden v Texasu a druhý na Floridě, soupeřily mezi sebou o to, kdo bude rychlejší. Mohly si mezi sebou radit, ale každý si mohl zvolit vlastní přístup a vůbec se nemusel řídit radami toho druhého. Zvítězil nakonec ten první označovaný jako Mark 1 (zkráceně Mk1) se suchou hmotností kolem 200 t. Jeho kompletace byla dokončená před 29. zářím 2019, kdy Musk představoval novinky k jedenáctému výročí prvního úspěšného kosmického startu nosiče Falcon 1.

Už v listopadu 2019 byl právě v Boca Chica v Texasu zahájen testovací program Starship Mk1. K letu nikdy nedošlo, protože už 20. listopadu vybuchl během kryogenní tlakovací zkoušky nádrží. Ostatně v podstatě experimentální tlakové zkoušky byly hlavním účelem a zároveň důvodem zničení většiny prvotních prototypů už dále značených jako SN a číslem. Krom toho některé prototypy už dostaly i raketové motory Raptor k provádění alespoň statických zážehů. Prototypy Starship SN5 a SN6 pak už dokonce uskutečnily zkušební skoky do výšky opět 150 m v obou případech.

Skok do 12 km

Největší pozornost v poslední době byla a oprávněně směřována na prototyp Starship SN8. Ten už byl vybaven hned trojicí raketových motorů Raptor i plně funkčními stabilizačními plochami. Bez paliva vážil nějakých 150 t, na výšku měřil úctyhodných 50 m a měl průměr 9 m – tedy stejný, který má mít Starship ve výsledku.

Dokončen byl v létě letošního roku a 26. září převezen ještě bez aerodynamické špičky na startovací rampu, kde podstoupil sérii tlakových testů. 20. října bylo přistoupenu sice ke krátkému, ale úspěšnému statickému zážehu oněch tří motorů najednou. Následovalo připevnění aerodynamické špičky, další zkoušky a tři statické zážehy. V jejich průběhu byly vyměněny dva z motorů.

Záznam z letu (10 sekund před startem začíná v 1:48:02)

K tomu hlavnímu došlo 9. prosince 2020, kdy nadešel čas na zkušební let s trojicí raketových motorů. Starship SN8 při něm vystoupal s postupným vypínám motorů do výšky 12 km, než plánovaně přešel do letu na „břiše“. Krátce před přistáním se úspěšně přetočil souběžně s opětovným zážehem opět zase všech tří motorů a začal zpomalovat. Až při dosednutí došlo bohužel k explozi a zničení prototypu. Navzdory tomu je zkušební let pokládán za úspěšných. Vždyť došlo k úspěšnému zvládnutí všech kritických okamžiků krom toho posledního a získání dat, které konstruktérům zase pomůžou se posunout o kousek dál.

Smělé plány

Po doslova spektakulárním letu Starshipu SN8 najednou smělé plány zase nevypadají nereálně. Samozřejmě před konstruktéry, programátory a dalšími techniky je ještě hodně práce, ale cesta postupného vývoje pomocí prototypů se jeví jako správná. 

Jako vždy musíme brát všechny termíny s notnou dávkou rezervy a vzít v potaz Muskovu konstantu (jde o číslo 2 a vyšší, kterým je třeba násobit odhady šéfa SpaceX). K prvnímu kosmickému startu celého Super Heavy Starshipu může dojít podle některých prohlášení už v příštím roce, ale snad nikdo by se nedivil, kdyby se nakonec uskutečnil až v přespříštím roce. Důležité bude alespoň udržet tempo vývoje a financování, které probíhá z podstatné části z výdělků za starty Falconu 9 a Falconu Heavy. Jen v tomto roce jich má přitom SpaceX na kontě nemálo.

První lety má každopádně Super Heavy Starship podnikat bez posádky. Teprve až bude zajištěna a potvrzena dostatečná spolehlivost přijde řada na pilotované lety. Na jeden z nich se těší i japonský miliardář Jusaku Maezawa. V rámci projektu dearMoon chce už v roce 2023 vzít s sebou několik dalších umělců rovnou na oblet kolem Měsíce. Částka, kterou přispěl. Údajně pokrývá nemalou část prostředků na vývoj celého systému. Výhodou takového kratšího letu má být možnost už vyvinutých systémů pro udržení života pro pilotované lodě CrewDragon. StarShip by se mohl podívat také přímo na Měsíc, protože je jedním ze tří soukromých landerů, jejich vývoj sleduje a podporuje NASA.

Představa lodi během obletu kolem Měsíce

Pak už se snad otevře vysněná cesta k Marsu. Samozřejmě bude potřeba ještě na hodně věcí vyřešit. Krom jiného vyvinout systémy schopné udržet loď obyvatelnou po dlouhou dobu let. Přijít na to, jak ochránit posádku před nebezpečným kosmickým zářením. Ale třeba také vyvinout a vyzkoušet zařízení pro výrobu metanu přímo na povrchu rudé planety.

autor: Michal Polák