Proč po celém světě ve velkém stále nevznikají opětovně použitelné kosmické rakety, když jednoduše řečeno podle mnoha názorů v diskuzích nemá v dnešní době cenu vyvíjet raketu, kterou lze použít pouze jednou?
Je to proto, že se to v mnoha případech stále nevyplatí. Pokud má být provoz opětovně použitelného nosiče rentabilní, je třeba dodržet jistá pravidla. Jedním ze základních pilířů rentabilního provozu opětovně použitelného systému je vysoký počet startů. To si plně uvědomuje i Elon Musk, který se snaží nejen o co nejčetnější nasazení svých raket, ale také přemýšlí, jak tento počet startů ještě navýšit. Stačí se podívat do statistik a rázem vidíme, že nejvíce startů je s družicemi Starlink, což je navíc vlastní projekt SpaceX.
Start mise Starlink 6-8
Další nespornou výhodou USA v tomto ohledu je roční počet institucionálních startů. Například v roce 2017 jich bylo 17, zatímco v Evropě pouze 3. Japonsko, Indie nebo evropské státy tuto výhodu zkrátka nemají. Startů státních organizací je zde k dispozici mnohem méně. V Evropě je to v průměru jen 4 až 5 startů ročně, které nejsou navíc nijak smluvně zaručené. ArianeGroup se to snaží kompenzovat získaným podílem na komerčním trhu, aby byl průmyslový koloběh vůbec životaschopný, když už ne výdělečný. Oproti tomu v USA je podíl těchto startů poměrně vysoký a tvoří až 60 procent ekonomického podílu.
Proč odkládaná evropská raketa Ariane 6 není znovupoužitelná |
Proto na trhu stále převládají rakety na jedno použití. Téměř všechny velké agentury s nimi i nadále počítají a nové rakety z Japonska, Číny, Indie, USA, Ruska i Evropy to potvrzují. V následujícím desetiletí tedy opětovně použitelné rakety budou stále spíše sporadické a má to své důvody. Některé už byly vysvětleny a na jiné se podíváme. Budoucnost je tedy spíše v kombinaci obou způsobů.
Po celém světě vznikají nové kosmické nosiče, které budou nebo již jsou ve většině případů stále na jedno použití. Plánované termíny uvedené na obrázku byly plánované roky startu. Je tedy dobře vidět, že odklady nejsou výjimkou. Například raketa H3 už má za sebou jeden neúspěšný start. Jde jen o ukázku některých nových nosičů na jedno použití. Jsou tu ovšem i další nové rakety na jedno použití.
Jak je to možné? Opětovně použitelné rakety se přece vyplatí…
Skutečnost je mnohem komplexnější. Ke snížení cen letů do vesmíru opravdu nestačí „jenom“ návrat hardwaru zpět na Zemi. Tento hardware musíte být schopni také levně a kvalitně vyrobit. Pokud se tedy v současnosti společnosti SpaceX daří nabízet levnější lety do vesmíru, pak je právě toto jeden z hlavních důvodů. Tuto skutečnost si v současnosti už uvědomují nejen ve SpaceX, ale vědí to i ostatní kosmičtí dopravci jako ULA, Blue Origin nebo ArianeGroup. Znát je to však i u mladých společností a kosmických startupů, které mají progresivní přístup, jehož součástí je zaměření na levnou výrobu. Používání 3D technologií je jen jedním z příkladů, dalším může být sjednocování výroby atd.
Společnost Relativity Space je dobrým příkladem moderní společnosti používající novátorské postupy výroby kosmické techniky. Výsledkem je raketa na jedno použití Terran-1 z velké části vyráběná 3D technologií. Na obrázku robot tiskne nádrž rakety.
Vývoj opětovně použitelné techniky stojí též nemalé finanční prostředky. Samotná společnost SpaceX vynaložila do roku 2017 přibližně jednu miliardu dolarů na vývoj schopnosti opětovného použití raket orbitální třídy. A ke splacení těchto nákladů je potřeba vysoký počet startů.
Mají ještě šanci uspět rakety, jejichž části nelze znovu použít? |
Existují různé způsoby, jak realizovat opakované použití kosmických prostředků. Falcon 9 měl přiměřené technické cíle, které naplnil krok za krokem, a tím se také podstatně liší od raketoplánu. Program STS (Space Trasportation Systém) doplatil na příliš velké ambice a zejména na technické požadavky, které byly neuskutečnitelné v době, ve které vznikly. V současnosti tedy známe již několik strategií opětovného využití. Vzhledem k tomu, že hlavním úkolem je především minimalizovat dopady na návratový stupeň, tak přistávání pomocí padáků do oceánu není tou nejlepší volbou: slaná voda činí následnou rekonstrukci víc než komplikovanou a drahou. Stačí si opět vzpomenout na historii, program raketoplánů nebo raketu Ariane 5. Přesto se však touto cestou vydal Rocket Lab se svou malou raketou Electron, jejíž první stupeň je po přistání na padácích vyloven z oceánu.
Myšlenka znovupoužitelnosti kosmické techniky je poměrně stará. Některé způsoby byly realizovány, jiné zůstaly na papíře. Na dalších způsobech se pracuje. Některé se vyplatí více, jiné méně. Praxe ukázala, že motorický návrat raketových stupňů po vzoru SpaceX, tzv. metoda toss-back, je efektivní, nejzajímavější a nejlevnější varianta současnosti.
Rakety Falcon 9 úspěšně používají pro návrat tzv. metodu „toss-back“. Dochází k motorickému přistání raketového stupně, což je poměrně komplikované, ale jak víme, ne nemožné. Velkým „oříškem“ v tomto případě zůstává schopnost opětovného zažehnutí motoru při sestupu atmosférou. Klíčovým aspektem tohoto způsobu návratu je fakt, že tato metoda v podstatě nepředstavuje žádné riziko pro vynášený náklad.
To zároveň umožňuje testovat sestupový profil a další věci poté, co už druhý stupeň rakety pokračuje na oběžnou dráhu. Fakticky má toto řešení zatím i nejmenší dopad na parametry celého nosiče. Například u řešení, která počítají s přidáním křídel a návratem stupně klouzavým nebo motorickým letem, je zásah do konstrukce rakety mnohem citelnější a následkem toho mohou tyto přidané prvky více či méně ovlivňovat konečný úspěch mise.
Ukázka studií namáhání raketového stupně během sestupu. Vlevo je ukázka z fáze sestupu bez zážehu motoru při rychlosti Ma=0,9, úhel náběhu 170°. Uprostřed je znázorněna simulace tepelného toku během zpětného zážehu. Vpravo je podobná simulace pro tři různé návrhy designu při úhlu náběhu 175° a rychlost Ma = 0,7. Jde o studii demonstrátoru Callisto, který otestuje kritické technologie v reprezentativním prostředí, tak aby se v budoucnu daly využít v mnohem větším měřítku na nosičích spolufinancovaných ESA
V současném stavu technologií je to jednoznačně metoda SpaceX, která v praxi funguje nejlépe a umožňuje experimentovat s návratovým stupněm i během jednorázových startů. Proto je návrat raketových stupňů tímto způsobem zatím nejzajímavější volbou a stále více výrobců raket zvažuje zavedení obdobné metody pro vlastní nosiče. Na samotnou raketu v této konfiguraci přitom přibudou jen minimální, nutné součásti, takže je ve výsledku méně nákladná na výrobu i provoz oproti ostatním známým způsobům znovupoužitelnosti.
I tato metoda má samozřejmě svá pro i proti. Výhodou je snížení nákladů a možnost navýšení kadence startů. Šetření výrobních nákladů a času, které odpadnou díky návratu každého stupně. Nevýhodami jsou snížení nosnosti kvůli potřebě palivové rezervy pro přistání, větší nároky na infrastrukturu a bezpečnost, díly navíc (nohy, roštová kormidla, software atd.). Tento způsob se osvědčil hlavně při letech na nízkou oběžnou dráhu (LEO), kde je nejlepší poměr cena/výkon. Své limity má též sjednocená výroba. Používání stejných motorů pro všechny raketové stupně je finančně výhodné, ale za cenu horších výsledků pro mise mířících dál od Země.
Jaké jsou překážky? SpaceX přece všem ukázalo, jak se to dělá. Neměl by být problém to napodobit a mít podobnou raketu.
Nic nemůže být dál od reality. Podobná tvrzení jsou čirá demagogie a jen dokazují nepochopení celého problému. Každý výrobce kosmické rakety ví, že je třeba jí připravit i na prostředí, ze kterého bude nosič startovat. Nelze jednoduše vzít nějakou raketu a nechat ji startovat z opačného konce světa. Jako příklad může posloužit ruská raketa Sojuz, která pro starty z Kourou musela být též upravena a konstrukcí se odlišovala od těch, které startují z Bajkonuru. Myslí se i na takové věci, jako je vlhkost vzduchu apod. Pokud se nepletu, tak určité komplikace mělo SpaceX i s raketou Falcon 1 kvůli prostředí na kosmodromu Kwajalein.
Hořící motor Merlin 1A po selhání během první mise Falconu 1. Důvodem byl šroub na motoru, který zkorodoval vlivem prostředí na tropickém atolu Kwajalein.
Univerzální nosič by asi navrhnout šlo, ale muselo by se s tím počítat už v začátku a opět by to mělo i své nevýhody. Například vyvíjený systém Super Heavy Starship vzniká jako všestranný a odolný od začátku, ale i to má svá úskalí. Viz nedávná destrukce rampy po prvním startu této megarakety.
Pokud to shrneme, tak v různých koutech světa panují různé podmínky. Některé kosmodromy se pro typ návratu raketových stupňů ve stylu SpaceX moc nehodí, neb mají situaci o něco ztíženou kvůli tamnímu prostředí, a proto jde také do značné míry o individuální přístup a vlastní invence.
Například na kosmodromu v Kourou v Jižní Americe je obydlená část poměrně nedaleko kosmického centra a místní vody jsou také dost mělké a skalnaté. Již dobře také víme, že pokud se vrací raketový stupeň na plovoucí plošinu, jedním z důležitých faktorů úspěchu je i počasí. Naopak třeba v Japonsku je počet startů za rok omezen kvůli ochraně přírody a je otázkou, zda se jim v takovém případě podobný koncept znovupoužitelnosti v současnosti vůbec vyplatí vyrábět. Za 30 let může být samozřejmě situace jiná. Pro všechny země je ale klíčový nezávislý přístup do vesmíru. Ten je nadřazen dokonce i rentabilitě. A důležitost se prokázala už mnohokrát.
Dalším faktorem je samotná raketa. Každý kosmický nosič má své specifikace a vzniká za nějakým účelem. Existují různá paliva a technická řešení, která jednoduše neumožňují návrat po vzoru SpaceX. Co se týče indických raket, tak konkrétně třeba nejsilnější LVM-3 má tři stupně a každý na jiné palivo. Raketa tak obsahuje několik druhů raketových motorů a celková konstrukce je naprosto nevhodná pro koncept po vzoru SpaceX. Na trhu má však své místo. Patří k levnějším nosičům a pro Indy je tato raketa v současnosti naprosto klíčová.
Proč není raketa SLS znovupoužitelná a dávno zrušená, když je tak drahá?
Jak již bylo výše řečeno, dalším nezbytným předpokladem k ekonomickému úspěchu (nejen) metody „toss-back“ je četnost startů. Prakticky lze říct, že čím více startů nosič uskuteční, tím více bude celý systém rentabilní. Zde fakticky naráží obří nosič NASA jménem SLS (Space Launch Systém). Tato raketa vzniká jako jednorázově použitelná jednoduše proto, že by se její znovupoužitelnost nevyplatila. V současném stavu a v době, kdy vznikala, tomu tak bylo. Ve skutečnosti by tato snaha naopak celý program značně prodražila a zpomalila. Takže výzvy tímto směrem si vlastně protiřečí. Kritici by chtěli, aby byla SLS levnější a argumentují opětovnou použitelností. Jenže to by paradoxně celý koncept ještě prodražilo.
Raketa SLS v srpnu 2022 před misí Artemis I
NASA o variantě alespoň částečné použitelnosti některých částí fakticky uvažovala již při návrhu, ale ukázalo se, že z ekonomického hlediska se to jednoduše nevyplatí. Byly tedy dělány modely, které ukázaly, že se to nevyplatí. Pravdou zůstává, že přístup NASA je oproti SpaceX značně odlišný, ale to zákonitě neznamená, že vždy špatný. Raketa SLS v provozu má tak malou četnost startů, že by šlo v podstatě o ekonomickou sebevraždu. V případě NASA je navíc problémem nezávislost. Jakýkoliv projekt může být doslova kdykoli zrušen a podobný přístup provozu opětovně použitelnému systému nenahrává.
Dalším problémem rakety SLS je paradoxně její velikost. Nosič je to opravdu silný, a to i v nejslabší variantě, proto je pro rentabilitu nutné vhodně využít přepravní kapacitu rakety a startovat s ní alespoň jednou ročně. Vhodných nákladů zatím ale není tolik, aby se uvažovalo o zásadním nárůstu počtu misí za rok, tak aby se vyplatila investice do znovupoužitelnosti této rakety.
K zamyšlení je pak otázka, jak aplikovat opětovně použitelné prvky na SLS. Architektura rakety je značně odlišná od raket Falcon i novější SHS. Postranní urychlovací bloky jsou větší a těžší než ty z programu raketoplánů, které byly používány opakovaně. Pouhé použití padáků by tak zřejmě nestačilo. Silné padáky pak mají i svou hmotnost, což by znamenalo snížení nosnosti samotné SLS. Navíc u raketoplánů se tento způsob nikdy doopravdy nevyplatil.
Pak tu máme centrální stupeň. Zde je situace zajímavá pro všechny, kteří navrhují, aby přistával po vzoru SpaceX. První stupeň rakety Falcon 9 se odděluje od rakety přibližně po 2 minutách a 18 sekundách ve výšce asi 80 km a setrvačností dosáhne výšky přesahující 100 km. Při svém letu zpět si i tak projde slušným peklem. Jenže centrální stupeň SLS má v době oddělení již téměř orbitální rychlost a odděluje se od rakety přibližně ve výšce 157 km v rychlosti přibližně 28 000 km/h. Do vln oceánu dopadá až 1 hodinu a 46 minut po startu.
Profil startu první rakety SLS
Řešení záchrany centrálního stupně SLS metodou toss-back je tedy mnohem těžší než v případě záchrany prvního stupně raket Falcon. Ve skutečnosti má mnohem blíže k řešením záchrany druhého stupně a od těchto snah i SpaceX v případě Falconu odstoupilo pro složitost a dalo přednost vývoji plně znovupoužitelného systému SHS.
Uvědomme si taky, jak velký centrální stupeň SLS je. Znovupoužitelná SLS by tedy znamenala úplně jinou architekturu. Ve stávající podobě je, troufáme si říci, neproveditelná. Další otázkou zůstává, nakolik by taková opětovně použitelná raketa odpovídala politickému zadání a cílům.
Na závěr si neodpustíme malé zamyšlení. Je otázkou, co se stane s raketou SLS poté, co budou v plném provozu rakety New Glenn od Blue Originu a Super Heavy Starship od SpaceX, které budou schopny provést všechny požadované úkoly a splnit i politické cíle. Bude mít poté Kongres USA odvahu již dále nefinancovat vlastní kosmickou raketu? Pokud ano, pak je dost dobře možné, že SLS je poslední vesmírná raketa vlastněná a provozovaná vládou Spojených států.
Text byl převzat z portálu ElonX. Před vydáním byl redakčně upraven. Originál najdete zde.
