Prezident Donald Trump podepsal 19. února 2019 memorandum „Space Policy Directive-4: Establishment of the United States Space Force“. Po jeho formálním schválení Kongresem začnou vznikat Vesmírné síly Spojených států (USSF, United States Space Force), jako další složka ozbrojených sil této velmoci.
USSF
V úvodu amerického memoranda se uvádí: „Vesmírný prostor je nedílnou součástí našeho způsobu života, naší národní bezpečnosti a moderního boje. Ačkoli vesmírné systémy Spojených států historicky udržely technologickou výhodu oproti našim potenciálním protivníkům, tito potenciální protivníci nyní rozvíjejí své vesmírné schopnosti a aktivně rozvíjejí způsoby, jak popírat naše využívání prostoru v krizi nebo konfliktu.“
Ve třetím odstavci deklarace je stanoven cíl: „Zřídit Vesmírné síly Spojených států, aby organizovaly, cvičily a vybavovaly síly pro zajištění svobody pohybu v, z a do kosmického prostoru, poskytovaly nezávislé vojenské možnosti pro národní velení a posílily ničivost a účinnost společných sil. Vesmírné síly Spojených států by měly zahrnovat bojové i podpůrné bojové funkce, které umožní rychlé, trvale útočné a obranné kosmické operace a také společné operace ve všech oblastech.“
K tomu ještě ocitujeme ruský server TopWar, který s odvoláním na Pentagon uvádí, že Vesmírné síly zahájí činnost od roku 2020 s počátečním stavem dvě stě osob. Konečný stav je prozatím plánován na 15 000 osob, včetně civilního personálu, s jejich postupným rozvíjením v průběhu pěti let.
Druhým podstatným krokem v posílení přítomnosti Spojených států v kosmickém prostoru je „privatizace“ vesmírného prostoru, čili umožnění přístupu ryze soukromého sektoru (zejména SpaceX a Blue Origin) do vesmíru a jeho podíl na vojenských zakázkách Pentagonu.
Upozorňujeme, že nadále budeme v textu používat výraz „vesmírné síly“, byť stejný význam má i výraz „kosmické síly“. I z pohledu doby od Aristotela může být Evropanovi významově bližší název kosmický, včetně uvádění stejného výrazu v ruských textech.
Pojďme se nyní podívat, co to znamená „zajistit svobodu pohybu v, z a do vesmírné oblasti“, jež cituje zmíněná deklarace.
Technologie levného přístupu do vesmíru
Základem je raketová technika a technologie. V prvém pořadí se bude jednat o schopnost rychle a levně přepravovat „nahoru a dolů“ vojenský vesmírný materiál, nebo chcete-li, provozovat „zdvih na orbitu“. Zajistit si svobodu pohybu ve vesmíru pak mohou různé vesmírné prostředky dopravené na orbitu. V následujících desetiletích tak určitě půjde o „kontrolu“ kosmického prostoru ve výškách zhruba od sta až do několika set kilometrů nad Zemí.
A jak si představit „zdvih na orbitu“ a jaké by měl mít schopnosti? To naznačí následující video:
Video: Test Grasshopperu
Tento test je ze srpna 2013 a ukazuje výstup technologického demonstrátoru Grasshopper společnosti SpaceX do výšky 250 m s postranním manévrem 100 m a následným dosednutím do středu startovací plochy. Společnost SpaceX přistávání pomocí raketových motorů testovala v letech 2011 až 2014. Grasshopper posloužil pro vývoj technologií mechaniky při přistávání raket Falcon 9.
Jakého technického řešení je zde využito a co případně používají konkurenční projekty, bude obsahem následující stati. Výsledkem pak bude získání představy, zda u daných raket má smysl řešit jejich modernizaci s cílem opakovaného použití raketových nosičů.
Regulace tahu raketového motoru
Prvou schopností je tedy regulace tahu motoru – parametru TWR (Thrust-to-Weight Ratio), čili regulování poměru tahu vůči hmotnosti rakety. Je-li TWR vyšší než jedna, raketa se „odlepí“ od země a stoupá. Má-li však viset nad zemí po dobu několika sekund, znamená to, že TWR musí být roven jedna. a při sestupu méně než jedna. To ale vše při měnících se parametrech hmotnosti (díky spotřebě paliva) rakety v čase.
Mimochodem, parametr TWR je výchozím údajem při zahájení návrhu nové konstrukce raketového nosiče.
Regulace tahu raketového motoru je řešena turbočerpadlovým soustrojím, které se skládá z rotačního čerpadla a plynové turbíny, která čerpadlo pohání. Čerpadlo pak vstřikováním paliva a okysličovadla do spalovací komory vytváří přetlak kapalin oproti tlaku vznikajícího hořením uvnitř komory motoru a zároveň dodává potřebný objem pohonných hmot. Dnes jsou tato soustrojí složitým zařízením, kde otáčky dosahují hodnot až 90 000 za minutu při teplotách i – 204 °C, je-li palivem například vodík. Do větších podrobností nepůjdeme.
Raketové motory Merlin od SpaceX
Porovnejme si tedy schopnosti prvních stupňů těžkých raketových nosičů Spojených států, Evropy a Ruska. Jsou jimi Falcon 9, Ariane 5 a ruská Angar-A5, které dokážou (zde budeme ignorovat planetární dráhy) do výšky dvě stě kilometrů vynést náklad 22,8 tun, 20 tun a 24 tun dle pořadí uvedených raket.
Pro následující potřebné výpočty použijeme údaje z veřejných zdrojů. Jsou orientační, ale pro naši představu dostatečné.
Falcon 9 FT
Za vzor tedy vybereme raketový nosič Falcon 9 FT (Full Thrust) s devíti raketovými motory Merlin 1. Výpočtem dostaneme prázdnou hmotnost nosiče zhruba 75,29 tun. Při tahu 6700 kN (pozor, nezapomenout na gravitační konstantu) tak dostaneme TWR=9.
Zkusíme tedy jen jeden Merlin 1D+ s tahem 723 kN (na úrovni moře) a dostáváme TWR=0,97. A protože u motorů Merlin lze regulovat výkon motoru v rozmezí 40 až 100 %, zkusíme ještě tři motory na 40 % výkonu. TWR pak vychází 1,17. Závěr, použitím tří motorů je Falcon 9 schopen plynulé regulace výkonu tahu motoru okolo hranice TWR=1.
Rodina evropských raket, od nejmenší Vegy, přes současnou Ariane 5 až po vyvíjenou Ariane 6 (od 2020). Avšak ani u nejnovější Ariane 6 se nepočítá s motorickým přistáváním.
Ariane 5
Evropskou raketu Ariane 5 pohání u prvního stupně rakety motor Vulcain Mk. 2 o tahu 960 kN (na úrovni moře). Společně s centrálním stupněm pak pracují při startu i dva mohutné boostry, čili urychlovací raketové bloky, P-241 na tuhé pohonné hmoty. Prázdná hmotnost prvého stupně je 14 700 kg. Výpočtem tak dostáváme hodnotu TWR=6,66. Zkusíme ještě, kdy bude TWR=1 a dostaneme se na úroveň 15 % výkonu. To je již ale hodnota, kdy systém nedokáže udržet rovnoměrný požadovaný tlak ve spalovací komoře.
Video: Profil výrobce raket Ariane 5
Angara-A5
Podívejme se nyní na jediného zástupce ruských těžkých raket Angaru-A5 a na její první stupeň, který se skládá z pěti modulů URM-1. Základem každého modulu je raketový motor RD-191 s impozantní hmotnostní průtok paliva, zhruba 680 kg za sekundu.
V materiálech výrobce Angary „Závod Chruničeva“ dohledáme základní parametry motoru, tah 1922 kN (na úrovni moře) a hmotnost prázdného modulu URM-1 je 10 480 kg. Dále je uvedeno, že tah motoru lze přiškrtit až na 27 %. Pro tento nejnižší přiškrcený výkon dostáváme hodnotu TRW=5,05. Opět zkusíme propočíst zregulovaný výkon pro TRW=1 a dostáváme se těsně pod hranici 6 % s průtokem paliva zhruba 34 kg za sekundu.
Pět motorů RD-191 na raketě Angara-A5
Motor RD-191 sice patří ve své kategorii ke světové špičce, ale z hlediska požadované regulace tahu prvého stupně URM-1 je celý systém (motor, turbočerpadlové soustrojí i palivové rozvody) jako návratový modul nepoužitelný. Tento motor a nosič byly totiž vyvíjeny pouze na dosažení co nejvyššího maximálního výkonu.
První a také poslední start rakety Angara-A5 byl úspěšně proveden v prosinci 2014. Přesto osud celého projektu pravděpodobně směřuje k jeho konci (vysvětlíme později). V lednu letošního roku proběhla ruskými medií přestřelka mezi Závodem Chruničeva a výrobcem motoru RD-191 podnikem Energomaš. Uspořádání čtyř raketových modulů okolo centrálního nosiče u prvého stupně rakety totiž vždy nese nutnost chodu motorů po „určitou dobu“ (startovací fáze) při seškrceném výkonu. U použitých modulů URM-1 je to hranice okolo 30 %.
Při regulaci tahu motoru pod 38 % však u motoru RD-191 dochází ke vzniku nízkofrekvenčních kmitů, což může vést k havárii celé rakety. Podle Ivana Burtseva z Energomaše je však tento problém vyřešen, i když přetrvávají určité výkyvy v procesu provozu raketového motoru, avšak ty „jsou v normálním rozsahu“.
Závěrem lze konstatovat, že systémy pohonu raket Ariane a Angara nejsou schopny modernizace s cílem dosažení plynulé regulace tahu motoru okolo hodnoty TWR=1.
Změna vektoru tahu
Druhou schopností, jež nás bude zajímat u těžkých raket „21. století“, je schopnost změny vektoru tahu motoru.
Podívejme se tedy, jakým způsobem je řešena možnost změny vektoru tahu u americké rakety Falcon 9. Elon Musk nejen rád fotografuje, ale fotky z výroby raket také rád zveřejňuje. Přesto na některé detaily „zapomíná“, takže máme možnost vidět pouze vnější technologická řešení.
Devět motorů Merlin na Falcon 9 (Falcon 9 v 1.0) ještě s původním uspořádáním do čtverce (3×3). Nové kruhové uspořádaní se používá od roku 2013 (Falcon 9 v 1.1).
Na fotografii lze vidět rozložení motorů Merlin 1 u rakety Falcon 9 v 1.0 v průběhu závěrečné fáze upevnění na „kinetický rám“ v motorovém bloku (jsou vidět fixační montážní přípravky u trysek motorů) a spojování motorového bloku s vlastním nosičem prvého stupně.
Naopak na úvodním obrázku (Falcon Heavy) jsou již motory nejen v transportní, ale i letové poloze. Kinetický rám pak v letové poloze umožňuje dostatečné vychýlení trysek v kruhovém rozsahu.
Na stránkách závodu Chruničeva je zmíněna možnost řízení vektoru tahu RD-191 u nosiče Angara-A5 natočením komory motoru ve dvou rovinách. Účelem zde je však pouze navedení rakety na letovou dráhu. Obdobně to platí i pro evropskou raketu Ariane.
Opakovaný zážeh raketového motoru
K třetímu požadavku, opakovaný zážeh motorů u prvého stupně, lze konstatovat, že kromě motorů Merlin 1 tuto schopnost prozatím nemá žádný jiný motor používaný v prvních stupních těžkých raket jak Evropy, tak Ruska. Ariane k zažehnutí motorů používá hořáky ve startovní rampě.
A jak si tedy celkově představit „výtah na orbitu“ demonstruje následující video. Je sice z kategorie „vesmír pro běžné lidi“, ale velice názorně vysvětluje principy návratu nosiče prvého stupně a boostrů rakety Falcon 9. (Přeložené video najdete na stránce ElonX.)
Závod o kontrolu vesmírného prostoru
V rámci svého vystoupení na washingtonské konferenci Centra strategických a mezinárodních studií CSIS (Center for Strategic and International Studies) v březnu letošního roku ministr obrany Spojených států Patrick Shanahan informoval o zřízení Agentury pro rozvoj vesmíru SDA (Space Development Agency).
Úkolem organizace bude vytipovat vhodné stávající vesmírné technologie a organizovat vývoj nových z hlediska potřeb Vesmírných sil.
Určitě tam bude zařazen Boeing X-37B Orbital Test Vehicle (OTV) – orbitální testovací loď. Informace o Boeingu již Armádní noviny přinesly, my jen zdůrazníme, že v září 2017 byla kosmická loď X-37B (OTV-5) vynesena na orbitu s použitím nosiče rakety Falcon 9. A deklaruje-li společnost SpaceX schopnost do 24 hodin opětovné použití Falconu 9, v principu tak získávají americké Vesmírné síly schopnost rychlého reagování na možné budoucí potřeby ve vesmíru. Touto schopností prozatím nedisponuje žádný jiný stát světa.
A nyní se zmíníme o vesmírné stanici ISS. Jakou to má souvislost s Vesmírnými silami?
Před měsícem RIA Novosti, pod titulkem „Roskosmos předložil na ISS provádět vojenské experimenty“, informovaly o plánu na provádění vojenských experimentů na stanici. Opírají se při tom o události v období let 2014 až 2015, kdy ruští kosmonauti měli za úkol sledovat události na Ukrajině a v Sýrii. Jak dále server uvádí: „zahraniční kolegové dělali totéž“.
Video: Pokusy se zachycováním kosmického smetí lze využít i pro vojenské účely
Kosmická smlouva (Outer Space Treaty) z roku 1967 mimo jiné zakazuje zřizování vojenských základen ve vesmíru. A jak to u smluv bývá, vždy se najde způsob, jak je obejít. Příkladem mohou být různá zařízení na „čištění kosmického smetí“, ve skutečnosti použitelná jako kosmická zařízení na eliminaci satelitů, třetích stupňů mezikontinentálních raket (ICBM) apod. Provádí to všechny státy, jež vlastní vesmírné technologie. Je asi jen otázkou času, kdy Kosmická smlouva začne být pomalu přežitkem. Určitě si ale nikdo nedovolí umístit do vesmíru zbraně hromadného ničení. Platí to i o využívání stanice ISS k „mírovým“ účelům.
Stanice Gateway u Měsíce
Rusko nyní řeší pro sebe dva zásadní problémy. Jednak Spojené státy oznámily v roce 2024 odchod z programu ISS a od roku 2020 by měl startovat lunární projekt Deep Space Gateway (DSG). V těchto souvislostech například TopWar řešil otázky typu „Jak se bude dělit ISS?“ a pak tu zásadní, na čem vlastně k ISS a DSG budou ruští kosmonauti létat. Nejde ani tak o výzkumné úkoly na stanicích, jako o kontrolu, co tam druhá strana provádí.
Ruský zdvih na orbitu
Zde se dostáváme k druhému vesmírnému dopravnímu systému Ruska, Sojuzům.
Pod Roskosmos spadají tři základní korporace: „Závod Chruničeva“ montující rakety programu Angara, kde zadavatelem je ruské Ministerstvo obrany. Druhou je korporace „Energia“ montující rakety programu Sojuz. Třetí je pak výrobce raketových motorů pro obě korporace „NPO Energomaš“.
Rusko v současnosti provozuje raketové nosiče Sojuz-2.1a a Sojuz-2.1b. Raketa zpravidla dostane název podle nastavené navigace rozvodného bloku. Pro různá místa startů vyplývají rozdílné dráhy letu a tím i rozdílné navigace.
Uveďme příklad. Dopravní Sojuz s nákladem pro posádku ISS má nosič Sojuz-2.1a a nese označení například Progres MS-11 (start z kosmodromu Vostočnyj).
Raketa Sojuz MS-12 má ale nosič Sojuz-FG (má modernizované motory a startuje z kosmodromu Bajkonur) a slouží k dopravě kosmonautů na ISS. A zde použitá navigace u třetího stupně je vyrobena na Ukrajině. Tato raketa startovala nyní v březnu s posádkou k ISS.
Sojuz MS-13 má letět letos v červnu a poslední, Sojuz MS-15, letos v září. A to je konec. Víc raket s ukrajinskou navigací už Roskosmos pro lety k ISS nemá. A ani žádné jiné.
Raketa Proton
K tomu můžeme dodat, že letos v březnu bylo oznámeno, že ze dvou odpalovacích ramp pro střední rakety Proton (v červnu 2018 Dmitrij Rogozin nařídil po spotřebování již vyrobených raket projekt Proton ukončit ) bude první uzavřena příští rok a druhá v roce 2025. Čili to je také konec Protonů.
Když si to vše shrneme, program Angara, který stál biliony rublů, bude pomalu a potichu, podle TopWaru, uzavřen. Dále uvádí, že ačkoliv se oficiální místa o ukončení projektu Angara nezmiňují, je hlavním důvodem ukončení pětkrát větší cena Angary-A5 proti Sojuzům.
Je třeba si také uvědomit, že raketa Angara A-5 je vojenský projekt a není původně navržená k vynášení lidské posádky. Naopak Sojuz, resp. vyvíjený Sojuz 5, je státní projekt. Samozřejmě je zde také boj mezi závodem Chruničeva (Angara) a Energia (Sojuz) o veřejné peníze a také o to, kdo bude vynášet novou ruskou kosmickou loď Federacija.
Briz-M
Proti Angaře stojí také fakt, že používá rozvodný blok Briz-M s ukrajinskou navigací. Problémem jsou i neustále odklady, druhý start Angary-A5 se uskuteční až na závěr letošního roku, ačkoli byl plánován už na rok 2016.
Naopak pro lehké rakety Sojuz-2.1 je před dokončením ruský navigační systém rozvodného bloku „Volha“, zbývá provést ještě dva zkušební lety. Tyto se mají uskutečnit z kosmodromu Pleseck. Z nově budovaného kosmodromu Vostočnyj byl proveden jeden start v roce 2016.
Nové lehké Sojuzy, nahrazující Sojuzy-2.1, ponesou označení Sojuz-2 a určitě se k lunární stanici DSG nedostanou. Jsou určeny pouze pro vynášení malých satelitů na nízké dráhy.
U kosmodromu Vostočnyj je ale jeden zásadní problém. Kosmodrom totiž není prozatím schopen startů raket s lidskou posádkou, chybí dobudovat zhruba asi 30 objektů speciálního vybavení. A finance zatím nejsou. Kosmodrom Vostočnyj se začal budovat v roce 2011 a dokončení se očekávalo v roce 2018. Nyní se počítá s dokončením v roce 2022.
Sojuz 5
Kvůli problémů s Angarou a kosmodromem Vostočnyj byl zahájen vývoj nového modulárního systému (na schématu Angary), kde základem je modul, raketový nosič střední třídy Sojuz-5, pod názvem Irtyš. Zde se již první výsledky dostavily. Jak informoval Dmitrij Rogozin v únoru letošního roku na twitteru: „První motor RD-171MV pro nejnovější raketu střední třídy Sojuz-5, Irtyš, je sestaven v NPO Energomaš a připravuje se na zážehové testy. Co se týče výkonu, nemá ve světě obdoby“.
Raketa Sojuz 5
A odkud bude Sojuz 5 létat? Z Bajkonuru! V roce 2016 byl oprášen společný projekt mezi Ruskem a Kazachstánem pod názvem Bajtěrek. Byl zahájen již v roce 2004, ale létat z něj měly ukrajinské (!) rakety Zenit. Do modernizace kosmodromu pro Sojuz 5 investoval Roskosmos od roku 2018 již jednu miliardu dolarů. První zkušební start je plánován na rok 2022, let s posádkou k ISS (!) v roce 2024.
A pokud se termíny nestihnou, pro lety ruských kosmonautů na ISS a DSG jsou připraveny jízdenky od SpaceX. A jak poznamenal Dmitryj Rogozin, za „cenu 120 milionů dolarů za osobu“,což je mimochodem o 50 % více, než NASA platí Roskosmosu (80 milionů dolarů). NASA deset let živila Roskosmos a nyní bude chtít zřejmě své peníze zpět.
Vesmírné síly Spojených států na dlouhá desetiletí získávají dominantní převahu v „zajištění svobody pohybu v, z a do vesmírné oblasti.“ To neznamená, že Evropa a možná i Rusko nepostaví svoje těžké raketové nosiče. Jestliže do současnosti se vývoj evropských a ruských nosičů financoval částečně i komerčními lety, tak kvůli drtivému nástupu SpaceX to bude možné pouze z národních zdrojů.
Jak oznámila společnost SpaceX, za rok 2018 již obsadila 65 % trhu komerčních startů. A tak nakonec půjde jen o to, kolik je Evropa a Rusko ochotno zaplatit za půlminutovou PR v mediích: „Dnes odstartovala těžká raketa…“, která vlastně ani nikoho nebude zajímat.
Zdroje: White House, TopWar, ElonX, ArianSpace, Chruničev, Engine Space, SpaceFlight, RIA
Článek vznikl pro web Armádní noviny a byl redakčně upraven. Původní text najdete zde.
