Historie přistávání a znovupoužitelnosti

První stupeň Falconu 9 při pokusu o přistání na plovoucí plošině během mise CRS-6

Troufám si tvrdit, že velká část fanoušků SpaceX se o tuto inovativní společnost začala více zajímat až díky jejímu proniknutí do mainstreamových médií a všeobecnějšího povědomí prostřednictvím experimentů s přistáváním raket – ať už šlo o videa s testovací raketkou Grasshopper nebo výbušné záznamy nepovedených přistání na plošinách ASDS. Jednalo se totiž o něco neotřelého a inovativního – zkrátka věc, o kterou se nikdo jiný takhle veřejně nepokoušel a která působila jako svěží vítr ve stojatých vodách kosmonautiky a raketových technologií, které zdánlivě zamrzly v 70. letech minulého století. Ovšem, měli jsme americké raketoplány, které byly částečně znovupoužitelné, ale ty odešly do důchodu v roce 2011. A i když soukromá společnost Blue Origin pracovala na podobných technologíích jako firma SpaceX, na rozdíl od ní v té době parta kolem Jeffa Bezose operovala v tajnůstkářském režimu a nebylo o ní slyšet. Pojďme si tedy shrnout, co vlastně SpaceX vedlo k tomu, aby se snažili o záchranu svých raket, jaké metody zvolili, které z nich selhali, a proč je to vlastně všechno tak důležité.

Tip: Podívejte se také na video Příběh Falconu 9 (s českými titulky), což je sestřih mapující historii snah SpaceX o přistání prvního stupně:

Proč má smysl raketu zachránit?

Renovace a inspekce raketoplánu byla neuvěřitelně složitou operací

Pokud jste někdy přemýšleli, proč je tak drahé něco vynést do vesmíru, tak vězte že je to proto, že výroba rakety je extrémně drahá záležitost (raketa stojí několik miliard korun), což v kombinaci s faktem, že ji po jednom použití zahodíte do oceánu nebo necháte shořet v atmosféře, má za následek to, že za vynesení 1 kilogramu nákladu na oběžnou dráhu zaplatíte klidně i přes milion korun (obzvlášť, pokud neletíte se SpaceX). Ilustrujme si to na zjednodušeném příkladu dopravního letadla – koupě Boeingu 747 také vyjde na ohromné peníze (cca 9 miliard korun), ale letenky jsou i tak relativně levné, protože vysoká cena letadla se rozloží mezi desítky tísíc letů, než letadlo poputuje do šrotu, a aerolinky mezi jednotlivými lety platí už jen za palivo a údržbu, což jsou v celkovém měřítku malé částky. Ale kdybyste letadlo po jednom letu zahodili, letenky by stály astronomické částky a téměř nikdo by letadlem necestoval.

U raket je to podobné, neboť palivo tvoří méně než půl procenta celkové ceny. Dlouhodobým snem kosmického průmyslu je tedy vytvoření takového systému, který bude schopen vynést náklad alespoň na oběžnou dráhu a následně se vrátit na Zem a po krátké inspekci a dotankování paliva letět za pár dnů znovu. Nejblíže se dostala NASA se svým raketoplánem. Ten se dal z velké části znovu použít, ale nakonec se ukázalo, že náklady na inspekci, údržbu a přípravu raketoplánu na další start byly tak vysoké a celý proces zabral tolik času, že by bylo ve výsledku levnější a jednodušší použít klasický raketový systém, který by po startu skončil na dně oceánu, jak tomu je zvykem dodnes. Dalšími experimenty se znovupoužitelností byly třeba McDonnell Douglas DC-X nebo X-20 Dyna-Soar, žádný z nich to však nedotáhl do ostrého provozu.

Na scénu přichází SpaceX

Původní koncept prvního stupně Falconu 9 schopného motorického přistání (2011)

SpaceX mělo už od svého založení za cíl umožnit lidstvu kolonizaci Marsu. Šéf společnosti Elon Musk už tehdy moc dobře věděl, že to není z ekonomického hlediska realistické, pokud daná přepravní metoda nebude schopná RYCHLÉHO opakovaného použití. Proto se při návrhu rakety Falcon 1 a především pak jeho nástupce, Falconu 9, už od začátku počítalo s tím, že se SpaceX bude snažit dosáhnout znovupoužitelnosti. Málokdo také ví, že SpaceX provedlo několik pokusů o záchranu prvního stupně Falconu 1 a Falconu 9 pomocí padákového systému. Ten však byl rychle zavrhnut ve prospěch motorického přistání, neboť při použití padáků jste vydáni napospas větru a tím pádem nemůžete přistát s velkou přesností, a jste tudíž odkázáni na přistání na moři, což představuje další nevýhody (mořská voda je velice korozivní, je potřeba vyslat loď, která raketu vyloví apod.)

V roce 2011 SpaceX zveřejnilo svoje plány v této oblasti a společnost už tehdy dokonce plánovala i záchranu druhého stupně Falconu 9 (viz toto video ilustrující tehdejší záměry). Málokdo asi tehdy považoval plány SpaceX za realizovatelné, ale to Elona Muska a jeho tým neodradilo.

První krůčky

Grasshopper při jednom z testů, u kterého se zkoušela schopnost systému udržet kontrolu i po odklonu od striktně vertikální trajektorie

V roce 2012 SpaceX začalo s prvotním testováním přistávacích systémů v jejich texaském zařízení v McGregoru. Vyrobili malou testovací raketku s jedním motorem Merlin nesoucí jméno Grasshopper („kobylka“). S tou postupně prováděli větší a větší „skoky“, při kterých vyletěli do určité výšky a následně zase měkce přistáli. Při pozdějších testech už byli schopni létat do výšky několika set metrů, horizontálně se odklonit od místa startu a zase se bezpečně vrátit a přistát na původním místě. Tohle všechno bylo možné díky pokročilým softwarovým algoritmům, které raketu řídily a také díky tomu, že motor je schopen se naklánět a ovládat tak směr letu. Program Grasshopper byl velice úspěšný – proběhlo celkem 8 letů, poslední v říjnu 2013. Poté Grasshopper odešel do zaslouženého důchodu a uvolnil tak místo svému nástupci: experimentální raketě Falcon 9 Reusable (F9R).

Experimentální Falcon 9 Reusable při jednom z testovacích letů v McGregoru

F9R měl blíže k normálnímu Falconu 9, ale stavěl na úspěších programu Grasshopper. Jednalo se vlastně o první stupeň Falconu 9 v1.1, akorát měl místo 9 motorů jen 3, ale zato disponoval experimentálními výklopnými nohami a později také přibyla roštová kormidla. Byly vyrobeny dva kusy – F9R Dev1 a F9R Dev2. Dev1 provedl celkem pět testovacích letů do maximální výšky 1000 metrů, při kterých zdárně otestoval funkčnost nohou i kormidel. Při pátém letu však došlo k problému se senzorem, což mělo za následek automatickou sebedestrukci. (video)

SpaceX mělo v McGregoru povoleno létat maximálně do výšky několika set metrů, a tak SpaceX plánovalo další testy ve větších výškách v jejich nově vybudovaném zařízení ve Spaceport America. K těmto testům měl být použit F9R Dev2, ale z těchto plánů nakonec sešlo, neboť SpaceX už tou dobou souběžně experimentovalo s přistáváním na mořské hladině s Falconem 9 v1.1 během ostrých misí – a začínalo slavit první úspěchy.

Tip: Na všechny záznamy testovacích letů Grasshopperu a rakety F9R se můžete podívat v sekci Videa.

Přistávání na mořské hladině

Umělecké vyobrazení přistání Falconu 9 na mořské hladině

SpaceX při návrhu rakety Falcon 9 v1.1 bralo v potaz poznatky z programu Grasshopper a už při prvním letu této varianty (mise CASSIOPE v září 2013) se společnost pokusila o experimentální návrat prvního stupně s cílem kontrolovaně přistát na mořské hladině (počítačová animace znázorňující, jak takové přistání vypadá). Návrat začal dobře, ale během průletu atmosférou se stupeň i přes snahy manévrovacích trysek vymkl kontrole a začal se točit. Následný odstředivý efekt způsobil přerušení přísunu paliva do přistávacího motoru, který tím pádem zhasl a raketa následně tvrdě dopadla na mořskou hladinu, kde explodovala. Tento experiment měl za následek přidání výkonnějších manévrovacích trysek, aby při dalších pokusech nedošlo ke stejnému problému.

Další pokus proběhl v dubnu 2014 při misi CRS-3. Jednalo se o první let rakety s nainstalovanými přistávacími nohami. Experimentální přistání tentokrát proběhlo úspěšně – vylepšené trysky odvedly svou práci, nohy se v pořádku vyklopily a první stupeň ladně přistál na hladině oceánu, kde byl následně zničen nekompromisními vlnami:

Příští dva pokusy o přistání se odehrály během misí Orbcomm-1 a CRS-4 a byly také úspěšné (viz sekci Videa). To vedlo SpaceX k rozhodnutí pokročit do další fáze a zkusit přistání na plovoucí přistávací plošině (ASDS).

Pokusy o přistání na ASDS

Pokus o přistání na ASDS během mise CRS-6.

O ASDS jako takových tu máme samostatný článek, takže tady si probereme spíše jednotlivá přistání.

První pokus o přistání na ASDS proběhl během mise CRS-5 v lednu 2015. Raketa poprvé letěla s roštovými kormidly, která pomáhají s řízením prvního stupně při návratu atmosférou, kde klasické manévrovací trysky nejsou moc účinné. Pokus o přistání však skončil nezdarem – první stupeň sice plošinu s názvem Just Read The Instructions (JRTI) našel, ale přiletěl v příliš velkém náklonu a po nárazu do paluby vybuchl. Později se ukázalo, že problém byl v nových roštových kormidlech, kterým těsně před přistáním došla hydraulická kapalina, což mělo za následek zaseknutí v jedné poloze, která způsobila ztíženou ovladatelnost a změnu trajektorie, kterou se hlavnímu motoru nepodařilo včas napravit:

V dubnu 2015 se pak SpaceX pokusilo přistát na stejné plošině znovu, tentokrát při misi CRS-6. Roštová kormidla měla nově více hydraulické kapaliny, takže již nemohla nastat situace, která zhatila předchozí pokus (později navíc SpaceX přešlo na vylepšený uzavřený hydraulický systém). Přistání se skoro povedlo, ale zanesený škrtící ventil měl za následek zpožděnou reakci naklánění motoru, což vedlo k nestabilnímu přistání na JRTI a následnému převrhnutí a explozi:

Následné dva plánované pokusy o přistání vůbec neproběhly, jelikož v případě mise DSCOVR na plánovaném místě přistání zuřila bouře, takže JRTI musela být odvolána a první stupeň místo toho přistál jen na mořské hladině. U následné mise CRS-7 si fanoušci mysleli, že přistání se už konečně povede, ale bohužel během letu došlo ke katastrofické nehodě druhého stupně a následnému nezdaru celé mise.

První úspěchy

Kvůli nehodě při letu CRS-7 společnost SpaceX na 6 měsíců pozastavila všechny plánované starty, ale následně překvapila svět, když oznámila, že během prvního letu po půlroční pauze (mise Orbcomm-2) se pokusí přistát přímo na pevnině, nikoli na plovoucí plošině. Cílem byla nová přistávací plošina LZ-1 na Mysu Canaveral. Pokus o přistání se nakonec zdařil a jednalo se tedy o první úspěšné přistání v historii SpaceX:

Jelikož však ne každý let Falconu umožňuje přistání prvního stupně na pevnině, SpaceX potřebovalo i nadále pokračovat v pokusech o přistání na ASDS. V lednu 2016 během mise Jason-3 se přistání na ASDS téměř povedlo – první stupeň měkce dosedl na palubu, ale došlo k selhání uzamykacího mechanismu na jedné z nohou, následnému převrhnutí stupně a jeho ztrátě. Jason-3 byla poslední mise raketové varianty Falcon 9 v1.1 a všechny další mise už používaly novější v1.2, která je výkonnější, čímž umožnila možnost záchrany prvního stupně i u misí mířících na GTO. Přistání je však v takových případech výrazně obtížnější než u misí letících „jen“ na nízkou oběžnou dráhu, neboť raketa má menší rezervu paliva, a tudíž v zájmu úspornosti provádí kratší přistávací zážeh se třemi motory místo s jedním, což sice šetří palivo, ale kvůli tomu musí být přistání ještě preciznější a v podstatě bezchybné. První takovou misí byla SES-9. Pokus o přistání bohužel nevyšel, neboť raketa nezvládla včas zpomalit a přistála moc prudce, přičemž do paluby prorazila díru.

První úspěšné přistání na ASDS – mise CRS-8, plošina OCISLY

Jen měsíc po nezdaru při přistání SES-9 však SpaceX konečně mohlo slavit první úspěch na ASDS. Během mise CRS-8 první stupeň Falconu 9 měkce dosedl na plovoucí plošinu OCISLY a stal se tak historicky prvním úspěšným přistáním na moři. Následně SpaceX slavilo skoro jen samé úspěchy. Například hned příští mise (JCSAT-14) znamenala další prvenství – byl při ní poprvé zachráněn první stupeň z geostacionární mise.

CRS-8:

JCSAT-14:

Tip: Přehled všech pokusů o přistání a jejich výsledků najdete v sekci Přehled pokusů o přistání.

Dragon, aerodynamický kryt, druhý stupeň

Již použité Dragony čekající ve skladu

V článku jsem se moc nevěnoval kosmické lodi Dragon, ale ta do plánů SpaceX zapadá také. Už od začátku byla navržena pro vícenásobné použití bez nějakých větších renovací, ale jelikož NASA zpočátku požadovala pro mise v rámci programu CRS vždy nový Dragon, k jeho opakovanému použití poprvé došlo až při misi CRS-11.

Málo známým faktem je také to, že SpaceX už nějaký čas experimentuje se záchranou aerodynamického krytu. Ten je finančně i časově velmi náročný na výrobu, a tak by v případě jeho opakovaného použití SpaceX mohlo ušetřit miliony dolarů a spoustu času. Skutečnost, že SpaceX za tímto účelem vybavilo aerodynamický kryt manévrovacími tryskami, je trochu vidět například v tomto videu z mise SES-9 (časy 5:20 a 5:27). SpaceX kryty těmito tryskami směruje tak, aby vstoupily do atmosféry v ideální poloze, načež je nechává na padácích přistát. Zajímavostí je, že společnost prý původně zvažovala zachytávání klesajících krytů pomocí vrtulníku, ale od toho bylo později upuštěno.

A aby toho nebylo málo, Elon Musk se nechal slyšet, že se nejspíš pokusí také o záchranu druhého stupně!

První opětovné použití

Jeden z provedených statických zážehů zachráněného stupně z mise JCSAT-14

Jak vidíte, SpaceX je schopna zachránit první stupeň Falconu i loď Dragon a navíc pracuje na záchraně aerodynamického krytu a druhého stupně. Tohle všechno je však jen jedním dílkem celkové skládačky znovupoužitelnosti. SpaceX potřebuje dokázat, že zachráněné části rakety jsou schopny přečkat další let, aniž by k tomu byla potřeba nákladná renovace a dlouhá inspekce. Společnost však nezahálí a právě na tomhle už usilovně pracuje.

První stupeň z mise JCSAT-14 byl odvezen do zařízení v McGregoru, kde během několika dnů prošel sérií statických zážehů, aby SpaceX mohlo zkoumat, k jakému opotřebení došlo a zda je stupeň v dobrém stavu. Výsledky těchto testů asi byly nadějné, neboť se nedlouho poté začalo proslýchat, že stupeň z mise CRS-8 bude znovu použit pro misi SES-10 a že stupeň z mise Thaicom-8 je zpět v Hawthorne, kde bude modifikován, aby mohl být použit jako boční stupeň pro demonstrační let Falconu Heavy.

Mise SES-10 nakonec úspěšně proběhla v březnu 2017 a jednalo se tak o historicky první znovupoužití raketového stupně. Nedlouho poté se do vesmíru vydal další již použitý stupeň při misi BulgariaSat-1. Na základě těchto úspěchů pak začalo stále více zákazníků projevovat zájem o již použité stupně. Dokonce i extrémně konzervativní NASA zvažuje, že by na svých misích CRS používala již letěné Falcony!

SpaceX zároveň uzavřelo dohodu s přístavem Port Canaveral, kde si pronajalo pozemky a postaví zde komplex pro inspekci, renovaci a skladování zachráněných stupňů. Firma to tedy se znovupoužitelností myslí vážně a má dobře nakročeno do budoucnosti.


Líbí se vám takovéto články? Chodíte na ElonX rádi a chtěli byste, aby web zůstal bez reklam a autor mohl nadále vydávat kvalitní obsah? Vyjádřete svou podporu a spokojenost pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už web podpořili. Děkuji za přízeň!




  • Mohlo by se vám líbit...

    Diskuze

    5 komentáře u "Historie přistávání a znovupoužitelnosti"

    Nastavit upozorňování na
    avatar
    Třídit dle:   nejnovější | nejstarší | nejlépe hodnocené
    Marek
    Host
    Marek

    nádherný shrnutí, tvoje stránky jsou super, tohle tady chybělo – pouze stránky zaměřené na spacex a k tomu v češtině, díky moc 🙂

    Jirka Hadač
    Host
    Jirka Hadač

    Doplnění velice dobré, to video sem shlédl celé a musím říct, že je moc hezké. Ty záběry z dálky na přistávání na lodi mají fakt něco do sebe.

    Vojta
    Host
    Vojta

    Jen taková drobnost, to vylepšení roštových kormidel u CRS-6 nebylo přidání více hydraulické kapaliny, ale že začali používat uzavřený oběh kapaliny, takže už nemohla dojít. 🙂 viz. https://twitter.com/elonmusk/status/878839825473822720

    wpDiscuz