Zrušené projekty SpaceX #7: Znovupoužitelný horní stupeň raket Falcon
Elon Musk dal v minulosti mnohokrát najevo, že touží po dosažení kompletní znovupoužitelnosti raket Falcon. První stupeň už je běžně používán opakovaně a na záchraně aerodynamických krytů se také pracuje, ale znovupoužitelnost horního stupně je vzhledem k jeho orbitální rychlosti o dost komplikovanějším problémem. Elon Musk však vždy jednou za čas naznačil, že uvažuje o nějaké nové metodě či experimentu, který by konečně umožnil bezpečný návrat horního stupně z orbity, aby mohl být později použit znovu. Tento sen však skončil, když Musk na konci roku 2018 na Twitteru prohlásil, že plány na znovupoužitelnost horního stupně Falconu 9 byly uloženy k ledu a SpaceX se bude místo toho soustředit jen na vývoj rakety Starship. Pojďme se tedy ohlédnout za minulými Muskovými prohlášeními a vysvětlit si, proč je znovupoužitelnost horního stupně tak obtížná.
SpaceX v roce 2011 vydalo oficiální animaci, která světu představila ambiciózní plány firmy vyvinout zcela znovupoužitelný raketový systém Falcon 9. Ukázaná vize motoricky přistávajícího prvního stupně se pak stala realitou v prosinci 2015, když během mise Orbcomm-2 poprvé úspěšně přistál první stupeň Falconu 9. Video také ukazovalo motoricky přistávající loď Dragon, což je věc, která je pro SpaceX sice technicky proveditelná, ale z různých důvodů z těchto plánů nakonec sešlo a Dragony tedy nakonec budou nejspíš vždy přistávat v moři na padácích. Dnes nás však nejvíce zajímá znovupoužitelný horní stupeň, který byl ve starém videu vidět taky. SpaceX si představovalo horní stupeň vybavený tepelným štítem, který by po průletu atmosférou motoricky přistál na pevnině:
Od vydání videa se však SpaceX soustředilo hlavně na projekt znovupoužitelnosti prvního stupně, který tvoří zhruba 60 % ceny celé rakety a jeho záchrana je technicky snazší než v případě horního stupně. První reálné pokusy o přistání prvního stupně začaly v září 2013 a po několika explozivních neúspěších došlo k prvnímu úspěchu na konci roku 2015 během mise Orbcomm-2. SpaceX se pak velmi rychle dostalo do fáze, kdy se z přistání prvních stupňů stala v podstatě rutinní záležitost. Elon Musk tedy opět začal pošilhávat po znovupoužitelnosti horního stupně.
Jedno z mnoha úspěšných přistání prvního stupně Falconu 9 (Foto: SpaceX)
Záchrana druhého stupně je však značně komplikovanější než v případě stupně prvního, a proto od ní bylo od vydání videa výše upuštěno. Hlavním problémem je, že druhý stupeň na rozdíl od stupně prvního dosahuje orbitálních rychlostí, a aby se mohl vrátit na Zem, musí se většiny téhle získané energie nějak zbavit, jinak nepřežije průchod atmosférou.
Jednou možností je zažehnout motor v opačném směru letu a eliminovat část rychlosti, což ale stojí hodně paliva, kterého druhý stupeň v rezervě obecně moc nemá. Efektivnějším způsobem jak zpomalit, je zabrzdit o atmosféru. To nestojí žádné palivo, ale zase to vytváří obrovské množství tepelné energie, takže stupeň by musel disponovat tepelným štítem, aby neshořel. Ve videu výše je jakýsi štít na druhém stupni vidět. SpaceX má s tepelnými štíty bohaté zkušenosti – jejich loď Dragon disponuje štítem z materiálu PICA-X, takže by teoreticky asi bylo možné druhý stupeň vybavit něčím podobným.
Tryska vakuové varianty Merlinu je velká zhruba jako celý normální Merlin.
Řekněme tedy, že druhý stupeň přečkal vstup do atmosféry bez úhony díky tepelnému štítu. Co teď? Stupeň se pořád pohybuje velkou rychlostí a potřebuje nějak přistát. Padáky jsou nepřesné, těžké a celkově nepraktické, jelikož se s nimi nedá přistávat na pevnině (došlo by k poničení stupně) a na moři je nepřítelem korozivní mořská voda. Takže se nabízí spíše motorické přistání ve stylu prvního stupně. Snadné, že?
Ne tak docela. Motor Merlin je velice silný a téměř prázdný druhý stupeň je lehký (kolem 5 tun), takže stupeň by po zažehnutí motoru nejen velice rychle zpomalil, což by vedlo k vysokému přetížení, ale po chvíli by se začal zase pohybovat směrem nahoru, pryč od místa přistání. První stupeň raket Falcon má ten samý problém, i když je několikanásobně těžší než druhý stupeň a pro přistání používá jen jeden motor z devíti – při zažehnutí je tah až moc silný a po čase by motor začal stupeň opět vynášet vzhůru. Přistání se tedy musí přesně načasovat, aby zpomalující stupeň dosáhl nulové rychlosti přesně v okamžiku dosednutí na zem. Jedná se o velice náročný manévr, kterého je dosaženo díky pokročilým algoritmům a také schopnosti motoru Merlin snížit či zvýšit tah o několik desítek procent dle potřeby. Takovýto přistávací manévr by byl v případě malého druhého stupně extrémně náročný, ne-li nemožný.
A to není jediný problém. Motor na druhém stupni se od motorů na stupni prvním v mnoha ohledech liší. Je totiž optimalizován pro fungování ve vakuu, zatímco motory prvního stupně jsou navrženy pro let atmosférou. Nejvýraznějším rozdílem je vnější tryska motoru, která je u motoru druhého stupně mnohem větší a zároveň křehčí. Při průchodu atmosférou by téměř určitě došlo k roztrhání trysky, ať už vlivem náporu vzduchu nebo při případném zážehu motoru v atmosféře, který by trysku zničil. Přistání pomocí hlavního motoru druhého stupně je tedy nejspíš nerealistické. Ve videu z roku 2011 však je vidět, že už tehdy SpaceX mělo v plánu něco jiného.
Vznášející se Dragon při testu motorů SuperDraco v McGregoru (Foto: SpaceX)
Podle tehdejší představy bylo v plánu zasunutí motoru druhého stupně, aby se ochránila křehká tryska při návratu na zem. Následně je vidět, že stupeň sice přistane motoricky, ale pomocí nějakých sekundárních motorů nacházejících se okolo Merlinu. Možná to mají být motory SuperDraco, které najdete na lodi Crew Dragon, kde plní funkci únikového systému. SuperDraco má tah 73 kN, což by pro potřeby přistání téměř prázdného horního stupně bylo víc než dostatečné.
V případě motorického přistání by tedy SpaceX muselo na druhý stupeň přidat minimálně tepelný štít, dodatečné přistávací motory SuperDraco a nějaký systém ochrany Merlinu (teoreticky by možná stačil jen nějaký snadný způsob, jak před vstupem do atmosféry odhodit velkou trysku). Elon Musk na Twitteru prohlásil, že druhý stupeň „je rozhodně možné dostat zpět jako Dragon, ale otázkou je, kolik přidané hmotnosti to bude vyžadovat“:
Záchrana druhého stupně je tedy technicky určitě možná, ale každý gram, který SpaceX přidá na druhý stupeň kvůli jeho záchraně, se projeví jako snížení maximální hmotnosti nákladu, který je raketa schopna vynést na oběžnou dráhu. Na druhou stranu, Falcon Heavy má obrovskou maximální nosnost, kterou žádný zákazník nejspíš plně nevyužije, takže velké rezervy by se teoreticky dalo využít pro záchranu druhého stupně.
První start Falconu Heavy (Foto: /u/jardeon)
Musk proto v dubnu 2017 řekl, že zvažuje během demonstrační mise Falconu Heavy provést nějaký experiment se záchranou horního stupně. K tomu nakonec nedošlo, ale Muska opakovaně použitelný horní stupeň stále lákal. To potvrdila Gwynne Shotwell na podzim 2017, když řekla, že SpaceX zkusí v roce 2018 s horním stupněm Falconu 9 měkce přistát do vody. Dodala však, že cílem by bylo především získání cenných dat pro vývoj budoucích raket a opakované použití horního stupně se neplánuje.
V dubnu 2018 ale Elon Musk na Twitteru oznámil, že se SpaceX pokusí o návrat horního stupně z orbity pomocí obřího balónu. Výhodou balónu podle něj je, že dokáže udržet tvar ve všech rychlostech včetně nadzvukové a snižuje balistický koeficient o dva řády. To znamená, že umožňuje výrazné zpomalení jen pomocí aerodynamického odporu. Musk nespecifikoval, jaký balón má přesně na mysli a jak by byl použit, ale spekulovalo se o brzdicím balónu (“ballute”), který se používá například pro zpomalování bomb shazovaných z letounů. Takový balón je optimalizován pro velké nadmořské výšky a nadzvukové rychlosti.
Elon dodal, že horní stupeň by pak „přistál na skákacím hradě“. Je vám to povědomé? To proto, že SpaceX původně plánovalo s aerodynamickými kryty přistávat na něčem, co Elon nazval skákacím hradem. V dalším tweetu Elon naznačil, že k přistání horního stupně by mohla být použita loď podobná Mr. Stevenovi, který se v současnosti používá právě pro zachytávání aerodynamických krytů.
Nic ale evidentně nebylo definitivní, protože v listopadu 2018 Musk představil upravený plán, podle kterého by SpaceX upgradovalo horní stupeň Falconu 9 po vzoru chystané rakety BFR (nyní Starship) a vzniklo by tak jakési „miniBFR“. Tento krok měl urychlit vývoj velkého BFR. Avšak pouhých 10 dnů po oznámení plánu na „miniBFR“, Musk na Twitteru napsal, že SpaceX už neplánuje upgradovat druhý stupeň Falconu 9 v zájmu znovupoužitelnosti a místo toho zrychluje vývoj plnohodnotného BFR, u kterého tehdy nově došlo ke změně designu z uhlíkových kompozitů na nerezovou ocel.
Fanouškovská představa Falconu 9 s miniaturním BFR na špici (Autor: /u/purpleefilthh)
Ať už by byl způsob záchrany horního stupně raket Falcon jakýkoli, jednalo by se o obtížný úkol, který by vyžadoval výrazné modifikace horního stupně. SpaceX nakonec usoudilo, že by to nejspíš nemělo smysl vzhledem rychlosti vývoje zcela znovupoužitelné rakety Starship a relativně nízké ceně horního stupně (zhruba 20 % ceny celého Falconu 9, u Falconu Heavy ještě méně). Pokud tedy SpaceX nenarazí na nějaký nepřekonatelný problém během vývoje Starship, která má časem nahradit Falcony i Dragony, znovupoužitelného horního stupně Falconu se pravděpodobně nikdy nedočkáme.
Předchozí díly seriálu:
- Zrušené projekty SpaceX #1: Falcon 1e, Falcon 5, Falcon 9 Air a další rakety, které nikdy neletěly
- Zrušené projekty SpaceX #2: DragonLab a Red Dragon
- Zrušené projekty SpaceX #3: Crossfeed neboli přečerpávání paliva mezi stupni Falconu Heavy
- Zrušené projekty SpaceX #4: Přistávání Falconů pomocí padáků
- Zrušené projekty SpaceX #5: F9R-Dev2 a Spaceport America
- Zrušené projekty SpaceX #6: Aerodynamické brzdění pomocí přistávacích nohou
Podpořte projekt ElonX
- Mise Starlink 6-52 - 17. 4. 2024
- Mise Starlink 6-51 - 14. 4. 2024
- Mise Starlink 6-49 - 9. 4. 2024
Osobně se domnívám, že hlavní příčina zrušení je ve dvou bodech.
1) množství paliva, které by to sezřalo – nižší nosnost, tohle je asi důležitější.
2) A regulace tahu. To by asi šlo pořešit, zapálení na poslední chvíli nad zemí.
Jinak jsem úplně zapomněl, hezký článek, Petře :-). Aspoň na ty zrušené projekty nejsem sám 😀
Díky. V tomhle případě to bylo jednoduchý – stačilo poskládat moje už existující texty a jen to trochu učesat. 🙂
To zapálení těsně nad zemí je problematické, jde o to, že nějakou dobu trvá, než se ustálí chod motoru. No a druhý problém by asi bylo opravu velké přetížení přesně jak se píše v článku.
Díky za pěkný článek.
V tom loňském listopadu se tedy ve SpaceX musely dít věci. Opuštění dlouhodobé koncepce kompozitních nádrží, místo postupného opatrného zkoušení nových technologií na existujícím hardware rovnou stavba velkého “prototypu”. Docela by mě zajímalo, co bylo příčinou takového zemětřesení.
Myslím že stále staví levný prototyp, jen na stávajícím hw toho moc viditelného testovat nejde.
Do F9 i když by narvaly Raptory nádrže nejsou koncipovány ne matan, musely by přepracovat celí F9 a to je snadnější postavit experimentální prototyp:
Motory – testují staticky na složitější testy starhip hooper. Nemožno testovat na H9
Chlazení – Odpařováním metanu, F9 nemá metan
Trup z nerezu – Museli by přepracovat celý F9
Ano, souhlas. po změně koncepce Starshipu už toho na druhém stupni F9 moc neotestují, proto to taky odpískali.
Jen by mě zajímalo,co je vedlo k tak zásadní změně. To je něco jako by se třeba VW rozhodl ze dne na den začít dělat jen elektromobily. 🙂
No to srovnání není přesné, spíš jako by se rozhodl ukončit vývoj klasiky a začít se věnovat pouze vývoji elektro.
Tu sa práve ukázalo ako SpaceX pracuje, nepostupujú paralélne ale sériovo. NASA by draho skúšala niekoľko koncepcií potom by vyberali tú najlepšiu a až nakoniec by danú koncepciu rovýjali. SpaceX rozvýja koncepciu ktorá sa zdá najvhodnejšia rovno, čo je rýchle a lacné no ak sa ukáže že to nebolo to pravé riešenie všetko zahodia a začínajú od 0 čo sa pravdepodobne stalo pri uhlíkových nádržiach keďže v USA nieje taká bohatá základňa CF kompozitov ako v európe no kvôli ITARu SpaceX nemôže najať Európskych odborníkov či firmy.
no ale ked parkrat zahodis uz rozpracovanu koncepciu tak nakoniec ta to moze stat daleko viac ako keby si si nazaciatku spravil poriadny vyskum a naplno sa venoval az tej najlepsej
aj ked treba povedat, ze musk tu kompozitovu raketu zahodil v pomerne rannom stadiu, potom este rychlejsie zahodil transpiracne chladenie a zacal dumat na nejakymi setuholnikovymi udajne aktivne chladenymi dlazdicami a nakoniec asi aj tak skonci pri klasickom tepelnom stite
Šestiúhelníky nenahrazují transpirační chlazení, jen jej doplňují.
ked uz tak opacne, transpiracne chladenie ma byt doplnkom tych sestuholnikov
dobre vies, ze povodne ohlasil, ze to bude mat cele transpiracne chladenie a potom o par tyzdnov prisiel s tym, ze uz to ma mat akesi sestuholnikove dosticky a transpiracne sa ma pridat nasledne tam kde zaznamenaju eroziu tych dosticiek, cize dost rozdiel oproti tomu co ohlasoval pri zmene z kopozitu na nerez
Evidentně to chápeš, tak proč už poněkolikáté opakuješ ten nesmysl o zrušení transpiračního chlazení? 🙂
lebo ho v povodnej podobe zrusil a teraz ho chce len na exponovane miesta a aj to len dodatocne az sa ukaze erozia tych dlazdic, takze je to nieco uplne ine ako bolo povodne oznamene
ale osobne aj tak tomu neverim a ani tym udajne aktivne chladenym dlazdiciam
ak to postavi tak najpravdepodobnejsie je, ze to skonci klasickym tepelnym stitom
Takže jak to nakonec je? Už se v to ztrácím. 🙂 šestiúhelníky (kov/keramika)? A někde aktivní nebo transpiracni chlazení?
Ano, tak to chápu. Jinak nejaktuálnější informace o Starship najdete v průběžně upravovaném a doplňovaném článku o této raketě, kde je celá sekce jen o tepelné ochraně.
kazdych par mesiacov inak
Poslední dobou to začíná vypadat, jako by bylo jednodušší navrhnout nový druhý stupeň pro FH pro těžké náklady. Nosnost by mohla být ve výsledku podobná jako u Starship a většina práce už je hotová. Problém je palivo (CH4 + O2 se dá vyrobit na Marsu, petrolej moc ne), ale Starship nemá létat jen na Mars, takže tenhle hybrid by mohl být užitečný na Měsíc, LEO, atd. Určitě bych tomu věřil víc, než teď neustále se měnící Starship, popř. by to mohly být paralelní projekty.
Ale fuj, takhle nám kazit iluze. 🙂
Ale ano, bohužel máte pravdu. Starship je “sen” postavený na technologiích, které zatím ještě nikdo nikde úspěšně neprovozuje. Není to úplné sci-fi, ale realizace bude extrémně náročná a pravděpodobně taky pomalá. Ten lepší druhý stupeň (jednorázový) by dal SpaceX šanci zúčastnit se amerického návratu na Měsíc a asi by i velmi zrychlil a zlevnil dopravu sond do vzdálenějších koutů sluneční soustavy.
Sú snáď oceľové nádrže Sci-Fi keď lietali na raketách Atlas a dodnes sú na stupni Centaur? Raptor je Sci-Fi, ktorý zjavne funguje a vznikli už 3 sériové kusy? Know How SpaceX s návratom do atmosféry s 45 m vysokým válcom ktorý má viac ťahu aj s 1 motorom ako sám váži je Sci-Fi? Hopper ktorý prešiel sériou testov pripravovaný na ďalšie je Sci-Fi? Vzikajúci už ďalší prototyp je Sci-Fi? Žiadna zo spomínaných vecí nieje určite Sci-Fi nevidím dôvod prečo by mal byť Starship “sen” na technológiach ktoré nikto neprevádzkuje. Jediná neznáma je tepelný štít ktorý nemusí byť pre začiatky zárobku Starship nevyhnutný aj keď potrebný. Expeandable Starship.
Expeandable Starship? to ako vazne? ved to by bolo uplne ine ako to co musk prezentuje
to potom nepotrebuje ziadneho hoppera ked chce postavit len zvacseny falcon s raptormi namiesto merlinov
praveze tepelny stit je najvacsi otaznik v celom tom projekte, ale bez neho to uz je uplne iny projekt
Chci jenom říct, že mi úprava horního stupně FH připadá jako “low-hanging fruit”, a mohla by pomoct překlenout dobu, po kterou se Spaceship bude testovat.
Díky za hezký článek.
Jen bych měl jednu připomínku: “V případě motorického přistání by tedy SpaceX muselo na druhý stupeň přidat minimálně tepelný štít, dodatečné přistávací motory SuperDraco a nějaký systém ochrany Merlinu”
Pokud by se použily motory SuperDraco, tak by asi byla potřeba značně přepracovat kompletní palivový systém a zvětšit kapacitu nádrží.
Merlin je na kero-lox… superdraco na hydrazin.. takže by tam museli přidat celý “druhý” systém (komplet oddělený od stávajícího).
To jsem si myslel taky, ale pak jsem na netu našel info, že druhý stupeň má mít sadu motorků DraCo, takže tím pádem už tam ten hydrazin je. Původně jsem si myslel, že mají jen motorky na stlačený dusík/plyn. No a nebo jsem našel špatnou informaci, i to je možné.
Hledal jsem proto dále a vypadá to, že měl (Falcon 9 User Guide, http://www.spaceflightnow.com/falcon9/001/f9guide.pdf) RCS na hydrazin, ale že už je nemá (Falcon 9 User Guide v2.0, http://www.spaceflightnow.com/falcon9/001/f9guide.pdf). V tom případě platí ta horší varianta a to je kompletní nový palivový systém.
EDIT: jak to tak vypadá, oba odkazy už jsou stejné, takže ta starší verze není dostupná.
Trysky Draco na horním stupni byly jeden čas v plánu pro verzi Falcon 9 v1.0 Block 2, ale ta nikdy nevznikla a všechny verze Falconu 9 tedy nakonec měly jen klasické dusíkové trysky. Psali jsme o tom v prvním díle Zrušených projektů: https://www.elonx.cz/zrusene-projekty-spacex-1-falcon-1e-falcon-5-falcon-9-air-a-dalsi-rakety-ktere-nikdy-neletely/