Vylepšení Falconu 9 Block 5, znovupoužitelný druhý stupeň, rampa pro BFR a další novinky od Muska

Falcon 9 Block 5 na rampě LC-39A před startem mise Bangabandhu-1 (Foto: Craig Vander Galien)

Před startem mise Bangabandhu-1, která je premiérou finální varianty Falconu 9 zvané Block 5, proběhla tisková telekonference se šéfem SpaceX Elonem Muskem. Ten se pořádně rozpovídal a podělil se o spoustu novinek a zajímavých informací o Blocku 5, letech s posádkou, záchraně druhého stupně a mnohém dalším. Pár novinek jsme se pak dozvěděli také z živého přenosu startu.

Block 5

Elon Musk se hned na začátku vyjádřil k chaotickému značení jednotlivých variant Falconu. Výraz “Block” je podle něj trochu zvláštní a je přejatý od Rusů. Pak řekl, že Block 5 je spíše něco jako “Falcon 9 verze 6”. Vtipné je, že v minulosti jej také označil jako “verzi 5” a “verzi 7“, takže tímhle nám opravdu moc nepomohl a ve značení je stále stejný guláš…

Nicméně Block 5 představuje poslední výraznou změnu u rakety Falcon. Podle Muska však dojde ještě k menším úpravám v zájmu snazší výroby a znovupoužitelnosti či zvýšení spolehlivosti. Ale nebude prý už žádný Block 6, maximálně něco jako verze 6.01 nebo 6.02. Ale jen za předpokladu, že to odsouhlasí zákazníci, NASA a letectvo. V minulosti Musk mimochodem zmínil také potenciální prodloužení druhého stupně nebo větší aerodynamický kryt.

Hlavním přínosem Blocku 5 je velmi snadná znovupoužitelnost. Už v případě současného Blocku 4 prý práce mezi dvěma starty jednoho stupně zaberou jen zhruba 10 dní. Block 5 však má být v tomto ohledu až 10krát lepší. Raketa je navržena tak, aby se s ní mezi starty v ideálním případě nemuselo kromě tankování a přepravy provádět vůbec nic. Počítá se však s pravidelnou údržbou každých zhruba 10 startů. Celkem by měla být raketa schopna 100 startů, možná i více. Musk navíc prohlásil, že firma chce někdy příští rok demonstrovat dva lety jednoho konkrétního stupně během 24 hodin!

První Block 5 z mise Bangabandhu-1 se však na svou další misi vydá až po pár měsících. Po přistání bude podle Muska rozebrán a pečlivě zanalyzován, aby si inženýři ověřili, že raketa let přečkala podle očekávaní a budoucí stupně se už rozebírat nemusely. Musk očekává, že koncem letošního roku budou existovat stupně, které za sebou budou mít 3 nebo 4 starty. A na konci příštího roku by některý ze stupňů mohl dosáhnout milníku 10 absolvovaných startů.

Jednotlivé změny u Blocku 5

Elon Musk se také podrobně vyjádřil k některým z mnoha vylepšení, kterými Block 5 disponuje. Zmínil motory Merlin, které mají o 8 % vyšší tah oproti dřívějšku, konkrétně 845 kN na hladině moře, a tato hodnota se prý časem nejspíš ještě navýší o zhruba 2 %. Musk zároveň očekává další zvýšení specifického impulsu o pár sekund a také poukázal na fakt, že Merlin byl už předtím držitelem rekordu pro motor s nejlepším poměrem váhy a tahu, ale teď je tento poměr ještě vyšší. Co se týče vakuové varianty Merlinu, která je použita na horním stupni Falconu, ta má nově tah 978 kN ve vakuu, ale na misi Bangabandhu-1 pojede jen na 934 kN, neboť firma chce před navýšením tahu nejdříve řádně analyzovat vibrace.

400. exemplář Merlinu 1D v nejnovější variantě Block 5 (Foto: SpaceX)

V živém přenosu pak komentátor zmínil, že u současných motorů typu Block 4 se používal konstantní tlak ve spalovací komoře. Vzhledem k tomu, že tah motoru závisí jednak na tlaku ve spalovací komoře, ale také na venkovním atmosférickém tlaku, docházelo během letu k pomalému nárůstu tahu jednotlivých motorů o 44–66 kN. V případě Blocku 5 bude tah každého motoru konstantní na hodnotě 845 kN až do jeho vypnutí. V praxi to tedy znamená, že se bude postupně snižovat tlak ve spalovací komoře, aby se kompenzoval snižující se externí atmosférický tlak.

Další výraznou změnou je vylepšení kontrukce zvané octaweb, což je hlavní nosný prvek ve spodní části rakety, ve kterém jsou umístěny motory. Octaweb je nově vyroben z tužšího hliníku (řada 7000 místo 2000) a také už nejsou jeho díly svařeny, ale sešroubovány, což usnadňuje výrobu a inspekci. Octaweb je také vybaven tepelnou ochranou, aby se neroztavil třeba při vznícení motoru. Každý motor má navíc vlastní ochranný oddíl, takže i když motor selže, nemělo by to mít vliv na okolní motory.

Vylepšeny byly také přistávací nohy. Musk vysvětlil, že upínací zámky (trojúhelníky na vnějším okraji nohou), které zajišťují nohy během letu vzhůru, jsou nyní schovány uvnitř. Navíc je nově možné nohy po přistání snadno sklopit do svislé polohy. Není tedy nutné je složitě odmontovávat, což momentálně zabere několik hodin. Nohy a také mezistupeň navíc mají novou tepelnou ochranu (proto jsou černé). Ta je podle Muska vysoce znovupoužitelná, nevyžaduje nátěr a odpuzuje vodu. V živém přenosu pak zaznělo, že se jedná o plstěný materiál. Musk dodal, že se mu černé prvky líbí a připomínají mu Falcon 1, který měl černý mezistupeň z uhlíkového kompozitu.

Porovnání přistávacích nohou na raketě typu Block 4 a těch nových na Blocku 5 (vpravo)

Tepelný štít na spodní části rakety byl také značně vylepšen. Při návratu atmosférou totiž dochází ke  zahřívání určitých míst, takže je potřeba použít materiál, který se neroztaví. Původní kompozitní struktura proto byla nahrazena titanem a také je nově aktivně chlazena vodou. Štít je navíc vybaven tepelně odolnými dlaždicemi.

Detail spodní části rakety ve variantě Block 5 (Foto: Tom Cross)

Vyšší tepelnou odolnost mají také titanová roštová kormidla, která na rozdíl od starých hliníkových snesou teplotu až 1000 °C a mezi starty s nimi není potřeba nic dělat. Podle Muska se nejspíš jedná o největší titanový výkovek na světě.

Druhý stupeň nově disponuje speciálním zařízením, které brání vzniku vírů v nádržích a značných vylepšení se dočkala také avionika. Block 5 má upgradovaný letový počítač, pokročilejší inerciální měřící systém, vylepšené řízení motorů a vše je odolnější vůči chybám a selháním.

Musk během konference zmínil skoro všechna vylepšení Blocku 5, ale na pár těch menších se přeci jen nedostalo, tak je v rychlosti zmíním. Rozdíly jsou dobře vidět na tomto srovnávacím obrázku (otevřete si jej v novém okně).

  • Turbočerpadla u motoru Merlin byla upravena, aby se zabránilo vzniku malých prasklin na lopatkách. Jedná se o problém, který byl odhalen už před dlouhou dobou, ale neměl vliv na funkci motorů. NASA však požadovala, aby byl tento nedostatek vyřešen, pokud chce SpaceX přepravovat astronauty.
  • Americká vlajka a také logo Falconu 9 byly přesunuty z mezistupně na horní část prvního stupně, neboť mezistupeň je nyní černý.
  • Logo SpaceX bylo přesunuto na prostřední část prvního stupně, která nebývá tolik zanášena sazemi. Logo tak zůstane dobře čitelné i po několika startech.
  • Druhý stupeň má na vrchní části nový černý pruh (viditelný například na fotkách ze statického zážehu)
  • Hranice mezi nádržemi na palivo a okysličovadlo je u prvního stupně trošku výše, což možná značí, že první stupeň má více paliva na úkor kyslíku.
  • Otvor pro upouštění kyslíku na prvním stupni nyní směřuje do strany, ne dolů.
Certifikace pro pilotované lety

Dalším důležitým tématem byla certifikace Blocku 5 pro lety s lidskou posádkou. Musk zopakoval, že zbožňuje NASA, ale zároveň dodal, že mu občas leze na nervy. Certifikace představovala doslova tisícovky požadavků, které bylo potřeba splnit. Musk vysvětlil, že když si představíme ten nejhorší možný nápor, který může během letu nastat, při návrhu rakety se běžně usiluje o to, aby se stroj dokázal vypořádat s hodnotou zhruba o 25 % vyšší. Pro lety s lidskou posádkou je však potřeba dosáhnout 40% rezervy. To je extrémně obtížné, pokud zároveň nechcete mít moc těžkou raketu. Další důležitou vlastností je redundance kritických prvků a odolnost vůči chybám. V tomto ohledu má Falcon výhodu v tom, že může během letu přijít o několik motorů, a přesto dosáhne kýžené orbity. Block 5 podle Muska překoná všechny požadavky NASA pro lety s posádkou a díky tomu bude nejspolehlivější raketou, která byla kdy vyrobena.

Skafandr pro posádku s Crew Dragonem v pozadí (Foto: SpaceX)

V poslední době se opět začalo mluvit o tom, že agentuře NASA se údajně nelíbí, aby posádka nastupovala do lodi Crew Dragon ještě před tím, než začne tankování pohonných hmot. Tato metoda je považována za riskantnější než běžnější nástup do již natankované rakety. Musk však tvrdí, že se jedná o nafouknutou bublinu. SpaceX po nehodě Amos-6 věnovalo extrémní úsilí testování tlakových nádob COPV, jejichž selhání nehodu způsobilo, a na základě získaných poznatků firma vyvinula vylepšené nádoby, které jsou použity na Blocku 5.

Musk tvrdí, že tyto nádoby obsahující dusík nebo helium jsou schopny vydržet dvojnásobný tlak, než kterému jsou vystaveny při letu. Vzhledem k rozsahu testování a vývoje, kterými nádoby prošly, se podle Muska jedná o nejpokročilejší tlakové nádoby na světě. A i pokud se z nějakého důvodu ukáže, že nejsou dostatečné, SpaceX má záložní plán nádoby vyrobit místo hliníku z odolné slitiny zvané Inconel. Vývoj této alternativy si zaplatila NASA, avšak její implementace by vzhledem ke zvýšené hmotnosti nejspíš vyžadovala dodatečné strukturální změny v jiných částech rakety. Další věcí je, že loď Crew Dragon disponuje únikovým systémem, který by posádku ochránil i v případě výbuchu rakety na rampě.

Nejdůležitější informací však bylo, že podle Muska je možné v případě potřeby přejít na běžný způsob nástupu posádky, tedy až po natankování rakety. To je zajímavé, protože SpaceX používá extrémně podchlazené pohonné hmoty, které se po natankování zahřívají a tím pádem klesá maximální množství, které může raketa pojmout. Z toho důvodu tankování začíná teprve 35 minut před startem, aby se látky nestihly moc ohřát. Dosud se mělo za to, že kvůli podchlazeným látkám (kyslík má -206°C) není možné provést natankování a pak několik hodin čekat na start, neboť Merliny by mohly být optimalizovány pro fungování s chladnějšími, a tudíž hustšími hmotami. Elonova slova však značí, že to není takový problém a raketa je schopna letět i s okysličovadlem na bodu varu (-183 °C), jako tomu bylo u starších variant Falconu. Bylo by to však asi na úkor maximální nosnosti a palivové rezervy.

Záchrana druhého stupně a budoucnost Falconu 9

Koncept záchrany druhého stupně pomocí tepelného štítu z roku 2011 (Zdroj: SpaceX)

A co si SpaceX od všech těch vylepšení slibuje do budoucna? Především snížení nákladů na každý start. Musk upřesnil, že první stupeň představuje 60 % celkové ceny rakety, druhý stupeň zhruba 20 %, aerodynamický kryt 10 % a vše ostatní dalších 10 %. Opakované použití prvních stupňů už je pro SpaceX rutinní a na záchraně aerodynamického krytu už firma také usilovně pracuje. Elon Musk navíc během telekonference znovu potvrdil, že firma stále pracuje na znovupoužitelnosti druhého stupně Falconu.

Novinkou bude sběr dat během zániku stupně v atmosféře po jeho záměrné deorbitaci. V minulosti nebyl tento proces nijak analyzován, neboť je obtížné během této fáze vysílat data směrem k zemi. SpaceX proto zkusí data z druhého stupně vysílat směrem nahoru přes satelitní konstelaci Iridium. Během letošního roku pak bude firma na druhý stupeň přidávat více a více tepelné ochrany, aby zjistila, jaké je minimální potřebné množství. Musk si je jistý, že záchrana druhého stupně je možná, otázkou je jen to, kolik hmotnosti navíc to bude vyžadovat, a jak se to projeví na celkové nosnosti. Také tomuto problému nechce věnovat příliš mnoho úsilí na úkor vývoje nástupce Falconu, rakety BFR. Zároveň je podle něj potřeba dát si pozor na to, aby tyto experimenty neohrozily náklad zákazníka. Podle Elona by se tedy mělo jednat o jakýsi přídavný prvek, který bude během hlavní fáze letu nečinný a aktivuje se až při finálním vstupu druhého stupně do atmosféry.

Takže pokud by se časem podařilo dosáhnout znovupoužitelnosti všech prvků rakety, bylo by možné snížit náklady na start o jeden řád. Zvýšení kadence startů by pak vedlo k dalším úsporám. Pohonné hmoty podle Muska vyjdou jen na 300–400 tisíc dolarů, a tak by celkové náklady na jeden start mohly časem klesnout až na 5–6 milionů dolarů. Nutno však podotknout, že se bavíme o nákladech pro SpaceX, nikoli cenu pro zákazníka. Ale i ta bude postupně klesat. Už dnes prý SpaceX nabízí starty s použitými stupni za pouhých 50 milionů dolarů místo původních 62 milionů.

SpaceX však nemůže veškeré úspory ze znovupoužitelnosti okamžitě promítnout do cen pro zákazníky. Jednak potřebuje nejdříve získat zpět peníze investované do vývoje ve výši 1–2 miliard dolarů (se započítáním vývoje Falconu Heavy) a také bude firma potřebovat finance na vývoj rakety BFR a internetové konstelace Starlink. Falcon 9 je navíc už dnes jednoznačně nejlevnější nosič ve své třídě, takže SpaceX zatím nemá nouzi o nové zakázky a nemá důvod dál snižovat ceny. Teprve až poptávka přestane stíhat držet krok se zvyšující se startovní kadencí SpaceX, může firma snížit ceny a stimulovat tak poptávku.

Falcon 9 má podle Muska před sebou ještě zhruba 300 startů a předpokládá, že SpaceX vyrobí celkem 30–50 prvních stupňů, které tyto mise obslouží. Většina z nich bude provozována na floridském Canaveralu, odkud startuje většina misí, a některé budou v Kalifornii na Vandenbergově základně. Musk také dodal, že dvě rampy na Floridě a jedna v Kalifornii budou pro pokrytí potřeb Falconu 9 a Falconu Heavy dostačující. Nově budovaná rampa v jižním Texasu tedy bude obsluhovat výhradně megaraketu BFR.

Výroba prvních stupňů Falconu 9 v Hawthorne (Foto: SpaceX)

Musk také očekává, že postoj zákazníků k použitým raketám se postupně změní. V současnosti je to tak, že nová raketa je vnímána jako bezpečnější, ale Musk myslí, že by to mělo být naopak. Běžný letoun také nikdo nepovažuje za bezpečný, dokud neabsolvuje testovací lety. Musk je pilot a radši prý poletí v letadle, které má za sebou spoustu úspěšných letů, než v takovém, které nikdy neletělo. U raket je to teď naopak, ale Musk očekává, že tento postoj se časem změní a zákazníci budou raději létat s “letem prověřenou” raketou.

Zdroj informací: Tisková telekonference před misí Bangabandhu-1 (audio záznam, textový přepis)


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...

    16
    Diskuze

    avatar
      Odebírat  
    nejnovější nejstarší nejlepší
    Nastavit upozorňování na
    Jiří Hadač
    Přispěvatel

    Skvělé, Elon se nám teda hodně rozmluvil. A měl krásný komentář k NASA. Zároveň to potvrzuje odpověď Dušana Majera v přednášce, že vztahy SpaceX a NASA jsou ideální. Neřekl toho tolik nového, ale to by musel asi mluvit déle. Ale ty ceny jsou hezké a zajímavé, i ty procenta. Prostě, krásný a příjemný článek před večerním startem.
    Díky moc, Petře, četlo se to jedním dechem.

    David Šindler
    Host
    David Šindler

    Naprostá paráda a skvělé počtení! Díky!

    Tyfuz
    Host
    Tyfuz

    Paradni naloz informaci, diky.

    Zdeněk
    Host
    Zdeněk

    Tak dnes to bylo hodně obsáhlé. Super super. Když jim zbývá něco kolem 40 milionů za start cca, kolik asi dávají (i v procentech) na vylepšování a výzkum a vývoj ? Ví to někdo? Alespoň přibližně. Díky

    Petr Šída
    Host
    Petr Šída

    Už do něj nacpali že svého několik miliard, takže něco jde donavratu, něco do bfr

    Filip
    Host
    Filip

    Ví někdo, jaký vliv má na pokles/nárůst nosnosti ten konstantní tah motorů v závislosti na nadmořské výšce? Z textu jsem pochopil, že tah motorů prvního stupně se úmyslně zmenšuje snižování tlaku ve spalovací komoře. Proč by to dělali? Proč takový přístup?

    Pacholik
    Host
    Pacholik

    Mám dojem, že to je kvůli mechanickému namáhání rakety, tah motorů se lehce snižuje, konstrukce se tak nerozkmitá a po dosažení cca MAX Q se výkon může zase zvýšit. Když tak mě opravte.

    Filip
    Host
    Filip

    Myslím, že to je odpověď sice spravna, ale na jinou otázku. Každý motor prvního stupně má ve vakuu (ve výšce cca 70 km nad mořem) mít o cca 65 kN menší tah, než při startu z nulové nadmořské vysky. Proč by se záměrně obirali o výkon?

    Hrímfaxi
    Host
    Hrímfaxi

    Nevím, zda je to hlavní důvod, ale pro výpočet trajektorie a rychlosti je praktičtější mít konstantní tah.

    Jiří Hadač
    Host
    Jiří Hadač

    Zkrátka se ti nechce integrovat 😀
    Jestli to není proto, aby za a) zbytečně nenarůstalo přetížení, a za b) možná kompenzují snižování okolního tlaku, aby zbytečně nenarůstal rozdíl mezi tlakem v komoře a nízkým tlakem okolo, snižuje se namáhání stěn komory. Tj, zvýšení její životnosti.

    Hrímfaxi
    Host
    Hrímfaxi

    Přišlo mi to elegantní 🙂 ale tyhle důvody zní relevantněji.

    Gelster
    Host
    Gelster

    Tlakem to nebude kdyz ve spalovaci komore je tlak nekolik desitek atmosfer viz: https://en.wikipedia.org/wiki/Rocketdyne_F-1 to uz ta jedna atmosfera nevytrhne 🙂

    Peva
    Host
    Peva

    1) Mně to pořád přijde takové nedotažené, já pořád nechápou proč není továrna, zkušební polygon a kosmodrom (přistávací i startovací část) na jednom místě blízko u sebe, aby přeprava byla jednoduchá. Vždyť ty přepravy musí stát spoustu peněz, vždyt na to dojel space shuttle i na to dojede \delta IV. I to přistávání na plošině v moři je pakárna, která musí stát spoustu penez, ten pronájem lodí není zadarmo.

    2) Taky nechápu proč má falcon jen 9 motorů, a proč ne 12…by se výrazně zvýšila nosnost při současné hmotnosti. Zdá se mi, že rozhodně nejsme na nějakém strukturálním limitu. Taky by mohlo spaceX ukazovat při startu aktualní zrychlení, ale přijde mi, že je tam celkem rezerva….rozhodně to 10g nedosahuje.

    Damel
    Host
    Damel

    Co je levnější? Zaplatit 1 řidiče pro každý přesun rakety nebo 1 dům pro každého přesunutého pracovníka do nové továrny?

    PetrK
    Host
    PetrK

    On to nebude jen jeden řidič – kolem toho pobíhá spousta policajtů a podobně.
    Ale samozřejmě souhlasím – dostupnost zaměstnanců, podpory různých států/měst pro postavení fabriky, politika …
    Přistávání na moři je kapitola sama o sobě – raketa míří nad moře a nemá dost paliva, aby se vrátila. Každým zachráněným prvním stupněm ušetří kolik? 40MUSD (cca 70% z 60MUSD za start)? Nehledě na čas (výroba vs “pre-fligh check”). To asi stojí za pár desítek kUSD za pronájem lodi…