Elon Musk hodlá znovu použít celý Falcon. Jak toho dosáhne?
AKTUALIZACE (28. 9. 2017): Podle ředitelky SpaceX Gwynne Shotwell by mohlo dojít k měkkému přistání druhého stupně v oceánu během roku 2018, ale společnost neplánuje zachráněné stupně stupně použít. (Více informací v článku.)
SpaceX v březnu 2017 dosáhlo milníku, o který tato společnost usilovala už od svého založení před 15 lety – podařilo se jim úspěšně vyslat již jednou použitý první stupeň na druhou misi. Na následné tiskové konferenci pak Elon Musk jen tak mimochodem pronesl, že by rád zkusil zachránit také druhý stupeň, neboť to zanedlouho bude poslední část Falconu, která nebude opakovaně použitelná (už i aerodynamické kryty se budou zachraňovat). Je vůbec něco takového možné? A jak by se toho dalo dosáhnout?
Znovupoužitelnost jednotlivých prvků Falconu
Elon Musk před mezistupněm Falconu 9, ve kterém jsou vidět přistávacé padáky (Foto: Jonas Fredwall Karlsson // Vanity Fair)
SpaceX o znovupoužitelnost rakety Falcon usiluje už v podstatě od svého vzniku. Rakety Falcon 1 a Falcon 9 disponovaly při svých několika prvních letech padáky, s jejichž pomocí se společnost chtěla pokusit o záchranu prvního stupně. Rychle se však ukázalo, že stupeň se rozpadne ještě předtím, než má vůbec dojít k vypuštění padáků. Následně tedy došlo k přeorientování na motorické přistání, při kterém motory můžou zároveň stupeň zpomalit před vstupem do atmosféry. Následovalo několik roků experimentování a stále větších úspěchů, až se SpaceX konečně povedlo přistát s prvním stupněm v prosinci 2015. Od té doby se společnosti povedlo zachránit celkem 8 stupňů a s jedním z nich už letěli podruhé během mise SES-10.
Tip: Více se o této problematice dozvíte v článku Historie přistávání a znovupoužitelnosti.
První stupeň je nejdražší částí rakety a tvoří zhruba 70 % celkové ceny. Přistávací nohy a roštová kormidla se sice podle všeho momentálně používají pouze jednorázově, ale to by mělo být napraveno v nadcházející variantě Falconu 9 zvané Block 5. A co ten zbytek? Nedal by se zachránit taky?
SpaceX už nějaký čas pracuje na záchraně aerodynamických krytů, které během letu chrání družici před atmosférickým náporem. Elon Musk prozradil, že kryty stojí kolem 6 milionů dolarů, takže mu přijde logické snažit se je zachránit, aby je bylo možné znovu použít. Při misi SES-10 došlo k prvnímu vážnějšímu experimentu v této oblasti a minimálně jedna ze dvou polovin krytu úspěšně přistála na padácích v moři. Mimochodem, u misí s lodí Dragon raketa kryt nepotřebuje a loď jako taková je znovupoužitelná, takže u takových misí se “zahazuje” vlastně jen druhý stupeň rakety (pomineme-li trunk, nohy a kormidla).
Druhý stupeň obsahuje nádrže na palivo a okysličovadlo a také jeden motor Merlin a má cenu několika milionů dolarů. Momentálně však každý druhý stupeň po dokončení své mise dříve nebo později shoří v atmosféře. A právě proto Elon Musk nedávno prohlásil, že by jej rád zachránil také a že se o nějakou experimentální záchranu nejspíš pokusí při prvním startu rakety Falcon Heavy, který by mohl proběhnout ještě letos na podzim. Jak by se dalo záchrany dosáhnout?
Considering trying to bring upper stage back on Falcon Heavy demo flight for full reusability. Odds of success low, but maybe worth a shot.
— Elon Musk (@elonmusk) March 31, 2017
Jak zachránit druhý stupeň
SpaceX už v roce 2011 vydalo video o své představě o znovupoužitelnosti Falconu a v něm byla znázorněna také záchrana druhého stupně:
Druhý stupeň s tepelným štítem se vrací do atmosféry
Záchrana druhého stupně je však značně komplikovanější než v případě stupně prvního, a proto od ní bylo od vydání tohoto videa upuštěno (evidentně ale ne natrvalo). Hlavním problémem je, že druhý stupeň 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 je potřeba 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 lehoučký, takže stupeň by po zažehnutí motoru nejen velice rychle zpomalil, ale po chvíli by se začal zase pohybovat směrem nahoru, pryč od místa přistání. První stupeň 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 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 do určité míry snížit či zvýšit tah o několik desítek procent (tzv. zaškrcení). Takový přistávací manévr by byl v případě maličkého druhého stupně extrémně náročný, ne-li nemožný.
A to není jediný problém. Motor v druhém stupni se od motorů ve 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 atmosféru by téměř určitě došlo k jejímu roztrhání, ať už vlivem náporu vzduchu, nebo při případném zážehu motoru v atmosféře, který by trysku zničil. Přistání pomocí hlavního motoru druhého stupně je tedy značně nepraktické a 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.
Podle tehdejší představy bylo v plánu zasunutí motoru druhého stupně nejspíše právě kvůli tomu, 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 Draco, které v současnosti používá loď Dragon pro manévrování na orbitě. Netuším, jestli jsou tyto motory na takové přistání dostatečně silné. SpaceX však vyvinulo ještě další motor, který by se asi dal využít pro tuto funkci. Mluvím o motoru SuperDraco, který bude použit na lodi Crew Dragon, kde bude plnit funkci únikového systému a zároveň umožňovat motorické přistání Dragonu s přesností helikoptéry. Dragon má zhruba stejnou hmotnost jako prázdný druhý stupeň, takže papírově by se mohlo jednat o ideální řešení.
Na základě těchto spekulací tedy SpaceX bude muset na druhý stupeň přidat minimálně tepelný štít, dodatečné přistávací motory 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”:
We can def bring it back like Dragon. Just a question of how much weight we need to add.
— Elon Musk (@elonmusk) March 31, 2017
Falcon Heavy za letu (Autor: SpaceX)
Záchrana druhého stupně je tedy technicky určitě možná, ale otázkou je, nakolik to ovlivní celkovou nosnost Falconu. Každý gram, který SpaceX přidá na druhý stupeň v zájmu jeho záchrany, se projeví jako snížení maximální hmotnosti nákladu, který je raketa schopna vynést na oběžnou dráhu. A jelikož druhý stupeň tvoří jen nějakých 20–30 % celkové ceny rakety, nabízí se otázka, zda to vůbec stojí za námahu. Na druhou stranu Falcon Heavy má obrovskou maximální nosnost, která byla nově oficiálně zvýšena z původních 54,4 tun na 64 tun na nízkou oběžnou dráhu v režimu bez záchrany (pravděpodobně jako důsledek plánovaných vylepšení v rámci Blocku 5). Tuto monstrózní kapacitu žádný zákazník nejspíš plně nevyužije, takže velké rezervy by se asi dalo využít pro záchranu druhého stupně.
Demonstrační let Falconu Heavy je plánován na konec léta (realisticky spíše podzim/zimu) a Elon oznámil, že nejspíš neponese žádný reálný náklad, ale jen nějakou “blbůstku”, tudíž je to ideální start pro experiment se záchranou druhého stupně. Aneb jak Elon sám řekl na tiskové konferenci: „No co, přinejhorším vybuchne. Momentálně pokaždé vybuchne tak jako tak.“
Podpořte projekt ElonX
- Mise Starlink 6-52 - 17. 4. 2024
- Mise Starlink 6-51 - 14. 4. 2024
- Mise Starlink 6-49 - 9. 4. 2024
Proč se ten aerodynamický kryt nemůže nějak zpátky přidělat k nosné raketě co se vrací a pak přistát společně ? asi tomu nerozumím moc 🙂
Protože aerodynamický kryt je na druhém stupni (vršek rakety), zatímco přistává první stupeň (spodní část rakety). Takže kryt by se nějak záhadně musel za letu přesunout z druhého stupně na první, aby mohl přistát spolu s ním. 🙂
Navíc kryt se odpojí až po tom co se odpojí první stupeň.
První stupeň by přece počkal až se odpojí 2 stupěň a pak by se to magnetomechanicky připevnilo k sobě a letěli by společně přistát 🙂 ..škoda, že nejsem v SpaceX 🙂
No vy si to představujete trochu jak Hurvínek válku. 😀
Z videa vyplyva ze je planovano pristavat na plosine na sousi. Zajimalo by me jak toho chteji dosahnout. Prvni stupen v pripade nutnosti pristava na mori, protoze z duvodu nedostatku paliva se nemuze vratit zpet. Druhy stupen se vsak dostane na sve draze vys a dal nad ocean, takze me napada jen verze, ze bude muset vykonat oblet a pote pristat na sousi? Je to tak?
Díky za pěkný článek. Jinak ve videu je písnička Uprising od Muse. Zde jsou slova (včetně překladu): http://www.karaoketexty.cz/texty-pisni/muse/uprising-113379
Můj tip je tepelný štít na špici a přistání vzhůru nohama (ať už padákem nebo motoricky). Tím se výše zmíněné problémy vyřeší.
Myslím, že to je asi zprávný závěr. Po odpojení družice, teplný šít zakryje připojovací adapter pro náklad. Asi ješte Merlin přibrzí pro návrat do atmosféry. Po zabrždění teplným štítem stupeň možná s pomocí roštových kormidel dopadne-doletí k místu přistání a tam přistane motory Superdraco vzůrunohama vlastně stejně jako Dragon. Takže motory Superdraco a přistávcí nohy budou na opačné straně než motor Merlin. To by bylo pěkné.
Roštová kormidla se na druhý stupeň pravděpodobně nehodí. Je moc krátký, takže kormidla by měla jen malý vliv. První stupeň je oproti tomu dlouhá tyč s vysoko umístěnými kormidly, takže pak i malý pohyb kormidel dokáže výrazně ovlivnit celý stupeň.
V čem všem, kromě větší trysky, se liší motory do vakua od těch do atmosféry? A proč je vlastně ta tryska větší? Díky za odpověď😊
The biggest difference is the nozzle. For optimal performance in vacuum, you want a much larger one.
According to Spaceflight 101, the chamber pressure is the same, but the expansion ratio (throat area to end-of-nozzle area) is 7 times larger in the vacuum variant, which (if correct) implies about 2.7 times the nozzle diameter if the throat is unchanged.
The Wikipedia description of the 1C-vacuum says the expansion nozzle length is 2.7 meters, while the overall length of the first-stage 1C is only 2.9 meters long – roughly half of that being nozzle. So the nozzle length is basically doubled. Presumably the relationship between the 1D and 1D vacuum is analogous.
(Zdroj)
Motory Merlin 1D a Merlin 1D Vacuum by sa okrem trysky nemali líšiť vôbec resp. len v malých detailoch, ktoré som však nikde nenašiel. Väčšia tryska je v motoroch určených pre vákuum z dôvodu vyššieho expanzného pomeru v prípade vakuového motora. Totižto na úrovni mora spaliny vychádzajúce z motora expandujú do prostredia s tlakom 1 Atm. Ten pôsobí stabilizujúco na prúd spalín z motora a teda nie je potrebná tak veľká tryska ako v prípade vákuových motorov . Pre daný motor pracujúci na 100% a danú nadmorskú výšku teda existuje istá ideálna veľkosť trysky. Celý trik spočíva v tom aby sa tlak spalín na konci trysky čo najviac približoval okolitému tlaku. Preto sa pre vákuové motory vyrába čo možno najvätšia tryska. Čo sa stane v prípade že tryska je väčšia, menšia alebo rovnaká než tá ideálna je pekne vidieť tu: https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine_nozzle#/media/File:Rocket_nozzle_expansion.svg
Co tak spojit druhý stupeň a aerodynamický kryt do jedné lodě ala mini ITS, která by vcelku vyletěla na LEO, tam z nákladového prostoru vypustila náklad a pak přistála? Jakou nosnost by takový systém mohl mít, když by startoval na FH? 20 tun? To by stačilo.
Skvělý článek 😊 skvěle jste to rozvedl. Není tam mlc nových informací, ale je to skvěle rozebráno. Člověk si neuvědomí, jak moc je to rozdílné. Přistáli s prvním stupněm, přistanou i s druhým. Jenže tak lehké to není, jak je z článku vidět. Zajímalo by mě, zda se jim to vůbec vyplatí, tady už to je technicky na hraně, a 25% ceny není zas tolik…
SpaceX to určitě zvládnout. Potom co už dokázali, je tyto problémky nemohou zastavit 🙂