NASA už plně věří znovupoužitelnosti, nyní preferuje již použité Falcony místo těch nově vyrobených
SpaceX se od ostatních firem nabízejících orbitální rakety liší hlavně tím, že sází na znovupoužitelnost. Skoro přesně před 5 lety poprvé odstartoval Falcon 9 s již použitým prvním stupněm a od té doby proběhlo 88 startů SpaceX s již použitými stupni, přičemž některé konkrétní stupně za sebou mají přes 10 různých misí. Nějakou dobu ale trvalo, než si zákazníci zvykli na tento nový model a začali již použitým raketám věřit. Komerční firmy se nechaly přesvědčit velmi rychle díky snížené ceně, ale armáda a agentura NASA hodně dlouho preferovaly nově vyrobené stupně pro své nejdůležitější mise. Tento postoj se ale postupně měnil a jeden z manažerů NASA dokonce aktuálně prohlásil, že dává přednost již použitým Falconům.
Čtyři zachráněné stupně Falconu 9 v hangáru u rampy LC-39A (Foto: SpaceX)
SpaceX začalo experimentovat s přistáváním prvních stupňů raket Falcon 9 už v roce 2013, ale první skutečné úspěchy se dostavily až na přelomu let 2015 a 2016. Tehdy se poprvé podařilo zachránit stupně přistávající na pevnině i na mořské plošině a SpaceX tedy mohlo přejít k prvním startům s již jednou letěnými stupni. První vlaštovkou byla mise SES-10 na konci března 2017, při které byl znovu použit stupeň z mise CRS-8, která proběhla o rok dříve a první stupeň při ní poprvé úspěšně přistál na mořské plošině. Přelomová mise SES-10 byla úspěšná a další starty s již použitými stupni brzy následovaly. Zpočátku ale šlo pouze o mise pro komerční zákazníky, kteří byli ochotni posadit své náklady na již použité stupně výměnou za přibližně 10% slevu za start.
Přeprava dvakrát použitého Falconu 9 z přístavu do hangáru po úspěšné misi SES-10 (Foto: Steve Marr)
Již letěné stupně totiž v počátcích představovaly neprobádané území a nebylo jasné, jestli nejsou rizikovější než nově vyrobené rakety. Firma Iridium proto už v roce 2017 nechala své inženýry přezkoumat data a poznatky SpaceX ohledně znovupoužitelnosti stupňů. Inženýři došli k závěru, že již použité stupně jsou stejně bezpečné jako ty nově vyrobené nebo možná i bezpečnější. To mimo jiné znamenalo i to, že pojištění startů nebylo dražší než v případě nové rakety. Z tohoto důvodu SpaceX preferuje označení „letem prověřená raketa“ nikoli „již použitá“, jelikož druhý výraz může svádět k závěru, že použitý stupeň má nižší spolehlivost.
Start mise Iridium-8 s již použitým stupněm (Foto: SpaceX)
Většina komerčních zákazníků SpaceX se tedy rychle otrkala a spolu s tím každoročně klesal podíl misí, které startovaly s nově vyrobeným prvním stupněm. V roce 2017 letělo s již letěným stupněm 27 % misí, ale o dva roky později to bylo už 70 %. V posledních dvou letech se podíl pohybuje nad hodnotou 90 %. To souvisí s tím, že i konzervativnější zákazníci jako NASA nebo armáda začali postupně polevovat ze svého požadavku na novou raketu pro každou misi.
Start CRS-13, první mise pro NASA s již použitým stupněm (Foto: SpaceX)
V případě misí NASA došlo k prvnímu znovupoužití stupně už v prosinci 2017 na nákladní misi CRS-13. Nějakou dobu ale trvalo, než agentura povolila již letěné stupně také na svých důležitějších misí, které vezly cenné vědecké sondy nebo dokonce lidskou posádku. Astronauté NASA poprvé letěli s již použitým stupněm v dubnu 2021 na misi Crew-2. A pokud nepočítáme sdílenou misi Iridium-6/GRACE-FO, kde NASA byla pouze sekundárním zákazníkem, tak první vědecká družice agentury startovala na již použitém stupni teprve před půl rokem na misi DART.
Falcon 9 s již použitým stupněm během vývozu na rampu před pilotovanou misí Crew-2 (Foto: NASA)
V případě vědeckých misí tedy NASA začala přicházet na chuť použitým stupňům teprve nedávno. Některé z chystaných misí proto stále mají ve smlouvách uvedeno, že pro ně musí být vyrobena nová raketa. Příkladem je třeba mise SWOT (Surface Water Survey Mission), která bude měřit vodní plochy na celém světě a má startovat letos v listopadu. Původně měla letět s novým Falconem 9, ale aktuálně byla smlouva se SpaceX upravena, aby umožnila použití již letěného stupně. Thomas Zurbuchen, přidružený administrátor pro vědecké mise NASA, k tomu na Twitteru dodal: „I když jsem byl vždycky už z principu zastáncem používání již letěných stupňů raket SpaceX (a také kvůli dopadu na ceny), postupně jsem svůj názor mírně upravil: Pro vědecké mise nyní PREFERUJI již použité stupně v porovnání s těmi novými.“ Elon Musk pak na tweet reagoval slovy: „Letem prověřené!“
Umělecká představa družice SWOT (Zdroj: CNES)
Výhledově tedy lze očekávat, že mise NASA už budou využívat nově vyrobené rakety spíše výjimečně. Příkladem je například letošní mise Psyche, při které poletí zbrusu nový Falcon Heavy. Zde je ale důvod spíš ten, že SpaceX zatím nemá k dispozici dostatek již použitých stupňů pro tuto raketu. Každopádně pokud se boční stupně z této mise podaří zachránit (centrální bude zahozen), NASA už potvrdila, že budou použity znovu na další misi agentury. Tou bude vynesení sondy Europa Clipper raketou Falcon Heavy v roce 2024.
Falcon Heavy s již použitými bočními stupni před misí STP-2 (Foto: SpaceX)
Poslední organizací, která ještě donedávna trvala na nových raketách pro své mise, je americká armáda (resp. ministerstvo obrany). I zde ale postupně dochází k posunu. Prvotní starty SpaceX pro armádu vždy létaly s novými stupni, protože zastaralé procesy neumožňují, aby se firmy ucházely o armádní kontrakty s již použitými raketami. To myslím platí i nadále, ale armáda to před časem začala řešit tak, že po udělení kontraktu se SpaceX vyjedná zpětnou úpravu smlouvy, která umožní použití již letěného stupně. K tomu došlo například u trojice kontraktů na vynesení družic GPS třetí generace. Smlouva z roku 2016 na první z těchto startů vyžadovala nový první stupeň a zároveň ani neumožňovala jeho přistání. Druhý kontrakt z roku 2017 už byl upraven tak, aby SpaceX mohlo nový stupeň po startu zachránit pro případné další použití. Výměnou za tuto úpravu armáda dostala zhruba 10% slevu. Zatím poslední kontrakt GPS z roku 2018 zahrnoval celkem tři starty a nějakou dobu po jeho udělení opět došlo k úpravě podmínek. Armáda tentokrát poprvé povolila nejen přistání, ale také znovupoužití prvních stupňů výměnou za 15% slevu z ceny kontraktu. První ze tří misí tedy sice ještě letěla s novým stupněm, ale ten byl následně použit znovu hned na příští misi GPS. Na konec letošního roku je v plánu třetí z těchto misí (GPSIII-SV06) a lze očekávat, že opět poletí s některým z již použitých stupňů, které má SpaceX k dispozici. Podobná situace nastala také při dvojici letošních misích NROL-87 a 85. Kontrakt na tyto starty byl společný a zatímco první mise NROL-87 letěla v únoru s novým stupněm, ten úspěšně přistál a za pár dnů bude použit znovu na chystané misi NROL-85.
Start a přistání během mise NROL-87 na jedné fotce (Foto: SpaceX)
Jak vidíte, éra znovupoužitelnosti je v plném proudu, jelikož i zkostnatělá armáda nebo státní organizace typu NASA začínají umožnovat nebo dokonce preferovat již použité rakety. V praxi to znamená, že starty Falconů s novými stupni jsou v současnosti spíše výjimkou, neboť přes 90 % misí využívá již letěné stupně. A toto číslo nejspíš časem dosáhne hodnoty 100 %, protože SpaceX dříve nebo později přestane vyrábět nové první stupně a všechny zbylé mise bude provádět s již letěnými kusy. SpaceX už demonstrovalo, že jeden první stupeň dokáže letět alespoň dvanáctkrát, ale praktický limit je nejspíš ještě výše.
Starship S20 a Super Heavy B4 po spojení Mechazillou v únoru 2022 (Foto: John Kraus)
Snad již brzy začne náklady vynášet také nová raketa Starship, která má postupně nahradit Falcon 9 i Falcon Heavy díky ještě vyšší ekonomičnosti. Nějakou dobu ale budou tyto stroje létat společně. Od určité chvíle však přestane mít smysl vyrábět nové první stupně Falconů, protože všechny zbývající mise těchto raket bude možné obsloužit s využitím existující flotily stupňů. Zajímavostí je, že některé novější kontrakty, které SpaceX uzavírá se zákazníky, nejenže nespecifikují, zda při daném startu poletí nová nebo použitá raketa, ale dokonce obsahují doložku, že náklad může být potenciálně vynesen také pomocí Starship. Avšak mise, které ještě budou vyžadovat Falcony, má SpaceX nasmlouvané minimálně do roku 2025, takže v dohledné době se s těmito raketami ještě loučit nemusíte.
Přispějte prosím na provoz webu ElonX, aby mohl nadále zůstat bez reklam. Podpořte nás pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už finančně přispěli. Děkujeme!
Podpořte projekt ElonX
- Mise Starlink 6-51 - 14. 4. 2024
- Mise Starlink 6-49 - 9. 4. 2024
- Elon Musk prozradil parametry budoucích verzí Starship i plány pro přistání Super Heavy a kolonizaci Marsu - 7. 4. 2024
Zajimavy a moc hezky souhrn Petre, libil se mi uz pred par dny, ale az ted mi doslo, ze sem to nenapsal. Diky za nej.
Trochu jsem nepochopil,proč armáda nechtěla,aby 1.st zachránili a už vůbec ne,proč by nesměl letět znovu?
Taky nechápu co je k tomu vedlo.
Ono to nebylo tak, že by přímo nesměl. Ale jelikož šlo o první GPS-III misi, zákazník si chtěl co nejvíce pojistit, že se družici podaří dostat v pořádku na orbitu. Družice tedy měla o stovky kilogramů paliva navíc a zákazník chtěl co nejvyšší výkon rakety a velké palivové rezervy (například pro případ výpadku motoru nebo nepřesného umístění na orbitu). A po splnění všech těchto požadavků už nebylo možné zároveň mít dostatek paliva pro přistání.
Po té první misi, která byla úspěšná, zákazník po domluvě se SpaceX z těchto dodatečných požadavků slevil a při příštích misích GPS byla družice lehčí a nebyly vyžadovány tak velké výkonnostní rezervy, takže bylo možné provádět přistání prvních stupňů. Vysvětleno je to například tady.
Jsou asi tři hlavní momenty, kdy se nejvíce opotřebovává Falcon 9. První při vzestupu v bodě max Q, kde roli hraje hlavně to, jak je raketa těžká. První stupeň má pořád ještě asi polovinu paliva, tlak vzduchu ve 13km je asi šestina atmosféry a rychlost asi 1,5 Mach.
Druhý je při návratu těsně před vstupním zážehem ve stratosféře, kdy první stupeň padá rychlostmi 7,5-8 tis. km/h. Tady jde o to, že by se mohly začít tavit či dokonce hořet některé citlivější části rakety. Proto se ten vstupní zážeh dělá.
A třetí je při návratu během proražení zvukové bariéry.v 5,5 km, kdy okolní tlak je něco pod polovinou atmosféry. Raketa padá motory napřed, takže si dovedu představit, že by se něco mohlo deformovat.
S tim úplně nesouhlasím. To co popisuješ je stále dynamické namáhání konstrukce. A pokud je konstrukce správně navrhnuta, nemá to žádný významný vliv na opotřebení (viz. Wöhlerova křivka). Naopak co je nejvíce opotřebováváno jsou pohybující se součástky. Tedy turbočerpadlo a další prvky motorů. Co se týče odolnosti proti hoření – opět jsou tam zábrany navrhnuty tak aby to neshořelo.
Pokud by docházelo k významnému opotřebení která popisuješ, tak by půlku věcí museli na raketě každou chvíli měnit. Respektive by se znovupoužitelnost nevyplatila.
Že je nějaká součást nejvíce namáhaná, ještě neznamená, že nemůže vydržet 100 startů.
Definuj ,,nejvíce namáhaná součástka,, znovu opakuji že záleží při jaké zátěži a po jakou dobu je daná součástka namáhána. Tedy to co zohledňuje právě Wöhlerova křivka. Pravděpodobně sis to ani nevyhledal – tedy pokud se s napětím (MPa) dostaneš na určitou hodnotu, součástka pravděpodobně vydrží,, věčně,,. Záleží tedy ne na absolutní hodnotě síly působící na danou součástku, ale na tom zda napětí nepřekročí Wöhlerovu křivku. Pak se nemá smysl bavit o něčem,, nejvíce namáhaném,,
Přesně tak. Já reagoval, na tvůj komentář o význaném opotřebení o kterém jsem se v příspěvku od Nefoho nic nedočetl.
Doplním, že při max Q nyní některé falcony se starlinky neubírají na výkonu. Nejspíše mají dostatečnou jistotu, že nepředstavuje riziko.
Smyslem mého příspěvku bylo pouze popsat, tři hlavní momenty z hlediska použití rakety, kdy dochází k největšímu opotřebení rakety. Tj. popis rizik. Nikde netvrdím nic o významném opotřebení, aby museli na raketě každou chvíli něco měnit, jak mi Aleši podsouváte. Smysl diskuse jsem viděl např. v identifikaci dalších rizik, či v diskusi nad tím, že popsané riziko rizikem není.
Opotřebení a riziko to jsou přece dvě rozdílné věci a nelze ty dvě slova libovolně zaměňovat.
Opotřebení nádrží bych tipl zrovna jako téměř nulové v jakékoliv fázi letu.
Ano riziko může být maxQ, často se udává že se jedná o nejrizikovější část letu. Ale já bych to tak netvrdil. To by chtělo najít nějakou globální statistiku nehod raket a kolik procent nehod nastalo v maxQ. Momentálně si nevybavuji žádnou (kdyžtak napište). Pokud to vztáhnu na SpaceX tak tuším celkem nula?
Zapomeňte prosím na slovo riziko, které jsem použil pouze ve smyslu riziko znovupoužitelnosti. Nenalezl jsem správné slovo, abych Vám vysvětlil, o co mi jde. Nejde zde o statistiku nehod, či riziko selhání, ale o opakovanou použitelnost. Používáte raketu stále znova až je opravdu hodně opotřebovaná. A jde o to celý ten proces řídit. V situaci, kdy si kladete za cíl minimalizovat finanční náklady a čas na inspekce i údržbu s cílem, co nejlevněji vynášet náklady do vesmíru. Rozhodnete se, že budete opravdu agresivně brzdit atmosférou, (ještě více než při Starlink 4-12) aby jste šetřili palivo a mohli vynést těžší náklad. Zcela jistě existuje nějaká hranice (hovořil jsem schválně o tavit či dokonce hořet). Vy opakovaně jdete k této hranici, ale nepřekročíte ji. Snad jsem popsal, o co jde, již srozumitelně.
Pěkný článek, moc hezky se to čte kam se propracovali.
Kéž by se dostali se starship na stejnou úroveň. Cesta bude ještě dlouhá.
Ale kratší než s Falconem. Se starship můžou dělat násobně více startů, takže se rychleji “proovne”.
To bych netvrdil. Zatím je toho prověřeno málo. Plán je super, ale realita vše může změnit.