SpaceX při misi CRS-18 testuje upravený horní stupeň Falconu a také tepelný štít pro Starship

SpaceX během aktuální mise CRS-18 otestovalo rovnou dvě nové technologie. Falcon 9 letěl s nezvyklým šedým pruhem, jenž má zkoumat změny teplot horního stupně na oběžné dráze, a loď Dragon byla vybavena několika keramickými dlaždicemi, které SpaceX zvažuje použít pro tepelný štít lodi Starship. Znamená to, že ocelový trup Starship už nebude chlazen transpiračně?

Falcon 9 od své premiéry v roce 2010 prošel spoustou změn. První verze 1.0 vypadala jako úplně jiná raketa než současná varianta Block 5. Ta měla premiéru loni v květnu a měla by představovat finální verzi raket Falcon. Neměnnost konfigurace Blocku 5 má dva hlavní důvody. Prvním je, že se tím eliminuje riziko pro mise s astronauty, které plyne z častého provádění změn konstrukce rakety, čímž SpaceX proslulo. Ředitel výroby ve SpaceX dokonce v jeden čas prohlásil, že každá vyrobená raketa se trochu liší od té předchozí a firma v podstatě nikdy nevyrobila dvě zcela totožné rakety. Druhým důvodem je, že investice do dalšího vývoje Falconů se v dnešní době už moc nevyplatí. SpaceX totiž usiluje o to, aby už za pár let byla do provozu zavedena výrazně pokročilejší raketa Starship, která má být díky kompletní znovupoužitelnosti z hlediska nákladů na jeden start několikanásobně levnější než Falcon 9 nebo Falcon Heavy. Tím pádem lze očekávat, že postupně zcela nahradí Falcony a Dragony, které se pro zákazníky stanou dražší volbou.

Porovnání různých variant rakety Falcon (Autor: Lucabon / Wikipedia)

Nicméně ukončení vývoje Falconů v reálu samozřejmě není stoprocentní, protože menší úpravy se přeci jen dělají – například bylo upraveno hydraulické čerpadlo roštových kormidel, jehož selhání vedlo k nezdaru při přistání prvního stupně během mise CRS-16. A takových příkladů může být celá řada, akorát se o nich nejspíš nedozvíme. Například mám podezření, že SpaceX u novějších exemplářů Blocku 5 provedlo nějaké změny na raketě nebo přistávacích nohách, které konečně umožnily jejich sklápění po přistání. Avšak vždy by mělo jít o relativně malé změny, rozhodně se nedočkáme větších nádrží, zcela odlišné tepelné ochrany nebo dokonce znovupoužitelného horního stupně.

Nyní jsme se dozvěděli o další zvažované úpravě raket Falcon. Už během příprav na statický zážeh před misí CRS-18 si pozorní fanoušci všimli, že raketa na rampě měla na horním stupni jakýsi šedý pruh. Moderátor ze SpaceX pak v živém přenosu vysvětlil, že nádrž s palivem RP-1 a byla natřena šedě za účelem získání dat o tom, jak sluneční světlo ovlivňuje teplotu paliva v horním stupni během delších misí na oběžné dráze.

Detail horního stupně s šedým pruhem před startem CRS-18 (Foto: John Kraus)

Zásobovací mise CRS nejsou pro horní stupeň moc náročné, protože k vypuštění Dragonu dojde velmi krátce po dosažení orbity a tím vlastně práce Falconu končí (pomineme-li pozdější deorbitační zážeh, který není pro úspěch mise nutný). Avšak některé mise pro letectvo, například nedávná STP-2, bývají složitější, protože vyžadují opakované zážehy horního stupně s několikahodinovými prodlevami. Nejobtížnějším aspektem takových misí je udržování kapalného kyslíku na potřebné teplotě -206 °C, pro kterou byl navržen motor Merlin. Nádrže se totiž vlivem slunečního záření pomalu ohřívají, a tak je před plánovaným zážehem potřeba kyslík opět zchladit.

Jenže palivo má opačný problém. Před startem je chlazeno jen na teplotu -7 °C a na orbitě pak další pokles teploty a hrozí jeho zamrznutí. A tak je potřeba během delších misí palivo průběžně přihřívat. SpaceX ale má toto cílené chlazení a ohřívání nádrží nějak vyřešeno, protože už několikrát demonstrovalo schopnost úspěšné provést opakované zážehy Merlinu i po 6 hodinách na orbitě. K čemu tedy ten šedý pruh?

Podle NASA Spaceflight má jeho barva umožnit přesun nežádoucího tepla z kyslíkové nádrže do nádrže s RP-1, kde naopak může pomáhat bránit zamrzání. SpaceX získaná data z CRS-18 porovná s předchozími misemi CRS, aby zjistilo, jestli měl šedý nátěr požadovaný efekt. Pokud se pruh osvědčí, asi by to prodloužilo dobu, po jakou může horní stupeň fungovat i bez systému pro vyhřívání/chlazení nádrží. Proslýchá se, že tato funkcionalita je v podstatě volitelný hardwarový doplněk, kterým může být horní stupeň za příplatek vybaven, pokud to profil mise vyžaduje.

Toto však nebyl jediný experiment, který SpaceX provádělo během mise CRS-18. Pokud jste dávali pozor během živého přenosu, moderátor zmínil, že tepelný štít Dragonu byl doplněn o čtyři keramické dlaždice, které SpaceX testuje pro tepelný štít vyvíjené rakety Starship. Něco podobného prý proběhlo už v minulosti, když SpaceX testovalo dlaždice pro tepelný štít lodi Crew Dragon. NASA tyto testy schválila poté, co analýza prokázala, že nepředstavují zvýšené riziko pro misi jako takovou.

Testovací keramické dlaždice pro Starship na tepelném štítu Dragonu před misí CRS-18 (Zdroj. SpaceX)

Elon Musk na Twitteru poskytl doplňující informace ohledně testovaných dlaždic. Pro mě je to dost pokročilá fyzika, tak mě kdyžtak v komentářích opravte, pokud bude překlad nepřesný. Vše začalo reakcí na tweet Everyday Astronauta, který mluvil o tom, že poté, co si něco zjistil o záření absolutně černého tělesa, už si není tak jistý, že odrazivý povrch Starship je vhodný. Musk vysvětlil:

Vysoká odrazivost snižuje fotonické zahřívání, emisivita snižuje částicové zahřívání. Není potřeba se zbavovat tepla zářením, pokud nemáme vysokou teplotu. Navíc kov je po zahřátí žlutý/rudý/bílý, takže přestane být odrazivý.

[Na Dragonu] testujeme potenciální keramické dlaždice pro návětrnou stranu Starship. Maximalizace emisivity je nejlepší pro tepelnou vodivost. Výhodou oceli je na rozdíl od trupu z uhlíkových kompozitů nebo hliníku, že dlaždice můžou být velmi tenké.

Tenké dlaždice na návětrné straně lodi, plus nic na závětrné straně a na [Super Heavy] se jeví jako varianta s nejnižší hmotností.

Otázkou také zůstává, z jakého materiálu jsou dlaždice vyrobeny. PICA-X, který v současnosti využívají tepelné štíty Dragonů, nejspíš nepřipadá v úvahu, protože je ablativní, což není vhodné pro rapidně znovupoužitelnou loď, kterou má Starship být. Jako nejpravděpodobnější kandidát se tedy jeví materiál TUFROC (Toughened Uni-piece Fibrous Reinforced Oxidation-Resistant Composite), na jehož výzkumu a vývoji SpaceX od června 2018 spolupracuje s NASA.

Tuto technologii původně vyvinulo Amesovo výzkumné středisko NASA a jeho vlastnosti demonstroval experimentální miniraketoplán X-37B společnosti Boeing. Zároveň jej má využívat i znovupoužitelný raketoplán Dream Chaser. TUFROC je tvořen uhlíkovou čepičkou, která je mechanicky připevněna k lehkému, vláknitému základu ze siliky (oxidu křemičitého). Materiál je lehký, levný, znovupoužitelný a dokáže odolat teplotám téměř 2000 °C.

Experiment během CRS-18 pochopitelně vyvolává otázku, proč SpaceX testuje keramické dlaždice, když tepelný štít Starship si měl vystačit s nerezovou ocelí, která by byla v těch nejnamáhanějších místech doplněna o transpirační chlazení. To mělo fungovat tak, že titěrné dírky by umožňovaly „prosakování“ vody nebo metanu, čímž by daný povrch chladily. Při návratu Starship z nízké oběžné dráhy by podle Muska bylo zhruba 20 % povrchu lodi vystaveno maximální teplotě kolem 1476 °C, dalších 20 % teplotě 1326 °C a zbytek povrchu by dosáhl maximální teploty pod 1176 °C, kterou už snese ocel typu 310S sama i bez dodatečné ochrany nebo chlazení.

Zatím není jasné, jestli dlaždice mají nahradit transpirační chlazení, nebo jestli SpaceX prostě zkoumá více variant tepelného štítu najednou. Musk v tweetu výše keramické dlaždice označil jako „potenciální“, takže si myslím, že platí spíše druhá možnost a o finálním řešení tepelného štítu pro Starship ještě nebylo rozhodnuto.




Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest
20 Komentáře
nejstarší
nejnovější nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře