Tom Mueller vypráví o svých amatérských raketách a vývoji motorů ve SpaceX

Tom Mueller je spoluzakladatel SpaceX, kde se věnoval vývoji motorů, je považován za předního raketového inženýra. Podrobnosti o jeho životě a práci ve SpaceX si můžete přečíst v našem starším článku. Dne 20. června 2020 poskytl video přednášku pro přibližně stovku amatérských raketových inženýrů a studentů sdružených v organizaci Launch Canada. V hodinové přednášce hovořil o své kariéře a především o svých amatérských malých raketách. Následující tři hodiny ochotně odpovídal na dotazy nadšených studentů a podělil se o mnoho rad a zkušeností. Prozradil také potěšující zprávu, že příští rok vyjde nová kniha s historkami ze SpaceX. Toto je souhrn celého čtyřhodinového videa.

Konstruktér Tom Mueller a jeho výtvory. Zleva: Merlin 1C pro Falcon 1, Merlin 1C pro Falcon 9 a Merlin 1C-Vacuum bez expanzní trysky (Foto: SpaceX)

Ve firmě TWR Tom během 15 let svého působení pracoval se všemi dnes používanými kapalnými raketovými palivy a také s řadou exotických paliv. Pracoval na mnoha motorech a řadu jich zde vyvinul sám. První motor, na kterém pracoval, byl experimentální Kinetic Energy Weapon (KEW) běžící na hydrazin. První motor, který zde vyvinul sám, byl malý hydrazinový motor o tahu 2,3 kg. Dále se podílel na vodíkovém motoru TR-106 o tahu 295 tun, se kterým TWR soutěžila o zakázku na motor pro raketu Delta IV Heavy. Nakonec ale prohrála proti motoru RS-68 firmy Aerojet Rocketdyne. Tom byl zodpovědný za vývoj vstřikovačů paliva, zapalování a částečně za turbočerpadla. Další motor, který Tom zmínil, byla zmenšená verze vysoce regulovatelného motoru vycházejícího z Lunar Module Descent Engine, který sloužil na přistávacích modulech během misí Apollo.

Dále představil několik svých amatérských raket, které vyrobil poté, co se přidal k Reaction Research Society. První raketou byla XLR-50 na kerosin a kapalný kyslík, tlakovaná heliem. Byla dlouhá 188 cm, široká 7,6 cm a vážila 2,7 kg. Generovala tah 22,7 kg a možná to byla vůbec nejmenší raketa na kryogenní kapalná paliva, která kdy vzlétla. Doletěla až do výšky 2 423 m.

Raketa XLR50

Jeho další raketou byla HLR25 poháněná kyselinou dusičnou a furfurylalkoholem. I tato raketa možná ustanovila nový rekord pro nejmenší raketu na kapalná paliva (tedy ne nezbytně kryogenní), která kdy letěla. Byla 112 cm dlouhá a 4 cm široká. Generovala tah 11,3 kg. Při letu dosáhla výšky přibližně 2 591 m. Raketa přežila pád zpět na zem a po opravách letěla ještě dvakrát.

Raketa HLR25

Další raketou byl už větší Condor letící na propan a kapalný kyslík. Byl vysoký 3,6 m a široký 21,6 cm. Prázdný vážil 34 kg a měl tah 317 kg. Návrh motoru vycházel z motoru řízené střely Condor (pravděpodobně AGM-53A Condor), který se Tomovi dostal do rukou. Raketa však nikdy neletěla, 3 vteřiny před startem totiž z motoru vypadlo zapalování, na které následně vyteklo palivo což vedlo k výbuchu rakety.

Raketa Condor

Zároveň pomáhal svému přítelem Georgi Garbodenovi s jeho raketou na tuhá paliva o tahu 6 350 kg. Kovová špička rakety (její náklad) vyletěla do výšky 80 km a dosáhla rychlosti Mach 4.

Dalším projektem byla raketa BFR. Tato raketa nemá nic spoleného s marsovskou Big Falcon Rocket a její zkratka vychází z trochu poetičtějšího „Big Freaking Rocket“. Raketa byla navržena na kerosin a kapalný kyslík. Měla být 8,23 m vysoká, 76 cm široká, vážit 408 kg a dosahovat tahu 6 804 kg. Tom ale tuto raketu nikdy nedokončil, protože během její stavby potkal Elona Muska a založil s ním SpaceX. Výpočty této rakety ale posloužily jako vzor při návrhu Falconu 1. Motor BFR posloužil jako základ pro motor Kestrel na druhém stupni Falconu. Tom také prozradil, že Falcon 1 vypočítával v excelovských tabulkách, které jsou jeho oblíbený nástroj a také že první start Falconu 1 byl ovládaný lidmi a nikoliv počítačem. Přiznal ale, že to bylo na lidskou obsluhu až příliš.

Amatérská raketa BFR

Během své kariéry ve SpaceX pracoval na vývoji motorů Merlin, Kestrel, manévrovacích motorků Draco (jehož jeden exemplář má vystavený v pracovně a na videu jej ukázal), únikových motorů SuperDraco a rovněž Hallových iontových motorů pro družice Starlink. O těch Tom prozradil, že jejich nejnáročnější částí nejsou motory samotné, ale avionika, která musí správně řídit elektrické proudy protékající motorem.

Iontový motor SpaceX využívající krypton (Foto: SpaceX)

Na vývoji motoru Raptor se Tom podle svých slov moc nepodílel a nepřipisuje si za něj mnoho zásluh. Tento motor vyvinul tým, který Tom sestavil a vycvičil, on sám však na vývoj pouze dohlížel. Dodal ale, že praotcem Raptoru byl jeho návrh motoru další generace. Tento motor Tom původně navrhoval jako vodíkový. Ale s tím jak pracoval na studiích o Marsu, začal pochybovat o vhodnosti vodíku jako paliva pro marsovskou raketu, jejíž cílem byla nosnost přes 100 tun na povrch Marsu a také návrat zpět na Zemi. Problém viděl v jeho výrobě na Marsu. Energetická náročnost výroby vodíku je vysoká a je ho potřeba velké množství. Napadlo ho ale, že by se na Marsu dal snadněji vyrobit metan. Z určitého množství vodíku je totiž za použití oxidu uhličitého z atmosféry možné levně vyrobit osmkrát tolik metanu. Přepočítal tedy raketu na metan a zjistil, že raketa by byla těžší, ale také menší a celkový systém o polovinu levnější. Pověděl o tom Elonovi a on souhlasil s přechodem na metan. Byl to tedy Tom, kdo inicioval volbu metanu jako paliva pro Mars. Předal pak svému týmu návrh jeho vodíkového motoru a oni jej přepracovali na metan a rozvinuli v dnešní Raptor. Tom je na ně velmi pyšný. On sám si metan jako palivo oblíbil a má v plánu některé své amatérské rakety předělat právě na toto palivo.

Zkušební zážeh motoru Raptor v únoru 2019 (Foto: Elon Musk)

Samozřejmě došlo i na otázky o přistávání raket. Tom vzpomínal na svoje pocity po prvním pokusu o přistání v roce 2013 (mise CASSIOPE). Ve firmě tehdy spousta lidí včetně něj nevěřila, že by se to mohlo podařit. Když ale viděli, že raketa hned na první pokus provedla vstupní i přistávací zážeh a že dopadla tam, kde ji očekávali, tak začali doopravdy věřit, že to zvládnout jde, a napnuli své úsilí. Při zpětném pohledu ho překvapuje, jak to vlastně bylo jednoduché. „Kdyby lidé tušili, že je to takto proveditelné, dělali by to už před dekádami. Opravdu není tak těžké dostat tu raketu zpátky. Tedy je to těžké, ale jakmile se do toho dáte, tak zjistíte, že to jde. Všechno okolo raket je náročné a tohle je ještě vyšší úroveň náročnosti, ale vy se do toho prostě musíte pustit a udělat to.“

Přistání bočních stupňů při misi Arabsat 6A (Foto: SpaceX)

Navzdory slovům o jednoduchosti Tom mluvil i o problémech, kterým museli čelit. Letět rychlostí Mach 8 dutým kuželem napřed, to není zrovna optimální z hlediska aerodynamiky. Tom to přirovnal k devíti kávovým šálkům přidělaným na letoun Lockheed SR-71 „Blackbird“ letící dvojnásobnou rychlostí. Aerodynamické síly jsou obrovské a bylo potřeba vše výrazně zpevnit. Prozradil, že systém vektorování tahu motoru museli zpevnit desetinásobně (přesto tento systém selhal při náročném přistání centrálního stupně Falconu Heavy během mise STP-2).

Mluvil také o tom, jak je důležité do návrhu započítat dostatečně vysokou robustnost, dimenzovat raketu na ty nejhorší případy, přičemž někdy ale stačí přidat jen pár procent materiálu. Za letu pak raketa většinou zažívá mnohem menší namáhání, než na jaké byla navržena. Když to uděláte dobře a chytře, tak je pak těžké tu raketu rozbít.

Největším problémem pro znovupoužitelnost motorů je pak teplotní a tlakové namáhání spalovací komory a turbín turbočerpadel. Z každého letu Falconu se pak SpaceX dál učí. Tom to přirovnal k autu: „Pokud chcete přijít na problém, který na autě vznikne až po ujetí osmi tisíc mil, musíte těch osm tisíc mil napřed ujet. To teď v podstatě děláme.“

Test motoru Merlin 1D v McGregoru (Foto: SpaceX)

Tom si také zavzpomínal na sledování startů raket. „Lidské mozky nejsou kalibrované na něco tak rychlého,“ řekl ke startu amatérské rakety George Garbodena. K prvnímu startu Falconu Heavy Tom řekl: „Co mě opravdu dostalo, bylo, jak ty boční stupně padají zpět k zemi rychlostí nějakého vysokého Machu a pak, místo aby se rozbily o zem, zažehnou motor, což je opravdu úžasné vidět. Nikdy neuvidíte nic, co má tolik energie, letí tak rychle desítky mil daleko a za pár minut se to zase vrátí zpět. To je opravdu mimo běžný rozsah lidských zkušeností.“

S potěšením samozřejmě sledoval i start mise DM-2 a prozradil, že nebyl nervózní. Falconu 9 i Dragonu důvěřoval a byl přesvědčený o úspěchu i o bezpečnosti astronautů. SpaceX podle něj na bezpečnosti opravdu velmi záleželo a věřil, že je firma připravena. Podle svých slov se na tom všem výrazně podílel a je na úspěch velmi pyšný a je také rád, že pomohl americkým daňovým poplatníkům uspořit miliardy dolarů.

Následně se rozmluvil také o tom, jaké to je cítit sílu raketového motoru. Vzpomínal, jak byl vůbec poprvé svědkem testu motoru TR-106 v TWR. Nacházel se na pozici necelou míli od testovacího stavu a ten zážitek popisuje takto: „Rozsvítilo se tam jasné modré světlo vyvalila se pára a já jsem si pomyslel, jak vůbec může nějaký stroj vydržet tolik energie? Protože to cítíte, vidíte to a cítíte tu energii, i když jste míli daleko.“

Testování motoru TR-106 (Foto: NASA)

Ještě větší zážitek mu ale poskytl motor Merlin 1C, tehdy o tahu 43 tun. Tomu testu Tom přihlížel společně s jistou reportérkou, která jej přemluvila, aby ji vzal blíž ke stavu. Zážehu motoru tedy přihlíželi ze vzdálenosti 180 metrů. „Ten zvuk bolel. Nejen v uších ale i uvnitř ve vnitřnostech. Byli jsme v Hummeru, ona se krčila vzadu a skoro plakala, protože to opravdu bolelo. Znovu už by do toho asi nešla.“

Ještě dodal, že jeden motor Merlin 1D produkuje 2 GW energie. To je jako spotřeba Los Angeles. Celý Falcon 9 je desetkrát víc, to je dost k napájení celého losangeleského údolí. „Množství uvolňované energie je prostě fenomenální. Když pak vidíte, že se věci rozbíjejí, že vibrují, až se rozlomí, tak se tomu vůbec nedivíte.“

Detail Merlinu 1C na restaurovaném Falconu 1 (Foto: Pauline Acalin)

Rozpovídal se také u otázky ohledně horizontálních versus vertikálních testovacích stavů. Horizontální stavy jsou o dost jednodušší, ale také nebezpečnější. V případě úniku paliva totiž palivo nevyteče na zem, ale nahromadí se v motoru což pak vede k výbuchu. Vertikální stavy jsou bezpečnější a vhodnější pro samotné testování motoru. Obrovským problémem vertikálních stavů je ale to, že zplodiny motoru rozfoukají a roztaví zemi pod ním. Tom zmiňoval, jak jim Merliny dokázaly za jedinou vteřinu odpálit 30 cm betonu pod stavem. Vzpomínal také, jak jiné motory dokázaly vyrobit hezké zelené sklo při testování nad hlínou.

Poničený testovací stav pro Merliny v McGregoru (Zdroj: Parabolic Arc)

Přemýšleli jste někdy, jak je cítit hydrazin? Díky novým normám byste podle Toma už neměli mít šanci: „Pokud dnes ucítíte hydrazin, který smrdí asi jako čpavek a rybina dohromady, tak už jste byli vystaveni příliš vysoké dávce. My jsme ho v dřívějších dobách cítili nejednou.“

Zvědavým studentům také vysvětloval své názory na různé motory. Jako první hovořil o hybridních motorech. Ty jsou podle něj výborným výukovým inženýrským projektem pro začínající a amatérské inženýry stavějící suborbitální rakety. Pro profesionální orbitální raketu ale podle něj nejsou vhodné. Problémem je zbytkové palivo, kterého v hybridním motoru zůstává po vyhoření okolo 1 %. Což v případě stroje, který je z 95% tvořen palivem a zbylých 5% je konstrukce a náklad, vede k velkému snížení užitečné nosnosti.

Na přetřes přišly i motory typu aerospike. Přiznal se, že by si s nimi moc rád pohrál ve své dílně, pro operační raketu v ně ale zatím velké naděje nevkládá. Tento druh motorů podle něj má několik problémů. Prvním je problematické chlazení. Druhým je pak jejich komplikovanost a dále jejich výsledná vysoká hmotnost. Motory na dnešních raketách tvoří víc než 50 % hmotnosti jejich konstrukce a zvýšená váha motorů je nežádoucí. S aerospike motory tedy sice můžete získat lepší efektivitu, ale zároveň tratíte na poměru tah/hmotnost. V dnešní době se to tedy podle něj nevyplatí. Doufá ale, že se mýlí a někdo přijde se skutečně dobře fungujícím aerospike motorem.

Motory Rutherford firmy Rocket Lab, které jsou poháněné elektrickými čerpadly, označil za skvělé a věří, že se na nich v Rocket Lab hodně naučili a vytvořili si skvělou pozici pro případný vývoj velkého motoru.

Nejvíce je Tom pyšný na motor Merlin 1D, který považuje za skvělý úspěch. Jako svoje největší selhání pak vidí katastrofický první let Falconu 1 kdy došlo k rozlomení šroubu zkorodovaného vlivem mořského vzduchu a ztrátě rakety. Tom prozradil, že onen hliníkový šroub zvolili na doporučení člověka, co pracoval na letadlových lodích, kde tyto šrouby používali. „Když půjdete to leteckého muzea na Mysu Canaveral, které je asi míli od moře, tak tam uvidíte motory s těmito šrouby, padesát šedesát let staré, a šrouby jsou v pořádku. Proč se musel rozlomit zrovna ten můj? Měli jsme skvěle fungující motor a všechno šlo vniveč kvůli jednodolarové položce. Dodnes mě to mrzí,“ dodal.

Tom také potvrdil, že věří v úspěch Starship a věří, že první nákladní lodě odstartují k Marsu do roku 2026. Na pilotované lety si ale podle něj počkáme déle. Rovněž všechny ujistil, že poslat lidi na Mars byl opravdu plán už od začátku a nikoliv něco, co by si Elon vymyslel cestou, jak si někteří lidé myslí. Velkou výzvou pro budoucnost jsou podle něj vesmírné motory. Cestu na oběžnou dráhu už podle něj mají lidé zvládnutou dobře a díky Starship to bude ještě lepší. Je ale potřeba také zapracovat na motorech pro cesty vesmírem mezi planetami.

Kromě toho mluvil o mnoha dalších tématech. Dlouze hovořil o problémech zážehu motoru a různých způsobech, jak toho dosáhnout. Vzpomínal na hořáky na Falconu 1, směs TEA-TEB v Merlinech a zapalování jeho amatérských raket vyrobených jeho kamarády, co dělají ohňostroje. Mluvil o nutnosti přesného časování vstřikování paliva a okysličovadla do spalovací komory a tedy namíchání té správné směsi pro zapálení, protože podle jeho slov je snadné si v komoře namíchat „dynamit“ a vyhodit si motor do vzduchu.

Starship startuje z Marsu (Zdroj: SpaceX)

Dále mluvil o ložiscích hřídelí turbočerpadel a jejich chlazení. Mluvil o chlazení motorů, popisoval, jak v amatérských podmínkách používat a zpracovávat grafit a další materiály pro ablativní chlazení. Mluvil o problémech při používání kryogenních paliv, zasekávání ventilů, volbě vhodných materiálů a hrozbě vniknutí vlhkosti.

Poskytl velmi mnoho detailních rad ohledně výroby raket v amatérských podmínkách – co jak z čeho vyrobit, jaké nástroje a metody použít, jak skladovat, převážet a používat různá paliva. Podělil se o různé fígle, jak se obejít bez profesionálních nástrojů. Hovořil o tom, co studovat, jaké knihy číst a jak postupovat, pokud se člověk chce stát raketovým inženýrem.

Jako dobrý projekt pro aspirující mladé raketové inženýry navrhl zkusit předělat turbodmychadlo ze spalovacího motoru na turbočerpadlo pro raketový motor. Inženýr, který toto zvládne v amatérských podmínkách, si může být jistý, že by SpaceX velmi zaujal.

A co si myslí o Elonu Muskovi? „Všichni říkali, že nemáme šanci. Ale já jsem věřil, že máme. Elon byl pro to ten správný člověk. Byl jsem mentorem mnoha lidí a sám jsem měl skvělé mentory, mým nejlepším mentorem ale byl Elon Musk. Naučil jsem se od něj velmi mnoho. Ne o technice, ale o tom, jak dělat dobrá rozhodnutí, jak sehnat schopné lidi, jak být odhodlaný a ochotný přijmout riziko. Problém je, že v tradičním kosmickém průmyslu to udělat nemůžete, protože selhání je stigmatizované. Nechcete proto podstupovat rizika, protože selhání vám zničí kariéru a sebevědomí. Musíte se to ale naučit brát tak, že na tom nesejde. Prostě testujte, vyhazujte věci do vzduchu a učte se a učte. Někdy se stanou špatné věci, ale jděte do toho. Čím víc budete vyhrávat, tím víc budete také selhávat, to je součást učení.“

Co bude dělat dál? Tom v průběhu posledních let omezoval svoje angažmá ve SpaceX a nyní pracuje už jen na částečný úvazek jako poradce. Podle svých slov už nepotřebuje a ani nechce pro někoho pracovat. Chce si užívat života a svých koníčků. Má rád rychlá auta, rád v nich závodí. Dokonce přemýšlí o tom, že by do nějakého auta nainstaloval starý plynový generátor a turbínu z Merlinu, jejichž dva tisíce koňských sil při hmotnost 227 kg by mu dodalo úžasnou akceleraci. I když jen na chvíli, jelikož spotřeba by byla 5,5 kg paliva za sekundu. Vlastní několik Tesel, závodní Porsche a má objednané nové elektrické Porsche Taycan. Kromě toho rád pluje na své lodi, jezdí na horských kolech do přírody a kempuje s kamarády.

Tom Mueller (Zdroj: Popular Mechanics)

Hlavně se ale chce vrátit ke svým amatérským raketám. Chce dokončit ty rozpracované, přepracovat ty staré a vyrobit různé nové a zajímavé malé rakety. Ač to Tom přímo neřekl, zdá se že toto je jeden z důvodů, proč omezil své působení ve firmě. Několikrát mluvil o tom, jak v průběhu let rostla jeho role vedoucího týmu, mentora a manažera na úkor jeho role raketového inženýra. Sílil v něm pocit, že jeho schopnosti inženýra začínají rezavět a začal toužit po návratu zpět do své dílny ke svým malým raketám, oprášit své schopnosti a naučit se nové věci. Tak mu popřejme hodně štěstí.




Mohlo by se vám líbit...

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