Výškové větry vedly k odkladu nespočtu startů SpaceX. Proč představují riziko a jak se měří?

Kdysi jsme pro vás připravili přehledový článek, který hovořil o všech možných příčinách, které mohou zabránit raketě Falcon 9 v jejím startu. Jednou z příčin, které jsme v něm zmiňovali, bylo počasí. Dnešní článek lze tak do jisté míry chápat jako jeho pokračování, protože se v něm chceme věnovat fenoménu výškových větrů a jejich měření, vlivu na start rakety a na závěr si vysvětlíme přičinu ztráty prvního stupně rakety Falcon 9 při misi Starlink v1-4.

Předpověď počasí je věda, se kterou má zkušenosti každý z nás, řekne nám totiž, zda bude hezky či škaredě a ovlivňuje tím přímo naše každodenní konání. Zrovna tak nebude asi pro nikoho překvapením, že k předpovědím počasí slouží řada meteorologických stanic rozmístěných nejen po celém území naší republiky, ale i na celém světě. Pro přesnější meteorologické předpovědi se však nepoužívají jen tyto pozemní stanice či meteorologické satelity ale i měření atmosferická. Ta se nejefektivněji provádí pomocí balónů, které jsou schopny při svých měřeních dosáhnout až do stratosféry.

Meteorologický balón plněný vodíkem (Foto: Cambridge Bay Weather)

Na obrázku je možno vidět meteorologický balón, který je vypouštěn, aby zjišťoval stav atmosféry během svého letu. Balóny jsou typicky plněny héliem či vodíkem. Hlavním přístrojem, který se na balónu nachází, je radiosonda, která měří rychlost větru, teplotu a vlhkost a tyto údaje jsou zasílány do pozemního střediska. Měřící zařízení jsou schopny odolávat teplotám až do -95 °C, vlhkosti od 0 do 100 %, větrům o síle až 320 km/h či atmosférickému tlaku až do jedné tisíciny hodnoty tlaku na povrchu Země.

Každá meteorologická stanice v USA je vybavena garáží, kde se začíná balón napouštět a přitom obsluha kontroluje stav baterie či samotného měřícího zařízení. Veškeré měřící přístroje jsou přitom upevněny na nylonovém laně. Jsou tak v určité vzdálenosti od balónu, který se při stoupání v atmosféře může zahřívat a vyzařovat teplo. Obsluha s balónem o velikosti balónu na jógu přejde na otevřené prostranství a prostě a jednoduše balón mírně popostrčí směrem vzhůru. Přípravu balónu a jeho vypuštění velmi hezky ukazuje následující video. Druhé video nám pak zaznamenalo cestu balónu atmosférou.

Vzdálenost, kterou je balón schopen po svém vypuštění uletět, je samozřejmě podmíněna rychlostí větru, do kterého se při své cestě atmosférou dostane. Pokud se měření provádí v oblasti tryskového proudění, může balón docestovat až do vzdálenosti 240 km od místa vypuštění. Cesta směrem vzhůru trvá přibližně 90 minut a je typicky zakončena ve výškách nad 24 km, kde se v důsledku velmi nízkého okolního tlaku vzduchu roztrhne.

K vypouštění těchto balónů dochází z více než 800 (jiný web uvádí 1300) stanic na celé Zemi. Měření se celosvětově provádějí téměř ve stejnou dobu, každý den v roce. Balóny startují o půlnoci koordinovaného světového času (UTC) a/nebo v poledne (UTC). Tato měření mohou být zahájena i dříve, ovšem největší přípustná odchylka je jedna hodina. V případě, že hrozí příchod různých silných bouří, dochází k měřením častěji. Krásnou vizualizaci výškových větrů nabízí server Ventusky.com.

Graf znázorňující rychlost větru v různých výškách (Zdroj: In-pocasi.cz)

Ke startům dochází i z našeho území, kupříkladu každý den je z meteorologické stanice Praha Libuš vypoušten třikrát denně nový balón, který provádí měření. Tato měření se provádí už od roku 1957. K vypouštění dochází o půlnoci, v šest ráno a v poledne.

Než přikročíme k využití těchto sondážních balónů při startech raket, podívejme se ještě na na několik zajímavých informací týkajících se těchto meteorologických měření. Každý týden je použito více než 10 000 tisíc balónů, což dělá neuvěřitelných půl milionu balónů ročně. Přesto není do dnešního dne zaznamenán žádný případ, kdy by kterýkoliv z nich přišel do kolize s letadlem. Možná vás také napadlo, zda po roztržení balónu a jeho následném pádu nebyl někdy někdo zraněn? Není známo, že by padající zbytky balónu či sondy někoho ohrozily. A pokud jsou někdy na balónech instalovány těžší přístroje, jsou vybaveny padáky pro zbrždění jejich pádu. Jeden start balónu stojí 120 dolarů (2600 Kč), přičemž cena zahrnuje balón, helium i přístrojové vybavení.

Přístroje pro meteorologické balóny využívané americkým letectvem (Foto: Ken Kremer)

A nyní se už podívejme na to, proč je důležité měřit výškové větry před startem rakety. V případě východního pobřeží Floridy, odkud startuje většina amerických raket, jsou balóny vypouštěny meteorology Patrickovy letecké základny, kteří využívají dva druhy balónů (viz fotky níže). Bez ohledu na to, zda se bude ten den startovat či nikoliv, je dvakrát denně měřeno atmosférické proudění. V den startu je pak měření prováděno častěji, během 4hodinového odpočtu dochází k měřením každých 20 minut. V případě výškových větrů však meteorologové spíše než rychlost větru vyhodnocují střihy větru. O střihu větru (vertikálním) hovoříme, pokud dochází ke změně vektoru rychlosti proudění s výškou. Dále ještě rozlišujeme, zda při se při vzrůstající výšce mění směr větru, rychlost či obojí.

Vertikální střih větru. Zleva: Změna směru, změna rychlosti, změna rychlosti i směru (Zdroj: weatherstreet.com)

Čím je však tento úkaz startům raket nebezpečný? Při startu i přistání prochází raketa atmosférou a aby tento prostup byl optimální, je při své cestě řízena. Pokud je však střih větru příliš silný, nebude možné raketu ovládat. S tím souvisí i další problém. Raketa při svém vzletu postupně zrychluje a přitom klesá okolní atmosférický tlak. Do určité výšky však tento nárůst rychlosti způsobuje čím dál vyšší dynamický tlak. Při startech na geostacionární dráhu je trajektorie letu plošší a raketa je při svém startu vystavena vyššímu tlaku. V případě silnějšího střihu větru by mohlo dojít ke ztrátě nosiče. Velmi hezky vliv střihu větru popsal ve své twitterové zprávě Elon Musk, když jej připodobnil ráně palicí.

Tyto výškové větry nejsou však jen nějací imaginární fantomové. Jsou i jednou z příčin jedné z největších katastrof pilotovaných kosmických letů. Když 28. ledna 1986 startoval ke své desáté misi raketoplán Challenger, učinil tak po poměrně mrazivé noci, kdy těsnící O-kroužky v postranních urychlovacích blocích (SRB) byly mrazem oslabeny a ztratily svou pružnost. Hned po zapálení motorů SRB těsnící kroužky nedokázaly utěsnit spoj jednotlivých segmentů a začal mezi nimi unikat tmavý kouř. Zplodiny hoření však po nějaké době tuto mezeru zatěsnily a vše se zdálo v pořádku. Mezi 37. až 63. sekundou však raketoplán prolétal oblastí s prudkými nárazy větru. Jejich vlivem se tak mezera mezi segmenty pravého SRB opět otevřela a plamen si začal hledat svou cestu. Přepálil vzpěru P-12 držící SRB u odhazovací nádrže, v důsledku toho popraskaly i další vzpěry, spodní část pravého SRB se uvolnila a zkáza stroje byla již neodvratná.

Na výškové větry má špatné vzpomínky i samo SpaceX. Nepřijatelný střih větru měl za následek nespočet odkladů startů, včetně několikahodinového zdržení demonstrační mise Falconu Heavy. Letos v únoru pak startoval z Floridy Falcon 9 v rámci mise Starlink v1-4 a jeho první stupeň poté při svém pokusu o přistání z neznámého důvodu minul mořskou plošinu Of Course I Still Love You. Nezvykle dlouhé tři týdny nás SpaceX nechávalo v nejistotě, až nakonec 6. března 2020 při předstartovní tiskové konferenci mise CRS-20 vše objasnil viceprezident SpaceX Hans Koeningsmann.

Vysvětlil novinářům, že příčinou nebylo ani hardwarové ani softwarové selhání. Vracející se první stupeň přerušil přistávací manévr úmyslně, jelikož při svém průchodu atmosférou senzory zjistily výrazně vyšší hodnoty větru, než kolik ukazoval předpovědní model. Stupeň tak pro jistotu provedl úhybný manévr a přistál v moři, aby nepoškodil přistávací plošinu OCISLY. Koenigsmann dodal, že SpaceX od té doby zapracovalo na vylepšení využívaných predikčních nástrojů.

A na závěr se podíváme ještě na pár zajímavostí týkajících se předpovědí počasí, které vydává letectvo (teď už vlastně vesmírné síly) pro SpaceX či jiné firmy před každým startem. Tyto předpovědi uvádějí procentuální šanci nepříznivých podmínek pro start v daný den. Ta je vypočtena na základě pravděpodobnosti toho, že parametry počasí překročí přesně dané limity NASA, které je nutné dodržet, aby mohl proběhnout start. Mezi sledované parametry patří například oblačnost, rychlost přízemního větru nebo údery blesků v okolí (podrobněji jsme je rozepsali v již zmíněném starším článku).

Předpověď počasí od letectva také obsahuje informace o očekávané rychlosti výškových větrů, avšak na tento údaj není brán ohled při výpočtu celkové procentuální šance nepříznivých podmínek. Může se tedy stát, že výškové větry způsobí odklad startu, u kterého se předpovídala 0% šance nepříznivých podmínek. Důvodem je to, že vliv střihu větru dokáže raketa do jisté míry kompenzovat svým letovým profilem. Tyto možnosti se však liší u každé rakety a u každého startu. Letectvo tedy jen zajistí měření výškových větrů před startem a data předá provozovateli rakety, který si následně sám posoudí, jestli je střih větru přijatelný pro daný start.

Oficiální předpovědi počasí od letectva pro starty SpaceX navíc nově uvádějí další důležité informace. Nyní z nich zjistíte také očekávanou úroveň solární aktivity, která může mít neblahý dopad na elektroniku rakety či nesené družice. Dále je uvedena též míra rizika, že v místě přistání prvního stupně Falconu nebo lodi Dragon budou vládnout nepříznivé podmínky. V případě Crew Dragonu to bude důležité u letů s astronauty, kdy bude před startem nutné ověřit, že je přijatelné počasí ve všech oblastech na moři, kde může Dragon potenciálně přistát v případě nouzového úniku během letu. Nedivte se tedy, pokud budou pilotované lety odkládány kvůli počasí nadprůměrně často.

Jiří Hadač



Mohlo by se vám líbit...

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