Znovupoužitelnost kosmických nosičů #1: Evropa

Slovo znovupoužitelnost je v kosmonautice skoro jako nějaká magická formule. Je to doslova „Svatý grál kosmonautiky“, který už od počátku kosmické éry hledají raketoví konstruktéři, ale dokonce ještě před nástupem tohoto období, snílkové a první průkopníci predikovali znovupoužitelné kosmické prostředky. Jejich fantazie sice neznala mezí, ale až čas nám skutečně ukázal, že to není tak jednoduché, jak se v oněch počátcích možná zdálo. Svědčí o tom fakt, že postavit a provozovat plně znovupoužitelnou kosmickou raketu se doposud nikomu nepodařilo. Pokusů již bylo celkem dost na to, aby nám zároveň ukázaly, že onen vysněný „Svatý grál kosmonautiky“ se může snadno proměnit v Pandořinu skříňku. Stačí si vzpomenout na americké raketoplány. Proto se vyplatí být v této oblasti velmi obezřetný, a naopak se nevyplácí tuto problematiku ignorovat a už vůbec bychom ji neměli podceňovat. Vždyť SpaceX v minulých letech přesvědčivě demonstrovalo, že znovupoužitelnost je možná. Přitom ještě před nedávnem to některé institucionalizované společnosti pokládaly za nemožné a právě to se jim v pravdě nevyplatilo. Situace na trhu kosmických nosičů se díky přístupu SpaceX výrazně proměnila a ostatní komerční hráči dnes svádějí boj doslova o každý dostupný náklad na trhu. Na řadu tedy přicházejí inovace. Po celém světě právě v těchto chvílích vznikají nové kosmické rakety, které mají být levnější a lepší než ty předešlé. Výjimkou není ani Evropa, která připravuje nástupce rakety Ariane 5 a konečně se chystá také na kroky, které by měly vést k opětovně použitelným technologiím. Pojďme se na ně tedy podívat.

Demonstrátor Callisto

Model plánovaného demonstrátoru Callisto, který má ke konceptu SpaceX velmi blízko (Foto: CNES/H. Piraud)

Současný trh s orbitálními nosiči se čím dál tím více soustředí na redukci finančních nákladů spojených s výrobou a provozem. Není žádným tajemstvím, že za to může především fenomenální úspěch SpaceX a jejich cenová politika všeobecně. Prognózy byly přitom po předchozích zkušenostech se znovupoužitelností spíše skeptické. Přeci rakety vracející se z kosmu v pořádku zpět patří spíše do říše sci-fi, že? Většinový názor zainteresovaným ovšem výrazně změnil triumfální první let nejsilnější rakety současnosti Falcon Heavy s automobilem Tesla na palubě a asi nejznatelněji se tento „Falcon Heavy efekt“ projevil na starém kontinentu.

Generální tajemník Evropské kosmické agentury (ESA) Johann-Dietrich Wörner po startu zapochyboval o správném směřování raketového programu ESA a ptal se, zda by nebylo vhodné přehodnotit dříve stanovené priority. Každopádně rétorika se změnila a debata se výrazně posunula od slova „jestli“ ke slovu „kdy“. Bylo jasné, že evropští zástupci váhali až příliš dlouho. Přitom evropský výzkum by v oblasti opětovně použitelné techniky „nevařil úplně z vody“, protože se jí v minulosti již několikrát zabýval. Existují starší návrhy jako například návratový stupeň Adeline od Airbusu nebo ještě starší Liquid Fly-back Booster (LFBB) navržený už pro raketu Ariane 5, ale nic z toho se bohužel nikdy nerealizovalo. Je tedy celkem škoda, že se podobným programům nevěnovala větší pozornost o něco dříve. Ekonomické modely však tehdy naznačovaly, že vynaložené úsilí a finance by byly příliš vysoké a nepřineslo by to onu očekávanou návratnost.

Až v roce 2017 jsme se konečně dočkali některých nových informací o evropské strategii v nadcházejících letech a novinkou byly i detaily ohledně Experimentálního demonstrátoru Callisto (Cooperative Action Leading to Launcher Innovation in Stage Toss-back Operations). Callisto je dílem především francouzského centra kosmického výzkumu CNES. Samotný návrh přitom vznikl už okolo roku 2015 a to kvůli potřebě vylepšení stávajících raketových nosičů ESA a budování nového zázemí na kosmodromu. Dalším cílem bylo získat praxi s opětovně použitelným raketovým nosičem. Jenže kvůli složitosti dosažení všech těchto cílů se jednak nikam příliš nespěchalo a také se teprve muselo začít jednat s možnými budoucími partnery. Do projektu se aktivně zapojil ústav DLR (Německé výzkumné středisko) a na pomoc byla přizvána také japonská kosmická agentura JAXA a s dalšími možnými partnery se i nadále jedná.

Experimentální raketa Callisto je koncipována jako jednostupňová s jedním restartovatelným motorem. Evropa však žádným obdobným raketovým motorem v současnosti nedisponuje. Proto se partnerem stala japonská agentura JAXA, která se po dohodě rozhodla s projektem pomoci a poskytne vhodný znovupoužitelný motor na LOX/LH2 (kapalný kyslík, kapalný vodík) o síle asi 40 kN. Ten bude z dílny Mitsubishi Heavy Industries (MHI) a měl by mít schopnost „přiškrcení“ tahu asi o 60 %.

Detailní pohled na směrová kormidla představeného modelu rakety Callisto. (Foto: CNES/H. Piraud)

Na výšku by měl tento demonstrátor měřit okolo 13 metrů, jiné zdroje však uvádí metrů 15. Průměr bude 1 metr a po stranách rakety najdeme čtyři rozložitelné přistávací nohy, které svou koncepcí zatím velmi připomínají ty od SpaceX. V horní části se budou nacházet autonomní směrová kormidla a ta zase připomínají stabilizační plochy rakety New Shepard společnosti Blue Origin. Nad kormidly je umístěn ještě malý prostor určený pro užitečné zatížení nebo jednoduché experimenty.

Callisto má mít pokročilý, zcela nově navržený software schopný odolávat různým nežádoucím vlivům. Zařízení je již na první pohled podstatně menší než obdobný prototyp komerční společnosti SpaceX nazývaný Grasshopper, kterému je ostatně Callisto celkem dost podobný. Letový profil a cíle programu jsou však přeci jen odlišné.

Hlavní cíle projektu Callisto

  • Prvním cílem je prokázat schopnost návratu raketového stupně metodou „toss-back“. Tento cíl přitom zahrnuje hned několik dalších, jako například schopnost manévrovat se stupněm během návratu, znovuzažehnutí motoru pro brzdící manévr a přesné přistání. Řídicí počítač bude muset být velmi odolný se složitým softwarem, aby dokázal pracovat během všech fází letu.
  • Druhým důležitým cílem je po úspěšném letu raketový demonstrátor zkontrolovat a znovu připravit na další let s minimálními náklady na znovupoužití. Tento cíl zároveň prověří, zda se podobné počínání doopravdy vyplatí i po finanční stránce.
  • Třetím cílem bude opětovný start stejného raketového stupně se schopností až pěti obdobných letů a definování rizik spojených s návratem raketových stupňů, tak aby se předcházelo ztrátám.

Callisto oproti demonstrátoru Grasshopper společnosti SpaceX tedy vyzkouší také opětovné zažehnutí motoru během letu a zřejmě se otestuje i návrat stupně Callisto na ponton umístěný někde poblíž pobřeží blízko kosmodromu. Zda si ArianeGroup tuto plošinu pronajme nebo postaví úplně novou, to zatím bohužel nevíme. Dá se však předpokládat, že bude stacionární nebo ukotvená do 20 km od břehu. Vody u kosmodromu jsou celkem mělké a tak se tento postup zdá logický. Na první testy demonstrátoru Callisto se můžeme těšit někdy v roce 2021. Zatím se počítá s 5 starty a stavbou dvou stejných prototypů. První let by měl být pouze do výšky okolo 30 m, zatímco poslední plánovaný pokus by měl být do výšky cca 40 km s maximální rychlostí stoupání 0,5 km/s.

Z dlouhodobého hlediska je však nezbytný další rozvoj a zvládnutí dalších klíčových technologií, jako je 3D tisk, který by mohl způsobit převrat ve výrobě spalovacích komor, což je v současné době časově velmi náročný proces. ArianeGroup a ESA se logicky nejvíce soustředí na vývoj lepšího raketového motoru, protože ke zvládnutí technik restartování během klesání raketového stupně ty současné rozhodně nepostačují a přitom tato technologie je v mnoha ohledech klíčová. Prvním motorem z dílny ArianeGroup, který by tuto techniku měl být schopný zvládnout, je Prometheus.

Prometheus na úsvitu zítřka

Od nového raketového programu si ESA hodně slibuje a věří, že se jí podaří vyvinout účinný a znovupoužitelný motor, který bude levný a spolehlivý (Zdroj: CNES)

Na novém motoru se kromě ArianeGroup podílí i ESA, německá DLR a francouzská agentura CNES. Prometheus je však stále pouze demonstrátor, ze kterého by až po prokázání funkčnosti měl vzniknout skutečný raketový motor nové generace. První exemplář Promethea by měl být na testovacím polygonu zažehnut již v průběhu roku 2020. Pokud testy půjdou podle plánu, tak do roku 2030 bychom se mohli dočkat již onoho skutečného a zároveň také prvního raketového motoru z dílny ESA a partnerů s možností opakovaného použití, který se zařadí po bok velmi levných raketových motorů nové generace. Pravdou ale je, že tento program zůstává značně pozadu oproti konkurenci a plánům SpaceX a je proto otázkou, zdali Arianespace zůstane i nadále konkurenceschopnou společností.

Motor Prometheus bude na kapalné pohonné látky: kapalný kyslík a metan. Odhadovaný tah jednoho motoru je asi 100 tun. Tlak ve spalovací komoře bude dosahovat asi 110 barů při specifickém impulsu 360 s. To nejpodstatnější však je, že budoucí motory by měly stát přibližně desetinu toho, na kolik dnes přijde raketový motor Vulcain 2 pohánějící raketu Ariane 5, a to hlavně díky využití nejmodernějších konstrukčních postupů, mezi které patří např. technika 3D tisku. Již dnes se také uvažuje o tom, že by se nový motor mohl objevit na vylepšené konfiguraci rakety Ariane 6 nebo úplně nové architektuře raketového nosiče, který se prozatím nazývá Ariane Next. Všechny tyto plány lze prozatím považovat za jakousi studii, a zda se realizují, není úplně jasné.

Pokud se však podíváme na současnou konfiguraci, která je prezentována, tak na prvním stupni nové rakety je plánováno použít 7 těchto motorů, zatímco na horním stupni by se použil jeden. Představená architektura již počítá s opakovaným použitím. Tedy minimálně u prvního stupně. Než se však nový evropský motor dostane do této fáze, bude muset projít celou řadou zkoušek a není ani vyloučeno, že se některý typ motoru odvozeného od Promethea objeví nejdříve na větším demonstrátoru, který bude vycházet z dat získaných raketou Callisto. Ostatně jeden takový projekt je na pořadu dne již dnes.

Opětovně použitelný raketový stupeň Themis

Demonstrátor Themis je prozatím pouze přáním hlavního iniciátora projektu – francouzské agentury CNES. Nicméně se zdá logické, že podobný stroj bude třeba, pokud tedy chce ESA do svého raketového programu jednou zapojit i znovupoužitelné technologie. U demonstrátoru Themis se zatím počítá s použitím již plnohodnotných motorů, které se právě rozvinou z programu Prometheus, o kterém již byla řeč. Demonstrátor Themis bude 10krát větší než jeho předchůdce Callisto a v podstatě by se tak mělo jednat o plnohodnotný raketový stupeň. Pro konkurenceschopnost a zaručení nezávislého přístupu do kosmu jsou podobné projekty pro agenturu ESA a partnery nezbytně nutné. Ostatně malou invenci rakety Ariane 6 nedávno kritizoval i francouzský státní auditor. Pokud vše půjde podle plánu, demonstrátor Themis by mohl vzniknout někdy v období let 2023–2025. Informací však není mnoho a sám projekt je součástí programu Ariane Works a fakticky zatím spíše studií agentury CNES s podporou ArianeGroup. Jak by to však jednou mohlo vypadat, ukazuje propagační video:

Další projekty

Tyto plány by mohly být ve skutečnosti pouze špičkou ledovce. Vize ArianeGroup totiž pracuje s myšlenkou vývoje menších nosičů, a některé z nich by měly být dokonce částečně znovupoužitelné. Malé nosiče by šikovně doplnily budoucí rodinu evropských raket a pokryly trh v rozsahu od 10 kg do 20 tun nákladu na nízkou oběžnou dráhu Země. Pokud se tedy trend zásadně nezmění, ArianeGroup by ráda některé tyto koncepty převedla do reality nebo alespoň jejich část využila v budoucích projektech. Evropská kosmická agentura ESA si navíc vybrala několik různých studií k dalšímu posouzení a v podstatě zahájila komerční program na podporu malých raketových nosičů v rámci svých možností.

Dobrým příkladem může být španělský start-upový projekt PLD Space, který již delší dobu spolupracuje s Evropskou kosmickou agenturou. Firma PLD Space vyvíjí nosiče Miura 1–5, které by mohly používat znovupoužitelné technologie. V dubnu letošního roku společnost provedla test s hmotnostní maketou odpovídající prvnímu stupni rakety Muira 5, při kterém byl demonstrátor v podvěsu transportní helikoptéry Boeing CH-47 Chinook vynesen do výšky asi 5 km a shozen nad Atlantským oceánem. Během testu se ověřila funkčnost padáků od společnosti Airborne Systems North America a palubní elektronika se systémem navádění. Stupeň byl poté vyloven z vody a transportován do španělského přístavu Mazagón, kde si ho převzala společnost k další analýze. A pokud stále platí původní cíl, tak by PLD Space jednou chtěla přistávat i motoricky po vzoru SpaceX, avšak v mnohem menším měřítku. Nicméně kosmická agentura ESA by mohla později získané zkušenosti zužitkovat.

Motorické přistávání raketových stupňů však není jediná varianta, o kterou mají v Evropě zájem, jak jsem se zmínil už v úvodu. V minulosti se objevily poměrně ambiciózní návrhy na opětovně použitelné pomocné stupně pro raketu Ariane 5, o které se pokoušelo německé výzkumné středisko DLR. Boostery se měly vracet zpět za pomoci aerodynamických ploch. Šlo by tedy o jakési kluzáky, z konceptu ovšem nakonec sešlo. Tato idea však Němce neopouští a v různých podobách přežívá v podstatě do dnešních dnů. V minulosti se objevil koncept návratového stupně Adeline společnosti Airbus a v současnosti se DLR pustila do nové studie nazvané FALCon (Formation Flight for in-Air Launcher 1st stage Capturing demonstration), jejímž cílem je záchyt návratového stupně letadlem za letu. Evropská komise na tento projekt již vyčlenila necelé 3 miliony eur. To však není jediný kapitál. Do projektu se zapojují i další subjekty, například Bulharská akademie věd, Institut Karman z Belgie nebo soukromé společnosti soft2tec z Německa, Astos Solution z Rumunska a další.

Pokud se podaří dosáhnout povzbudivých výsledků, tak je možné, že se technologie začlení do nového evropského nosiče, který, jak už bylo řečeno, bude částečně znovupoužitelný a měl by být připraven do roku 2035. Název studie, podle slov vedoucího projektu, nemá se stejnojmennou raketou společnosti SpaceX vůbec nic společného. Inspirací byla tentokrát skutečně ptačí říše. Falcon, tedy sokol, totiž loví jiné ptačí druhy za letu.

Jak je vidět, Evropa přeci jen kráčí, byť opatrnými kroky, k znovupoužitelným technologiím. Stále však s nedůvěrou a jaksi opatrně a raket na jedno použití se úplně nevzdávají. Podle posledních zpráv plánuje ArianeGroup v budoucnu používat jak částečně znovupoužitelné kosmické nosiče (zejména pro náklady vynášené na nízkou oběžnou dráhu), tak jednorázové použitelné rakety typu Ariane 6 pro geostacionární mise a únikové dráhy. Nevýhodou je však menší míra úspor. A to je asi největší rozdíl mezi evropskou vizí a tou, kterou má dlouhodobě Elon Musk. Na posouzení, zda je tato cesta správná či nikoliv, je zatím příliš brzy. Nezapomínejme však, jak skepticky svět nahlížel ještě před pár lety na motorické přistávání raketových stupňů SpaceX a jak to nakonec dopadlo. Osobně si myslím, že trhu rozhodně neuškodí větší diverzita a kdo ví, třeba to budou jednou právě rakety z Evropy, které dokážou konkurovat SpaceX nejsilněji.

Zdroje informací: Space News, Satellite Observation, DLR

Karel Zvoník



Mohlo by se vám líbit...

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