Zrušené projekty SpaceX #3: Crossfeed neboli přečerpávání paliva mezi stupni Falconu Heavy

Start prvního Falconu Heavy (Foto: Brady Kenniston)

Jedním z dalších ohlášených a posléze opuštěných projektů SpaceX byl tzv. crossfeed pro raketu Falcon Heavy. Jedná se o unikátní a dosud nikdy nepoužitý způsob, jakým mělo docházet k přečerpávání paliva mezi postranními stupni a centrálním stupněm. Každý postranní stupeň měl kromě vlastních motorů zásobovat palivem a okysličovadlem také 3 motory stupně centrálního. Pouze zbylé tři motory měly být zásobovány z nádrží centrálního stupně. Při tomto postupu by v okamžiku odpojení bočních stupňů centrální stupeň spotřeboval pouze zhruba 15 % paliva a okysličovadla ze svých nádrží, což by znamenalo efektivnější způsob využití paliva a tudíž vyšší nosnost.

Nejdříve se podívejme do historie konceptu přečerpávání paliva mezi raketovými stupni. Už v roce 1947 přišel Michail Tichonravov s teorií paralelních stupňů. V jeho schématu byly použity tři paralelní stupně, ale motory v centrálním stupni byly zásobovány palivem z bočních stupňů, dokud ty nebyly vypotřebovány a odhozeny. Toto je efektivnější postup než stupňová raketa, protože motor ve druhém stupní není jen mrtvá váha. Později prováděli Sověti inženýrské studie porovnávající rakety se sekvenčními a paralelními stupni jak s přečerpáváním paliva mezi stupni, tak bez něj. Výsledkem této studie je potom raketa R7 (Semjorka), známá dnes jako Sojuz. Pro jistotu dodávám, že jde o verzi bez přečerpávání paliva mezi stupni. Pro úplnost je třeba dodat, že v roce 2015 se objevily plány použití technologie crossfeed i u plánované ruské rakety Angara-5V. Schéma celého postupu je zde.

Se samotnou ideou crossfeedu přišel potom v roce 1998 Tom Logsdon ve své knize Orbital Mechanics, Theory and Applications, kde jej nazýval Asparagus staging („chřestové stupňování“). V dubnu 2011 pak SpaceX oznámilo, že by u svého plánovaného super těžkého nosiče Falcon Heavy chtělo tuto technologii použít. Nebylo ovšem plánováno ji použít od prvopočátku, nejdříve mělo dojít k prvnímu letu FH a neprodleného vyřízení nasmlouvaných misí.

Jistě vás zajímá, o kolik se zvýší nosnost Falconu Heavy při použití crossfeedu. Bohužel se velice obtížně hledá nějaké číselné porovnání výkonu FH s crossfeedem a bez něj. Přesto jsem se pokusil do článku přidat alespoň pár dostupných odhadů. Berte prosím všechny údaje s rezervou, SpaceX z pochopitelných důvodů nechce prozrazovat své know-how a autor článku sebekriticky přiznává, že není schopen uváděné údaje vlastními silami ověřit. Zároveň se jedná o výpočty založené na starších verzích rakety, nikoli nejnovějšího Blocku 5.

Na Redditu uživatel /u/somewhat brave provedl srovnání a pokusil se vypočítat, o kolik se zvýší nosnost rakety. Vyšlo mu, že nosnost Falconu Heavy, která se v letech 2016/2017 udávala jako 54 400 kg na LEO (22 200 kg na GTO), by s technologií crossfeed narostla až na 60 000 kg na LEO a 24 900 kg na GTO.

Existuje i jiný způsob vyjádření výhodnosti technologie crossfeed, autor tohoto článku z roku 2012 spočítal, že díky ní získá Falcon Heavy o 0,5 km/s vyšší delta-V než bez ní. Další odhadované výkony FH s crossfeedem je možné najít přehledně v následující tabulce od uživatele /u/ProjectThoth. Základní verze (FH – No Crossfeed) vychází z nosností uváděných v roce 2011. FH-R pak značí znovupoužitelnou variantu rakety. Oba neoficiální výpočty přínosu crossfeedu tedy odhadují zvýšení nosnosti o 10–15 %. Pro srovnání přikládám hodnoty pro aktuální verzi Falconu Heavy bez crossfeedu.

Vypočítaná tabulka nosnosti Falconu Heavy s crossfeedem a bez (Autor: /u/ProjectThoth)

Aktuální nosnost Falconu Heavy Block 5

Crossfeedu se však nakonec nejspíš nikdy nedočkáme. Postupem času totiž v důsledku nárůstu výkonu motorů Merlin a přechodu na upgradované varianty Falconu 9 došlo k tomu, že nosnost Falconu Heavy narostla o 17 % na 63 800 kg na LEO a 26 700 kg na GTO, a to i bez technologie crossfeed, která tak už vlastně ani není potřeba. V roce 2016 pak Elon Musk oznámil, že crossfeed nebude použit a místo toho po startu FH dojde k přiškrcení tahu centrálního stupně, který naběhne na plný výkon po odpojení bočních stupňů. Stejným způsobem mimochodem funguje i raketa Delta IV Heavy.

Falcon Heavy s viditelně přiškrceným centrálním stupněm (Foto: Brady Kenniston)

Osobně se domnívám, že pokud by SpaceX momentálně nesměrovalo své úsilí k raketě Starship-Super Heavy (BFR), asi by se o implementaci crossfeedu u FH pokusilo, ale protože u BFR tato technologie už z principu nemá smysl a raketa stejně časem FH zcela nahradí, crossfeed byl už asi navždy odložen.

< Předchozí část Následující část >

Předchozí díly seriálu:




  • Mohlo by se vám líbit...

    53
    Diskuze

    avatar
      Odebírat komentáře  
    nejnovější nejstarší nejlepší
    Nastavit upozorňování na
    Ivo Janáček
    Host
    Ivo Janáček

    Myslím si, že efekt je tak malý, že si prostě řekli, že se to nevyplatí a k tomu přesně to, co se píše na konci článku.

    Jinak mě tak napadlo, nedávalo by smysl prostřední stupeň osadit např. pouze 7 motory, které by jedly naplno?

    Jan M
    Host
    Jan M

    Myslím že ne, protože by to znamenalo velké změny v konstrukci.

    Yokotashi
    Host
    Yokotashi

    Ten vykon je potreba po oddeleni bocnich stupnu, jinak vyrazne rostou gravitacni ztraty. Tam by ty 2 motory chybely.

    peter
    Host
    peter

    realna nosnost FH na leo je len 10t

    Adam
    Host
    Adam

    Můžu se zeptat proč vůbec chodíte na tento web?

    Jouza
    Host
    Jouza

    Chodí tady, protože je to „vysírač“. Vůbec na něj nereagujte. Pokud s takovými lidmi nekomunikujete, tak je to přestane bavit a jdou vysírat někde jinde. Jsou to obyčejní zakomplexovaní zoufalci.

    peter
    Host
    peter

    a to hovori svedok elonov 🙂

    Mário
    Host
    Mário

    Mám pocit, že Spacex musí aj tak vyriešiť prečerpávanie paliva medzi raketami, ak chce dotankovať SHS na orbite, čo mi príde veľmi podobné crossfeedu pre FH.

    Ivo Janáček
    Host
    Ivo Janáček

    Dovolím si tvrdit, že se jedná o dvě zcela odlišné záležitosti. Vůbec se to nedá srovnávat.

    Jiří Hadač
    Přispěvatel

    Naprosto s tebou souhlasím, Ivo. rozhodně se to nedá srovnávat.

    Yokotashi
    Host
    Yokotashi

    Je to asi tak podobne jako stacet vino hadickou versus zonglovat s PETflaskou za jizdy na kole.

    Crossfeed je v prostredi s velkym pretizenim, takze kapalina ochotne tece tam kam ma, ale jsou potreba obrovske prutoky, ktere ukrmi motory. A v okamziku odhozeni bocnich stupnu je potreba velmi rychle (maximalne za nekolik malo sekund) spolehlive uzavrit ventily a oddelit je od sebe.

    Precerpani na orbite je ve stavu beztize, takze kapalina dela bubliny v nadrzi a nema potrebu byt zrovna dole u vstupu pro cerpadlo, zato naroky na rychlost cerpani a na rychlost odpojeni jsou vyrazne nizsi.

    V zasade jedine, co maji tyto dva uoly technicko spolecne, je cerpani paliva a okyslicovadla z nadrze do nadrze.

    Jiří Hadač
    Přispěvatel

    Je sice pravda, že tento problém už vlastně musela řešit i samotná NASA a to v rámci stavby STS, konkrétně mezi Space Shuttlem a ET a musela ho i vyřešit, ale samozřejmě by tento systém zbytečně vše komplikoval.

    Ivo Janáček
    Host
    Ivo Janáček

    Kdepak, u STS to bylo úplně jinak. Potrubí bylo jediné, žádné spoje s jiným a fungovalo po celou dobu startu. K oddělení docházelo na lehce sub orbitální dráze až po vypnutí hlavních motorů. Detaily rozpojení jsem nikdy nezkoumal, ale teoreticky nebyl důvod řešit nějaké ventily, stačilo rozpojit dvě potrubí a následně pak došlo k odstřelení úchytů ET. Poté pomocí korekčních motorků raketoplán mírně zvedl dráhu a vzdálil se od ET, která následně shořela v atmosféře. Raketoplán pomocí OMS motorů zvýšil dráhu na cílovou.

    Jiří Hadač
    Přispěvatel

    Myslel jsem problém přečerpávání paliva za letu, při zrychlování, v tomto to podobné bylo. Uznávám, nebylo to úplně totožné, narážím teď na ty ventily, neznám tam detaily, takže ti budu věřit. Máš samozřejmě pravdu v tom, že k odpojování ET docházelo až později a prakticky až téměř orbitální dráze. Což ale nerozporuje vysoké průtoky paliva potrubím mezi ET a Shuttlem.

    Ivo Janáček
    Host
    Ivo Janáček

    Ano průtok paliva byl vysoký, ale nešlo tam o žádné složité řešení ani o přečerpávání paliva za letu. Prostě potrubí z ET šlo přes zadní část raketoplánu a odtud přímo k motorům. Jednoduchý systém, který se pouze v daném čase rozpojil, ale to už motory stály a tak nebylo co řešit.Jediná složitější část bylo to, že tam byly dvířka, který se poté musela uzavřít kvůli tepelné ochraně při návratu.

    Ivo Janáček
    Host
    Ivo Janáček

    Dvě připomínky:

    1. uzavření ventilů v sekundách je k ničemu, tyto systémy musí fungovat mnohem rychleji.

    2. přečerpávání na orbitě by mělo probíhat jinak, nejdříve se systémy propojí, pak se celá sestava uvede do mírného zrychlení tak, aby se obě kapaliny posunuly směrem k cílové nádrži. Tlak v cílové nádrži by měl být nižší než tlak ve zdrojové. Následně se otevřou ventily a kapaliny postupně přetečou do druhých nádrží jednak pomocí přetížení a jednak díky rozdílu tlaků. Jak to bude v praxi snad uvidíme časem.

    Kotlopou
    Host
    Kotlopou

    Překvapuje mě, že to je až tak malý efekt (i když moje zkušenosti vychází převážně z Kerbal Space Programu).

    Dan
    Host
    Dan

    Když se řekne crossfeed, představí se trubky, vedoucí z bočních do centrálního stupně, výkonné pumpy a čtyři páry ventilů. Což je technologie dávno zmáklá. Ale málo se hovoří například o tom, že takto přečerpávané palivo způsobuje v centrálním stupni turbulence, které ani trochu nevoní turbočerpadlu.

    Bender
    Host
    Bender

    I F9 musí kolem max-Q ubrat zrychlení, takže postup s výrazným omezením výkonu středního boosteru funguje obdobně, je žádoucí a případný prospěch crosfeedu omezuje na ještě menší rozdíl.

    Petr Šída
    Host
    Petr Šída

    Přesně

    Crosfeed se ukázal jako nadbytečný především proto, že narostl výkon motoru a rozsah, ve kterém je možné škrtit výkon

    Takže dnes místo přečerpání jedou motory středního stupně na nižší výkon

    Je to velmi pružně nastavitelné podle nákladů a je tam jedna obří výhoda, nepřidává to žádnou další váhu a místa, kde by mohlo dojít k selhání

    Crosfeed prostě jde nahradit větším rozsahem škrcení motorů, nepočítal jsem to, ale řekl bych, že výkonové to vyjde úplně nastejno

    Jiří Hadač
    Host
    Jiří Hadač

    Moc hezky rozepsane. A navic ty ekonomicke duvody jsou hodne rozumne. Stejny efekt se zkratka dosahne za cenu upravy letoveho profilu, tedy neceho, co museli museli napr. Formosatu delat take. Uz i ta ruzna hmotnost satelitu pro GEO a pritom limit krytu je jen jeden, urcite hranice namahani SpaceX totix nikdy neprekrocila. I tam to musi resit podobne.