V štvrtok 30.marca 2017 sa udial ďalší veľký krok v ceste ľudstva za hviezdami. Americká súkromná spoločnosť SpaceX poslala na obežnú dráhu komunikačný satelit holandskej spoločnosti SES. To by nebolo nič prelomové, avšak použitá nosná raketa Falcon 9 pri tomto lete využila prvý stupeň, ktorý už raz vo vesmíre bol. Konkrétne na zásobovacej misii CRS-8, ktorá v apríli 2016 zamierila k Medzinárodnej vesmírnej stanici.

Každý kto sa trochu zaujíma o kozmonautiku vie, že vesmírne lety sú drahé. Tým myslím skutočne drahé – štart európskej Ariane 5 vyjde na zhruba 150 miliónov dolárov, americký Atlas V. začína niekde na 100 miliónoch v najľahšej verzii. To sú ceny za jeden štart. Predstavte si že by jeden let komerčným dopravným lietadlom stál 150 miliónov dolárov – svet by dnes asi vyzeral inak.

Jedným z hlavných dôvodov takýchto absurdných cien letov do vesmíru je fakt, že vesmírne nosiče sa vo väčšine prípadov dajú použiť iba raz. To je ako keby sme naše komerčné dopravné lietadlo po premiérovom lete z Londýna do NewYorku poslali rovno na vrakovisko. A bez šrotovného.

Jednorazový charakter vesmírnych nosičov však má svoje dôvody. Dostať čokoľvek na obežnú dráhu Zeme si vyžaduje nesmierne množstvo energie. Akákoľvek váha navyše energetické nároky ešte zvyšuje. Preto všetky vesmírne rakety využívajú viacstupňovú konštrukciu, kde sa prázdne stupne aj s motormi počas štartu postupne odhadzujú, a tým znižujú hmotnosť, ktorú treba ďalej „ťahať“ na obežnú dráhu.

Presne z rovnakého dôvodu je takisto extrémne náročné dostať čokoľvek z vesmíru naspäť na Zem bez toho, aby to zhorelo – znova tu máme obrovské množstvo energie, ktoré sa pri prielete atmosférou premieňa na teplo.

Nápad používať vesmírne rakety opakovane, podobne ako lietadlá, nie je nový. Pravdupovediac je zrejme taký starý ako vesmírne lety samotné. Realizácia je však extrémne náročná, práve z dôvodov ktoré som popísal vyššie. A to je dôvod, prečo je minulotýždňový úspech firmy SpaceX tak dôležitý. Má totiž potenciál výrazne zlacniť lety do vesmíru. Avšak má to jeden háčik.

Ešte pred SpaceX existoval iný opakovane používaný vesmírny nosič – americký raketoplán. Tento mohutný stroj predstavoval v 70tych rokoch 20teho storočia rovnakú nádej na lacné lety do vesmíru, ako dnes Falcon 9. Nádeje sa však po prvých rokoch služby rozplynuli v tvrdej realite a vďaka extrémne náročnej medziletovej údržbe bol raketoplán nakoniec rovnako absurdne drahým strojom, ako všetky ostatné rakety.   

Aká je teda šanca, že Falcon 9 nebude len opakovaním histórie? Aby sme dospeli k odpovedi na túto otázku, poďme si oba stroje a ich prevádzku porovnať.

Raketoplán – vesmírne lietadlo

Prvé plány NASA na opakovane použiteľný raketoplán sa dajú vystopovať až do roku 1968, teda v dobe, keď ešte nevzlietlo prvé Apollo s astronautmi na palube. Už vtedy začala NASA plánovať ďalšie kroky po ukončení letov na Mesiac. Ich neoddeliteľnou súčasťou mal byť práve raketoplán, ktorý by zlacnil a zefektívnil lety do vesmíru.

Treba povedať, že prvé navrhované koncepcie, ak by boli realizované, by možno nejaké zlacnenie aj priniesli. Malo ísť o dvojstupňový systém, kde oba stupne by boli raketové lietadlá na kvapalné pohonné hmoty, ktoré by po použití normálne pristáli neďaleko miesta štartu. Takýto systém by teoreticky stačilo dotankovať, postaviť na rampu a mohol letieť znova (samozrejme, reálne by sa to zrejme bez nejakej údržby nezaobišlo).

Elon Musk Blog, NASA raketoplán
Zdroj: Reddit

Pri podrobnejších štúdiách sa však ukázalo, že vývoj takýchto raketových lietadiel by bol veľmi náročný (rozumej drahý), a súčasne došlo k niečomu, čo NASA od svojho založenia nepoznala – na rok 1971 dostala medziročne menej peňazí z rozpočtu.

Začalo sa teda s hľadaním kompromisov medzi drahším používaním raketoplánu, a žiadnym raketoplánom. Lietadlový prvý stupeň na kvapalné pohonné hmoty bol vymenený za urýchľovacie rakety (boostre) na tuhé pohonné hmoty. Toto riešenie bolo relatívne nenáročné na vývoj, tuhé pohonné hmoty poskytujú obrovský ťah potrebný pre zdvihnutie celej zostavy zo zeme, a navyže konštrukcia takýchto motorov je dostatočne robustná, aby zniesla voľný pád z výšky 60 km, otvorenie padákov vo výške 4,5 km a dopad do slanej morskej vody.

Druhý stupeň – orbiter – bol tiež upravený tak, že už neobsahoval vlastnú nádrž na palivo, ktorá po novom tvorila samostatný diel zostavy, ktorý je na jedno použitie. Orbiter preto niesol iba motory, posádku a náklad. Rozmery a výkony orbitera boli do značnej miery diktované požiadavkami armády, s ktorou sa NASA spojila aby získala silného partnera v súboji s rozpočtovými jastrabmi. Raketoplán a jeho nákladový priestor preto narástli do rozmerov, ktoré umožňovali vynášanie veľkých špionážnych družíc a podobných nákladov pre armádu. Všetky tieto kompromisy umožnili raketoplán realizovať, avšak z hľadiska ďalšieho vývoja predstavovali aj prvé klince do rakvy rýchlej a lacnej dopravy do vesmíru.

Elon Musk Blog, NASA raketoplán
Zdroj: Wikimedia

Pozrime sa, ako také „znovupoužívanie“ raketoplánu vyzeralo. Celý proces znovupoužitia začínal už v dobe, keď sa pri štarte oddeľovali postranné boostre na tuhé pohonné hmoty, a na padákoch pristávali v oceáne. Tam ich už čakali záchranné tímy, aby ich odtiahli naspäť na pevninu. To bol náročný proces vyžadujúci okrem iného aj prácu potápačov.

Elon Musk Blog, NASA raketoplán
Zdroj: CollectSpace

Po dotiahnutí boostra na pevnivu bolo potrebné ho rozobrať, aby bolo možné ho prepraviť k výrobcovi Thiokol Corporation (neskôr ATK) na ošetrenie a opätovné naplnenie tuhou pohonnou zmesou. Táto preprava bola dôvodom, prečo sa booster skladal z viacerých segmentov (čo v konečnom dôsledku viedlo k havárii Challengeru).

Elon Musk Blog, NASA raketoplán
Zdroj: NASA

Po ošetrení a naplnení jednotlivých segmentov boli opäť odoslané na Mys Canaveral, kde ich technici spojili dokopy. Následne sa booster pripájal na zvyšok zostavy raketoplánu.

Samotný raketoplán tiež vyžadoval pomerne veľa práce, než bol pripravený na opätovné použitie. Po pristátí na Myse Canaveral (alebo výnimočne na Edwards Air Force Base) bolo z orbitera odstránené všetko ostávajúce palivo. Následne boli odmontované gondoly pre orbitálne manévrovacie trysky (OMS) ako aj hlavné motory (SSME). Tieto časti sa na ďalší let pripravovali samostatne. Treba pripomenúť že motory SSME používali ako palivo tekutý vodík, s ktorým sa mimoriadne ťažko pracuje a taktiež zvyšuje nároky na konštrukciu raketového motora, ktorý ho používa, ako aj samotnej rakety.

Samostatná kapitola bola tepelná ochrana orbitera. Pôvodne sa uvažovalo s titanovým štítom, avšak ten by bol veľmi ťažký. Použili sa preto slávne keramické „dlaždičky“, ktoré sú oveľa ľahšie a dokážu absorbovať neuveriteľné množstvo tepla. Ako sa však neskôr ukázalo, sú taktiež veľmi krehké a pri letoch do vesmíru ich vždy niekoľko odpadlo. Kontrola stoviek dlaždičiek po kažom lete bola preto nevyhnutná.

Elon Musk Blog, NASA raketoplán
Zdroj: AmericaSpace

Po týchto výmenách a kontrolách mohla byť celá zostava opätovne spojená dokopy (spolu s novou externou nádržou ET, ktorá nebola znovupoužiteľná) a po ďalších skúškach sa mohlo pristúpiť k štartu.

Z vyššie uvedeného, veľmi zjednodušeného popisu vidno, že hoci raketoplán bol znovupoužiteľný systém, príprava na opätovný štart nebola vôbec jednoduchá, rýchla ani lacná. Zamestnávala tisíce ľudí a mnoho dodávateľských firiem. Čo je horšie, zefektívneniu procesu bránila samotná koncepcia raketoplánu.

Falcon – skákajúca raketa

SpaceX sa netajila ambíciou vyvinúť znovupoužiteľné rakety od svojho vzniku. Už v čase, keď firma ešte len bojovala o to aby vôbec niečo dostala na obežnú dráhu, mali prvé stupne rakiet Falcon 1 nainštalované padáky. V týchto pokusoch firma pokračovala aj na rakete Falcon 9, ktorá je oveľa väčšia a výkonnejšia. Žiadny z týchto pokusov však nevyšiel, nakoľko prvé stupne rakety Falcon 9 sú podstatne subtílnejšie než boostre raketoplánu a návrat do atmosféry veľkou rýchlosťou skrátka neprežili.

Tu sa však ukazuje prvý rozdiel medzi súkromnou SpaceX a verejnou NASA. V duchu hesla „fail early“ (zlyhaj rýchlo) SpaceX zavrhla nefunkčný prístup, avšak nie svoj cieľ, a v r.2011 predstavila úplne novú koncepciu. Raketové stupne na kvapalné palivo sa nemali vracať na zem pomocou padákov, ale pomocou vlastných motorov. Tie by po oddelení druhého stupňa najprv padajúci booster spomalili, čiže by sa už nezničil pri prielete atmosférou. Nakoniec by poslúžili na mäkké pristátie na suchej zemi, alebo na plávajúcej plošine v mori. Raketa tak nepotrebuje tepelný štít, nie je vystavená agresívnej morskej vode, a navyše dokáže pristáť veľmi presne, čo sa o padákoch nedá povedať.

Treba však dodať, že záchrana sa týka iba prvého stupňa rakety (ktorý však z ceny celej rakety tvorí okolo 70%). Druhý stupeň sa SpaceX zachrániť nepokúša, keďže dosahuje orbitálnu rýchlosť a hmotnosť záchranných systémov by veľmi znížila nosnosť rakety. Hoci – z verejných komentárov Elona Muska sa dá vycítiť, že myšlienka na záchranu druhého stupňa mu stále vŕta v hlave…

Na testovanie mäkkého pristátia prvého stupňa bolo použité zariadenie s názvom Grasshopper (Kobylka), čo bola vlastne recyklovaná testovacia nádrž s jedným motorom a pomerne robustným podvozkom. Testy začali už v roku 2012, a pokračovali až do roku 2014 (neskôr sa používalo oveľa väčšie zariadenie s málo poetickým názvom F9R Dev1, ktoré testovalo už aj ultraľahké kompozitové pristávacie nohy).

Elon Musk Blog, SpaceX Falcon 1
Zdroj: justatincer.com

Následne sa v roku 2013 začalo s ďalšou fázou vývoja, a to pokusmi o návrat prvého stupňa pri skutočných orbitálnych letoch pre komerčných zákazníkov. Tento prístup bol veľmi efektívny, nakoľko využíval „použité“ boostre, ktoré by tak či tak zhoreli v atmosfére, a za ktoré platili zákazníci. SpaceX tak mohla svoju technológiu vylepšovať, znova systémom „fail early“, pričom ju to v podstate nič nestálo. Toto úsilie bolo korunované úspechom v decembri roku 2015 pri misii Orbcomm OG-2, kedy sa použitý prvý stupeň vrátil na Mys Canaveral a pristál na plošine blízko miesta štartu. Nasledovali ďalšie úspešné pristátia na súši aj na plávajúcu plošinu v mori, ktoré len potvrdili že SpaceX prekonala tie najpodstatnejšie prekážky a technológiu už len vylepšuje.

Elon Musk Blog, SpaceX Falcon 9
Zdroj: Imgur

Ako teda vyzerá znovupoužitie v tomto prípade? Nuž v prvom rade treba povedať, že hodnotenie je ťažké. Jednak zatiaľ došlo len k jednému letu s recyklovaným boostrom (misia SES-10), jednak SpaceX je súkromná spoločnosť a sama sa rozhoduje, čo verejnosti prezradí a čo nie. Niektoré veci si však vieme odvodiť. V prvom rade booster rakety Falcon 9 používa kvapalné palivo, a to zmes kerozínu a tekutého kyslíka. SpaceX sa teda vyhla tekutému vodíku. Kvapalné palivo tiež znamená, že raketu je možné jednoducho „dotankovať“ bez toho, aby ju museli technici rozobrať, ako tomu bolo v prípade raketoplánu.

Ďalšie vodítko sme videli po návrate boostra z misie Orbcomm OG-2. Po rýchlej inšpekcii bol booster už v januári 2016 postavený na rampu LC-40 a bez akejkoľvek údržby vykonal krátky statický zážeh. Až na fluktuácie v jednom z motorov všetko prebehlo hladko.

Ďalšie podobné testy sme videli s boostrom z misie JCSAT-14. Pri tejto misii sa booster vracal do atmosféry veľkou rýchlosťou, a bolo trochu prekvapivé že vôbec pristál. Bol však tak poškodený, že s jeho ďalším letom sa nepočíta. A práve preto bol vybraný pre náročný testovací program – čo vydrží ten najpoškodenejší booster, to vydržia aj všetky ostatné. V rámci testov absolvoval mnoho zážehov v plnej dĺžke, pričom minimálne prvých 7 údajne bez akejkoľvek údržby (podľa tweetu od Larsa Hoffmanna, jedného z manažérov SpaceX).

Elon Musk Blog, SpaceX Falcon 9
Zdroj: SpaceFlight101

Znovupoužitie by teda malo byť relatívne jednoduché. Po pristátí sa použitý booster prevezie do hangára, kde prebehne údržba. Okrem hangárov priamo na Myse Canaveral SpaceX už na tento účel stavia hangár aj v Port Canaveral, prístave kde sa „vykladajú“ boostre, ktoré pristávali na plávajúcu plošinu v mori. S nejakým rozsiahlym rozoberaním použitých boostrov alebo s ich prevozom na testovacie zariadenie v McGregor v Texase sa teda zjavne dobudúcna nepočíta. Po tejto údržbe by mal byť booster zrejme prevezený priamo na kozmodrom, a po pripojení druhého stupňa a nákladu je pripravený na štart.

SpaceX má s prípravou „použitých“ boostrov na ďalší let už nejaké skúsenosti z testov, ktoré som popísal vyššie, či už s Grasshopperom, alebo so zachránenými boostrami z orbitálnych letov. Dá sa preto povedať, že o ekonomike svojej „skákajúcej rakety“ má SpaceX už teraz podstatne lepšiu predstavu, než mala NASA o raketopláne v dobe prvých štartov. Dá sa očakávať, že proces prípravy rakety na ďalší štart bude priebežne vylepšovaný na základe získaných skúseností, a preto bude v budúcnosti rýchlejší a cenovo efektívnejší.

Lietať, lietať, lietať

Veľmi dôležitým faktorom, ktorý výrazne vplýva na cenu štartu, sú takzvané fixné náklady. To sú jednoducho povedané náklady, ktoré treba platiť bez ohľadu na to, či lietate alebo nie, napríklad platy zamestnancov, výdavky na údržbu výrobnej linky, kozmodromu, rôzne nájomné a podobne. Čím  viac lietate, tým viac sa tieto náklady „rozpúšťajú“ v cene štartu. Čím menej lietate, tým sú citeľnejšie.

Jedným z hrobárov efektívnej znovupoužiteľnosti raketoplánu bola armáda, ktorá pôvodne pomohla celý program udržať pri živote. Ako sa ukázalo, pripraviť na štart raketoplán s posádkou trvá predsa len trochu dlhšie ako pri klasickej rakete, a po katastrofe Challengeru bolo taktiež nad slnko jasnejšie, že sa nemôže celá krajina spoliehať na jeden jediný nosič, ktorý je navyše po havárii uzemnený na dva roky. Armáda sa preto vrátila ku klasickým raketám a NASA stratila možnosť realizovať lety vo vysokej frekvencii, čo by znížilo fixné náklady.

SpaceX si je tohto problému zjavne vedomá. V novembri 2016 predstavila projekt satelitného internetu, ktorý by mal pokrývať celú planétu prostredníctvom viac než 4 tisíc satelitov na nízkej obežnej dráhe. Ak sa podarí tento projekt zrealizovať, poskytne nielen rýchly internet celému svetu, ale aj silný zdroj príjmov pre SpaceX, a napokon obrovský dopyt po štartoch rakiet Falcon. Či už je to geniálny zámer Elona Muska, alebo púha zhoda okolností, skákajúca raketa by pri vynášaní  družíc satelitného internetu mala mať práce viac než dosť.

Zdroj: SpaceX

Či sa Elonovi Muskovi podarí to, čo sa nepodarilo NASA, to ukáže budúcnosť. Každopádne si však dovolím tvrdiť, že raketa Falcon 9 má lepšie karty, než mal kedysi raketoplán, a k dosiahnutiu skutočnej, cenovo efektívnej znovupoužiteľnosti má tie najlepšie predpoklady. Môžeme len dúfať že sa naplnia.

ZANECHAŤ ODPOVEĎ

Please enter your comment!
Please enter your name here