18. Kozmická Strojovňa – rakety nového milénia – prvá časť

Viete čím je tento diel výnimočný? Práve čítate prvú časť posledného dielu typu: rakety X-tých rokov. Pomaly končím s chronologickým opisovaním vesmírnych nosičov. Hlavnou témou seriálu Kozmická Strojovňa sú rakety. Tým sa venujem v každom druhom článku. Dnes sa konečne budete môcť dočítať o najnovších kúskoch, ktoré si na svoj prvý štart museli počkať až do nového tisícročia. V ňom kraľovala Amerika, ktorá sa po havárii Challengeru rozhodla opäť aspoň časť práce preniesť na staré dobré rakety. Zatiaľ čo v deväťdesiatych rokoch používali starý, drahý a neekologický Titan, do nového milénia vkročili s novou technikou a úžasnými kyslíkovodíkovými motormi pre ešte úžasnejšie Delty. USA mali veľmi veľkú ambíciu, čo najviac znížiť cenu za kilogram vynesený na obežnú dráhu.

NASA tiež dala priestor súkromným firmám. Tie následne vyvinuli nové a veľmi lacné nosiče a lode. Spacex momentálne finišuje s vývojom vylepšeného Falconu9 v1.1 ktorý bude do vesmíru vynášať súkromné družice a už tri krát letela s loďou Dragon na ISS. Aj firma OSC postavila novú raketu Antares, ktorá na orbitu vynesie aj loď Cygnus.

Rakety Delta-IV

Rakety Delta-IV
Zdroj: http://www.boeing.com/

USA zažili v roku 2003 otrasný moment, ktorý im poriadne zmenil plány štartov. Ťažko poškodený raketoplán Columbia sa pri návrate do atmosféry rozpadol na množstvo kúskov a zomrelo pri tom sedem astronautov. O tejto udalosti náš kolega Ondřej Šarámek napísal až päť článkov, ktorými ukončil fenomenálne Kritické momenty kozmonautiky. Obrovská tragédia donútila USA na dva roky prerušiť program Shuttlov a zrušiť všetky štarty s výnimkou tých k ISS a jednej servisnej misie ku Hubblovi, ktorý nutne potreboval údržbu. No už pred tým sa NASA snažila nejakým spôsobom nahradiť drahé a nebezpečné raketoplány. Vyvinula preto nové rakety. Prvou volavkou ešte v minulom desaťročí boli Delty-2 a hlavne Titany-4. Nové tisícročie si však žiada aj nové nosiče.

Preto NASA predstavila Deltu-3 Tá síce prvý krát štartovala ešte v roku 1998, ale tento pokus skončil výbuchom. Pri tom sa navždy stratila aj družica Galaxy-10. Ďalšie odpaly však už boli úspešné. Základné rozdiely oproti verzii Delta-2 boli: nové a väčšie návesné urýchľovacie motory na TPL. Tých sa mohlo použiť až deväť, každý z nich mal hmotnosť 19 ton a výkon 608 kN. Druhý stupeň bol vybavený kyslíkovodíkovým motorom RLB10-2 s ťahom 110 kN a nakoniec, pod aerodynamický štít s priemerom štyri metre sa mohol ukryť o niečo väčší náklad. Nosnosť rakety Delta-3 bola 3 800 kg na GTO a 8 000 kg na LEO. S váhou 300 ton sa radila medzi stredne veľké nosiče.

Delta-3 ešte využívala staré technológie. NASA však už chystala štvrtú generáciu, v ktorej sa mali používať výhradne kryogenické motory, a to aj v prvom stupni. Jeho základom sa stal motor RS-68. To je pýcha Ameriky. Momentálne najsilnejší kyslíkovodíkový motor s ťahom 3312 kN dokonca nepotrebuje ani ďalšie pomocné boostre, aby sa vzniesol do vzduchu. Vďaka svojej sile mal dokonca istý čas poháňať aj plánovanú superraketu Ares-V. Po zrušení programu Barrackom Obamom sa s ním však v novej SLS-ke (zatiaľ) neráta.

Delta-IV bola pôvodne vyvinutá pre USAF spoločnosťou Boeing v rámci programu EESV (Evolved Expendable Launch Vehicle). Bol to prvý americký nosič od 70 rokov, ktorý bol postavený na výhradne nových technológiách. V čase uvedenia Delty-IV na trh mala príliš vysokú nosnosť a nebola teda využitá pre komerčné štarty.

Momentálne existuje niekoľko verzií tohto nosiča. Základný variant nemá žiadne pomocné motory. Je to len prvý stupeň na LH2/LOX a druhý stupeň identický s raketou Delta-III, má však predlžené nádrže. Poskytuje ťah 110 kN a horí 850 – 1 125 sekúnd. Nosnosť na LEO  je 8600 kg a na GTO 3900 kg. Zatiaľ bola použitá šesť krát, posledný raz 4. novembra 2006. Oficiálny názov má Delta-IV Small.

Momentálne existuje aj jedna verzia Delty-IV Medium. Tá sa tiež označuje ako Delta-IV + (4-2). To znamená, že má štyri metre široký aerodynamický kryt a pri štarte používa dva boostre GEM-60 s ťahom 851 kN a dĺžkou horenia 90 sekúnd. Nosnosť 11 700 kg na LEO a 5 300 GTO. Vo vývoji je aj verzia s päťmetrovým krytom + (5-2) a dokonca aj so štyrmi boostrami + (5-4).

Vývin rakety Delta-IV tak, ako ho navrhli v roku 2004. Bohužiaľ bol zamietnutý.

Vývin rakety Delta-IV tak, ako ho navrhli v roku 2004. Bohužiaľ bol zamietnutý.
Zdroj: http://4.bp.blogspot.com/

Asi najznámejšia je však jej veličenstvo Delta-IV Heavy. Najsilnejšia raketa na svete, navyše kompletne kryogenická. To znamená, že jej motory využívajú hlboko podchladený kvapalný vodík a kyslík. Vznikla spojením troch prvých stupňov CBC dokopy. Jej monštruózny vzhľad a nosnosť 25 ton na LEO však kompenzuje vysoká cena, až tristo miliónov dolárov. Hmotnosť na štartovacej rampe je 733 400 kg a výška až 77,2 metrov. Prvý štart prišiel 21. decembra 2004. V prvých sekundách letu dva bočné CBC horia na 102%, zatiaľ čo stredný motor iba na 58% a jeho ťah je zvýšený až po päťdesiatich sekundách. To dovoľuje odhodiť bočné stupne skôr, ako dohorí prostredný. Druhý stupeň je rovnaký, ako v slabších verziách. V roku 2004 bol zverejnený plán, ako postupne zvýšiť nosnosť rakety až na sto ton (!) na LEO. Tieto vylepšenia zahŕňali vývoj nového motora RL-800 a spojenie až siedmich CBC (prvých stupňov) dohromady. Tiež sa mal vyrobiť vylepšený druhý stupeň. Vzhľadom na to že veľmi podobnú nosnosť budú mať aj rakety SLS boli všetky dodatočné úpravy zamietnuté.  Delta-IV Heavy tak zatiaľ iba čaká na svoje poslanie. Je dosť možné, že sa ho nikdy nedočká. Ja ju beriem skôr ako nejaký medzistupeň v raketovej technike. Možno sa raz na jej základe postaví niečo ekonomickejšie.

Posledné desaťročie nám prinieslo ešte jeden zaujímavý nosič, ktorý patrí výlučne NASA. Atlas-III a Atlas-V.  Základom oboch typov je silný ruský dvojkomorový motor RD-180 v prvom stupni. Ten poskytuje ťah 4 152 kN a spaľuje tekutý kyslík a letecký petrolej. 24. mája prvý krát, a hneď úspešne štartoval Atlas-III s družicou Eutelsat-W4. Potom ešte absolvoval ďalších päť odpalov a všetky boli úspešné.

Po svojich predchodcoch zdedil balónové nádrže, navigačný systém a horný stupeň Centaur. Balónové nádrže zároveň tvoria aj jeho vonkajší obal, nemá teda žiadnu podpornú konštrukciu. Aby sa raketa pod vlastnou váhou nezrútila, musia byť nádrže natlakované. Najväčšou zmenou bolo opustenie 1,5 či 2,5 stupňovej konštrukcie, keď sa odhadzovali dva z troch motorov, ale nádrže ostali až do odpojenia celého stupňa. Preto bol, pochopiteľne, prvý stupeň kompletne prepracovaný. Jeho základom sa stali dva ruské motory RD-180 s vnútorným spaľovaním. Spomínaný Centaur, ktorý sa v Amerických raketách používa už celých päťdesiat rokov, sa však nezmenil vôbec. Ako druhý a posledný stupeň má za úlohu dodať vynášanému nákladu prvú kozmickú rýchlosť. Existuje v dvoch modifikáciách (A a B). Centaur A používa jeden motor RL-10, má vysoký špecifický impulz, pretože jeho pracovná látka je kyslík a vodík doba horenia bolo 738 sekúnd. Preto sa využíval na vynášanie geostacionárnych družíc. Pri letoch na nízku obežnú dráhu (LEO) by ste na vrchu Atlasu III našli Centaur B. Ten mal dva motory RL-10 a logicky aj vyšší ťah na úkor kratšej doby horenia.

Atlas III štartoval vždy iba z kozmodrómu Cape Canaveral. Používal sa na komerčné, ale aj vojenské lety. Dodnes nevieme, čo sa skrývalo v aerodynamickom kryte počas šiesteho štartu. Citujem: „USA 181, tajný náklad“

Najnovšia generácia Atlasov sa označuje číslom päť. Atlasy V patria k najsilnejším raketám súčasnosti. Majú nosnosť na LEO v rozmedzí od 12 do 20 ton v závislosti od použitej verzie. Skladajú sa z niekoľkých jednotných dielov. Prvý stupeň prevzal od svojho predchodcu, o ktorom som písal pred chvíľou. Znovu sa začali využívať urýchľovacie motory. Tie spaľujú tuhé pohonné látky (TPL) a horia deväťdesiat sekúnd, počas ktorých poskytujú ťah 1270 kN. Svojou stavbou sa veľmi podobajú na SRB pre Delty. V závislosti od hmotnosti užitočného závažia (sondy, družice…) môžu byť dva, tri, štyri alebo päť. Druhý stupeň Atlasu V je znovu Centaur. Technici z NASA si však tentokrát dali záležať a partične ho vylepšili. Centaur V1 alebo V2, (označenie podľa počtu motorov) môže horieť dlhšie. To bolo dosiahnuté, ako inak, predĺžením nádrží.

Znázornenie jednotlivých konfigurácií Atlasu V.

Znázornenie jednotlivých konfigurácií Atlasu V.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org/

Atlasy majú veľmi zaujímavé značenie. Prvé číslo vyjadruje priemer aerodynamického štítu. Buď štyri alebo päť metrov. Druhé číslo určuje počet boostrov a tretie množstvo motorov na druhom stupni (na Centaure). Verzia Atlas-V 401 je teda najslabšia a 552 najsilnejšia.

Už dlhšiu dobu sa uvažuje o vytvorení ťažkej konfigurácie Atlasu V. V nej by potom bol schopný na obežnú dráhu vynášať až štyridsať ton. To by sa dosiahlo spojením troch prvých stupňov dokopy. Momentálne sa však takáto možnosť javí ako nereálna, a tak sa asi realizácie HLV nedočkáme. Miesto toho Amerika vyvíja oveľa silnejšiu raketu SLS, ktorá raz dostane ľudí na asteroidy Mesiac a možno aj na Mars. O nej však inokedy.

NASA dáva v poslednom čase veľa financií firmám, ktoré hrajú tak trochu na vlastnom piesočku. Dôvod je jednoduchý. Súkromné spoločnosti vedia vyrábať a vyvíjať veci oveľa lacnejšie. Preto sme už od deväťdesiatych rokov svedkami nástupu komerčných firiem. Ide to však len pozvoľna. Najúspešnejšou sa v tomto smere stala Spacex, ale nesmieme zabúdať ani na OSC. Obe firmy už vlastnia odskúšaný výkonný nosič, ktorý smú používať aj  mimo NASA. Najžiarivejším príkladom sa stala raketová rodina Falcon (Sokol), pomenovaná na počesť lode Millenium Falcon z filmov Star Wars.

Začiatky však nemali ľahké. Falcon 1 žiadny veľký úspech nezaznamenal. Na svoj prvý kompletný let si musel počkať dva roky a medzitým tri krát vybuchol, väčšinou vinou druhého stupňa. Poďme však pekne poporiadku. Celá raketa je 21 metrov vysoká, váži 27,7 ton, na LEO je schopná dostať 670 kg, vo vylepšenej verzii až tonu a používa výlučne kvapalné pohonné látky. V prvom stupni by ste našli motor Merlin-1C s ťahom 347 kN a špecifickým impulzom 274-304 sekúnd. Druhý stupeň obsahoval jeden motor Kestler s nízkym ťahom. Ten mal za úlohu dostať náklad na obežnú dráhu. Zaujímavé je, že nepoužíval žiadne turbočerpadlo. Palivo na horenie mu dodával tlak v nádrži. Prvý úspešný štart bol v roku 2008.

Raketová rodina Falcon. Takto bude vyzerať snáď už na budúci rok. Zľava: Falcon 1 - Falcon 9 - Falcon 9 v1.1 - Falcon Heavy

Raketová rodina Falcon. Takto bude vyzerať snáď už na budúci rok. Zľava: Falcon 1 – Falcon 9 – Falcon 9 v1.1 – Falcon Heavy
Zdroj: http://upload.wikimedia.org/

Potom firma Spacex zrušila svoje plány rakety Falcon 5 a pustila sa do známej „deviatky“. Tá momentálne vynáša aj loď Dragon. V prvom stupni má hneď deväť motorov Merlin-1C, druhý stupeň obsahuje jeden Merlin-1C vacuum. Nosnosť na LEO je desať ton. Tejto rakete však už odzvonilo. Naposledy bola použitá pri misii Spx-2. Na komerčné štarty a lety ku ISS sa už bude využívať nová verzia Falcon9 v1.1. Na prvý pohľad rovnaká raketa má vo vnútri veľmi veľa inovácií. Asi najdôležitejšou sú motory Merlin-1D a jeden Merlin-1D vacuum s dvojnásobným ťahom. Ak by ste oba nosiče postavili k sebe, zistili by ste, že nový Falcon je asi o tretinu vyšší. Menej nenápadné je potom osemuholníkové usporiadanie motorov, väčší priemer a nový aerodynamický kryt.

V budúcnosti by v Spacex chceli vyvinúť plne znovupoužiteľnú verziu tejto rakety. Na prvé testy im slúži zariadenie Grasshopper. O rok sa tiež môžeme tešiť na raketu Falcon Heavy s nosnosťou až 51,2 ton na LEO. Tá bude na prvý pohľad odlišná. Extrémne zvýšenie nosnosti je zapríčinené použitím troch prvých stupňov vedľa seba a crossfeedom paliva (prečerpávanie paliva z bočných stupňov do centrálneho).

Nakoniec by som chcel povedať, že firma Spacex má síce úžasnú techniku, ale NASA je v tomto smere oveľa ďalej. Kerozínové motory sú technológiou šesťdesiatych rokov. Nakoniec to však nemusí byť také zlé. Elon Musk, majiteľ Spacex-u očividne vie čo robí. Jeho rakety sú totiž až podozrivo lacné. V porovnaní s USA je to skutočné terno. Ak však chcú letieť na Mars, mali by zvládnuť aj tajomstvo kryogeniky.

Najnovšia raketa Antares sa svetu predstavila nedávno a o jej prvom štarte vznikla na našom blogu aj fotoreportáž. 21. apríla sa konečne po niekoľkých odkladoch odlepila od zeme. Dôvod na jej výrobu bol jednoduchý. Vyrobiť nosič na mieru pre zásobovaciu loď Cygnus (Labuť). Je teda omnoho menej variabilná, ako Falcony od Spacex. Napriek tomu jej vývoj trval hrozne dlho a nepomohlo ani zakúpenie slávnych motorov NK-33 na kerozín od Rusov. Raketa vôbec nie je dobre riešená a prečo je to tak vám ukážem v ďalšom texte.

Raketa Antares na odpaľovacej rampe.

Raketa Antares na odpaľovacej rampe.
Zdroj: http://media.npr.org/

Firma Orbital Sciences Corporation (OSC) má s vesmírnymi nosičmi bohaté skúsenosti. Bohužiaľ však vždy vyrábala iba slabšie, ktoré využívali tuhé palivo. Preto bol prvý stupeň Antaresu výzvou. Časť problémov sa vyriešila jednoducho, už spomínaným zakúpením techniky vytvorenej v šesťdesiatych rokoch na úplne iný účel (raketa N-1). Pravda, vo firme po dodaní prebehne menšia úprava, je to ale prakticky iba príslovečné prilepenie nálepky. Čo však v OSC vyrobili sami je nádrž. Na prvý pohľad nič ťažké, veď je to len veľký kus plechu. V skutočnosti však je o trochu ťažšie. Hlavne keď nemáte žiadne výrobné linky, skúsenosti či čas. Prvý let Antaresu bol totiž plánovaný na koniec roka 2011. No, trochu sa očividne sekli. Aj tak však skladám imaginárny klobúk z hlavy a myslím si, že odviedli dobrú prácu. Prvý stupeň má nakoniec, čiastočne vďaka Rusom a čiastočne aj vďaka vynaliezavosti firemných odborníkov celkom dobré parametre. Dva slávne NK-33 – ky majú spoločne ťah 3 630 kN.

Druhý stupeň si vyrobila firma OSC svojpomocne. Vzhľadom na to že sú prakticky svetová jednotka vo vývoji a výrobe malých motorov na tuhé palivo sa rozhodli využiť už odskúšaný systém aj v Antarese. Priznám sa, tento počin som doteraz poriadne nepochopil. Na úžasný, geniálne postavený prvý stupeň položiť kus hliníku zmiešaný s kto vie čím je úplné zahodenie všetkého toho úsilia, ktoré inžinieri do rakety vložili. Prečo? Je hneď niekoľko dôvodov. Po prvé, motory na TPL majú zákonite mizernú efektivitu. Požívajú sa ako boostre, občas ako prvé stupne, ale na navádzanie na presnú obežnú dráhu ktorú vyžadujú lety k ISS sa fakt nehodia. Tu sa už dostávame k druhému dôvodu.  Ak sa raz zapáli výbušná zmes motoru na TPL, už nie je šanca reakciu nejakým spôsobom vypnúť alebo prerušiť. Motor horí, dokým nespotrebuje úplne všetko. Tretí dôvod: prakticky nie je možné regulovať ťah takéhoto systému. Ok, v OSC to vyriešili akýmisi elektromagnetickými srandičkami, ale aj tak je vektorovanie veľmi obmedzené. Jednoducho, druhý stupeň, ktorý sa mimochodom volá Castor-30, sa na úlohu ktorú musí zvládnuť nehodí. Už ruské Sojuzy s tým občas majú problém. No, na moje slová došlo už pri prvom štarte. Apogeum, čo je najvyšší bod obežnej dráhy, sa od avizovanej výšky líšilo o takmer päťdesiat kilometrov. OSC okamžite kontrovala tým, že všetko šlo podľa plánu a že tak to malo byť. No samo za seba hovorí posunutie ostrého štartu s loďou Cygnus. Miesto v júli sa bude štartovať až v septembri. Je toto normálna reakcia po úplne „bezchybnom“ odpale, ako to nazvali kompetentní v OSC? Ja si myslím, že nie a už teraz hovorím, že pri ďalších štartoch budú obrovské problémy.

Aby som bol kompletný, tak motor Castor-30 sa použije iba pri prvých dvoch štartoch. Jeden už má Antares za sebou. Ostáva teda len dúfať, že druhý pokus im už vyjde a Cygnus sa s ISS nakoniec spojí.Pri treťom a štvrtom štarte sa určite použije vrchný stupeň Castor-30B. Čo bude ďalej je momentálne vo hviezdach, ale vraj by sa od štartu číslo päť mohol na vylepšenom Antarese objaviť nemenej vylepšený Castor-XL a tiež predĺžená loď Cygnus. Uvidíme.

Toto je koniec prvej časti dielu o najnovších raketách. Dúfam, že sa vám páčil. Ak áno, nebojte sa ohodnotiť ho hviezdičkami, prípadne ma potešiť komentárom. Nabudúce sa budeme venovať… ale veď čo… Nechajte sa prekvapiť.

Zdroje informácií:
http://www.astronautix.com/
http://mek.kosmo.cz/
http://en.wikipedia.org/

Zdroje obrázkov:
http://solareclipse.org.ru/cosmos/wp-content/uploads/2010/11/AV014Night021.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/Atlas_V_family.png
http://www.boeing.com/assets/images/defense-space/space/delta/delta4/images/d4family.jpg
http://4.bp.blogspot.com/_h1ef60QyxYM/TB3feFUIKnI/AAAAAAAAArk/0MrtuES790w/s1600/delta_iv_heavy_lift.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d4/Falcon_1_-_Falcon_9_v1.0_-_Falcon_9_v1.1_-_Falcon_Heavy.svg/300px-Falcon_1_-_Falcon_9_v1.0_-_Falcon_9_v1.1_-_Falcon_Heavy.svg.png
http://media.npr.org/assets/img/2013/04/17/antares_wallops_virginia_high_sq-8ddd11418ad5bf73ab6ea09414adf72bd13e1c99-s6-c10.jpg

Pin It
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

GD Star Rating
loading...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


3 komentáře ke článku “18. Kozmická Strojovňa – rakety nového milénia – prvá časť”

  1. jb napsal:

    diky za pekny clanek – jenom pro uplnost falcon neznamena orel ale sokol.

  2. Raven napsal:

    Dovolil bych si nesouhlasit se 3 po sobě následujícími větami týkající se Delta-IV Heavy
    „Prvý štart prišiel 21. decembra 2004 a odvtedy sa použila iba dva krát. Najbližšie vynesie testovací exemplár lode MPCV (Orion) niekedy v roku 2014. V prvých sekundách letu dva bočné CBC horia na 102%, zatiaľ čo stredný motor iba na 58% a jeho ťah je zvýšený až po päťdesiatich sekundách.“
    – Delta-IV Heavy startovala celkem 6x – Demo, DSP-23, NROL-26, NROL-32, NROL-49, NROL-15
    – Nejbližší let – momentálně 28.8.2013 – NROL-65 – Vandenberg SLC-6
    – V prvních sekundách hoří všechny 3 na plný výkon, v cca T+35sec přechází centrální na částečný tah (58%) a jeho tah je zvýšený až po separaci postranních boosterů

    Dále pak….
    „Falcon 1 žiadny veľký úspech nezaznamenal. Na svoj prvý kompletný let si musel počkať dva roky a medzitým tri krát vybuchol, väčšinou vinou druhého stupňa.“
    – 4 a 5 let F1 myslím výrazný úspěch byl
    – neúspěchy byly hlavně vinou prvního stupně nebo jeho oddělování

    Ale jinak samozřejmě pěkné.

    • Samuel Slavkovský napsal:

      Máte pravdu. Delta IV heavy letela šesť krát. Asi som pracoval so staršími zdrojmi. Opravené.
      Čo sa týka Falconu-1, dva bezchybné štarty z piatich nepovažujem za úspech. Aj keď to bol nosič vo vývoji. Nie je oň záujem, a tak skončil bez výraznejších úspechov.

Zanechte komentář