26. Kozmická Strojovňa – rakety budúcnosti – prvá časť

26. Kozmická Strojovňa - rakety budúcnosti - prvá časť, 2.5 out of 5 based on 36 ratings

Po kratšej prázdninovej prestávke sa opäť rozbieha seriál Kozmická Strojovňa, ktorý vám bude prinášať detaily strojov, ktoré sa používajú na dobývanie vesmíru. Minule sme skončili pri ruskej stanici Mir. Dnes pokračujeme raketami, ktoré sa v najbližších rokoch pridajú do arzenálu jednotlivých kozmických agentúr a budú vynášať rôzne družice, sondy a snáď aj lode s ľudskou posádkou. Ide o rakety novej generácie, ktoré by mali pozdvihnúť kozmonautiku na vyššiu úroveň, poskytovať vyššiu nosnosť za nižšiu cenu, používať ekologickejšie palivá a mať jednoduchšiu obsluhu. Posúvať hranice možného sa dajú vždy. Nové vesmírne nosiče budú využívať moderné koncepcie. Posun v materiálovom inžinierstve dovolil vyrábať stále ľahšie a pevnejšie nádrže, väčšie a silnejšie motory, ktoré musia odolávať stále vyšším tlakom a teplotám. Revolúcia vo výpočtovej technike spôsobí, že navigačné systémy sa zmestia do menšieho priestoru, čo opäť zvýši nosnosť. V neposlednom rade ľudstvo konečne (snáď) získa aj lacný znovupoužiteľný nosič, ktorý momentálne vyvíja  firma Spacex. Stojíme pred novým obdobím kozmonautiky. Zakladá sa množstvo súkromných spoločností, pripravuje sa ťažba na asteroidoch, vesmírna turistika, vesmírne hotely, základne na Mesiaci, lety na Mars, Venušu a ďalej. To všetko má umožniť nová generácia rakiet, ktorá sa bude spoliehať na nové technológie a otvoria dvierka pre väčšie výskumné výpravy, ktoré doteraz neboli sú možné.

Prvé lastovičky už pristáli. Za všetko môžem spomenúť napríklad rakety Falcon 9 od spoločnosti Spacex (momentálne sa chystá vylepšená verzia Falcon9 v1.1), Antares od Orbital Sciences Corporation, Epsilon z japonskej JAXA a Vegu od ESA. Všetky vymenované rakety si svoju premiéru odbili relatívne nedávno. Na prvý pohľad neoslnia svojím výkonom ani nosnosťou. Ukrýva sa v nich však mnoho potenciálu a v najbližších rokoch ešte o nich budeme počuť.

Jednoznačne najzaujímavejším kúskom je Epsilon. Pri jeho návrhoch sa dbalo hlavne na jednoduchosť, efektívnosť a nízku cenu. Trojstupňový nosič prekvapí svojím zrýchlením. Zatiaľ čo Saturnu 5 trvalo od zapnutia motorov šestnásť sekúnd, kým preletel nad vrchnou časťou štartovacej rampy, Epsilon to zvládne za necelé dve sekundy. Nie je sa čomu čudovať, veď váži iba 91 ton a jeho motory horia dokopy 311 sekúnd.

Raketa Epsilon.

Raketa Epsilon.
Zdroj: http://i.space.com/

Keď už sme pri motoroch, Epsilon sa rozhodne nemá za čo hanbiť. Nevyniká síce obrovskou silou, ale máloktorá raketa bola pripravovaná tak zodpovedne. V prvom stupni nájdete SRB-A3 na tuhé pohonné látky s ťahom 2 271 kN. Tento stupeň je najsilnejší a zároveň aj najťažší a dostane raketu nad husté vrstvy atmosféry. Špecifický impulz 284 sekúnd je neuveriteľný. Máloktorý motor na TPL dosahuje podobné parametre. Ani druhý stupeň však nezaostáva. M-34C po zapálení poskytuje ťah 371,5 kN. To nie je nič moc dokým si neuvedomíme, že špecifickým impulzom 300 sekúnd prekonáva aj niektoré kvapalinové motory. Úplne na špici tesne pod aerodynamickým krytom v ktorom sa schováva družica sa ukrýva KM-V2b, je najefektívnejší motor na tuhé pohonné látky na svete. Špecifický impulz 301 s je vážne neprekonateľný a je to prakticky strop pre tento typ motorov. Občas sa na Epsilon bude montovať aj štvrtý stupeň na hypergoliká, ktorý dostane vynášaný náklad na presne určenú obežnú dráhu.

Na Epsilone však nie sú starostlivo vyrobené iba motory. Všetky systémy sú navrhnuté tak, aby boli čo najjednoduchšie. Riadiaci systém, tankovanie, spájanie komponentov dokopy, všetko vyžaduje minimálnu pomoc ľudí. Ak už je Epsilon pripravený v montážnej hale, mali by ho byť schopní odpáliť  traja ľudia. Prvý krát v histórii stačí obyčajný notebook a internetové spojenie. Palubný počítač si všetko robí sám, kontroluje hodnoty a rozhodne sa, či raketa poletí, alebo je príliš vysoké riziko zlyhania. Pri štarte je vlastne človek iba pasívny pozorovateľ, ktorý prakticky stlačí tlačidlo štart a automatika sa už o všetko postará.

Epsilon nahradil už dosluhujúcu M-5. Zatiaľ sa jej síce nosnosťou nevyrovná, namiesto 1,8 t na LEO zvládne iba 1,2 tony, ale to sa časom určite zmení. Táto raketa má totiž vďaka svojmu silnému prvému stupňu veľké rezervy a použitím silnejších motorov a viacstupňových konfigurácií, prípadne použitím kyslíko-vodíkového motora v poslednom stupni určite nosnosť vyletí prudko hore.

Ďalšie perspektívne rakety ktoré by v najbližších dňoch/mesiacoch mohli odštartovať sú Falcony z dielne súkromnej spoločnosti Spacex. Konkrétne vylepšená verzia Falcon 9 v1.1 a Falcon Heavy. Tieto vesmírne skladačky by sa mali stať hlavnými prostriedkami pre dobývanie vesmíru súkromníkmi. Sám miliardár Elon Musk, vlastník Spacex, sa netají tým, že by v roku 2022 rád poslal ľudí na Mars. Ešte predtým ho možno obletia na špici rakety Falcon Heavy aj ľudia z programu Inspiration Mars prvého vesmírneho turistu Dennisa Tita. Falcony sú nosiče novej generácie, ktoré vynikajú nízkou cenou. V budúcnosti by mali na obežnú dráhu voziť navigačné satelity a snáď a ľudí.

Falcon 9 v1,1 na odpaľovacej rampe.

Falcon 9 v1,1 na odpaľovacej rampe.
Zdroj: http://en.wikipedia.org/

V súčasnosti naplno prebieha vývoj nosiča Falcon 9 v1.1, ktorý je vylepšenou verziou jeho predchodcu, Falconu 9. V čom spočívajú najväčšie rozdiely? Vo všetkom! Aj keď sa možno na prvý pohľad zdá,že raketa sa nezmenila, opak je pravdou. Po prvé, srdce rakety, jej motory, sa vymenili za nové. Miesto Merlinov 1C sú tam Merliny 1D s ťahom 801 kN (takmer 300 kN viac). Tým pádom sa museli zvýšiť aj nádrže prvého a druhého stupňa. Raketa „narástla“ o skoro pätnásť metrov. Tam kde má stará verzia vrchol sa ešte len začína aerodynamický kryt. Ten je mimochodom tiež úplná novinka, pretože Spacex doteraz na Falcon 9 vždy posadila loď Dragon, ktorá ho nepotrebuje. Nejaké skúsenosti s krytmi už síce Spacex má, veď pred niekoľkými rokmi ešte počas testovania ich prvej kozmickej rakety Falcon 1 vynášali na obežnú dráhu armádne družice, ale tu hovoríme o oveľa rozmernejšom „kuse plechu“. Ak si myslíte, že tým rozdiely medzi starou a novou verziou najsilnejšieho súčasného nosiča Spacex končia, škaredo sa mýlite. Po lepšom prezretí si totiž môžete všimnúť nové usporiadanie motorov prvého stupňa. Miesto mriežky 3×3 sú teraz v osemuholníku a jeden so smerovou tryskou je v strede. Rozhodnutie o tejto zmene vyplýva hlavne zo snahy pristávať raz s prvými stupňami na plošine, čím by sa zaistila ich znovupoužiteľnosť. Motor Merlin 1D má totiž v strede oveľa viac miesta na naklápanie a neforemný stupeň musí byť pri takom nebezpečnom kúsku veľmi dobre manévrovateľný. Bolo by smutné, ak by sa nakoniec tento kusisko techniky zničil len kvôli tomu, že sa nebude dať dostatočne dobre riadiť. No a samozrejme, poslednou odlišnosťou medzi oboma verziami je zvýšená nosnosť na nízku obežnú dráhu. Zatiaľ čo starý Falcon 9 zvládol 8 až 9 ton, ten nový by mal byť schopný tam hore dostať až 13 150 kg. Tým sa samozrejme zvýši aj nosnosť lode Dragon, čo je ďalšie plus. Ak ste si doteraz mysleli, že Spacex robí okolo „novej“ rakety zbytočne veľké haló a výrok Elona Muska, že pri prvom štarte sa môže niečo pokaziť ste brali na ľahkú váhu, dúfam že ste už zmenili názor. Falcon 9 v1.1 je totiž úplne nový nosič vo všetkých ohľadoch.

To každopádne vidno aj na problémoch, ktoré s ním firma má. Najprv museli dva krát robiť reparát pri skúšaní celej deviatky motorov Merlin 1D na stande (statický zážih). Momentálne je už prvý letový exemplár hotový, ale chyby pretrvávajú. Skúšobný zážih na rampe vraj doprevádzali problémy, a tak sa štart odkladá na koniec septembra. Kuriózne je, že nová raketa spoločnosti OSC, ktorá na obežnú dráhu a k ISS vynáša loď Cygnus za ten čas letela dva krát. Pritom to boli úplne prvé dva štarty rakety Antares. Ak by mi niekto povedal, že kvázi odskúšaný a zalietaný Falcon 9 bude mať tento rok menej štartov ako neodskúšaný Antares, neveril by som mu. Nemožné sa však stalo realitou.

V budúcnosti (momentálne sa hovorí o roku 2014-2015) by sa na svoju prvú cestu mohla vydať aj raketa Falcon Heavy, ktorá bude v tej dobe najsilnejším nosičom na svete. S hmotnosťou 1 400 ton sa ani niet čomu čudovať. Vo svojej váhovej kategórii bude sama. Aby sa toto monštrum vôbec vznieslo do vzduchu, musí byť použitých 27 motorov Merlin 1D. Vo vákuu budú mať dokopy ťah viac než 20 MN. Pre porovnanie, legendárny Saturn 5 sa mohol pýšiť piatimi motormi prvého stupňa so spoločným ťahom 34 MN. Falcon Heavy vznikne „veľmi jednoducho“, vylepšením Falconu 9 v1.1. Na telo tejto rakety sa pripoja dva prvé stupne. Podobne to Američania urobili aj s raketou Delta IV Heavy. Spacex však má vo vrecku ešte jednu zaujímavú vychytávku. Zatiaľ čo centrálny motor Delty sa v prvých minútach letu pustí iba na čiastočný výkon, aby po oddelení bočných stupňov mal nejaké palivo, kerozín a kvapalný kyslík v najsilnejšom Falcone sa bude z boostrov prečerpávať priamo do motorov. Každý booster tak bude napájať nie deväť, ale hneď dvanásť motorov Merlin 1D a zo stredových nádrží budú odoberať palivo iba tri Merliny. Možno sa pýtate, načo si to Spacex takto komplikuje. Dôvod je jednoduchý. Nosnosť na nízku obežnú dráhu sa zvýši o približne osem ton. Falcon Heavy totiž nebude musieť ťahať šesť neaktívnych motorov ako zbytočnú záťaž, ale použije ich pri štarte a tým pádom sa ušetrí váha. Je to ako s americkými raketoplánmi. Tie tiež pracovali už od začiatku a dostali legendárne americké Shuttle až na orbitu.

O Falcone Heavy máme vcelku dosť informácií. Napríklad, počíta sa s využitím pristávacích nôh a tým pádom sa zabezpečí znovupoužiteľnosť najdrahších komponentov nosiča. Druhý (alebo tretí podľa toho, ako to počítate) stupeň by mal poháňať jeden motor Merlin 1D prispôsobený na prácu vo vákuu. S ťahom 801 kN je dosť nevhodný na vynášanie nákladov na vyššie obežné dráhy. Na to by bolo lepšie použiť ľahší a slabší raketový stupeň, najlepšie na kryogenické palivo. Spacex však dosiaľ neoznámila vývoj takéhoto zariadenia, ktorým by sa dala nosnosť na GTO alebo aj GEO poriadne zvýšiť, i keď už aj tých 21 200 kg na GTO alebo 13 200 kg k Marsu je celkom uspokojivých. Navyše, Spacex asi vie čo robí. Motory na kvapalný kyslík a vodík sú veľmi problémové. Ich vývoj a výroba zase drahá. Cena rakety by tak dosť stúpla (aj keď by potom stúpla aj nosnosť, takže je to opäť len vec pohľadu). Či je súčasný koncept rakety Falcon Heavy správny, alebo považujete za vhodnejšie použitie ďalšieho stupňa už nechám na vás.

Oháňam sa tu nosnosťou na rôzne typy dráh, ale ešte som vám neposkytol tú najzaujímavejšiu hodnotu. Na nízku orbitu dokáže Falcon Heavy doručiť neuveriteľných päťdesiattri ton. Týmto výkonom na chvíľu určite dostane titul: „najsilnejšia raketa súčasnosti“. Na spoločnosť o ktorej ešte pred desiatimi rokmi nikto nevedel je to slušné. V roku 2017 (2018) však americká superraketa SLS svojím prvým letom (snáď) Falcona Heavy zosadí z trónu. Čo sa týka využiteľnosti nového silného nosiča, Spacex s ním má veľké plány. Sám riaditeľ firmy vyhlásil, že by na Marse chcel stráviť dôchodok. Prvé krôčiky k splneniu svojho snu robí už teraz vďaka Falcon Heavy.

Spacex pred niekoľkými rokmi vypustila do sveta správu o raketách Falcon X, prípadne Falcon X Heavy a dokonca Falcon XX. Nie je to iba hranie s písmenami (alebo áno?). Tieto superťažké nosiče majú byť druhou generáciou flotily Spacex s nosnosťou cez sto ton. Poháňať by ich mali motory Merlin 2 založené na najnovších technológiách. Každý merlin 2 by mal mať ťah 5,3 MN (pri Falcone XX až 7,5 MN). Ak si to tak vezmeme, nie je to veľmi veľa. Ruské motory RD-170 sa pýšia ťahom skoro 8 MN. Ide však o to, koľko týchto motorov použijete. Ak jeden, dostanete normálny nosič. Ak tri, bude to o inom. Facon X by mal používať práve tri takéto Merliny. To však nie je všetko. Ťažká verzia tejto rakety, ktorá bude (pochybujem) používať tri prvé stupne sa popýši deviatimi motormi Merlin 2 so spoločným ťahom neuveriteľných 48 MN. Tomu samozrejme odpovedá aj nosnosť 140 ton na nízku obežnú dráhu. Inžinieri Spacex však zašli ešte trochu ďalej. Navrhli raketu Falcon XX. Tá by mala používať vylepšené motory Merlin 2. Tým pádom by so šiestimi v prvom stupni (a kto vie s čím v druhom stupni) dokázala na LEO doručiť 125 ton. O Ťažkej verzii tohto nosiča radšej pomlčím.

Realita je však o trochu smutnejšia. Prakticky žiadne skúsenosti firmy Spacex a malý rozpočet nám zaručujú, že tieto stometrové špicaté monštrá zostanú navždy len v našej fantázii. Tento odstavec však nie je veľmi fér. Koncepty nosičov budúcej generácie vznikli na spoločnej akcii časti zamestnancov firmy. Nejde o seriózny návrh a Spacex nevydala ani cent na vývoj spomínaného hardwaru.

Ešte by som chcel napísať niečo k cenám, ktoré fanúšikovia Spacex často a bezmyšlienkovite opakujú. Na starej stránke firmy boli kedysi takéto neuveriteľné čísla:

Falcon 9 v1.1 – 51 miliónov dolárov

Falcon Heavy (do 6,4 ton na GTO) 81 miliónov dolárov

Falcon Heavy (viac než 6,4 ton na GTO) 124 miliónov dolárov

Tieto ceny sú už teraz o päť až desať miliónov navýšené, a to ešte ani jeden exemplár zmieňovaných rakiet nikdy nebol naostro použitý. Spacex má neuveriteľne prepracované PR a Elon Musk je úžasný biznismen, ktorý vie, ako na ľudí. Preto by som nepodliehal panike a trúfalé vyhlásenia o tom, že o pár rokov Spacex ovládne trh komerčných satelitov by som odložil na dobu, keď budeme poznať skutočné čísla a keď budú novučké Falcony zalietané.

Veľkostná schéma nosičov od firmy Spacex. Nerátalo sa tam s vylepšeným Falconom 9 a je tam aj stará verzia Falconu Heavy, preto tento obrázok berte so značnou rezervou.

Veľkostná schéma nosičov od firmy Spacex. Nerátalo sa tam s vylepšeným Falconom 9 a je tam aj stará verzia Falconu Heavy, preto tento obrázok berte so značnou rezervou.
Zdroj: http://blog.jedchristiansen.com/

Pár slov na záver

Po dvojmesačnej prázdninovej prestávke sa opäť rozbieha seriál Kozmická Strojovňa, vrámci ktorého sa vám budem snažiť podať detaily kozmických rakiet, lodí, staníc a inej techniky. Možno si pamätáte na prvých dvadsaťpäť dielov, ktoré vychádzali vždy v sobotu bez prestávky. Tá doba je už preč. Kvôli nedostatku času som sa rozhodol rozbehnúť to len tak na pol plynu. Každú druhú sobotu sa teda môžete tešiť na článok približujúci niektoré aspekty kozmickej techniky, ktoré možno nie sú úplne známe. Dúfam, že táto nová frekvencia vydávania článkov vám nebude veľmi vadiť a vážim si každého, kto si moju prácu aspoň zbežne prečíta. Chcel by som sa poďakovať za podporu, ktorú ste mi prejavili počas vydávania KS a dúfam, že si ju udržím. Posnažím sa vás nesklamať.

Zdroje informácií:
http://forum.kosmonautix.cz/
http://forum.kosmonautix.cz/
http://www.spacex.com/
http://en.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/

Zdroje obrázkov:
http://forum.kosmonautix.cz/viewtopic.php?f=51&t=1055&start=60
http://www.popsci.com/files/imagecache/article_image_big/articles/rocket_A.png
http://i.space.com/images/i/000/032/116/iFF/japan-epsilon-rocket-3.jpg?1377544447
http://blog.jedchristiansen.com/wp-content/uploads/2010/12/FalconXX.jpg

 

Pin It
(Visited 1 888 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (36 votes cast)
(Visited 1 888 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

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


Zanechte komentář