PICA-X – materiál komerční budoucnosti

SpaceX je velmi inovativní společností přinášející na trh kosmické dopravy mnoho nových řešení, postupů a dovedností. Zároveň ale také efektivně využívá technologií a znalostí, jež byly získány během předchozích dekád vývoje a provozu v americkém kosmickém průmyslu. Jedním z největších zdrojů těchto zkušeností je celkem pochopitelně vládní agentura NASA, což vedení SpaceX neopomíná při mnoha příležitostech připomínat a je této organizaci za všemožnou podporu pochopitelně vděčná. NASA je pro SpaceX nejen největším zákazníkem, ale zároveň i mentorem, zdrojem kvalifikovaných mozků s mnohaletými zkušenostmi a bohatě vybavenou testovací základnou.

Příkladem takového transferu technologií, jejím dalším rozvojem ve společném partnerství a praktickým využitím v komerčním provozu je materiál PICA-X, použitý na tepelný štít lodi Dragon. S historií jeho vývoje, současným a budoucím využitím Vás seznámíme v tomto článku.

 

PICA – předchůdce z NASA laboratoří

Začátek celého příběhu se datuje do roku 1992, kdy NASA nabírala nový dech a hodlala častěji a hlouběji pronikat do vzdálených končin Sluneční soustavy prostřednictvím menších a úzce specializovaných robotických sond programu Discovery.

Program Discovery

Program Discovery
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Jednou z úvodních misí měla být také sonda Stardust, jejímž cílem byl chvost komety 81P/Wild 2, z něhož měla odebrat prachový materiál a v návratové schránce ho dopravit na Zemi. Ambiciózní plán ale znamenal několik nových technických výzev, mimo jiné návrat přistávací části sondy na Zem obrovskou rychlostí 12,8 km/s, což by byl na tu dobu rychlostní rekord. Tradiční materiály předchozích tepelných štítů (AVCOAT-5026 a SLA-561) vyvinuté v 60. letech pro lodi Apollo a sondy Viking nebyly inovovány po řadu desetiletí. Svou vysokou hmotností, odolností a vysokou výrobní cenou už novým nárokům nevyhovovaly. Tehdejší štíty jaderných hlavic by tepelné namáhání sice vydržely, ale pro použití na vědecké sondě do hlubokého vesmíru byly příliš těžké.

Výzkumné středisko NASA Ames Research Center v srdci Kalifornského Sillicon Valley se proto pustilo do vývoje nové generace materiálů pro tepelné štíty pod souhrnnou zkratkou LCA (Lightweight Ceramic Ablators) – Lehké Keramické Ablátory. Pod pojmem ablátor rozumíme tepelný štít z materiálu s nízkou tepelnou vodivostí a vysokým výparným teplem, u něhož se povrchová vrstva při hypersonickém průchodu atmosférou částečně nataví a odpařuje. Teplo, vznikající v rázové vlně před tepelným štítem je tak odnášeno proudem chladnějších plynů odpařeného materiálu. LCA materiály byly obecně složeny ze substrátu keramických vláken impregnovaných (spojených) organickými pryskyřicemi. U těchto materiálů bylo dosaženo úspory hmotnosti až 50% oproti tradičním ablátorům.

Test materiálu PICA v laboratoři NASA Ames

Test materiálu PICA v laboratoři NASA Ames
Zdroj: https://www.nasa.gov

Postupnými vývojovými iteracemi dospěli NASA výzkumníci v roce 1996 k výsledku v podobě perspektivního materiálu PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) – fenolovými pryskyřicemi sycený uhlíkový ablátor. Speciální uhlíková vlákna Fiberform® pocházela od monopolního výrobce Fiber Material Inc., pojidlem byla fenol-formaldehydová pryskyřice SC1008.

Výsledná keramická hmota po dvoustupňovém vytvrzování vykazovala mnohem vyšší odolnost při vysokých teplotách (nižší opal a natavování), než starší materiály na bázi polymerních plnidel. Tepelný štít, vyrobený z materiálu PICA, měl pouze pětinovou hmotnost v porovnání s předchůdci ze 60. let a byl schopen odolávat teplotám až 2760°C.

V roce 1998 byl z materiálu PICA vyroben první jednodílný tepelný štít (d = 0,8 m) pro návratové těleso sondy Stardust.

Sonda Startust při předletové přípravě

Sonda Startust při předletové přípravě
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Start o rok později se zdařil, nicméně výzkumný tým NASA sledoval s velkým napětím průběh celé mise, zda nový tepelný štít odolá drsným podmínkám během dlouhého meziplanetárního letu a při extrémně rychlém návratu spolehlivě ochrání cenný náklad uvnitř hermetického pouzdra. Čekali, zda PICA štít prokáže všechny kvality, jež byly zjištěny v laboratořích, třebaže kvůli skromnému rozpočtu a napnutému harmonogramu nebyl testovací program tak rozsáhlý a podrobný, jak by si technici přáli. Okamžik pravdy nastal 7 let po startu, 15. ledna 2006. K úlevě všech mise dopadla dobře, tepelný štít obstál na výbornou a vzácné vzorky kometárního prachu se bezpečně dostaly k vědeckým analýzám do pozemních laboratoří.

 

Komerční společnosti, … Na scénu!

Pouze 3 dny po úspěchu Stardustu, tedy 18. ledna 2006, NASA vyhlásila program COTS (Commercial Orbital Transportation Services), ve kterém se připravovala na nahrazení dosluhujících raketoplánů komerčními dopravními loděmi Made In USA. Do tohoto programu se přihlásila také Space Exploration Technologies Corporation (plný oficiální název společnosti SpaceX) a vyhrála zakázku na opakovanou dopravu nákladu na ISS a zpět. Už od roku 2004 jejich konstruktéři pracovali na vývoji vlastní nákladní lodě Dragon, výhledově zamýšlené i pro dopravu posádek na nízkou oběžnou dráhu Země.

V rámci kontraktu COTS měly vybrané komerční společnosti možnost podle potřeby využívat znalostí a technologií dříve vyvinutých v NASA. Navíc, v NASA Ames se etablovala skupina vedců a inženýrů do skupiny Space Portal Team, jež věřila v úspěšné zapojení komerčního sektoru do kosmických letů a hodlala tento nový směr všemožně podporovat.
SpaceX těchto příznivých okolností využila právě v případě materiálu pro tepelný štít, jež nedávno prokázal své kvality při návratové kometární misi. Skupina vědců a inženýrů z NASA Ames, se kterou začal mladý tým Kalifornského startupu spolupracovat, představovala unikátní studnici znalostí a zkušeností v oboru tepelné ochrany za posledních 40 – 50 let. Tito lidé pracovali na všech tepelných štítech NASA od dob Apolla až do současnosti. Někteří z NASA zaměstnanců, například Dan Rasky, začali v té době dokonce pracovat na částečný úvazek ve SpaceX.

Návratová schránka Stardust po přistání

Návratová schránka Stardust po přistání
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Výzvou při konstrukci tepelného štítu Dragona se stala jeho velikost. Návratová kapsle Startustu měla v průměru jen 81 cm a tak mohl být tepelný štít vyroben z jednoho kusu. U Dragona to nebylo možné kvůli jeho průměru základny 4 metry. Přibližně ve stejné době řešili podobný problém také konstruktéři, pracující na misi Mars Science Laboratory, jehož tepelný štít měl průměr 4,5 metru.

Po vyhodnocení všech okolností Elon Musk rozhodl, že materiál PICA nebude na Dragon adaptován v aktuální podobě, ale SpaceX se pokusí jeho vlastnosti ještě více vylepšit a navíc vyrábět svépomocí. Výsledkem urychleného vývoje, plného rázných rozhodnutí, výroby vzorků a testování raději než papírování, se v roce 2008 stal patentově chráněný nový materiál nazvaný PICA-X. Jeho přesné vlastnosti, jako hustota, teplotní vodivost, mechanická pevnost a další parametry sice nebyly nikdy zveřejněny, nicméně podle dostupných informací jeho zavedení pro SpaceX znamenalo minimálně následující čtyři výhody:

1) Nízké pořizovací náklady. Interně vyráběný PICA-X je pro SpaceX 10x levnější, než nákup původního PICA materiálu od externího dodavatele.
2) Pružnější materiál. Původní materiál PICA byl poměrně křehký. PICA-X má oproti předchůdci nižší náchylnost k tvorbě trhlin během vytvrzování při výrobě a také během tepelné zátěže při průletu atmosférou. To umožnilo výrobu rozměrného štítu z měnšího počtu větších a tvarově složitých panelů a zároveň jeho znovupoužitelnost.
3) Teplotní odolnost. PICA-X 1. generace odolával teplotám kolem 2000°C
4) Nezávislost na jediném monopolním dodavateli. SpaceX razí strategii, co nejvíce komponentů svých raket a lodí vyrábět interně, vlastními silami. Tento přístup jim umožňuje plnou kontrolu nad cenou, kvalitou, termíny dodávek a možností dalšího vývoje a zlepšování.

Instalace segmentů PICA-X 1. generace na tepelný štít lodi Dragon

Instalace segmentů PICA-X 1. generace na tepelný štít lodi Dragon
Zdroj: https://i.stack.imgur.com

Zejména poslední bod se ukazuje jako klíčový z hlediska budoucích plánů Elona Muska na osídlování vzdálenějších končin Sluneční soustavy. Jak už bylo naznačeno výše, v roce 2008 byla na světě prozatím 1. generace PICA-X. Tento materiál prošel kvalifikačním procesem a v roce 2010 byl použit na prvním letovém exempláři Dragonu, jež se stal první soukromou kosmickou lodí v historii, která se dostala na oběžnou dráhu Země a dokázala se také v pořádku vrátit na Zem. Jako unikátní exponát a připomínka úsilí a dovedností všech zaměstnanců SpaceX je dnes návratová kabina Dragonu C1 zavěšena v montážní hale hlavního výrobního závodu v Kalifornském Hawthorne. Ožehnutý tepelný štít je pro všechny kolemjdoucí dobře patrný.

Dragon C1 vystavený v hale SpaceX

Dragon C1 vystavený v hale SpaceX
Zdroj: http://www.collectspace.com/

Od té doby uplynulo už 7 let a do kosmu bylo vyneseno celkem 11 nákladních lodí Dragon.
Jedním z cílů SpaceX je radikální snížení cen za vynášení nákladu do vesmíru. Toho má být dosaženo prostřednictvím plné a rychlé znovupoužitelnosti jejich nosných raket a kosmických lodí. Znovupožitelnost je proto všudepřítomnou mantrou, ovlivňující návrhy technických řešení a vyběr použitých materiálů. To platí pochopitelně i pro tepelnou ochranu, jež hraje z hlediska znovupoužitelnosti klíčovou roli.
Z toho důvodu vývojové práce na PICA-X pokračovaly i nadále a v současnosti jsou Dragony, dovážející zásoby na ISS, vybaveny tepelným štítem 2. generace. Jako hlavní zlepšení je uváděna vyšší odolnost a trvanlivost, která má umožnit minimálně 10-ti násobné opakované použití. Nicméně NASA až doposud vyžadovala pro každý zásobovací let v rámci kontraktu CRS-1 zcela novou loď.
Změna má ale přijít již brzy. První znovupoužití Dragona je avizováno u zásobovacího letu Dragona k ISS s kódovým označením CRS-11, který by měl startovat ve 2. čtvrtletí letošního roku. Bude to další z mnoha prvenství, které si SpaceX připíše „na svůj účet“.

Současný Dragon 1. generace při zásobovací misi k ISS

Současný Dragon 1. generace při zásobovací misi k ISS
Zdroj: https://www.nasa.gov

PICA-X 3.0

V květnu 2014 Elon Musk v sídle své firmy předtavil novinářům novou generaci dopravní lodi – Dragon V2, později nazývaný Dragon 2, či Crew Dragon. S touto verzí pilotovaného plavidla se SpaceX zúčastnila soutěže NASA pro komerční dopravu posádek na kosmickou stanici ISS – program CCP (Commercial Crew Program). Když v říjnu 2014 NASA vyhlásila dva vítězné dodavatele, SpaceX s lodí Dragon 2 byla jedním z nich.

Elon Musk představuje loď Dragon 2

Elon Musk představuje loď Dragon 2
Zdroj: http://media.rusbase.com

SpaceX ovšem neplánuje Dragona druhé generace využívat pouze k letům na nízkou oběžnou dráhu, ale také do hlubokého vesmíru. Dragon 2 má být schopen přistání na téměř jakémkoli nebeském tělese, planetě nebo měsíci, s atmosférou nebo bez ní. Navíc, pokud to nebeská mechanika a typ zvolené mise dovolí, po návratu na Zemi má být znovupoužitelný.
Jednou z hlavních odlišností Dragona 2 od jeho předchůdce první generace je přidání 4 párů raketových motorů SuperDraco, umístěných trvale na bočních stěnách kabiny. Těchto 8 motorů má zajistit záchranu posádky v případě závady na nosné raketě při startu a v budoucnu také posloužit pro měkké motorické přistání lodi na pevnině.

Všechny výše jmenované požadavky znamenaly ještě výšší nároky na materiál tepelného štítu vespod lodi a na bočních partiích pod tryskami motorů SuperDraco. Výsledkem dalšího vývoje je PICA-X 3. generace, jež má opět o něco lepší parametry, než současná verze. Musk odhaduje, že tepelný štít z tohoto materiálu by měl bez vážného poškození vydržet snad až 100-násobné použití. První orbitální let Dragonu 2 a jeho návrat na Zem je plánován na 4. čtvrtletí tohoto roku.

 

Konečný cíl – kolonizace Marsu

V září 2016 Elon Musk představil veřejnosti dlouho očekávaný koncept meziplanetárního dopravního systému ITS (Interplanetary Transport System), dříve nazývaný MCT (Mars Colonial Transporter). Nosná raketa i velkokapacitní přepravní loď budou plně znovupoužitelné. Při příletu na Mars a návratu na Zemi budou lodě při brždění v atmosféře používat největší tepelný štít všech dob, pokrývající v podélném směru více než polovinu pláště celé lodi. Použitým materiálem má být opět PICA-X 3.0.

Loď ITS má základní průměr 12 m a délku 49,5 metrů. Vzhledem k obrovské ploše, kterou tepelný štít pokrývá, bude představovat významnou položku v celkové hmotnosti prázdné lodi. Dá se předpokládat, že se tým materiálových specialistů SpaceX bude i nadále pokoušet PICA-X zlepšovat, aby snížil jeho měrnou hmotnost a umožnil přepravnímu systému vyšší výkony.

Meziplanetární dopravní loď ITS s rozměrným tepelným štítem

Meziplanetární dopravní loď ITS s rozměrným tepelným štítem
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Premiérový let byl během loňské prezentace ohlášen na rok 2022, nicméně celková technická a finanční náročnost tohoto projektu dává tušit, že bychom první start měli očekávat spíš o několik let později.

 

Zdroje informací:
https://ntrs.nasa.gov/
https://www.jsc.nasa.gov/
http://www.airspacemag.com/
https://ntrs.nasa.gov/
http://space.stackexchange.com/
https://en.wikipedia.org/
http://spacenews.com/

Zdroje obrázků:
https://upload.wikimedia.org/…/Discovery_program_website_header%2C_2016.png
https://www.nasa.gov/…/images/content/672095main_140550main_picatest.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/5/50/Stardust_spacecraft_99pc39.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/c/c9/Stardust_Capsule_on_Ground.jpg
https://i.stack.imgur.com/JEsGL.jpg
http://www.collectspace.com/images/news-122815g-lg.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/iss041e020918.jpg
http://media.rusbase.com/upload_tmp/50-elon-musk-ap.jpg
https://upload.wikimedia.org/…solar_extended_%28cropped_%26_retouched%29.jpg

PICA-X - materiál komerční budoucnosti, 5.0 out of 5 based on 75 ratings
Pin It
(Visited 4 481 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (75 votes cast)
(Visited 4 481 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)


39 komentářů ke článku “PICA-X – materiál komerční budoucnosti”

  1. Petr Kasan napsal:

    Pět a půl hvězdy! Díky za super článek 🙂

  2. Vojta napsal:

    Skvělý článek. Až z tohoto pohledu jsem si všiml, jak moc ITS připomíná Orbiter z Raketoplánu. Jen má místo křídel vějíře solárních panelů.

    • Pospíšil napsal:

      Ano, mírná podobnost by se tam najít dala, ovšem jen v něčem. Shuttle měl trup o průměru 5,2 m a rozpětí křídel 23,8 metrů. Loď ITS má hlavní průměr 12 metrů a přes tři kryty přistávacích nohou největší průměr 17 m. Na délku mají Shuttle 37,2 m vs. 49,5 u ITS.
      Z hlediska mrtvé váhy a silového namáhání při AD brzdění na tom bude ITS mnohem lépe než orbiter. Dva panely FV baterií budou u ITS vysunuty jen během letu ve vakuu bez větších dynamických manévrů.

  3. Tom napsal:

    Skvělý článek, děkuji.

  4. Zdeněk napsal:

    Super článek, jen tak dál.

  5. Dan napsal:

    Skvělý obsažný článek, který přišel jako na zavolanou 🙂
    Díky!

  6. Roman napsal:

    Pro ablativní materiál platí, že se jej část spotřebuje (hoření, odpařování). Při vícenásobném použití tak zvedáme do vesmíru hmotu, která se spotřebuje až při nějakém dalším letu. Takže by mi dávalo smysl štít udělat tenčí (lehčí) a na každý let jej vyměnit, příp. mít vrstvu ablativní (výměnnou) a vrstvu izolační (stálou). Je poslední verze PICA-X skutečně ještě ablativní? Nebo teplotu vydrží, nehoří, neodpařuje se, izoluje a úbytek hmoty je zanedbatelný?

    • Pospíšil napsal:

      Také PICA-X 3.generace je stále ablativní materiál – při použití jeho množství ubývá, ale podobně jako brzdové destičky v brzdách vašeho auta jen po velmi malých inkrementech. Byl postupně vyvinut do té úrovně, že vydrží mnoho desítek použití. Stejně jako brzdové obložení nebude používán jednorázově ale vícenásobně. To bylo hlavním cílem vývoje dalších generací tohoto materiálu.

      • JosVerstapen napsal:

        No to asi není tak pravda, protože principem „ablativního štítu“ je právě daná schopnost horní izolační vrstvy, která se díky předanému teplu (energii) odpařuje a díky těmto mikroskopickým částečkám odpařuje a tím je vznikající teplo odváděno pryč.
        Pokud by se tato vrstva (která má velké měrné výparné teplo) neodpařovala tak to nemůžeme nazývat ablativní štít.
        Je možné že principem bude něco mezitím, když to má vydržet až sto návratů na povrh tělesa.
        Možná by nebylo špatné o tomto materiálu zjisti více informací?
        Díky za super článek.

        • Pospíšil napsal:

          Pokud se vám v současné době podaří o PICA-X 3.0 zjistit více informací, než je v tomto článku, tak se s námi o ně podělte. Tento materiál ještě nebyl použit během kosmického letu a jde o utajované know-how SpaceX. Osobně si myslím, že o něm více podrobností momentálně nelze získat.

    • Pavel Riedl napsal:

      Možná je důležitá i vrstva, která se momentálně neodpařuje a hraje roli tepelného izolantu.

      Jinak naprosto perfektní článek, klobou dolů. Dlouho jsem si tak dobře nepočetl.

  7. Tomáš napsal:

    Tiež 5.5 hviezdy, fantastický článok a zhrnutie.

  8. Výstižný název pro obkladové materiály na korpus. Dříve velice používaný titan s izolací byl nahrazen novým materiálem. Obkladové materiály převážně pojená keramika v rúzné formě je závislá na použitém pojidlu / syntetika/, což ovlivňuje tepelnou stabilitu. Z toho lze vycházet pro další vývoj tepelných štítů, které mohou být konstruovány s tavnou kovovou folií, která zajistí přlnutí rúzných obkladových prvků a opakovatelnost požití nových sendvičů s odpařováním povrchu štítu.

  9. Adam napsal:

    Super článek. Díky!

    Nebylo by možné něco podobného napsat o technice přistávání prvních stupňů Falcon 9 na ASDS?
    Do podrobna jak to funguje? Jak funguje komunukace/nekomunikace mezi plošinou a stupněm atd.

    Jestli už někde něco podobného je, tak jsem přehlédl.

    • Miroslav Pospíšil napsal:

      O přesném přistávání jsem psal více v tomto článku: http://www.kosmonautix.cz/2017/01/pokroky-v-presnem-pristavani-kosmickych-raket-a-sond/
      Komunikace mezi stupněm a plošinou ASDS není žádná. Stupeň se snaží přistát na předem dané přesné GPS souřadnice, kde se plošina snaží pomocí 4 pohonných jednotek co nejpřesněji udržet. Na to, že se obě tělesa hýbou vlivem těžko predikovatelných vlivů přírody (vítr, vlny) je výsledná přesnost přistání v řádu jednotek metrů v podstatě úžasná.

      • Adam napsal:

        Díky.
        Ta úžasnost je hlavně v tom, že se trefuje z prostoru cca 650×100 km a z rychlosti 7 tis km/h.

  10. Tomáš napsal:

    …komerční dopravu posádek na kosmickou stanici ISS – program CPP (Commercial Crew Program).

    Nemělo by to být CCP?

  11. Fantasta napsal:

    Taky děkuji za skvělý článek. Jestli si dobře pamatuji, tak při výrobě štítu pro Orion byl opět použit AVCOAT. Nevíte důvod? Je v tom cena, nebo znovupoužitelnost Dragona? Anebo konzervativnější přístup použitím vyzkoušených materiálů?

  12. tom11111 napsal:

    V článku jmenujete čtyři výhody PICA-X oproti původnímu PICA. Třetí z nich je:
    „3) Teplotní odolnost. PICA-X 1. generace odolával teplotám kolem 2000°C“

    Ale v předchozí kapitolce uvádíte u původní PICA odolnost 2760°C.

    To by znamenalo, že novější varianta má horší teplotní odolnost. Jak to tedy vlasně je?

    Díky,

    Tom

    • Miroslav Pospíšil napsal:

      Ano, zní to trochu nelogicky, ale ještě jednou jsem si ověřil zdrojový dokument uvedený pod článkem a je to správně.
      U materiálu PICA je uváděno, že byl při jeho vývoji malý vzorek v laboratořích úspěšně otestován až na teploty 5000°F (2760°C). U PICA-X 1. generace byla v laboratořích prokázána odolnost při 3500°F (1926°C). Otázka je, zda při vyšších teplotách neprošel, nebo při nich jen nebyl testován. Každopádně byl vyhovující pro návrat lodi z LEO a měl ostatní 3 uvedené výhody.
      Navíc se jednalo pouze o 1. generaci. Dnes se aktivně používá 2. generace a pro Dragon 2 je připravena 3. generace PICA-X. Spíš než odolnost vůči stále vyšším teplotám byl vývoj směřován ke znovupoužití, tj. aby při teplotách řekněme 1800°C vydržel >10 cyklů.

  13. Jaroslav Zelený napsal:

    Víte, jak se píšou číslovky řadové? 😀 😀 😀

    • Miroslav Pospíšil napsal:

      Buďte konkrétní. Ano, čeština není můj denní chleba, nejsem profesionální novinář a občas se solidně utnu. Na tomto blogu je ale profíků málo, jedná se víceméně o amatérskou, dobrovolnou a neplacenou iniciativu silných fanoušků kosmonautiky, takže v těchto článcích jde více o obsah než o formu. Pokud mám někde v textu pravopisnou, nebo gramatickou chybu, tak se za ni předem omlouvám. Pokud vám na její opravě hodně záleží, tak mě na ni prosím upozorněte a sjednám nápravu.
      Jinak poznámky toho typu co píšete ztrácí smysl.

    • RiMr napsal:

      Nepruď a běž domů vysávat…

  14. hansnasa napsal:

    Super článek,musel jsem si ho přečíst ještě jednou.díky

Zanechte komentář