Zrušené projekty SpaceX #4: Přistávání Falconů pomocí padáků
V novém dílu seriálu Zrušené projekty SpaceX se podíváme na koncept padákového přistání prvních stupňů raket Falcon 1 a Falcon 9, se kterým SpaceX koketovalo ve svých začátcích. V článku nahlédneme do historie podobných projektů a vysvětlíme si, proč se SpaceX nakonec rozhodlo vydat jinou cestou. A jako bonus pro vás máme i nově přeložené naučné video od Everyday Astronauta, které vám celou problematiku představí zase trochu jinak.
Koncept padákového přistání raket rozhodně není žádná novinka. S jedním z návrhů přišla kupříkladu v 60. letech firma Boeing. Tento koncept měl výrazně snížit cenu použití prvního stupně rakety Saturn V (S-IC) a probíhat měl následovně. Po startu mělo přibližně po 140 sekundách letu dojít k odpojení prvního stupně, který by setrvačností vystoupal do výšky přes 100 km a pak by se začal vracet zpět do atmosféry. Nápor při průchodu atmosférou a vzdušné brzdy by snížily jeho rychlost tak, že ve výšce 10 668 metrů by stupeň dosáhl podzvukové rychlosti. Ve výšce 9449 metrů by se vystřelily 4 výtažné padáky s průměrem 13,7 metrů, které by dále zpomalovaly přistávající stupeň. A konečně ve výšce 4572 metrů by se uvolnily 4 hlavní padáky o průměru 36,6 metrů, které by rychlost přistávání snížily až na 109 km/h.
-
- Návrh firmy Boeing na znovupoužitelnost prvního stupně rakety Saturn V (Zdroj: collectSPACE)
-
- Návrh firmy Boeing na znovupoužitelnost prvního stupně rakety Saturn V (Zdroj: collectSPACE)
-
- Návrh firmy Boeing na znovupoužitelnost prvního stupně rakety Saturn V (Zdroj: collectSPACE)
-
- Návrh firmy Boeing na znovupoužitelnost prvního stupně rakety Saturn V (Zdroj: collectSPACE)
Aby při takové rychlosti nedošlo ke zničení stupně, před dopadem mělo proběhnout odstřelení kupole kyslíkové nádrže a odvzdušnění obsahu nádrže. Toto spolu s unikátní konstrukcí rakety mělo zafungovat podobně jako obří hydropneumatický píst, což by ztlumilo náraz do vody. Motorová sekce, kormidla a vnitřní subsystémy neměly být nárazem na vodu poškozeny. Potom po jeho překlopení ve vodě do polohy, kdy budou motory dole, mělo dojít k jeho odtažení do Michoud Assembly Facility a přepracování.
A jakou si tehdy představoval Boeing úsporu? Cena znovupoužitého prvního stupně měla klesnout na přibližně 25 % ceny stupně nového. Pokud do této ceny zapracujeme cenu za odtažení, manipulaci a statický zážeh, dojde k navýšení o 11 %. A pokud cenu za přepracování dáme pesimisticky 23 %, zjistíme, že cena znovupoužitého stupně bude 59 % ceny stupně nového. Samozřejmě s tím, že pokud dojde k zaběhnutí tohoto systému, může cena ještě klesnout. Tolik tedy plány a teoretické úvahy o ekonomické stránce celého procesu.
Tyto koncepty ale tehdy nezůstávaly jen na papíře. Existuje dokonce i video záchrany prvního stupně rakety Saturn I zmenšeného v měřítku 1:12, kdy po shozu z vrtulníku došlo k uvolnění rogala a k následnému klouzavému letu.
A jak všichni víme, ani u zmenšených modelů raket nezůstalo. V rámci letů amerických raketoplánů docházelo po vyhoření pomocných vzletových raket na tuhá paliva (SRB) k jejich pyrotechnickému oddělení. Tyto SRB potom vystoupaly setrvačností do výšky 66 km a začaly padat zpět k Zemi. Ve výšce 4,8 km došlo k odhození aerodynamické špičky a poté se vypustil výtažný padák a po něm stabilizační padák. Ve výšce 1,8 km se pak odhodil stabilizační padák a otevřely se 3 hlavní padáky o průměru 41,5 m. SRB potom přistály na padácích do oceánu rychlostí asi 25 m/s, přibližně 260 km od pobřeží. S jejich znovupoužitím to ale nebylo zrovna slavné, protože často docházelo při nárazu do hladiny k různým deformacím a podobně. A i když byly okolnosti dopadu příznivé, na stavu SRB se taktéž podepsala slaná voda. Pokud bychom se chtěli podívat na ekonomickou stránku věci, tak podle příspěvku uživatele na serveru Quora stálo jejich znovupoužití 3krát víc, než kdyby byly vyráběny na jedno použití. V tomto období historie se tedy ukázalo, že znovupoužití raket je možné, ale rozhodně se to nevyplácelo.
Přistání SRB do oceánu na padácích (Foto: NASA)
Ale opusťme už historii a přejděme ke konceptům a plánům firmy SpaceX, která se pokoušela o záchranu prvních stupňů pomocí padáků od samotného počátku. Falcon 1 byl už od prvního startu vybaven padáky, aby se jeho první stupeň mohl pokusit o přistání na hladině oceánu. Při prvním startu bohužel došlo k selhání rakety už 25 sekund po startu a při třetí misi narazil první stupeň do druhého – v obou případech tedy nebylo možné pokusit se o přistání. Starty Demo-2 a RatSat byly v tomhle směru šťastnější, k pokusu o použití padáků došlo, ale byly neúspěšné. Při pátém startu Falconu 1, misi RazakSAT-1, nebyl první stupeň padáky vybaven. Pro úplnost dodávám, že druhý stupeň nebyl na přistání připraven vůbec.
Pokusy s přistáním na padácích pokračovaly i při prvních startech Falconu 9. Obrázek níže toto znázorňuje velmi dobře – mezistupeň Falconu 9 byl vybaven padáky, aby umožnil dosednutí prvního stupně Falconu 9 na mořskou hladinu. Oba pokusy se nezdařily, došlo totiž k rozpadu prvního stupně při vstupu do atmosféry.
Jak už bylo řečeno výše, urychlovací bloky amerického raketoplánu dosedaly také na padácích na hladinu oceánu, ale nedá se to moc srovnávat. První stupeň Falconu na kapalná paliva má nepoměrně komplikovanější konstrukci než urychlovací blok na tuhé látky. SRB je vlastně ocelová trubka na jednom konci zavařená a na druhém konci je tryska. Palivo je přitom uvnitř a po zapálení odhořívá směrem od středu k okrajům. A pokud samotné SRB bylo po dopadu na hladinu poškozeno jak nárazem do vody, tak koupelí ve slané vodě, lze si snadno představit, že poškození, které by utrpěl první stupeň Falconu 9 po kontaktu s mořskou vodou, by bylo daleko výraznější. Zároveň by patrně znemožnilo či nesmírně prodražilo jeho znovupoužití.
Zkusme si ale ještě na moment hypoteticky představit, že by Falcon 9 na padácích přistával na pevnině. To bychom zase museli kromě padáků mít na prvním stupni nějaké nafukovací airbagy či motorky na tuhé palivo; zkrátka něco na způsob toho, jak plánuje přistávat Starliner firmy Boeing (airbagy) či jak přistává loď Sojuz (6 motorků na tuhé palivo). Výhodou motorického přistání Falconu je to, že motory jsou kromě přistání potřeba také pro start, takže nepředstavují nadbytečnou váhu.
Důvodů proti použití padáků se dá samozřejmě najít vícero. Tento způsob byl pravděpodobně nepraktický pro SpaceX i z hlediska výroby. Pokud chce někdy používat stupně v režimu na jedno použití a jinak většinu zachraňovat, je samozřejmě z výrobního hlediska nejlepší mezi nimi mít pokud možno co nejméně rozdílů. V případě motorického přistání jsou hlavní rozdíly mezi oběma stupni v podstatě jen kormidla a rozkládací nohy. Pokud bychom naproti tomu chtěli vyrábět jednu variantu na jedno použití a druhou, která bude mít místa pro uchycení padáku zesílená, budeme si komplikovat výrobu.
Použití padáků by zároveň velmi zvýšilo komplexnost celého přistání a tím pádem i šanci, že něco selže. Tento způsob přistání například nezahrnuje jen jeden padák, ale vždy se jedná o postupné uvolňování několika různých padáků po sobě. Dalším důvodem, proč bylo od přistávání pomocí padáků upuštěno, je fakt, že v případě takového způsobu přistání by se raketa stala silně závislá na směru větru. Při motorickém přistání má vítr daleko menší vliv.
O nevýhodách přistání pomocí padáků pojednává také následující video od Everyday Astronauta, které pro vás přeložil Martin Dravecký (k dispozici je čeština i slovenština). Video se také věnuje tomu, proč SpaceX nakonec přistává motoricky a jak funguje tzv. hover slam, což je náročný přistávací manévr, který využívají Falcony v závěrečných sekundách každého přistání.
Nicméně snahy SpaceX použít padáky možná pohřbila především skutečnost, že aby se padáky po otevření okamžitě neroztrhaly, bylo by nutné provést vstupní zážeh prvního stupně, který by jej zpomalil před návratem do atmosféry. A pokud máte raketu, která je schopná se po separaci zorientovat potřebným směrem, restartovat motory a provést vstupní zážeh, chybí už docela málo k tomu, abyste zkusili pomocí motorů rovnou přistát. A tak se v září 2011 SpaceX rozhodlo, že se raději vydá cestou motorického přistání prvního stupně. A to znamenalo konec nepříliš šťastného nápadu použít padáky. Ale tak chybami se člověk učí, ne?
Předchozí díly seriálu:
- Zrušené projekty SpaceX #1: Falcon 1e, Falcon 5, Falcon 9 Air a další rakety, které nikdy neletěly
- Zrušené projekty SpaceX #2: DragonLab a Red Dragon
- Zrušené projekty SpaceX #3: Crossfeed neboli přečerpávání paliva mezi stupni Falconu Heavy
Podpořte projekt ElonX
Padákmi sa mal zachraňovať prvý stupeň Suturnu V SI-C a nie Saturnu I.
Mas pravdu, tohle sem v tom textu prehlidl. Opravime to. Ma chyba. Omlouvam se.
Parádní článek díky 🙂
Díky, ale jako obvykle se spolupodílel Petr Melechin a i Martin Dravecký. Při psaní mě nejvíc zaujalo, že tím, kdo se chtěl pokusit v 60. letech o zachraňování prvních stupňů byla firma Boeing. Kdo by to do nich řekl.
Ach ten sloh…
…to nebolo nostalgické povzdychnutie? O:) 😀