Zrušené projekty SpaceX #6: Aerodynamické brzdění pomocí přistávacích nohou
V dalším dílu seriálu Zrušené projekty SpaceX se podíváme na koncept, kdy pro snížení rychlosti přistávajícího prvního stupně Falconu 9 měly být použity jeho přistávací nohy. Elon Musk o tomto plánu mluvil ještě v roce 2014, ale nejspíš od něj bylo upuštěno. Jaký měl tento koncept výhody a proč se nedočkal realizace?
Jako u řady jiných projektů SpaceX, realizovaných či nikoliv, se nejedná o žádný nový či převratný nápad. Jeho prapočátek je možno datovat do 30. let 20. století, kdy se v letectví objevil koncept a zároveň i první praktické použití aerodynamických brzd. Ty mají za úkol zvýšit aerodynamický odpor pohybujícího se tělesa a to buď pomocí pevné či nastavitelné plochy. Dodnes se tyto brzdy používají v situaci, kdy pilot letadla chce snížit rychlost stroje, zejména potom při přistání letadla. Uvádí se tři typy aerodynamických brzd: brzdící klapky, brzdící štíty a brzdící padák.
Aerodynamické brzdy na zádi letadla Eurowings BAe 146-300 (Foto: Adrian Pingstone)
V raketovém odvětví byla situace jiná. V 50 až 70. letech bylo hlavním a jediným úkolem nosných raket vynést náklad na orbitální dráhu, nějakým bržděním či zpomalováním prvních stupňů se nikdo nezabýval. Co se stane s jednotlivými stupni potom, co správně vykonají svou činnost, bylo vedlejší. Důležité bylo jenom to, aby tyto stupně neohrozily nikoho na Zemi. A s výjimkou pilotovaných letů či kapslí s filmem ze špionážních družic se tělesa na orbitální dráze zpět na Zemi nevracela. Pro jejich brždění v atmosféře se používaly padáky a tepelné štíty.
Celá problematika aerodynamického brždění se začala výrazněji rozvíjet až v okamžiku, kdy se započalo s vývojem a provozem raketoplánu. Ten byl od okamžiku provedení deorbitačního zážehu vlastně již jen obřím kluzákem, při jehož přistávání docházelo při přistání jak k vystřelení brzdícího padáku, tak k rozevření směrovky, která tím sloužila i jako vzdušná brzda. Tyto prvky byly ale použity až v závěrečné fázi přistání, o většinu své rychlosti samozřejmě raketoplán přišel již dříve. Přesto to bylo ještě pořád vzdálené od způsobu, jakým svou rychlost měl dle plánu snižovat první stupeň Falconu 9. Zmíněné aerodynamické prvky totiž sloužily k odstranění přebytečné dopředné rychlosti při přistání, nikoliv ke snížení terminální pádové rychlosti.
Přistávající americký raketoplán Endeavour s rozevřenou směrovkou a brzdícím padákem (Foto: NASA)
Přesto i na těchto konceptech se již v minulosti pracovalo. Pokud bychom se na skok k vrátili k 4. dílu zrušených projektů SpaceX, firma Boeing navrhovala pro návrat prvního stupně Saturnu V (S-IC) použít padáky. Ale když se dobře podíváte na celý plán návratu do atmosféry, uvidíte čtveřici rozevřených nohou, které dle plánu Boeingu měly sloužit jako vzdušné brzdy. Jak víme, plán opakovaně používat první stupeň Saturnu V se nikdy nedostal k realizaci.
Principu aerodynamického brždění však v současnosti používá suborbitální raketa New Shepard. Pokud se na ni podíváme v okamžiku, kdy prochází atmosférou, zjistíme, že v její horní části je symetricky vyklopeno 8 brzdících štítů. K jejich vyklopení dochází přibližně ve výšce 6 kilometrů a rychlosti 1000 km/h. Tyto štíty potom sníží terminální pádovou rychlost New Shepardu na polovinu.
Raketa New Shepard společnosti Blue Origin (Zdroj: Blue Origin)
O tom, že SpaceX zvažuje brždění raket Falcon pomocí přistávacích nohou, jsme se dozvěděli od Elona Muska v roce 2013, který o rok později upřesnil, že poprvé k tomu možná dojde u nové verze rakety Falcon 9 v1.2, která nakonec měla premiéru na konci roku 2015. První přistávací nohy, které SpaceX používalo od misí CRS-3 až po Jason-3, tedy na Falconech 9 v1.1, nebyly vůbec uzpůsobeny pro tento manévr.
Manévr spočíval v tom, že se měly částečně rozložit přistávací nohy a tím by došlo ke snížení terminální pádové rychlosti přistávajícího stupně na polovinu. Hlavním plusem tohoto manévru by byla úspora paliva potřebného pro přistání, jeho množství by kleslo pod 5 % celkové hmotnosti rakety. Oficiálních informací týkajících se této problematiky je ale málo. S největší pravděpodobností mělo k vyklopení nohou docházet při přechodu do podzvukové části sestupu, kdy také první stupeň zahajuje přistávací zážeh. Obvykle k němu dochází ve výškách 5–6 km a při rychlostech 330 m/s. Údaje pochází z obrazové analýzy přistávání prvního stupně při misi NROL-76.
Pro lepší představu o tom, jakou by to znamenalo úsporu, bude dobré si říct, kolik paliva dnes spotřebuje Falcon 9 pro přistání. SpaceX přistává se svými raketami buď na pevnině, nebo na autonomních přistávacích robotických plošinách. V případě přistání na pevninu se odhaduje, že z celkových 419 tun paliva, které jsou do rakety natankovány před startem, je pro návrat nad pevninu a přistání použito 56 tun, tedy celkově 10 % hmotnosti Falconu 9 při startu (simulace pro CRS-12). Pokud ovšem při startech na nízkou oběžnou dráhu přistává Falcon 9 na mořské plošině, je spotřeba paliva nižší – je použito přibližně 37 tun, tedy 6,6 % celkové hmotnosti Falconu 9 (simulace pro Formosat-5). V případě přistání po vynesení geostacionárního satelitu je zpětný zážeh vynechán úplně a spotřeba paliva klesne na 27 tun, tedy 4,8 % (SES-11, Echostar 105). Celková hmotnost Falconu 9 je brána z údajů pro F9 v1.2 Block 5.
Úspora paliva při přistání je sice plusem, ale samozřejmě by takovýto manévr mohl přinést i řadu negativních důsledků:
- Vyklopení přistávacích nohou neprobíhá úplně synchronizovaně a mohlo by při vysokých rychlostech způsobit problémy se stabilitou prvního stupně
- Dřívější vyklopení přistávacích nohou zvýší dobu jejich vystavení žáru z přistávacího zážehu, což má neblahý vliv na jejich znovupoužitelnost
- Dle názoru uživatele Russell Borogove by brzké vyklopení nohou rovněž vedlo ke zvýšení odporu ve spodní části prvního stupně, což by mohlo způsobovat tendence k přetočení stupně nohami vzhůru
Má se za to, že Falcon 9 v1.2 je vybaven zesílenými nohami navrženými pro aerodynamické brždění, ale zatím při žádném z pokusů o přistání nebyly vyklopeny dříve než těsně před dosednutím. V podstatě se zatím dá říct, že pokud tento nápad nebyl již zcela opuštěn, je minimálně ve stavu dlouhodobého odkladu.
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
- Zrušené projekty SpaceX #4: Přistávání Falconů pomocí padáků
- Zrušené projekty SpaceX #5: F9R-Dev2 a Spaceport America
Podpořte projekt ElonX
Domnívám se, že důvod proč se tento způsob nepoužívá je v extrémní nestabilitě celé sestavy (měla by tendenci se otočit vzhůru nohama, jak je zmíněno v článku). Každý kdo někdy pouštěl draka si to dokáže představit. Museli by tam přidat systém který by tuto tendenci dokázal rychle korigovat.
Jsem rád, že bylo zmíněno přistávání prvního stupně z NROL-76. Nikde jinde už se později tato zajímavá data neobjevila, že? Mám za to, že to bylo až moc velké nakouknutí pod pokličku a tak se od toho bohužel upustilo.
Ono je těch dat víc, však se podívej.
Aha, tak to je super, ted si ale predstavte, ze podrobna data budou priste u Falconu Heavy a vsichni budeme mit predcasne Vanoce. 🙂
Takto podrobně zpracovaná data jsou pouze pro misi falcon heavy demo a pouze pro směr vzhůru.Čas od času to kontroluju a zatím nic novějšího, pokud vím, není. Nějak mi zablbly odkazy, platný je pouze ten pod názvem mise.
Ďakujem za skvelý článok, tento problém mi tiež nedal spávať. Riešili sme to aj na FB. Tam bol názor taký, že deakcelerácia pomáha nohy vysunúť a na druhej strane pri vysokej rýchlosti prvého stupňa by citujem: ” vyklopit nohy by byl 60x větší problém než otevřít dveře v autě při 100kmh. “