Dokáže raketa Vulcan Centaur společnosti ULA konkurovat Falconu 9?

V nedávném článku jsme v rámci srovnání dvou nových amerických pilotovaných lodí Crew Dragon a Starliner porovnávali i jejich nosné rakety. Dozajista jste se však doslechli, že firma United Launch Alliance má v plánu svou nosnou raketu Atlas V do budoucna nahradit zcela novým nosičem Vulcan. Dnešní článek tedy porovná tento plánovaný nosič s Falconem 9, který již přes deset let používá firma SpaceX.

Historie rakety Vulcan

Americká firma United Launch Alliance, která je společným podnikem firem Boeing a Lockheed Martin, vznikla v roce 2006. Jejím cílem tehdy bylo sjednocení výrobních a vývojových center a tím snížit provozní náklady. Z praktického hlediska tím však firma na dlouhé desetiletí v podstatě získala monopol na vynášení všech amerických vládních družic. Bylo jedno, jestli jde o armádní, špionážní či vědecké zakázky, ULA v podstatě ovládla trh. Nenápadně jí však začala vznikat konkurence – nosič Falcon 9 se představil v červnu 2010, když poprvé vzlétl. Několik prvních let SpaceX jen plnilo svůj kontrakt pro NASA, ale bylo jasné, že se s touto rolí nespokojí. Podobným směrem se ale také ubíraly úvahy vládních agentur. V říjnu roku 2011 se totiž Národní průzkumný úřad (NRO), NASA a americké letectvo dohodly, že chtějí dát do budoucna možnost vynášet své náklady i novým slibným společnostem. V prosinci 2012 pak SpaceX získalo první dva kontrakty od ministerstva obrany, kterými narušilo monopol ULA. Šlo o mise DSCOVR a STP-2. Poslední hřebíček do rakve ULA byl zaražen v květnu 2015, když byla raketa Falcon 9 certifikovaná pro vynášení armádních zakázek, načež jich SpaceX začalo značnou část vyhrávat. Bylo tak jasné, že chce-li ULA do budoucna obstát proti konkurenci, bude muset přijít s něčím novým.

Koncem roku 2013 také vypukl konflikt mezi Ukrajinou a Ruskem, a USA se postavily na ukrajinskou stranu. Postupně tak došlo k vyhlášení sankcí ze strany Spojených států vůči Rusku. Tím se pro firmu ULA, která výrazně spolupracuje s vládními agenturami, objevil další problém – motory RD-180 na její raketě Atlas V jsou vyráběny v Rusku. V roce 2014 byla v americkém kongresu zahájena debata o zákazu použití motorů RD-180, které jsou vyráběny v Rusku. Debata pak byla zakončena v v roce 2016, když byl odsouhlasen zákon, který říká, že od 31. prosince 2022 nesmí Amerika vypouštět své špionážní a vojenské družice na raketách Atlas V s ruskými motory.

ULA se však již dříve rozhodla zahájit radikální změny. Tou první byla změna ve vedení, když se v srpnu 2014 do jejího čela dostal Tory Bruno, dlouholetý vedoucí představitel firmy Lockheed Martin. Souběžně s tímto jmenováním byly zahájeny práce na vývoji nového, pokročilejšího nosiče, který by navázal na tehdy používané rakety ULA řad Atlas a Delta. Zároveň měl tento nosič být schopný konkurovat nosné raketě SpaceX. V září 2014 se společnost rozhodla investovat nespecifikovanou sumu do vývoje nového motoru firmy Blue Origin, kterým je BE-4. Počátek vývoje rakety je pak možno umístit do roku 2015, když šéf firmy Tory Bruno oznámil jméno nového nosiče – Vulcan (zvažovány byly také názvy Eagle, Freedom, Zeus a GalaxyOne).

Protože raketa Vulcan má pokračovat ve firemní tradici, bude se stejně jako u jejích předchůdců či konkurence jednat o dvoustupňový nosič o průměru 5,4 metrů a výšce 66 metrů. Pro srovnání, Falcon 9 má průměr 3,6 a výšku 70 metrů. Zatímco nosič firmy SpaceX používá v obou stupních stejnou palivovou směs (kerosen a kapalný kyslík), Vulcan bude v prvním stupni spalovat směs metanu a kyslíku a v druhém stupni pak vodík a kyslík.

Motory

SpaceX používá u Falconu 9 motor Merlin 1D+ s otevřeným cyklem. To znamená, že část paliva vchází v optimálním poměru do plynového generátoru, kde roztáčí turbínu, která následně pohání turbočerpadla. Spaliny z turbíny jsou poté vyfouknuty ven. Výhodou tohoto systému je jednoduchost, nevýhodou je, že se tímto způsobem zbavujeme části paliva, která se tak nepodílí na generování tahu. Motor BE-4 však funguje poněkud jinak, protože pracuje s uzavřeným cyklem. To znamená, že pohonné látky nejdříve vstupují do tzv. preburneru (v případě motoru BE-4 se jedná o záměrně neoptimální poměr s nadbytkem kyslíku). Plyn, který projde turbínou, se pak nevypouští ven, ale zamíří do hlavní spalovací komory, kde se rovněž podílí na vytváření tahu. Nevýhodou je však vyšší komplikovanost systému a rychlejší opotřebení turbíny. Pozitivem je naopak to, že ani kapka paliva nepřijde nazmar a motory s uzavřeným cyklem mají ve srovnání s těmi s otevřeným cyklem vyšší specifický impuls. Pro zjednodušení si řekněme, že čím vyšší specifický impuls, tím účinněji je palivo v motoru používáno.

Raketa Vulcan bude mít na svém prvním stupni 2 motory BE-4, každý s tahem 2,446 MN a odhadovaným specifickým impulsem 311 s na hladině moře a 339 s ve vakuu. Raketa tak bude mít v základní konfiguraci tah přibližně 4,9 MN. Tah jednoho motoru Merlin 1D+ je nižší (854 kN), ale protože těchto motorů je na prvním stupni celkem devět, raketa má při startu tah 7,686 MN. Oproti motorům BE-4 mají však Merliny i nižší specifický impuls – 282 s na hladině moře a 311 s ve vakuu.

Přesuňme se nyní k hornímu stupni. Pokud rozdíly ve specifických impulsech na prvním stupni nebyly ještě tak výrazné, zde už nastává ten obří rozdíl mezi oběma nosiči. Raketa Vulcan bude používat horní stupeň Centaur V o průměru 5,4 metrů, a proto se raketa označuje také „Vulcan Centaur“, aby se odlišila od budoucích variant s pokročilejším horním stupněm ACES (o tom až dále). Centaur se v různých variantách používá už přes 50 let a díky své konstrukci a typu paliva se pořád jedná o jeden z nejlepších horních stupňů na Zemi. Tato nejnovější verze horního stupně je vybavena dvěma motory RL-10, každý z nich má tah 106 kN a specifický impuls 453,8 s. Horní stupeň SpaceX používá jeden motor Merlin 1D-Vac o tahu 934 kN se specifickým impulsem 348 s. Rychleji tedy dosáhne oběžné dráhy, ale díky nižší efektivnosti není schopen poskytnout nákladu takovou změnu rychlosti jako Centaur.

Raketa Vulcan bude používat i pomocné urychlovací motory na tuhé látky (SRB) GEM-63XL. Tyto motory budou připojovány k raketě výhradně v párech a maximálně jich bude možno k raketě připojit 6. Každý z těchto SRB pak přidá startující raketě dodatečný tah přibližně 2 MN. Cena jednoho se odhaduje přibližně na 6,6 milionů dolarů. Každý pár zvýší nosnost rakety vždy o několik tun.

Nosnost a cena

Máme-li porovnat výkony obou raket, nemáme před sebou snadnou úlohu. Na pomoc si vezmeme tuto starší tabulku, která nám nabídne výkony rakety Vulcan ve variantě se 2 a 6 pomocnými motory SRB. Nejnovější údaje firmy ULA uvádí u jednotlivých variant nosnost o několik set kilogramů vyšší, ale pro naše účely je tato tabulka dostatečná. Raketa Falcon 9 firmy SpaceX překonává svou nosností 22,8 t na LEO a 8,3 t na GTO raketu Vulcan až do okamžiku, když k ní budou připojeny 4 SRB. V tento okamžik pak už přebírá štafetu nosič firmy ULA.

Můžete namítnout, že raketa firmy SpaceX bude vždy levnější než Vulcan. Není to tak docela pravda, ale nejdříve se podívejme na prosté srovnání cen. Základní verze rakety Vulcan bude stát přibližně 100 milionů dolarů a s množstvím připojených SRB se cena zvyšuje. Tato cena je tedy dvojnásobná oproti Falconu 9, která se udává jako 50 milionů dolarů, pokud zákazníkovi nevadí již použitý první stupeň. A pokud v případě Falconu 9 nevezmeme do úvahy maximální nosnost na GTO, ale pouze maximální nosnost, po které je raketa schopna přistát (5,5 tuny), zjistíme, že nosnost 13,6 tun u Vulcanu s 6 SRB je více než dvojnásobná oproti Falconu 9.

Díky velkému aerodynamickému krytu tak nebude problém pro firmu ULA posadit na raketu více družic najednou a zákazníci se podělí o cenu vynášky. Tyto sdílené mise by si však pravdědpobně nevystačily se základní verzí Vulcanu a byly potřeba dodatečné SRB, takže cena by vzrostla na přibližně 130 milionů dolarů. Tyto „dvojmise“ sice mají své nevýhody především z hlediska organizace a logistiky, ale například u evropské Ariane 5 se docela osvědčily. Na druhou stranu, ceny Vulcanu jsou zatím stále jen cílem a dokud raketa nezačne létat, reálnou cenu se nedozvíme. Dosažení ceny 100 milionů dolarů je navíc podle Toryho Bruna podmíněno tím, že Vulcan bude startovat alespoň 10krát ročně. A to není v současném konkurenčním prostředí dominovaném SpaceX lehký úkol. Teprve čas tedy ukáže, kolik si ULA nakonec bude doopravdy účtovat za starty Vulcanu.

Co se týče nosnosti Vulcanu, bude dobré zmínit ještě další dva detaily. Kromě varianty rakety Vulcan s 6 motory SRB se plánuje ještě verze Vulcan Centaur Heavy. Tato varianta bude zahrnovat prodloužený horní stupeň Centaur, který tak pojme více paliva, a pro jeho pohon budou použity upravené motory RL-10 s prodlouženou tryskou. Cena této varianty Vulcanu se odhaduje na 200 milionů dolarů. Popsané úpravy sice nezvýší výkon rakety při letu na nízkou oběžnou dráhu, ale o 700 kg se zvýší nosnost rakety při startech, kdy bude potřeba doručit náklad přímo na geostacionární dráhu. Tím ULA dosáhne důležitého cíle.

SpaceX i ULA se totiž přihlasily do soutěže amerických vesmírných sil o možnost vynášení vojenských nákladů. Aby se této soutěže mohla některá firma účastnit, musí být schopna vynést požadované množství nákladu na konkrétní orbitální dráhy (viz tabulku níže). Pokud si nyní porovnáte tabulku výkonů rakety Vulcan s těmito požadavky, je s největší pravděpodobností možno říci, že nově vyvíjený nosič firmy ULA tyto požadavky splňuje. Na rozdíl od SpaceX však k tomu potřebuje jen jednu raketu (i když v několika variantách). Aby SpaceX mohlo dostát stejným armádním požadavkům, muselo do soutěže kromě rakety Falcon 9 nabídnout i svůj silnější nosič Falcon Heavy.

Falcon Heavy má maximální nosnost 63,8 t na LEO a 26,7 t na GTO (v plně znovupoužitelném režimu pak 30 t na LEO a 8 t na GTO). Falcon Heavy tedy má vždy vyšší nosnost na LEO než Vulcan a ve variantě, kdy zahodí všechny tři stupně, porazí raketu Vulcan i v nosnosti na GTO. Pokud bychom však chtěli všechny tři stupně FH použít znovu, okamžitě nám nosnost na GTO klesne pod hodnotu, která se udává pro raketu Vulcan se 4 SRB. Ano, výkonnější horní stupeň, který používá firma ULA, začne v tomto okamžiku přinášet své ovoce.

Aerodynamický kryt

Další zajímavou kapitolou, kterou nabídne srovnání obou raketových nosičů, je velikost aerodynamického krytu. V tomto směru lze jednoznačně říct, že vyhrává raketa Vulcan. ULA plánuje používat dva různě velké kryty – ten menší má rozměry 5,4 m a výšku 15,5 m, ten větší pak bude mít výšku 21,3 m. Již menší nabízený kryt překonává ten, který používá SpaceX, ten větší pak jednoznačně nabídne obří prostor a vyhoví požadavkům amerických vesmírných sil. Oproti tomu SpaceX kvůli tomu bude muset vyvinout prodloužený aerodynamický kryt a možnost vertikální integrace nákladu.

Znovupoužitelnost

Také je důležité připomenout, že SpaceX opakovaně používá první stupně svých raket. Je díky tomu schopno poskytnout zákazníkům slevu při získávání kontraktů. Bude tedy fér se na tomto místě zmínit i o tom, že podobné plány má s Vulcanem i firma ULA. Už v roce 2015 představil Tory Bruno koncept SMART, který by umožnil opakované použití motorů BE-4. Po vyhoření prvního stupně Vulcanu by došlo k odpojení motorové sekce, ta by pod sebou rozložila nafukovací tepelný štít, přestála průlet atmosférou, vypustila padák a v nízké výšce by posléze došlo k jejímu zachycení pomocí helikoptéry. Znovupoužitím motorové sekce firma plánuje ušetřit 65 % ceny prvního stupně.

Dalším z možných vylepšení, které v roce 2015 ULA pro svůj nosič představila, byl i vylepšený horní stupeň nazývaný ACES (Advanced Cryogenic Evolved Stage). Ten by byl kupříkladu schopný fungovat ve vesmíru nikoliv hodiny, ale i týdny a měl by obsahovat ještě řadu dalších vylepšení. Zda se tyto plány dočkají své realizace a kdy, to nám ukáže jen čas. Se znovupoužitelnou motorovou sekcí ani stupněm ACES se však nepočítá pro prvotní verzi Vulcanu, která má mít premiéru v roce 2021.

Pokud se podíváme na firmu SpaceX, je možno říci, že ta celé roky o vylepšeních své rakety Falcon 9 nejen mluvila, ale rovnou je prováděla. Od svého prvního startu prošla tato raketa hned třemi výraznými úpravami, které z tohoto původně středního raketového nosiče udělalo nosič těžký, který je navíc schopen na oběžnou dráhu dopravit i astronauty. Od posledního vylepšení, které znamenalo přechod na verzi Block 5, se však SpaceX rozhodlo zaměřit na vývoj orbitálního systému nové generace zvaného Starship a dalších větších úprav Falconu se v podstatě vzdalo. Tato lety prověřená a úspěšná raketa má totiž být ve všech ohledech překonána právě systémem Starship.

Pokud bychom měli provést finální srovnání, lze říci, že jako autor jsem byl poměrně výrazně překvapen, jak kvalitní nosič vyvíjí firma United Launch Alliance. Dá se jednoznačně říci, že Vulcan zastíní vlajkový nosič SpaceX svým výkonem, avšak pokulhává z hlediska ceny a znovupoužitelnosti. V těchto kategoriích má Falcon 9 obrovský náskok, který bude ULA jen těžko dotahovat. Pokud navíc do srovnání zahrneme i Falcon Heavy, který je vlastně také jen jakousi výkonnější variantou Falconu 9, tato nejsilnější raketa současnosti trumfne i chystaný Vulcan Centaur Heavy, a to za výrazně nižší cenu.

Na závěr článku bych rád dal slovo šéfovi firmy ULA, Torymu Brunovi, který v březnu roku 2018 u příležitosti prvního startu rakety Falcon Heavy řekl následující:

Jsem velký fanda konkurenčního boje a obor dopravy nákladu do vesmíru je díky tomu vzrušující. Nikdy totiž nevíte, co se stane. Pracuji v raketovém průmyslu už 35 let a nikdy jsem si nemyslel, že uvidím auto letící do vesmíru jen tak pro zábavu. Vlastně ještě pořád nevím, co si o tom mám myslet, ale ano, tohle je úžasná doba.