Historie přistávání a znovupoužitelnosti raket a lodí SpaceX

Velká část fanoušků SpaceX se o tuto inovativní společnost nejspíš začala více zajímat až díky jejímu proniknutí do mainstreamových médií a všeobecnějšího povědomí prostřednictvím experimentů s přistáváním raket – ať už šlo o videa s testovací raketkou Grasshopper nebo výbušné záznamy nepovedených přistání na mořských plošinách ASDS. Jednalo se totiž o něco neotřelého a inovativního – zkrátka věc, o kterou se nikdo jiný takhle veřejně nepokoušel a která působila jako svěží vítr ve stojatých vodách kosmonautiky a raketových technologií, které zdánlivě zamrzly v 70. letech minulého století.

Ovšem, měli jsme americké raketoplány, které byly částečně znovupoužitelné, ale ty odešly do důchodu v roce 2011. A i když soukromá společnost Blue Origin pracuje na podobných technologíích jako firma SpaceX, na rozdíl od ní v té době parta kolem Jeffa Bezose operovala v tajnůstkářském režimu a nebylo o ní slyšet.

Pojďme si tedy shrnout, co vlastně SpaceX vedlo k tomu, aby se firma snažila o záchranu svých raket, jaké metody zvolila, které z nich selhaly, a proč je to vlastně všechno tak důležité.

Pokud máte málo času a stačí vám jen velmi zkrácená verze tohoto článku, podívejte se na epizodu videoseriálu Elonovinky, ve které je krátce shrnuta historie snah SpaceX o přistání prvního stupně Falconu 9:

Proč má smysl raketu zachránit?

Pokud jste někdy přemýšleli, proč je tak drahé něco vynést do vesmíru, tak vězte že je to proto, že výroba rakety je extrémně drahá záležitost (raketa stojí několik miliard korun). To v kombinaci s faktem, že raketu po jednom použití zahodíte do oceánu nebo necháte shořet v atmosféře, má za následek, že za vynesení 1 kilogramu nákladu na oběžnou dráhu zaplatíte klidně i přes milion korun (obzvlášť, pokud neletíte se SpaceX). Ilustrujme si to na zjednodušeném příkladu dopravního letadla – koupě Boeingu 747 také vyjde na ohromné peníze (cca 9 miliard korun). Letenky jsou i tak relativně levné, protože vysoká cena letadla se rozloží mezi desítky tísíc letů, než letadlo poputuje do šrotu. Aerolinky mezi jednotlivými lety platí už v podstatě jen za palivo a údržbu, což jsou v celkovém měřítku malé částky. Ale kdybyste letadlo po jednom letu zahodili, letenky by stály astronomické částky a téměř nikdo by letadlem necestoval.

U raket je to podobné, neboť palivo tvoří méně než půl procenta celkové ceny. Dlouhodobým snem kosmického průmyslu je tedy vytvoření takového systému, který bude schopen vynést náklad na oběžnou dráhu a následně se vrátit na Zem a po krátké inspekci a dotankování paliva letět brzy znovu. Nejblíže se dostala NASA se svým raketoplánem. Ten se dal z velké části znovu použít, ale nakonec se ukázalo, že náklady na inspekci, údržbu a přípravu raketoplánu na další start byly moc vysoké a celý proces zabral spoustu času. Ve výsledku by bylo levnější a jednodušší použít klasický raketový systém, který by po startu skončil na dně oceánu, jak je tomu u raket zvykem dodnes. Dalšími experimenty se znovupoužitelností byly třeba McDonnell Douglas DC-X nebo X-20 Dyna-Soar, žádný z nich to však nedotáhl do ostrého provozu.

Na scénu přichází SpaceX

SpaceX mělo už od svého založení za cíl umožnit lidstvu kolonizaci Marsu. Šéf společnosti Elon Musk už tehdy moc dobře věděl, že to není z ekonomického hlediska realistické, pokud daná přepravní metoda nebude schopná RYCHLÉHO opakovaného použití. Proto se při návrhu rakety Falcon 1 a především jejího nástupce, Falconu 9, už od začátku počítalo s tím, že se SpaceX bude snažit dosáhnout jejich znovupoužitelnosti.

Málokdo pak ví, že SpaceX provedlo několik pokusů o záchranu prvního stupně Falconu 1 a Falconu 9 pomocí padákového systému. Ten však byl rychle zavrhnut ve prospěch motorického přistání. Při použití padáků jste totiž vydáni napospas větru a tím pádem nemůžete přistát s velkou přesností, a jste tak odkázáni na přistání na moři, což představuje další nevýhody (mořská voda je velice korozivní, je potřeba vyslat loď, která raketu vyloví apod.).

V roce 2011 SpaceX zveřejnilo svoje plány v této oblasti a společnost už tehdy dokonce plánovala i záchranu druhého stupně Falconu 9 (viz video níže). Málokdo asi tehdy považoval plány SpaceX za realizovatelné, ale to Elona Muska a jeho tým neodradilo.

První krůčky

V roce 2012 SpaceX začalo s prvotním testováním přistávacích systémů v jejich texaském zařízení v McGregoru. Vyrobili malou testovací raketku s jedním motorem Merlin nesoucí jméno Grasshopper („kobylka“). S tou postupně prováděli větší a větší „skoky“, při kterých vyletěli do určité výšky a následně zase měkce přistáli. Při pozdějších testech už byli schopni létat do výšky několika set metrů, horizontálně se odklonit od místa startu a zase se bezpečně vrátit a přistát na původním místě. Tohle všechno bylo možné díky pokročilým softwarovým algoritmům, které raketu řídily a také díky tomu, že motor je schopen se naklánět a ovládat tak směr letu. Program Grasshopper byl velice úspěšný – proběhlo celkem 8 letů, poslední v říjnu 2013. Poté Grasshopper odešel do zaslouženého důchodu a uvolnil tak místo svému nástupci: experimentální raketě Falcon 9 Reusable (F9R).

F9R měl blíže k normálnímu Falconu 9, ale stavěl na úspěších programu Grasshopper. Jednalo se vlastně o první stupeň Falconu 9 v1.1, akorát měl místo 9 motorů jen 3. Zato však disponoval experimentálními výklopnými nohami a později také přibyla roštová kormidla. Byly vyrobeny dva kusy – F9R Dev1 a F9R Dev2. Dev1 provedl celkem pět testovacích letů do maximální výšky 1000 metrů, při kterých zdárně otestoval funkčnost nohou i kormidel. Při pátém letu však došlo k problému se senzorem, což mělo za následek automatickou sebedestrukci.

SpaceX mělo v McGregoru povoleno létat maximálně do výšky několika set metrů, a tak SpaceX plánovalo další testy ve větších výškách v jejich nově vybudovaném zařízení ve Spaceport America. K těmto testům měl být použit F9R Dev2, ale z těchto plánů nakonec sešlo, neboť SpaceX už tou dobou souběžně experimentovalo s přistáváním na mořské hladině s Falconem 9 v1.1 během ostrých misí – a začínalo slavit první úspěchy.

Tip: Na výpis všech testovacích letů Grasshopperu a F9R a videa z nich se můžete podívat na stránce Suborbitální lety SpaceX.

Přistávání na mořské hladině

SpaceX při návrhu rakety Falcon 9 v1.1 bralo v potaz poznatky z programu Grasshopper a už při prvním letu této varianty (mise CASSIOPE v září 2013) se společnost pokusila o experimentální návrat prvního stupně s cílem kontrolovaně přistát na mořské hladině (počítačová animace znázorňující, jak takové přistání vypadá). Návrat začal dobře, ale během průletu atmosférou se stupeň i přes snahy manévrovacích trysek vymkl kontrole a začal se točit. Následný odstředivý efekt způsobil přerušení přísunu paliva do přistávacího motoru, který tím pádem zhasl a raketa následně tvrdě dopadla na mořskou hladinu, kde explodovala. Tento experiment měl za následek přidání výkonnějších manévrovacích trysek, aby při dalších pokusech nedošlo ke stejnému problému.

Další pokus proběhl v dubnu 2014 při misi CRS-3. Jednalo se o první let rakety s nainstalovanými přistávacími nohami. Experimentální přistání tentokrát proběhlo úspěšně – vylepšené trysky odvedly svou práci, nohy se v pořádku vyklopily a první stupeň ladně přistál na hladině oceánu, kde byl následně zničen nekompromisními vlnami:

Příští dva pokusy o přistání se odehrály během misí Orbcomm-1 a CRS-4, přičemž druhý jmenovaný nebyl úspěšný, neboť raketě došlo okysličovadlo. To však SpaceX neodradilo od rozhodnutí pokročit do další fáze a zkusit přistání na plovoucí přistávací plošině (ASDS).

Pokusy o přistání na ASDS

První pokus o přistání na ASDS proběhl během mise CRS-5 v lednu 2015. Raketa poprvé letěla s roštovými kormidly, která pomáhají s řízením prvního stupně při návratu atmosférou, kde klasické manévrovací trysky nejsou moc účinné. Pokus o přistání však skončil nezdarem – první stupeň sice plošinu s názvem Just Read The Instructions (JRTI) našel, ale přiletěl v příliš velkém náklonu a po nárazu do paluby vybuchl. Později se ukázalo, že problém byl v nových roštových kormidlech, kterým těsně před přistáním došla hydraulická kapalina, což mělo za následek zaseknutí v jedné poloze, která způsobila ztíženou ovladatelnost a změnu trajektorie, kterou se hlavnímu motoru nepodařilo včas napravit:

V dubnu 2015 se pak SpaceX pokusilo přistát na stejné plošině znovu, tentokrát při misi CRS-6. Roštová kormidla měla nově více hydraulické kapaliny, takže již nemohla nastat situace, která zhatila předchozí pokus (později navíc SpaceX přešlo na vylepšený uzavřený hydraulický systém). Přistání se skoro povedlo, ale zanesený škrtící ventil měl za následek zpožděnou reakci naklánění motoru, což vedlo k nestabilnímu přistání na JRTI a následnému převrhnutí a explozi:

Následné dva plánované pokusy o přistání vůbec neproběhly, jelikož v případě mise DSCOVR na plánovaném místě přistání zuřila bouře, takže JRTI musela být odvolána a první stupeň místo toho přistál jen na mořské hladině. U následné mise CRS-7 si fanoušci mysleli, že přistání se už konečně povede, ale bohužel během letu došlo ke katastrofické nehodě druhého stupně a následnému nezdaru celé mise.

První úspěchy

Kvůli nehodě při letu CRS-7 společnost SpaceX na 6 měsíců pozastavila všechny plánované starty, ale následně překvapila svět, když oznámila, že během prvního letu po půlroční pauze (mise Orbcomm-2) se pokusí přistát přímo na pevnině, nikoli na plovoucí plošině. Cílem byla nová přistávací plošina LZ-1 na Mysu Canaveral. Pokus o přistání se nakonec zdařil a jednalo se tedy o první úspěšné přistání v historii SpaceX:

Jelikož však ne každý let Falconu umožňuje přistání prvního stupně na pevnině, SpaceX potřebovalo i nadále pokračovat v pokusech o přistání na ASDS. V lednu 2016 se během mise Jason-3 přistání na ASDS téměř povedlo – první stupeň měkce dosedl na palubu, ale došlo k selhání uzamykacího mechanismu na jedné z nohou, následnému převrhnutí stupně a jeho ztrátě. Jason-3 byla poslední mise raketové varianty Falcon 9 v1.1. Všechny další mise už používaly novější v1.2, která je výkonnější, čímž umožnila možnost záchrany prvního stupně i u misí mířících na přechodovou dráhu ke dráze geostacionární.

Přistání je však v takových případech výrazně obtížnější než u misí letících „jen“ na nízkou oběžnou dráhu, neboť raketa má menší rezervu paliva, a tudíž v zájmu úspornosti provádí kratší přistávací zážeh se třemi motory místo s jedním, což sice šetří palivo, ale kvůli tomu musí být přistání ještě preciznější a v podstatě bezchybné. První takovou misí byla SES-9. Pokus o přistání bohužel nevyšel, neboť raketa nezvládla včas zpomalit a přistála moc prudce, přičemž do paluby prorazila díru.

Jen měsíc po nezdaru při přistání SES-9 však SpaceX konečně mohlo slavit první úspěch na ASDS. Během mise CRS-8 první stupeň Falconu 9 měkce dosedl na plovoucí plošinu OCISLY a představoval tak historicky první úspěšné přistání na moři. Následně SpaceX slavilo skoro jen samé úspěchy. Například hned příští mise (JCSAT-14) znamenala další prvenství – byl při ní poprvé zachráněn první stupeň z náročnější geostacionární mise.

Od té doby byly pokusy o přistání stále častější a v roce 2017 SpaceX dokonce dosáhlo 100% úspěšnosti.

Tip: Přehled všech pokusů o přistání a jejich výsledků najdete v sekci Přehled pokusů o přistání.

Dragon, aerodynamický kryt, druhý stupeň

V článku jsem se moc nevěnoval kosmické lodi Dragon, ale ta do plánů SpaceX zapadá také. Už od začátku byla navržena pro vícenásobné použití, ale jelikož NASA zpočátku požadovala pro mise v rámci programu CRS vždy nový Dragon, k jeho opakovanému použití poprvé došlo až při misi CRS-11. Znovupoužitelná je také druhá generace lodi Dragon, včetně varianty Crew Dragon pro lety s lidskou posádkou.

Méně známým faktem je také to, že SpaceX už několik let zachraňuje aerodynamické kryty pro účely opakovaného použití. Kryt na špičce rakety chrání náklad během let a je finančně i časově velmi náročný na výrobu. Jeho opakované použití šetří SpaceX miliony dolarů a spoustu času. SpaceX za tímto účelem vybavilo aerodynamický kryt manévrovacími tryskami, které kryt směrují tak, aby po oddělení od rakety vstoupily do atmosféry v ideální poloze, načež je nechává na padácích přistát.

Zajímavostí je, že společnost prý původně zvažovala zachytávání klesajících krytů pomocí vrtulníku, ale od toho bylo později upuštěno. Kryty se pak pokoušely přistávat do sítě na speciálně upravených lodích Ms. Tree a Ms. Chief. K prvnímu úspěšnému zachycení krytu došlo v létě 2019, ale tato metoda nebyla moc spolehlivá, a tak od ní nakonec bylo upuštěno. Kryty dnes přistávají na padáku do oceánu, odkud jsou vyloveny loděmi Bob a Doug. Drtivou většinu krytů se takto daří úspěšně zachránit.

Elon Musk také snil o znovupoužitelném druhém stupni raket Falcon, avšak od toho nakonec upustil ve prospěch vyvíjené rakety Starship, která bude už od začátku kompletně znovupoužitelná.

První opětovné použití

SpaceX v průběhu let ukázalo, že je schopno zachránit první stupeň Falconu i loď Dragon a navíc začalo zachraňovat aerodynamické kryty. Tohle všechno je však jen jedním dílkem celkové skládačky znovupoužitelnosti. SpaceX potřebovalo dokázat, že zachráněné části rakety jsou schopny přečkat další let, aniž by k tomu byla potřeba nákladná renovace a dlouhé inspekce.

V březnu 2017 tedy došlo během mise SES-10 k historicky prvnímu znovupoužití raketového stupně a nedlouho poté následovaly další takové starty. Na základě těchto úspěchů pak začalo stále více zákazníků projevovat zájem o již použité stupně. Dokonce i extrémně konzervativní NASA svolila k tomu, aby na jejích nákladních misích CRS byly použity již letěné Falcony a později začaly létat na použitých stupních i astronauté.

Renovace raketového stupně po přistání však zpočátku trvala několik měsíců. Velký skok v tomto ohledu představovala finální varianta raket Falcon nazývaná Block 5. První stupně této vylepšené rakety lze používat mnohokrát opakovaně a nevyžadují zdlouhavé inspekce a opravy mezi starty. Každý individuální stupeň by mělo být teoreticky možné použít až 100krát, ale v praxi to bude méně, protože tolik startů ani není potřeba. SpaceX díky Blocku 5 postupně zkrátilo dobu potřebnou na přípravu stupňů mezi starty na méně než měsíc.

Podíl startů s již použitým stupněm se s každým rokem zvyšuje (v roce 2018 to bylo 57 %, v roce 2020 už 80 % a od roku 2021 to bývá téměř 100 %). V dnešní době zákazníkům v podstatě nezáleží na tom, zda jejich satelit vynese nová, či již použitá raketa (za nový kus si naopak zákazník musí připlatit). Stejně tak většina misí raket Falcon létá s již použitými aerodynamickými kryty.

---

Přispějte prosím na provoz webu ElonX, aby mohl nadále zůstat bez reklam. Podpořte nás pomocí služby Patreon či jinak a zařaďte se tak po bok ostatních dobrodinců, kteří už finančně přispěli. Děkujeme!