Jak si vede Falcon Heavy při srovnání s chystanou raketou New Glenn společnosti Blue Origin?

Na téma rakety Falcon Heavy byla na tomto serveru za poslední dva roky napsána už velká řada článků, které popisovaly parametry rakety, nejbližší mise, či možnosti jejího využití. Dnes se na Falcon Heavy podíváme z jiného úhlu, jelikož jej srovnáme s raketou New Glenn firmy Blue Origin. Lze je dobře srovnávat, protože se jedná o dvojstupňové rakety spadající do kategorie těžkých nosičů a navíc první stupně obou raket se zachraňují s cílem používat je opakovaně.

New Glenn však zatím nikdy neletěl, takže se teprve ukáže, zda se plánovaných parametrů a schopností nakonec opravdu podaří dosáhnout. Přesto počkejme a uvidíme, protože ať máte společnost Blue Origin rádi či nikoliv, je to ona, která se snaží podnikat řadu kroků na poli znovupoužitelnosti stejně jako SpaceX. Například její raketa New Shepard přistála po suborbitálním letu na pevninu o měsíc dříve než Falcon 9 při misi Orbcomm-2. Také testy přistávání začal Blue Origin podnikat už v roce 2006, tedy o řadu let dříve než SpaceX.

Základní zdroje informací v tomto článku o obou raketách budou tvořit oficiální uživatelské příručky raket. V případě Falconu Heavy se jedná o verzi z ledna 2019, zatímco jako základní zdroj informací v případě rakety New Glenn byl použit uživatelský manuál vydaný v říjnu 2018.

Zkusme se nejprve podívat na základní parametry obou raket. Raketa New Glenn (NG) má průměr 7 metrů a výšku 96 metrů včetně aerodynamického krytu. Hmotnost NG se odhaduje na 1390 tun. Celkový tah jeho sedmi motorů BE-4 je 17,1 MN. Naproti tomu každý ze tří spodních stupňů Falconu Heavy (FH) má průměr 3,66 metru a  celková výška rakety i s krytem je 70 metrů, NG je tedy o dost vyšší. Falcon Heavy má celkovou hmotnost 1420 tun, což znamená, že hmotnosti obou raket jsou dost podobné. Celkový tah Falconu Heavy je 22,82 MN. Ač je tedy FH nižší, celkový tah jeho motorů je o 33 % vyšší než u rakety Blue Originu.

SpaceX používá v obou stupních rakety vysoce rafinovaný petrolej (RP-1) a kapalný kyslík, Blue Origin používá v prvním stupni metan, ve druhém stupni pak vodík, přičemž okysličovadlem je v obou stupních kapalný kyslík. Zde je na místě říct, že motory na kyslík a vodík mají ze všech chemických motorů obecně nejvyšší specifický impuls. Pro srovnání, motor horního stupně Falconu Heavy Merlin 1D-Vac má specifický impuls 348 s, motor BE-3U v horním stupni New Glennu má přibližně 440 s.

U tahu obou raket bude dobré se ještě na chvíli pozdržet a podívat se na regulovatelnost motorů, které obě rakety používají na prvním stupni. SpaceX používá na FH motory Merlin 1D, jejichž tah je možno regulovat v rozmezí 57–100 %. Ovšem regulovatelnost motoru BE-4, který raketa NG používá v prvním stupni, je dokonce 45–100%. Pokud tedy těchto hodnot bude opravdu dosaženo, Blue Origin v tomto ohledu předčí SpaceX.

Na problém regulace obou motorů se však lze podívat i z jiného pohledu. Rakety potřebují regulovatelné motory prvního stupně kvůli průchodu max-Q a hlavně také při přistávání. Falcon 9 používá pro přistání maximálně tři motory a například při dosedání na pevninu z devíti motorů v prvním stupni obvykle hoří jen jediný. I přes toto výrazné omezení výkonu motoru musí SpaceX řídit přistávací manévr tak, aby raketa snížila vertikální rychlost sestupu na nulu přesně v okamžiku dosednutí. Není tedy možné zastavit přistávací manévr, srovnat raketu a měkce dosednout, musí dosedat z chodu takříkajíc na první dobrou. Příčina je jednoduchá, tah jednoho motoru Merlin sníženého na minimum je vyšší než hmotnost přistávajícího prvního stupně, který je v době přistání téměř prázdný a tudíž velmi lehký. New Glenn bude rovněž dosedat na jeden motor.

Položme si nyní otázku, zda bude New Glenn schopen se během přistávacího manévru vznášet stejně jako jeho menší bratříček New Shepard, či zda bude muset přistávat jako Falcon 9. Zde si zkusíme provést jednoduchý výpočet. Maximální tah motoru BE-4, tedy 2400 kN, vynásobme 45 % a vyjde nám 1080 kN. Pokud si tento tah převedeme na tuny, dostaneme tah 110 tun, což je mimochodem přesně odhadovaná hmotnost prázdného prvního stupně NG. A protože v tomto stupni bude ještě palivo, lze se tedy domnívat, že teoreticky by měl mít schopnost při přistávání viset ve vzduchu. V praxi to však s největší pravděpodobností provádět nebude, protože by tím zbytečně plýtval palivo, kterého nebude mít nazbyt. Primárním úkolem prvního stupně je urychlit náklad v jeho cestě na oběžnou dráhu a nikoliv viset nad lodí, na které bude přistávat.

Dalším rozdílem, který vychyluje misky vah směrem k NG, je počet separací, které musí raketa absolvovat cestou na orbitální dráhu. NG i FH musejí při své cestě vzhůru oddělit první stupeň od druhého, odhodit aerodynamický kryt a do třetice také uvolnit náklad po dosažení cílové orbity. Ovšem FH musí k těmto třem separacím připočítat dvě další, při kterých dojde k oddělení bočních stupňů. Každá separace vždy představuje kritický bod, který může rozhodnout o úspěchu či selhání nosné rakety. Pro srovnání,  v případě rakety Atlas V firmy ULA může během startu dojít až k 8 separacím a u indické rakety PSLV až k 11.

Zajímavé je ovšem také srovnání aerodynamických krytů obou raket. Zde jednoznačně dominuje raketa New Glenn, jejíž aerodynamický kryt má objem 458 metrů krychlových, což je třikrát více než nabízí kryt společnosti SpaceX s objemem 145 metrů krychlových. Velký kryt rakety New Glenn se dozajista využije například při provádění 5 nasmlouvaných startů s mnoha satelity pro konstelaci OneWeb. SpaceX i Blue Origin si své aerodynamické kryty vyrábějí či budou vyrábět ve vlastních továrnách. Ovšem pokud jde o jejich zachraňování, má navrch SpaceX, které se už podařilo dvakrát kryt zachytit na padáku lodí Ms. Tree. Blue Origin zatím nenaznačil, že by plánoval své kryty používat opakovaně.

A tímto se dostáváme k nosnosti obou raket. U NG se udává jako 45 tun na nízkou oběžnou dráhu (LEO) s parametry 200 x 200 km a sklonem 51,6°, zatímco při letu na dráhu přechodovou ke geostacionární (GTO) s parametry 185 x 35 786 km a sklonem 27° nosnost klesá na 13,6 tuny. Nosnost Falconu Heavy je 63,8 tuny na LEO 200 x 200 km se sklonem 28,5° a v případě GTO 26,7 tuny. U FH se ovšem jedná o nosnost v režimu bez záchrany stupňů. Pokud bychom například chtěli zachránit všechny tři stupně na mořských plošinách, padá nosnost na GTO na 10 tun, a v případě přistání bočních stupňů na pevnině klesne nosnost FH až na 8 tun. Je ovšem onen údaj o nosnosti rakety New Glenn ve znovupoužitelném režimu, či v režimu bez záchrany prvního stupně?

Přestože celá příručka pro NG neobsahuje jasně řečený udaj (anebo jsem ho přehlédl), že nosnost 45 tun na nízkou oběžnou dráhu je v rámci znovupoužitelného prvního stupně, budeme pro účely našeho článku předpokládat, že tomu tak je. Příručka totiž uvádí, že New Glenn bude létat vždy ve stejné letové konfiguraci.

Raketa New Glenn má ještě další výhodu oproti Falconu Heavy. Zatímco SpaceX musí během mise řešit tři přistávající stupně, firmě Blue Origin bude přistávat stupeň jediný. Pokud by tedy chtělo SpaceX využít znovupoužitelné nosnosti 10 tun na GTO, potřebovalo by na přistání tři plošiny na moři, Blue Origin si vystačí s jedinou a přitom na stejnou dráhu unese o víc než 30 % těžší náklad. Protože ale SpaceX má v nejlepším případě k dispozici plošiny dvě, je omezeno limitem nosnosti 8 tun. New Glenn má však v tomto případě nosnost vyšší už o 70 %.

V souvislosti s vynášením na GTO je možno zmínit další rozdíl. Raketa NG při své nosnosti na GTO bude schopna vynést dva satelity najednou podobně jako evropská raketa Ariane 5. Maximální hmotnost každé z družic při takové misi může být až 10 000 kg. Můžeme sice říct, že duálních misí byla schopna už raketa Falcon 9, ale když se podíváme na hmotnost satelitů vynesených při těchto misích, tak nejtěžší byl Eutelsat 115 West B s hmotností 2205 kg. I kdyby využila raketa Falcon Heavy své maximální kapacity 8 tun, NG bude mít v této kategorii NG výhodu.

Mezi oběma raketami bude existovat rozdíl i v přistávacím manévru. Centrální stupeň Falconu Heavy i oba boční stupně dle charakteru mise mohou či nemusí provádět zpětný zážeh, ale při průchodu atmosférou vždy provádí tzv. vstupní zážeh, aby nedošlo ke zničení stupně při vstupu do atmosféry. V tomto směru bude mít opět výhodu raketa NG a její první stupeň. Ten při sestupu z hranice vesmíru zpět na zemi nebude provádět ani zpětný ani vstupní zážeh. K zážehu motoru dojde až ve finální fázi návratu, tedy nedlouho před přistáním. Příčinou takto rozdílného přístupu při záchraně stupňů je fakt, že první stupeň NG bude při sestupu používat daleko plošší trajektorii, takže sestup atmosférou bude trvat déle a stupeň díky tomu může hodně zpomalit pouze aerodynamicky. Toto plachtění mu umožní velká křidélka ve spodní části rakety. Tento způsob návratu bude samozřejmě z hlediska paliva ekonomičtější a první stupeň tak nebude muset pro přistání obětovat tak velkou část paliva, což se pozitivně projevuje na celkové nosnosti.

Zkusme se nyní podívat na to, jak se liší způsoby přistávání prvních stupňů obou raket. Na první pohled si jsou dosti podobná, neboť v obou případech probíhá přistání na moři. Přesto se v jednom důležitém ohledu oba způsoby liší. Rakety SpaceX už řadu let přistávají na autonomní přistávací plošiny, což jsou v podstatě plouvoucí pontony o rozměrech 92 x 51 metrů se stabilizačními motory Thrustmaster. SpaceX provádí přistání tak, že raketa Falcon dostane souřadnice GPS, na kterých se bude nacházet autonomní plošina, a svůj přistávací manévr míří na toto místo (bez ohledu na to, zda tam plošina opravdu je). Plošina se souběžně s tím snaží svými motory tuto pozici GPS přesně udržovat. Nevýhodou tohoto přístupu je, že v případě rozbouřeného moře může nastat problém se stabilitou přistávací plošiny.  Výhodou naopak je, že celý přistávací manévr raket Falcon je mířen na jedno konkrétní místo v prostoru, které se s časem nemění, a zároveň tento přístup nevyžaduje vzájemnou komunikaci přistávajícího stupně s lodí.

Blue Origin na to jde jinak. První stupně New Glennu totiž budou dosedat na pohybující se loď jménem Stena Freighter (po přejmenování se jí říká LPV) o délce 183 metrů a šířce 25,5 metrů. Podrobnosti o této lodi je možno se dočíst v článku Karla Zvoníka. Mimo jiné v něm vysvětluje, proč jsou plošiny SpaceX pontony a nikoliv lodě, i když by je tak Elon Musk rád nazýval. Výhodou přistání na normální lodi je, že bude možno daleko lépe ustálit plavidlo pomocí stabilizátorů, protože tyto systémy fungují tím lépe, čím rychleji se loď pohybuje. Nevýhoda tohoto přístupu tkví jednoznačně v tom, že New Glenn bude muset mířit svůj přistávací manévr na pohybující se cíl, což ovlivní jak rychlost lodi, tak pohyb vody samotné. Vzájemná komunikace lodi a sestupujího prvního stupně představuje dodatečnou komplikaci a každá neplánovaná sekunda letu přistávajícího prvního stupně navíc může znamenat problém v přesnosti dosednutí, jelikož za tu dobu se může loď přesunout až o 11 metrů.

Bude zajímavé sledovat, jak tuto okolnost Blue Origin vyřeší a jestli zvládne přistání už na první pokus. Možné to rozhodně je, jelikož firma má spoustu zkušeností z přistávání rakety New Shepard. Blue Origin ovšem získá použitím lodi řadu dalších výhod. Na rozdíl od SpaceX nebude potřebovat remorkér na tažení lodi do přístavu, takže její návrat bude rychlejší (v případě SpaceX může cesta zpět do přístavu trvat třeba i 5 dní). Také zpracování/sklopení stupně může teoreticky probíhat ještě na moři, což ušetří další čas.

Existují však samozřejmě i vlastnosti, ve kterých jsou obě rakety podobné. U obou dochází k horizontální integraci nákladu s raketou, obě mají autonomní destrukční systém a rampy pro obě rakety se nacházejí v Kennedyho vesmírném středisku na Floridě.

Závěrem je možno říct, že v naprosté většině srovnávaných kritérii vychází lépe raketa New Glenn. Důvod je poměrně jasný – jedná se o novější raketu, která je vyvíjena na rozdíl od Falconu 9 či Falconu Heavy za daleko vyšší finanční prostředky, a tak je možno každou její část již dopředu optimalizovat. Oproti tomu Falcony se vyvíjely v podstatě za pochodu. Nedá se vyloučit, že rakety Falcon by bylo možno i dále vylepšovat, například nahrazením motoru Merlin v druhém stupni novějším motorem Raptor, ale SpaceX se rozhodlo vývoj Falconů ukončit a věnovat veškeré své usilí přípravě pokročilejší rakety Starship.

Přesto je nutné vzít v úvahu, že na rozdíl od Falconu Heavy raketa Blue Originu ještě nikdy neletěla a společnost ještě nikdy nedosáhla oběžné dráhy, což je velmi obtížný úkon. První let New Glennu je v současné chvíli naplánovaný na rok 2021. Tehdy se také ukáže, zda se její reálné výkony nebudou odlišovat od těch v příručce.