Pohled za oponu opakovaného používání raket Falcon, které nyní mohou odstartovat až patnáctkrát

Magazín Aviation Week vydal skvělý článek, který nabízí podrobný pohled pod pokličku vývoje a znovupoužitelnosti raket ve SpaceX. Původně jsem ho chtěl jen shrnout nebo vybrat ty nejzajímavější pasáže, ale záhy jsem si uvědomil, že nejlepší bude článek přeložit, protože je celý velmi zajímavý. Dozvíte se, na kolik startů jsou certifikovány první stupně a aerodynamické kryty Falconu, jak se SpaceX poučilo ze selhání Merlinů během letu, jak zrychluje proces přípravy prvních stupňů mezi starty, čím se liší od NASA nebo jak využívá mise Starlink pro testování a experimentaci s novými konfiguracemi rakety. Na vše navíc dohlíží mocný interní software Warp.

Následuje kompletní překlad původního článku.

---

Když společnost SpaceX v roce 2018 debutovala s verzí Block 5 své rakety Falcon 9, očekávala, že s opakovaně použitelnými první stupni poletí desetkrát, než je dočasně vyřadí z provozu kvůli velké rekonstrukci. Loni v létě však společnost v tichosti posunula cíl.

„Dostali jsme se k 10 [letům] a rakety stále vypadaly opravdu dobře, takže jsme začali pracovat na kvalifikaci stupňů na 15 použití,“ řekl Jon Edwards, viceprezident společnosti SpaceX pro nosné rakety Falcon a inženýrství Falconů, časopisu Aviation Week během série rozhovorů s vrcholovými manažery společnosti.

Mezitím se doba mezi jednotlivými starty Falconu 9 nadále zkracuje, přičemž SpaceX nyní usiluje o to, aby z jedné ze svých tří ramp startovala alespoň jednou za pět dní. Dne 29. dubna společnost vypustila nosnou raketu, která přistála pouhých 21 dní předtím, čímž byl překonán předchozí rekord v obratu o šest dní. Tento měsíc se lídr flotily Falconů pokusí o 13. let.

• SpaceX dělá pokroky v údržbě, repasování a generálních opravách
• Starty Starlinku představují příležitosti pro testování a experimentování
• Rakety jsou nyní certifikovány pro 15 letů

Obor startů raket má ještě daleko k provozu, který by připomínal letecký průmysl, ale nabírá na rychlosti. Společnost SpaceX, která byla založena v roce 2002, aby naplnila plán zakladatele, generálního ředitele a hlavního inženýra Elona Muska na kolonizaci Marsu, není jedinou vesmírnou společností, která vyrábí opakovaně použitelný hardware, ale prozatím si v tomto odvětví stále drží prvenství.

V tomto dvoudílném seriálu se časopis Aviation Week exkluzivně podělí o informace o tom, jak SpaceX mění dlouholeté přání o rychlé znovupoužitelnosti v praxi a co plánují další vesmírné společnosti, včetně United Launch Alliance vlastněné společnostmi Boeing a Lockheed Martin.

Styl SpaceX

Tento měsíc plánuje společnost SpaceX bezprecedentní třináctý start rakety Falcon 9 do vesmíru. Pokud úspěšně přistane a prodlouží tak nepřerušenou šňůru 49 úspěšných přistání od 8. června – a 123 úspěšných přistání celkově –, mohl by lídr flotily do konce roku vzlétnout ještě dvakrát.

Aktivní flotila aktuálně čítá 21 stupňů – deset Falconů 9, dva přestavěné boční stupně Falconu Heavy (FH), které nyní létají jako běžné F9, pět bočních stupňů FH a čtyři centrální stupně FH – a jsou mezi nimi i dva další nosiče s 12 starty a další, který letěl desetkrát. „Nepotřebujeme obrovskou flotilu, abychom mohli provádět ty starty, které potřebujeme,“ říká Richard Morris, viceprezident společnosti SpaceX pro výrobu a starty.

„Naším cílem je být schopni startovat každých pět dnů nebo rychleji,“ říká Morris. „Abychom toho dosáhli, zkoumáme každou část procesního toku – údržbu nosné rakety, startovací rampu, tým pro přistání, aerodynamické kryty – a hledáme způsoby, jak to optimalizovat a urychlit. Máme takový přístup, kdy iterativně zlepšujeme každý proces a zkracujeme dobu mezi starty. Tak se nám to podařilo.“

SpaceX v současné době plánuje vyřadit nosné rakety z provozu po 15 startech, ale to se může změnit. Společnost se zavázala poskytovat služby Falconu 9 agentuře NASA a americkému ministerstvu obrany nejméně do roku 2030. SpaceX hodlá své komerční zákazníky spolu s vlastním vypouštěním družic Starlink převést na plně znovupoužitelný systém Starship se nosičem Super Heavy, který je v současné době ve vývoji.

„Na samém začátku jsme si mysleli, že rakety [Falcon 9 Block 5] by mohly být dobré pro desítky letů, ale potřebovali jsme vybrat nějakou hodnotu, na kterou bychom je kvalifikovali,“ říká Edwards. „Chtěli jsme něco ambiciózního, co by nám dalo rozumný cíl, takže odtud vzešlo těch 10 letů.“

Když se lídři flotily v roce 2021 dostali k devátému a desátému letu, začala společnost SpaceX překvalifikovávat komponenty Falconu 9 na 15 letů. „Tyto delta kvalifikace jsme provedli předtím, než jsme začali s těmito dalšími lety, abychom věděli, že nás nic nepřekvapí a že nepodstupujeme příliš velké riziko, když posouváme hranice možností,“ říká Edwards.

Testování zahrnovalo umístění každé letové součástky, včetně baterií, letového počítače, skříněk avioniky a pohonných součástí, na vibrační stůl pro testování vibrací na čtyřnásobek únavové životnosti, kterou by hardware zažil během 15 letů. „To nám dává rezervu daleko větší, než jakou kdy zažijí během svého životního cyklu,“ říká Jessica Jensen, viceprezidentka pro zákaznické operace a integraci.

„Do dvanáctého nebo třináctého letu nejdeme s tím, že bychom se jen modlili,“ dodává. „Na základě všech testů, které jsme provedli na každém kusu hardwaru, máme jistotu, že to vydrží.“

Rozhodnutí překvalifikovat nosné rakety na 15 letů bylo přirozeným vyústěním probíhajícího vývoje Blocku 5. „Každý let neustále provádíme inspekce, učíme se a pak tyto poznatky znovu uplatňujeme buď při změně konstrukce, výrobního procesu nebo našich kontrolních metod v celé flotile a při dalších letech,“ říká Kiko Dontchev, viceprezident společnosti SpaceX pro starty.

Analýza odhalila několik komponent, které bude třeba zkoumat případ od případu, až počet letů překročí 10, poznamenává Bill Gerstenmaier, viceprezident společnosti SpaceX pro konstrukci a spolehlivost letů. „Jakmile se začneme blížit 12. a 13. letu, budeme se invazivněji zabývat tím, zda v těchto oblastech nedochází k degradaci životnosti,“ říká Gerstenmaier, který do společnosti SpaceX nastoupil v únoru 2020 po 42leté kariéře v NASA.

„Zatím jsme byli příjemně překvapeni, že v těchto oblastech nevidíme velkou degradaci,“ dodává. „Analýza tedy byla konzervativní, ale sledujeme to.“

SpaceX aktivně vyměňovalo některé komponenty, včetně vodou chlazených manžet na motorech prvního stupně, což jsou pružné části tepelného štítu, které chrání součásti motoru uvnitř motorové sekce na spodku rakety při návratu atmosférou.

Další oblastí zájmu je pohyblivá přenosová trubka, která přivádí okysličovadlo dolů k motorům. „Pohybuje se nahoru a dolů a vypadá to, že je tam nějaké opotřebení,“ říká Gerstenmaier. „Jsou tam tři těsnění a my dokážeme detekovat netěsnosti. Možná budeme muset někdy některá z těch těsnění vyměnit, ale všechny ty věci sledujeme. U čeho jsme opatrnější, jsou neznámé neznámé – něco, kde analýza říká, že máme velkou rezervu, ale provozní prostředí je trochu jiné, než máme v modelech, a to nevíme,“ dodává. „Neustále takové případy hledáme.“

Společnost SpaceX má tři třídy inspekcí: Třída A se provádí při každé misi, třída B zahrnuje pravidelnou údržbu, která se nyní provádí každý šestý nebo sedmý let, a třída C, nejdůkladnější proces údržby, se používá pro lídry flotily a pro všechny mise s posádkou.

„Hodně práce, kterou děláme, je preventivní, jako jsou inspekce,“ říká Edwards. „Teoreticky by se daly vynechat, jakmile se naučíme všechno, co se naučit dá, ale zatím se k tomu nemusíme uchylovat. Na tyto kontroly máme čas, takže je zatím nechceme odstranit z procesu.“

Gerstenmaier pracuje na přesunu zaměření ohledně spolehlivosti z kontrol na konci procesu na způsob výroby a montáže stupňů. „Snažíme se změnit začátek procesu… tak, aby rovnou vznikl vysoce spolehlivý výrobek a pak se nemusíte starat o provádění kontrol na konci,“ říká.

„Mohu odstranit kontroly a nezvyšovat riziko, protože mám mnohem opakovatelnější a spolehlivější proces, který ten hardware sestavuje,“ dodává.

Vyřazení požadavků, které už jsou přežité, je důležitou součástí procesu zlepšování společnosti SpaceX. „Jsme tak trochu v režimu neustálého učení,“ říká Gerstenmaier. „Nasloucháme hardwaru, který nám říká, co se děje, co se mění a kde má smysl věci odstranit, protože jen zabírají čas, a tak je to správně.“

Společnost například změnila požadavek na provedení statického zážehu po každém vyjmutí motoru.

„Nyní provádíme statický zážeh až po výměně alespoň tří motorů, protože jsme zjistili, že můžeme dát dohromady vysokotlaké spoje, ověřit, že jsou těsné a vše funguje,“ říká Gerstenmaier. „Vypustili jsme asi 14 statických zážehů z předstartovních příprav, které by byly podle našich starých kritérií nutné, a všech těchto 14 misí odstartovalo na první pokus.“

SpaceX také odstranilo požadavky na provádění statických zážehů motoru po výměně kola turbíny. Místo toho společnost přidala na motor několik akcelerometrů, které ověřují, zda turbínové kolo pracuje správně. V případě jakéhokoli problému může čidlo automaticky přerušit odpočet až do poslední půlvteřiny před startem. „Využíváme odpočet při ostrém startu, abychom vlastně nahradili část statického zážehu,” říká Gerstenmaier.

Neschopnost odstraňovat staré požadavky byla hlavním důvodem, proč se raketoplány NASA nikdy nedokázaly přiblížit původně plánované kadenci startů, poznamenává Gerstenmaier, bývalý zástupce administrátora NASA, který dohlížel na raketoplány, Mezinárodní vesmírnou stanici a další programy vesmírných letů s lidskou posádkou.

V letech 1992–1997, kdy byl program raketoplánů na vrcholu, podnikala NASA sedm až osm letů za kalendářní rok. V roce 1984 letěla devětkrát.

„Z různých důvodů jsme byli nuceni být konzervativní a nikdy jsme nemohli odstranit přežité požadavky,“ říká Gerstenmaier. „Pokoušel jsem se požadavky odstranit, ale buď se mi to nepodařilo, nebo to zabralo deset let.“

Například na počátku programu raketoplánů musela NASA po každém letu vyjmout hlavní motory raketoplánu kvůli kontrole. Po několika letech však kontroly už neodhalovaly žádné problémy. „Nepřinášely žádnou přidanou hodnotu a já jsem chtěl kontroly zastavit,“ říká Gerstenmaier. „Ale už jsme byli tak dobří ve vytahování motorů, že se řeklo: ‘Proč prostě nevytáhneme motory a nepodíváme se na ně, když můžeme?’

„Nakonec jsme všechny ty motory raketoplánů rozebírali kvůli kontrole a skončili jsme na spodní hranici křivky spolehlivosti,“ říká. „Ve skutečnosti jsme totiž během testování opotřebovávali komponenty víc než při skutečném letu.

„Pokud máte hardware, který je připraven k letu, je lepší ho nerozebírat kvůli kontrole. Abyste pochopili, zda má nějaký problém, řídíte se spolehlivostí hardwaru a kontrolu provádíte, až když se začnete dostávat do tohoto pozdějšího období životnosti,“ dodává. „U raketoplánu jsme to dělat nesměli.

„Ve SpaceX vidíme přínos toho, že odstraníme nějaký požadavek, a pokud to někde přeženeme, můžeme požadavek zase přidat – nic se nestane a není na tom nic špatného,“ poznamenává Gerstenmaier.

„Jsme schopni pružně přidávat kroky, které dávají smysl a mají vysokou přidanou hodnotu,“ říká Gerstenmaier. „Pokud to nedává smysl, můžeme to stáhnout zpět. Je to velmi malý tým inženýrů s velmi nízkou režií, který může vhodným způsobem reagovat na to, co nám ukazuje přímo hardware.“

NASA dříve fungovala podobným způsobem, ale jak agentura dospívala a setkávala se s problémy, stala se konzervativnější. „Hlídali nás další lidé a tím rostla byrokracie,“ říká Gerstenmaier. „To je přirozené pro každou společnost, ale já chci zajistit, že se to ve SpaceX nestane. Musíme si zachovat stejnou pružnost, stejnou snahu o inženýrskou dokonalost.

„Není to snadné, protože se dostanete do režimu, kdy si říkáte: ‘Vždycky jsem to dělal takhle, proč bychom to měli chtít měnit? Ale musíte zůstat hladoví – nebo jak říká SpaceX, zůstat paranoidní – a neustále hledat příležitosti pro zlepšení,“ říká.

Například nosná raketa Block 5, představená v roce 2018 jako finální verze Falconu 9, se stále vyvíjí. Hardwarové změny zahrnují vylepšený tepelný štít na motorové sekci a úpravu horního stupně, aby mohl odhazovat pohonné hmoty, pokud se oddělí tankovací hadice od panelu rychlého odpojení (QD). „Je těžké si představit, jak by mohl panel QD náhodně odpadnout, ale věděli jsme, že výsledek by byl katastrofální, a proto jsme tuto změnu zavedli,“ říká Edwards. „Většina změn má v současnosti za cíl zlepšit spolehlivost systému a/nebo rychlou znovupoužitelnost rakety.“

Společnost SpaceX pokračuje v provozních změnách i díky údajům shromážděným během misí Starlink. Kromě toho, že podnítily společnost SpaceX k výraznému zvýšení kadence startů, poskytují mise Starlink málo rizikové testovací prostředí pro lepší pochopení letové obálky Falconu.

„Pokud něčemu plně nerozumíme, otestujeme to off-line, abychom pochopili riziko, aplikujeme to na misi Starlink, abychom získali reálná testovací data, a pak tyto poznatky použijeme u našich dalších zákazníků,“ říká Gerstenmaier. „Posouvání hranice z hlediska výkonu ve skutečnosti zvyšuje spolehlivost pro pilotované a další mise, protože jsme mohli trochu experimentovat s naším hardwarem.“

Po vypuštění egyptské geostacionární komunikační družice Nilesat 301 dne 8. června společnost SpaceX dosáhla mety 157 letů Falconu 9, z nichž 99 startovalo na již použitých raketách. Třetina všech misí Falconu 9 byla určena pro vynášení satelitní sítě Starlink, která je určena k poskytování vysokorychlostního internetového připojení s nízkou latencí po celém světě. „Mise Starlink jsou naše nejžhavější mise a létají na nich lídři flotily, takže se při nich naučíme nejvíc,“ říká Edwards.

Společnost SpaceX využívá mise Starlink k úpravě profilu tahu Falconu 9, což poskytuje více informací o spolehlivosti a provozních rezervách rakety. Inženýři také uplatnili zkušenosti získané ze dvou předčasných vypnutí motorů během misí Starlink v březnu 2020 a únoru 2021. V obou případech zbývajících osm motorů Merlin 1D poruchu kompenzovalo, ale při následných pokusech o přistání došlo ke ztrátě obou prvních stupňů.

Při prvním incidentu, k němuž došlo 18. března 2020, se motor č. 3 vypnul 140 sekund po startu, když se ve vysokotlaké kyslíkové sekci generátoru vznítily zbytky paliva – nejspíše šlo o čisticí kapalinu z procedury proplachu plynového generátoru – a způsobily jeho selhání. Jednalo se o první selhání motoru Merlin 1D, který debutoval v roce 2013.

Dřívější varianta motoru Merlin 1C selhala během čtvrtého letu Falconu 9 společnosti SpaceX v říjnu 2012, což byla první mise společnosti s nákladem pro NASA. Tento nosič i přesto také úspěšně dopravil na oběžnou dráhu svůj primární náklad, nákladní loď Dragon.

Další motor Merlin 1D, tentokrát motor č. 9, který se nachází uprostřed konstrukce zvané „octaweb“ na Falconu 9, se vypnul 143 sekund po startu 16. února 2021, když horký plyn pronikl do motorového prostoru a způsobil elektrický zkrat ve svazku kabelů škrticího ventilu. To vedlo k selhání generátoru plynu na motoru.

„Zjistili jsme, že proud spalin se vrací zpět a dokáže se dostat k motoru č. 9,“ říká Gerstenmaier. „Horký proud se v podstatě dostal do tohoto motorového prostoru, propálil kabelový svazek a zkratoval některé dráty. Pak se ventil otevřel naplno a došlo k vypnutí motoru.

„Byli jsme dostatečně blízko oběžné dráhy a dokázali jsme se zotavit a vyšlo to, ale zjevně jsme měli poruchu motoru, která byla způsobena tímto problémem s kabelovým svazkem,“ dodává.

SpaceX problém vyřešilo okrytováním svazků a změnou softwaru pro detekci závad, což raketě umožnilo návrat do služby. Inženýři také začali pracovat na dlouhodobém řešení, které by zabránilo horkým plynům dostat se do tohoto místa.

„Toto je příklad, kdy jsme šli nad rámec pouhé opravy problému,“ říká Gerstenmaier. „Nejenže jsme okrytovali tento svazek, ale přidali jsme ochranu i u dalších svazků, které byly potenciálně náchylné. Pak jsme zjistili problém se softwarem, který nechránil tyto senzory před nízkým [napětím] mimo měřítko, a software na to reagoval nesprávným způsobem. Takže jsme opravili i ten software. Provedli jsme další změny systému, které nesouvisely s místem, kde došlo k poruše.

„Pokud u rakety nastane problém, je to příležitost využít představivost a… zabránit budoucí poruše, o které jste ani nevěděli, že by k ní mohlo dojít,“ dodává. „Nejenže vyřešíte svůj první problém, ale vyřešíte i dva další problémy, které ještě ani nenastaly.“

SpaceX také využila mise Starlink k experimentování s načasováním mezi oddělením prvního stupně a zážehem motoru druhého stupně. Oddělení prvního stupně a okamžité zapálení druhého je z hlediska výkonu druhého stupně lepší, ale spaliny pak zasáhnou mezistupeň na nosiči, což zvyšuje jeho opotřebení. „Hledáme způsob, jak zapálit motor co nejdříve, ale přitom nepoškodit komponenty prvního stupně,“ říká Jensen.

Společnost SpaceX se zatím dopracovala až k 25metrové separaci tím, že zkracovala dobu mezi oddělením prvního stupně a zážehem druhého stupně v krocích po čtvrt sekundě.

Stejně tak mise Starlink poskytují společnosti SpaceX zkušební prostředí pro časování oddělení aerodynamických krytů. Zákazníci mají obvykle přísné požadavky na dobu odpojení krytu, aby se zabránilo zahřívání nákladu částicemi řídké atmosféry na okraji vesmíru.

„Při misích Starlink jsme začali postupně odhazovat kryt dříve a umožnili jsme tak stále větší zahřívání,“ říká Edwards. „Nyní jsme se dostali do bodu, kdy je zahřívání více než desetkrát vyšší, než je běžně povoleno na misích pro externí zákazníky.“

Jeden systém vládne všemu

Schopnost SpaceX tak rychle testovat, analyzovat a konstruovat spočívá v elektronickém systému testování a zpracování nazvaném Warp. Při stavbě rakety zadávají technici data do počítače, což je proces, který může Gerstenmaier sledovat. „Když vidím něco, co se mi nelíbí, mohu si s nimi zajít promluvit,“ říká. „Něco takového bylo v mé minulé práci neslýchané. Dostal bych nějaký papírový produkt třeba o měsíc později a mohl bych si ho prohlédnout a zjistit, kde někdo nenapsal správnou hodnotu utažení šroubu.“

Datový systém zahrnuje automatizovaný proces kontroly dat nazvaný Hyperion, který bere data přicházející z rakety a provádí počáteční zběžnou kontrolu, zda jsou všechny parametry správné. „Když je něco na hraně, systém se přiklání k opatrnosti a označit to za selhání,“ říká Gerstenmaier. „To pak nutí inženýra, aby se šel podívat a pochopil, proč je určité měření mimo specifikace z předchozích letů. Inženýrovi to ulehčuje práci, protože nemusí zkoumat všechna data a rovnou mu to vytáhne data, která jsou mimo normu.“

Další elektronický nástroj se stará o pracovní postup, který v podstatě dává společnosti SpaceX vědět, kdy je připravena k letu. „V mé minulé práci to byl plně papírový proces se spoustou schůzek,“ říká Gerstenmaier. „Teď jsou to všechno elektronická data, která můžete projít a zjistit, jak na tom jste. Můžete vidět trendy, můžete si vytáhnout data. Máme obrovské množství metrik, které nám nyní pomáhají dívat se na spolehlivost v jiném světle.“

Pokud inženýr potřebuje provést změnu, v systému Warp vytvoří hlášení problému a zdokumentuje například, že kontroly po letu zjistily nějaký problém s konkrétním dílem.

Inženýři to zkontrolují a systém Warp označí podobné problémy, které se mohly vyskytnout při předchozích letech. Pro provedení změny by inženýr zadal žádost, kterou by pak přezkoumalo několik lidí, aby se ujistili, že změna nebude mít dopad na nějaký jiný systém.

Warp pak automaticky spustí proces plánování tím, že vypíše seznam nových dílů, které je třeba vyrobit, a vydá pokyny k pracovnímu příkazu. „Všechno je to v jednom obrovském podnikovém systému, který SpaceX vybudovalo,“ říká Jensen.

„To je výhoda společnosti, která začala od nuly a má také silné softwarové zázemí,“ dodává Gerstenmaier. „Obrovskou výhodou je pro nás také to, že se díváme na to, co dělá automobilový průmysl a jak dosahuje vysoké spolehlivosti. Najali jsme několik lidí z automobilového průmyslu na straně výroby a využili jsme těchto zkušeností.“

Pro Starlink využívá společnost SpaceX osvědčené postupy z oboru výroby komerční elektroniky. „Pro systém Starlink zde každý týden vyrábíme 20 000 uživatelských terminálů se sfázovanou soustavou antén pro pásmo Ku. To je neslýchané,“ říká Gerstenmaier.

Získané poznatky se znovu promítají do výroby motorů, protože společnost SpaceX se připravuje na výrobu motorů Raptor pro Starship tempem jednoho motoru každých 18–24 hodin. „Jsme schopni prolamovat bariéry, které byly dříve považovány za neměnný standard,“ říká Gerstenmaier. „Integrujeme, přebíráme osvědčené postupy, inovujeme a zůstáváme agilní.“

Přeloženo z: Aviation Week