Proč mají starty Falconů i statické zážehy přesně vyhrazené časové okno?

Každý start SpaceX a dokonce i statické zážehy, při kterých raketa nikam neletí, mají jasně vyhrazené časové okno, během kterého je možné start či test provést. Čtenáři se nás docela často ptají, proč tomu tak je a proč je startovní okno někdy okamžité a jindy klidně i několik hodin dlouhé. Odpovědi na tyto otázky a mnoho dalšího najdete v tomto článku.

Startovní okno

Co je to vlastně to startovní okno, o kterém se mluví při každém startu rakety a tento pojem najdete i v profilech zde na ElonX? Jedná se o časový úsek, ve kterém může raketa odstartovat a dostat se na zamýšlenou dráhu. Celá situace se dá vyjádřit i obráceně, mimo startovní okno není možné oné cílené orbity danými prostředky dosáhnout. Pokud raketa v daném okně neodstartuje, musí být start zrušen a musí se čekat na otevření dalšího startovního okna.

Pokud by se startovalo prostě kupříkladu jen na zemskou orbitu, která není nikterak určená, startovní okno by nebylo potřeba upřesňovat a startovat by se mohlo kdykoliv. Jakmile ovšem už určíme cílovou dráhu, přesnou pozici na dráze (v tomto případě se často jedná o setkání s jiným kosmickým tělesem) či cílovou planetu, nastane nutnost okamžik startu pečlivě plánovat. Startovní okno je přitom dáno postavením startovního bodu a cíle, zvolenou trajektorií letu, zda budeme provádět gravitační manévr či nikoliv, zda chceme na cílové planetě přistát, usadit se na její orbitální dráze, či jen proletět kolem ní. Zároveň také platí, že pokud má raketa a sonda dostatek manévrovacích schopností a paliva, časové okno pro start se rozšiřuje. Nutnost odstartovat v konkrétním časovém úseku je podmíněna i faktem, že hlavní orbitální manévry se provádí po startu, a po odpojení nosné rakety jsou manévrovací schopnosti družice či sondy již jen velmi omezené.

Zkusme se teď na chvíli podívat na problém startovního okna z hlediska SpaceX, abychom se nebavili jen tak úplně obecně, ale i malinko konkrétněji. Pokud chceme startovat k ISS, jako to dělají Dragony při zásobovacích misích CRS, musíme se dostat nejen stejně vysoko, jako je ISS, ale i do přesně stejné roviny dráhy a ve stejný čas. Protože splnit všechny tyto podmínky najednou rovnou při startu je téměř nemožné, používá se následující postup.

Pro začátek je nejdůležitější navést Dragon do stejné roviny oběžné dráhy. Se startem se tedy čeká na okamžik, kdy rovina dráhy ISS protíná místo startu. A protože se Země velmi rychle otáčí, je časové období pro start dlouhé jen několik minut. V případě startů SpaceX k ISS je to asi 10 minut. Proč tedy píšeme v profilech misí, že je okno okamžité? Pokud by se SpaceX z jakéhokoliv důvodu nepodařilo odstartovat a chtělo by znovu zahájit odpočet, bylo by potřeba nejdříve odčerpat všechno palivo a okysličovadlo a provést nový tankovací cyklus s patřičně podchlazeným palivem. Tento proces zabere minimálně 35 minut (tak dlouho trvá tankování), ale v praxi je to více kvůli nutnosti provést ještě odčerpání starého paliva. Z praktického hlediska jsou tedy pro SpaceX takto krátká startovní okna okamžitá.

Ale zpět k naší cestě k ISS. Dragon je naveden na nižší dráhu než ISS a protože na nižší oběžné dráze je doba oběhu kratší, začne Dragon ISS dohánět. V nejhorším případě ho musí dohnat téměř o jeden celý oběh, což obvykle trvá maximálně dva dny. Potom se dráha postupně zvedá a Dragon tím zpomaluje své přibližování k ISS. Nakonec se dostane na dráhu ve stejné výšce a potom už dojde na velmi pomalé korekce dráhy, tím i přibližování a nakonec i ke spojení. Podobně okamžité časové okno mimochodem platí i pro starty na heliosynchronní dráhu.

Velmi často také SpaceX startuje na dráhu přechodovou ke geostacionární (GTO), kam vynáší komerční družice. Určitě jste si mohli všimnout v profilech misí, že startovní okno už může trvat i několik hodin. Co v praxi určuje velikost startovního okna? Nemělo by být možné na geostacionární dráhu (GEO) startovat v podstatě kdykoliv? Za odpověď na tuto otázku děkuji Michalu Václavíkovi z České kosmické kanceláře:

Teoreticky ano, pokud by bylo jedno, kde na GEO družice bude. V praxi to ale jedno není, takže je nutné startovat v určitém časovém rozmezí pro časově a energeticky elegantní dosažení cílového bodu zavěšení. Musí se navíc vzít v potaz následné manévry po navedení na počáteční dráhu, GTO apod., kdy je třeba provést manévr(y) (může jích být několik) ve vhodné apsidě vůči konečnému bodu zavěšení. A protože je nebeská mechanika neoblomná, limituje to časové úseky kdy se to vyplatí – startovací okna. Navíc žádný kosmodrom neleží přímo na rovníku a tak nelze přímo při startu navést družici na dráhu okolo Země se sklonem 0° vůči rovníku a je tedy potřeba provést ještě manévr(y) změny sklonu oběžné dráhy. Jdou samozřejmě kombinovat s výše uvedenými manévry.

Samozřejmě svou roli hrají i uzávěrky letecké a námořní dopravy v oblasti, pronájem kosmodromu, pronájem sledovacích stanic a frekvencí aj. Co se například týká omezení letecké dopravy, v době čekání na start Falconu Heavy, který měl okno dlouhé 2,5 hodiny, bylo kvůli uzávěrce startovní oblasti zpožděno 515 letů a průměrný čas zpoždění na jeden let byl 8 minut. A pravděpodobně se to většině pasažérů nelíbilo.

Mohou se vyskytovat také případy, kdy raketa může odstartovat v kterémkoliv okamžiku mezi začátkem a koncem startovního okna. Může nastat ovšem i situace, kdy startovní okno trvá řadu dní, ale povolené startovní časy jsou jen diskrétní časové údaje, viz odkaz na stránku o startovním oknu roverů Spirit a Opportunity. Startovní okno pro Spirit se otevřelo 5. června 2003 a uzavíralo se 24. června 2003, přičemž každý den byly určeny dva konkrétní časy, ve kterých byl start k Marsu uskutečnitelný. Startovní okno pro Mars se otevírá na pár týdnů každých 26 měsíců (po 780 dnech). Unikátní postavení plynných obrů naší sluneční soustavy, které se opakuje jednou za 176 let, využila v roce 1977 sonda Voyager 2 při návštěvě každé z nich v letech 1979–1989. V případě startů mimo zemské gravitační pole se také stává, že z důvodu problémů s nosnou raketou buď start odložíte na další okno (i několik let), nebo přeplánujete celou misi a odstartujete k náhradnímu cíli (Rosetta).

Následující dva pohyblivé obrázky ukazují, jak pečlivě je nutno naplánovat okno ke startu k Marsu, oba vytvořila JPL.

Na závěr jsem přeložil názorný příklad ze stránky ESA o startu sondy Mars Express:

Proč tedy potřebujeme startovní okno pro Mars Express? Jestli chceme poslat misi k určité planetě, proč prostě neodstartujeme s raketou v libovolný okamžik, potom si nenajdeme Mars na obloze a nezamíříme k němu?

Představme si sluneční soustavu jako normální oválnou atletickou dráhu. Pokud budeme sledovat závod na 400 m ze středu oválu a budeme chtít chytit jednoho z běžců na dráze, jeden z možných způsobů, jak to udělat, bude jednoduše ho pronásledovat. Pokud budete dostatečně rychlí, podaří se vám ho chytit, ale až potom, co ze sebe vydáte ohromné množství energie a uběhnete dlouhou vzdálenost.

Rozhodně efektivnější způsob, jak se pokusit atleta dostihnout, je jít přes střed oválu na druhou stranu. Je to kratší a vynaložíte daleko menší množství energie a času, abyste se tam dostali.

Pokud své kroky načasujete správně, dostanete se na druhou stranu dráhy ve stejný okamžik, kdy tam doběhnou závodníci. Pokud tam budete příliš brzy, budete na ně muset čekat, pokud příliš pozdě, budete muset čekat celé jedno další kolo, než se tam opět dostanou. Při vesmírných letech samozřejmě žádné přímé trajektorie neexistují, všechny planety se pohybují po dlouhých, eliptických či kruhových drahách okolo Slunce. Pokud sonda Mars Express chce dosáhnout Marsu, musí opustit Zemi a potom cestovat po eliptické dráze okolo Slunce, na které se posléze dosáhne orbity Marsu. (Dodatek autora článku – a samozřejmě nejde jen tak zastavit a čekat v prostoru, až se dostaví Mars, vzpomeňte na Newtonův první zákon).

Pro zájemce o další popis lze doporučit například stránku JPL o startovním okně pro let k Marsu.

Samozřejmě dosud nebyla zmíněna jedna velmi důležitá věc, která možná někoho z vás napadla. Když se plánuje start rakety, hlídá někdo vůbec, abychom netrefili nic, co je na oběžné dráze? Ano, samozřejmě, to je věc, která se bere v potaz. Každé startovní okno prochází kontrolou COLA (Collision On Launch Assessment) – prostě se zkontroluje, zda při zvoleném letovém profilu a čase startu nehrozí kolize či jen těsné příblížení k jinému objektu na oběžné dráze. Pokud je při kontrole zjištěno riziko potenciální kolize, startovní okno se musí patřičně upravit.

Velmi hezký komentář se podařil jednomu uživateli na serveru Stack Exchange. Protože riziko srážky se může týkat i tajných objektů, v USA se tato kontrola provádí tak, že si podáte žádost před Joint Space Operations Center. Více informací o tomto procesu se dozvíte zde. Shrnu-li jeho závěry, v praxi se vám může stát, že dostanete doporučení a limity k vašemu startovnímu oknu, aniž byste se dozvěděli důvody. Může to tedy dopadnout tak, že vaše startovní okno bude okamžité, i když by za jiných okolností mohlo trvat daleko déle. Deus ex machina?

Okno pro statický zážeh

Pojem startovního okna jsme si tedy vysvětlili, možná ale nevíte, že vlastní okno mají i statické zážehy raket Falcon. Ty se provádějí pár dní před startem, aby se prověřilo, že všechny systémy rakety i rampy fungují, jak mají. Test simuluje klasický start, takže normálně proběhne tankování paliva a okysličovadla, dělá se odpočet, a na jeho konci jsou na pár sekund zažehnuty motory na prvním stupni. Proč se ale u statického zážehu stanovuje časové okno, během kterého může proběhnout, když raketa stejně nikam neletí?

Odpověď na otázku, proč statický zážeh potřebuje vyhrazené okno, před časem poskytl Petr Melechin v jedné diskuzi čtenáři:

Protože na statickém zážehu se SpaceX spolupracuje stejně jako při ostrém startu také obsluha kosmodromu (range), která spadá pod letectvo a má na starosti všechny starty z dané oblasti (například Mys Canaveral). Její zaměstnanci samozřejmě nemohou být k dispozici 24 hodin denně, a tak je potřeba si je “objednat”. A jelikož range zahrnuje stovky lidí a SpaceX za jejich služby musí platit, je i v jejich vlastním zájmu je objednávat na nějakou kratší dobu. Zároveň se kvůli statickému zážehu musejí z bezpečnostních důvodů provádět uzávěrky okolních silnic, což narušuje běžný provoz komplexu. Je tedy potřeba mít jasně stanovené okno.

Za zmínku stojí také manuál z roku 1962, který vytvořilo Centrum pro analýzu informací o chemických pohonech na Univerzitě Johnse Hopkinse. Už tehdy manuál dost podrobně stanovoval, za jakých podmínek je možno statické zážehy provádět. Jednalo se tehdy o podmínky provádění testů raket na tuhé palivo, ale princip je stejný. Dočtete se v něm, jak je nutno majáky označit celou pečlivě vymezenou testovací oblast, zamezit do ní přístupu osob, jak musí být zajištěna vizuální kontrola testovaného objektu, omezeno kouření, rádiové vysílání atd. Manuál je velmi podrobný a má 47 stran.