SpaceX zavedlo variantu vakuového Merlinu se zkrácenou tryskou, což má vliv i na přistání prvního stupně

Letos v dubnu poprvé letěl Falcon 9 s upraveným motorem Merlin na horním stupni rakety. Motor byl na první pohled odlišný díky výrazně zkrácené trysce. Ta od té doby letěla už třikrát a postupně jsme se o ní dozvěděli podrobnější informace. Navíc se ukázalo, jak SpaceX kvůli kratší trysce upravuje celkový letový profil, aby se vykompenzoval snížený výkon vakuového Merlinu. To má dopady nejen na horní stupeň, kde se zkrácená tryska nachází, ale také na první stupeň, který kvůli tomu musí provádět přistávací manévry odlišným způsobem.

Zkrácená tryska na vakuovém motoru Merlinu (MVac) byla poprvé použita na dubnové misi Transporter-7. Komentátor SpaceX během živého přenosu vysvětlil, že tento typ trysky má snížený výkon, a tak bude používán jen u méně náročných misí, které nevyžadují co nejvyšší efektivitu rakety pro dosažení cílové oběžné dráhy. SpaceX pak během přenosu z mise CRS-28 prozradilo, že MVac se zkrácenou tryskou má tah 902 kN. A z oficiální příručky víme, že vakuový Merlin s plnohodnotnou tryskou má tah 980 kN. Kratší tryska tedy má za následek snížení výkonu o přibližně 8 %. Web Next Spaceflight navíc uvádí, že tato tryska snižuje výrobní náklady a umožňuje vyšší kadenci startů. Spekuluje se, že standardní tryska z niobové slitiny obsahuje nedostatkové materiály, což by mohlo vysvětlovat, proč se firmě vyplatilo vyvíjet a testovat zcela nový typ trysky. Úspory na výrobních nákladech totiž možná jsou relativně malé (v kontextu celého horního stupně, jehož výroba stojí kolem 10 milionů dolarů), ale pokud velká tryska vyžaduje materiály, které je obtížné získat v dostatečném množství, zkrácená tryska by tak představovala především řešení umožňující udržení vysoké kadence startů. SpaceX totiž letos vyrobí téměř 100 druhých stupňů pro Falcony a pokud by se výrobní linka musela zastavit kvůli nedostatku potřebné slitiny pro standardní trysku, byl by to obrovský problém. Připomínám však, že toto je jen spekulace.

Jak bylo zmíněno, SpaceX hodlá zkrácenou trysku používat na méně náročných misích. V případě mise Transporter-7 sice raketa vynášela vysoký počet družic, ale ty jsou malé a lehké a navíc jsou vypouštěny na nízké oběžné dráze. Falcon 9 tak měl i při použití zkrácené trysky stále dostatek paliva pro přistání prvního stupně zpět na pevnině. Na první pohled by se proto mohlo zdát, že zkrácená tryska vlastně neměla žádný vliv, ale není to pravda. Podrobnější analýza ukazuje, že nižší výkon druhého stupně si vyžádal určitou daň.

Oproti předchozí misi Transporter-6 s plnohodnotnou tryskou musel první stupeň v případě mise Transporter-7 pracovat o něco usilovněji a jeho motory hořely o pár sekund déle. To znamená, že oddělení horního stupně proběhlo při vyšší rychlosti a první stupeň spotřeboval o něco více paliva, aby urychlil druhý stupeň více než normálně. To mělo za následek, že první stupeň musel být úspornější během následného návratu na pevninu, a tak byl upraven způsob zažehávání motorů před přistáním. Po oddělení stupňů proběhl zpětný zážeh, při kterém jsou zapáleny tři motory Merlin na prvním stupni, aby jej nasměrovaly zpět na pevninu. Jelikož ale oddělení tentokrát proběhlo později, první stupeň měl vyšší rychlost a stihl se více vzdálit od pevniny. Zpětný zážeh proto trval o 8 sekund déle než normálně, což si opět vyžádalo palivo navíc. Následoval vstupní zážeh, při kterém první stupeň obvykle zažehne tři Merliny, které raketu zpomalí před návratem do hustých vrstev atmosféry. Tentokrát byl ale zažehnut pouze jeden Merlin a navíc jen na poloviční dobu, takže raketa byla zpomalena o dost méně než normálně. To mělo za následek, že stupeň vstoupil do atmosféry vyšší rychlostí a musel více spoléhat na aerodynamické brzdění. Kvůli tomu došlo ke zvýšenému zahřívání rakety, ale zato se tím ušetřilo dost paliva. A finální přistávací zážeh byl také proveden v úsporné variantě. Normálně je v této fázi zažehnut pouze prostřední Merlin, který například při předchozí misi Transporter-6 hořel po dobu 35 sekund. Oproti tomu u mise Transporter-7 byl proveden riskantnější manévr, kdy kromě středového motoru byly nakrátko zažehnuty také dva další po stranách. Přistávací zážeh v takovém případě musel být preciznější, protože trval jen 21 sekund, avšak ušetřilo se tím další palivo díky minimalizaci tzv. gravitačních ztrát. Tento třímotorový přistávací zážeh byl v minulosti používán v podstatě jen u bočních stupňů Falconu Heavy, ale nyní je nutný i u některých misí se zkrácenou tryskou, jelikož první stupeň při nich má omezené množství paliva pro přistání.

Neznamená to však, že všechny mise s krátkou tryskou musejí provádět výše popsaný způsob zážehů před přistáním. Například při květnové misi Iridium-9 / OneWeb F19, což byl druhý start se zkrácenou tryskou, přistával první stupeň na mořské plošině a provedl standardní vstupní zážeh s třemi motory a finální přistávací zážeh s jedním motorem. Každý start je jiný a SpaceX pravděpodobně vždy navrhuje letový profil na míru potřebám dané mise.

Hmotnost nákladu, cílová orbita a výkon obou stupňů diktuje množství paliva, které bude mít první stupeň k dispozici pro přistání, a následně jsou zážehy naplánovány co nejoptimálnějším způsobem s ohledem na několik věcí. Ideální je přistávat na pevnině, protože tím SpaceX odpadají náklady na vyslání přistávací plošiny a podpůrných lodí na moře. Na pevnině však lze přistávat jen u méně náročných misí, většinou má raketa dostatek paliva pouze pro úspornější přistání na mořské plošině. V takovém případě ale SpaceX stále má několik pák, kterými může optimalizovat způsob přistání. Jedním z cílů při plánování návratového profilu prvního stupně pravděpodobně je co nejmenší zahřívání (a tím pádem opotřebení), a proto stupně obvykle před návratem do atmosféry zažehávají tři motory na poměrně dlouhou dobu, aby raketa co nejvíce zpomalila a tím se omezilo přetížení a celkové zahřívání/tření vlivem aerodynamického brzdění.

SpaceX nejspíš zároveň chce, aby přistání bylo co nejspolehlivější, a proto první stupně obvykle provádějí delší jednomotorový přistávací zážeh. To je sice méně efektivní z hlediska spotřeby paliva, ale motor díky tomu má delší dobu na postupné přiškrcování tahu a může provést co nejbezpečnější a nejměkčí přistání. Navíc zážeh jednoho motoru místo tří představuje další snížení opotřebení hardwaru rakety, což je důležité pro jeho dlouhodobou znovupoužitelnost.

Zajímavý poznatek vyplynul také z posledních dvou startů Falconu 9 s lodí Dragon. V květnu odstartovala mise Ax-2 s Crew Dragonem a čtyřmi astronauty a první stupeň rakety při ní poprvé přistál zpět na pevnině (u všech předchozích misí s Crew Dragonem raketa přistávala na mořské plošině). Přistání na pevnině bylo možné díky vyššímu výkonu motorů Merlin na prvním stupni a dalším optimalizacím, se kterými SpaceX experimentovalo v posledních měsících a letech. Tyto změny byly nejdříve testovány na misích s družicemi Starlink a umožnily zvýšenou nosnost Falconu 9. Data ze spousty takových misí pak ukázala, že provozování Merlinů s vyšším výkonem je bezpečné, a tak byly tyto úpravy zavedeny i na misích pro platící zákazníky, včetně těch pilotovaných. Startům s astronauty zřejmě v minulosti chybělo jen velmi málo do bodu, kdy by při nich bylo možné přistávat na pevnině, a toto zvýšení nosnosti Falconu 9 to konečně umožnilo.

V červnu pak následovala mise CRS-28 s nákladním Dragonem, a tak se před startem spekulovalo, zda při těchto zásobovacích misích bude Falcon 9 také moct přistávat na pevnině. Nakonec ale přistání proběhlo jako obvykle na mořské plošině a navíc byla při této misi použita zkrácená tryska. Zástupce SpaceX však během tiskové konference před startem uvedl, že některé budoucí mise CRS možná budou přistávat na pevnině. Bude to prý posuzováno individuálně a bude záležet na celkové hmotnosti neseného nákladu při konkrétní misi.

Dragon plný nákladu je tedy zřejmě o něco těžší než Crew Dragon s astronauty, a tak bude přistání na pevnině možné jen někdy. To však zároveň znamená, že při misích s Dragonem má raketa v případě přistání na mořské plošině poměrně velkou palivovou rezervu. To platilo už v minulosti, kdy první stupeň při nákladních misích CRS prováděl po oddělení částečný zpětný zážeh. Ten jej sice nedostal až na pevninu, ale přistání díky němu proběhlo jen nějakých 300 km od pobřeží místo obvyklé zhruba dvojnásobné vzdálenosti. Námořní flotila SpaceX tak ušetřila několik dnů při cestě z přístavu na místo přistání a zpět. Přítomnost zkrácené trysky na misi CRS-28 však měla za následek, že zpětný zážeh už nebylo možné provést. První stupeň totiž musel před oddělením hořet o 6 sekund déle než obvykle, a tak na zpětný zážeh už nezbylo palivo. Méně výkonný druhý stupeň navíc musel mít motor zažehnutý o 11 sekund déle než normálně. Přistání prvního stupně se ale jinak výrazně neodchýlilo od standardního průběhu. Vstupní zážeh tedy proběhl se třemi zažehlými Merliny a raketa přistávala jen s jedním zapáleným motorem.

Všechny tyto rozdíly v letových profilech různých misí názorně ukazují, jak nižší výkon druhého stupně ovlivňuje také první stupeň a možnosti přistání. Zároveň je to další příklad nikdy nekončících inovací a optimalizací, které jsou pro SpaceX typické. Firma neustále pracuje na zvýšení výkonu, snížení výrobních nákladů, zrychlení procesu opakovaného použití hardwaru a také průběžně optimalizuje všemožné související procesy a logistiku.

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!