Vodní systém během startů SpaceX chrání nejen rampu, ale také raketu

Dozajista jste jako pravidelní návštěvníci našeho webu pozorovali start rakety Falcon 9 či Heavy v přímém přenosu. Také jste si jistě v živých záběrech povšimli, že během startu je na startovní rampu vypouštěna obrovská spousta vody. Položili jste si však někdy otázku, proč se tak děje? Jaký cíl se tím sleduje? Na tyto a další aspekty týkající se startů raket se v dnešním článku podíváme blíže.

Rakety při svém startu z odpalovacího stanoviště musí vydržet velké namáhání. Aniž si to však uvědomujeme, je na tom podobně i rampa samotná. Na ni totiž vychrlí startující raketa obrovskou rychlostí proud spalin a při každém startu jí hrozí velké poškození. O jakém nebezpečí pro startovní rampu se však bavíme? Kupříkladu spaliny motoru Merlin 1D opouští trysku rychlostí 2,77 km/s a mají teplotu přibližně 1500 °C. Spaliny tedy několikanásobně překračují rychlost zvuku, která se při teplotě 20 °C udává jako 343 m/s. Při střetu spalin s okolním vzduchem dochází ke tvorbě rázové vlny a všichni, kdo jste kdy slyšeli na obloze nadzvukové letadlo, si patrně dokážete představit hluk, který při tomto procesu vzniká. Proud spalin opouštějící raketové motory je tedy nutno usměrnit, protože pokud by mířil směrem kolmo k zemi, mohl by se následně odrazit a poškodit startující raketu, ať už teplem samotným či odraženými zvukovými vlnami.

Aby se zabránilo případnému poškození rakety či startovní rampy, nejsou rakety už dávno odpalovány přímo z rovné země, ale startovní komplexy pro rakety jsou speciálně budovány. Každá ze zemí, která má na svém území kosmodromy, se tento problém rozhodla řešit jinak. Řešení, které si zvolila NASA, si ukážeme na příkladu rampy LC-39A. Jde o jednu z ramp v Kennedyho vesmírném středisku a od roku 2014 ji má pronajatou SpaceX. Pod raketou je umístěn šikmý deflektor (rozrážeč), který proudící spaliny odkloní do stran a zamezí tak jejich odražení směrem zpět ke startující raketě. Deflektor má výšku 13 metrů, šířku 15 metrů a hmotnost 317 tun. Následující video, na kterém je nám rampa LC-39A představena, pochází z roku 2011, kdy z ní startovaly ještě americké raketoplány.

Naproti tomu Rusové si od počátku zvolili jiný přístup, který je poměrně jednoduchý, ale velmi účinný. Vykopali obří příkop – v případě rampy 1/5 se uvádí, že bylo odstraněno 750 000 kubických metrů zeminy – a na jeho okraji umístili startovní stůl. Při zážehu motorů rakety je pak proud spalin úplně odkloněn do volného prostoru. Dno příkopu je vybetonováno a nejvíce namáhaná místa jsou kryta ocelovými deskami.

Při startu raket však nejde jen o samotný proud horkých spalin, ale i o zvukovou energii, která při startu raket vzniká. Tato energie je značná a pokud by nebyla při startu utlumena, mohlo by dojít k jejímu odrazu a poškození rampy samotné, nosiče či kabiny s posádkou. Při zážehu motorů rakety Saturn V překračovala hladina intenzity zvuku hodnotu 200 decibelů. Již tehdy bylo nutno utlumit zvukové vlny vznikající při činnosti motorů, jinak by následkem odrazu zvukových vln mohlo dojít ke zničení motorů F-1. Aby tomuto nebezpečí bylo zabráněno, byly startovní rampy, mobilní plošina, deflektor spalin i přístupová ramena pro obsluhu zaplavovány vodou, která přívodními potrubími proudila rychlostí 170 000 l/min. Zvukové vlny vzniklé zážehem motoru se poté střetávají s molekulami vody, rozvibrovávají je, a tím je zahřívají, což výrazně zeslabuje energii zvukových vln.

O několik let později začala NASA vyvíjet raketoplán, který používal pomocné urychlovací boostery na tuhé pohonné látky a kadence startů tohoto stroje měla být výrazně vyšší než v případě Saturnu V. NASA se proto rozhodla upravit své startovní rampy tak, aby umožnily lépe tlumit akustické vlny vznikající při startu. Pro tento účel postavila nedaleko startovní rampy vodojem o výšce 88 metrů, ve kterém je připraveno celkem 1135 tun vody. Několik sekund před startem je pak tato voda vypouštěna na startovní rampu rychlostí přibližně 57 000 l/s, neboli 3,4 milionů litrů za minutu. Uvádí se, že z celkového množství vody, kterým je během startu pokropena startovní rampa, se celkem 200 tun vypaří, 10 tun je atomizováno a zbytek skončí v okolí rampy. Tímto způsobem je možné snížit hluk startující rakety z hodnoty více než 200 dB až k hodnotám 142 dB. Celý systém ochrany rampy vodou raketoplánů podrobněji vysvětlují v pořadu Technické divy světa – Raketoplán. Popis začíná přibližně v čase 22:36 a trvá asi 12 minut.

Možná jste si při čtení předcházejících odstavců položili otázku, zda je nebezpečí poškození startujícího nosiče či rampy reálné? Pro obě možná poškození existují historické příklady. První z nich pochází již z dubna 1981, kdy poprvé startoval americký raketoplán Columbia v rámci mise STS-1. Při startu došlo k odražení zvukových vln, které poškodily tepelnou ochranu raketoplánu. Odpadlo celkem 16 dlaždic a dalších 148 bylo poškozeno. To však nebylo zdaleka všechno, zvukové vlny také při startu pohnuly horizontálním stabilizátorem („body flap“), který se nachází na spodní části raketoplánu pod hlavními motory RS-25 a slouží k řízení raketoplánu při jeho přistávání. Stabilizátor se pohnul takovým způsobem, že nebýt předimenzování jeho konstrukce, došlo by v něm k poškození hydrauliky a raketoplán by téměř nebylo možno při návratu řídit. Velitel této první mise raketoplánu, John Young, později uvedl, že kdyby o tomto poškození během vzletu věděli, vyletěli by pouze do bezpečné výšky a katapultovali se. Učinili by tak i s vědomím toho, že na raketoplánu by stále pracovaly pomocné urychlovací boostery na tuhá paliva. Samozřejmě by touto katapultáží došlo i ke ztrátě raketoplánu Columbia. Po přistání bylo nutno celý systém zaplavení rampy upravit, aby k tomuto poškození již nikdy nemohlo dojít. Přesto i poté docházelo po startech raketoplánu k poškození, i když hlavně byla zasažena startovní rampa, jako kupříkladu po startu mise STS-124. Tehdy rampa utrpěla největší poškození ze všech startů z ní, odletělo z ní 5300 cihel, které zasáhly i oplocení startovní rampy.

Historie kosmonautiky zná i jiné případy poškození startovní rampy. Stalo se tak při prvním startu superrakety Eněrgija v květnu roku 1987, při kterém měla být vynesena maketa vojenské stanice Poljus. Sověti se sice u většiny svých raket obešli bez zaplavování vodou, v případě rakety Eněrgija však vodní systém vybudovali. Ten ale přibližně minutu před startem selhal. Protože se ale již předem vědělo, že nosná raketa přečká tento výpadek bez úhony, obsahovala startovní sekvence příkaz nepřerušit v takovémto případě start. Raketa tedy v pořádku odstartovala a vynesla náklad na doručovací dráhu. Problém měla ovšem startovní rampa, v důsledku jejího nezaplavení vodou došlo velkému poškození (strana 282). Bližší detaily o charakteru poškození se mi již nepodařilo dohledat.

A jakým způsobem chrání své startovní rampy a rakety SpaceX? Když firma v roce 2010 začala vypouštět Falcony 9, neměla nejmenší důvod jakkoliv měnit zavedený způsob ochrany startovní rampy. Od začátku své činnosti totiž vždy počítala s vysokou kadencí startů svých raket a aby zamezila jakémukoliv poškození rampy či rakety, nemá v podstatě jinou možnost. Na každé ze svých tří startovních ramp tento systém ochrany používá. Jako první začaly Falcony 9 startovat z rampy SLC-40. Jak vypadá vodní systém na tamní rampě, je vidět na obrázku výše. Jako druhá se poté přidala v roce 2013 startovní rampa SLC-4E na Vandenbergově letecké základně v Kalifornii. Činnost vodního systému můžete vidět na následujícím videu, které bylo pořízeno během startu mise Iridium-8.

Rampa SLC-40 byla zničena při explozi Falconu 9 před misí Amos-6 v roce 2016 a v rámci následné rekonstrukce byla rampa kompletně přepracována. Jednou ze změn, které SpaceX na rampě SLC-40 provedlo, bylo vylepšení šachty pro odvod spalin, která nyní disponuje značně posíleným vodním systémem a také speciálním typem odolného betonu. To firmě umožnilo provádění delších statických zážehů.

Když SpaceX v roce 2016 po nehodě Amos-6 zůstalo na Floridě bez funkční startovní rampy, bylo nutno urychlit dokončení úprav pronajaté rampy LC-39A v Kennedyho vesmírném středisku. Součástí úprav byla i rekonstrukce systému zaplavení rampy vodou. Několik dní před startem mise CRS-10 pak proběhl i test funkčnosti tohoto systému, který můžete vidět na videu níže. U startů Falconů z LC-39A se může z živého přenosu zdát, že voda se začne chrlit moc pozdě, když už se raketa odlepuje od rampy, ale jedná se o záměr, nikoli chybu. U každé z firemních startovních ramp nabíhá vodní systém v trochu jiný okamžik, který je dán samotnou konstrukcí startovní rampy a jejího zařízení.

SpaceX navíc připravuje další dvě startovní rampy, ale obě už budou sloužit k vypouštění vyvíjené rakety Super Heavy / Starship. První rampa z nich má vzniknout v komplexu LC-39A na Floridě, necelých 200 metrů od stávající rampy pro rakety Falcon. Startovní stůl bude umístěn ve výšce 30 metrů a pod ním bude umístěný deflektor, který odkloní proud spalin do šachty o rozměrech 20 x 20 metrů. Deflektor má být stejně jako na rampě SLC-40 tvořen kovovými trubkami chlazenými vodou. Stavba této rampy pro Starship se rozjela v roce 2019 a vidět byl i rozpracovaný deflektor, ale po pár měsících byly práce přerušeny a momentálně to nevypadá, že by měly v dohledné době pokračovat. SpaceX soustředí všechny aktivity kolem Starship do Boca Chica v Texasu.

Původně se předpokládalo, že rampa pro Starship v Boca Chica bude vypadat stejně jako ta na LC-39A, ale situace se vyvinula jinak. V areálu v jižním Texasu letos vyrostlo šest velkých kulatých nohou, na kterých bude umístěn startovní stůl pro orbitální starty Starship / Super Heavy. Dle Elona Muska rampa pod sebou nebude mít žádný deflektor spalin, ale sám dodává, že se to může ukázat jako chyba.

Při startu Super Heavy bude zažehnuto až 28 motorů Raptor najednou, takže lze jen těžko věřit, že by se orbitální rampa obešla bez deflektoru. Ostatně nedávná anomálie během zážehu prototypu Starship SN8 byla způsobena roztříštěním tepelné ochranné vrstvy pod testovacím stolem, a to šlo o zážeh jen dvou motorů. Jak přesně bude startovní rampa v Boca Chica nakonec vypadat, nám snad ukáže blízká budoucnost.