Záchranné systémy, 3. část: Plánované testy úniku Crew Dragonu a Orionu za letu
V poslední části našeho zamyšlení nad záchranou pilotovaných lodí v případě problémů se především podrobněji podíváme na plánovaný test únikového systému lodi Crew Dragon, ale zmíníme také podobný test lodi Orion. Tyto zkoušky budou simulovat situaci, kdy loď potřebuje nouzově uniknout od selhávající rakety.
Už v předchozích článcích jsme zmiňovali, že vládní agentura NASA se v minulosti snažila u svých pilotovaných letů poskytnout posádce kosmické lodi možnost záchrany. Nejinak tomu bude i u jejich budoucí lodi Orion. V minulém článku jste se dozvěděli, že zatímco například Blue Origin provedl test v kompletní letové sestavě, tedy i s raketou, která bude pasažéry vynášet, NASA při testech Apolla použila raketu na tuhá paliva. Držet této tradice se NASA plánuje i v budoucnu. Nosič se bude jmenovat Abort Test Booster a jedná se o nástupce rakety Little Joe II a bude se rovněž jednat o stroj na tuhé pohonné látky (v podstatě to bude první stupeň SR-118 ze střely Peacekeeper). Zajímavé je, že se maketa Orionu nepokusí o žádné přistání, neboť padáky jsou testovány zvlášť. V čase 55 sekund po startu, při rychlosti Mach 1,3 a ve výšce 9,5 km dojde k testu oddělení od nosiče. Test je v současné době plánován na duben 2019. Pro více informací navštivte podrobnější popis mise na Kosmonautix.cz. Orion už mimochodem v roce 2010 provedl test úniku lodi z rampy.
Nyní se přesuňme k tomu, co vás jistě zajímá nejvíce. SpaceX má v plánu provést druhý test únikového systému Crew Dragonu, tentokrát už během letu (prvním testem byl únik z rampy, o kterém pojednával první díl tohoto článku). Jak bude přibližně probíhat? Půjde o suborbitální let, takže raketa Falcon 9 nedosáhne 1. kosmické rychlosti a k testu záchrany za letu dojde dokonce ještě před oddělením prvního a druhého stupně. Motory SuperDraco schopné dosažení plného tahu za 100 milisekund budou zažehnuty v okamžiku maximálního aerodynamického odporu (Max Drag). Ten nastává v trochu jinou dobu než tzv. max-Q (maximální dynamické namáhání), který nejspíš znáte z živých přenosů SpaceX. Budeme-li brát mise CRS jako směrodatné, dojde k němu přibližně 78 sekund po startu ve výšce zhruba 10–15 km.
Přesné charakteristiky testu nejsou zatím známé, ale víme, že k němu dojde mezi demonstračními misemi Crew Dragonu DM-1 a DM-2. To je proto, že loď při něm použitá bude ta samá, která poprvé poletí při misi DM-1. Při této první demonstrační misi bude loď vynesena bez přítomnosti astronautů k ISS a stráví tam přibližně 14 dní testováním všech možných i nemožných systémů. V současné chvíli není vlastně známo ani to, v jaké formě poletí raketa Falcon 9 s lodí Crew Dragon. Druhý stupeň nebude při testu využit, takže se nabízí možnost, že Dragon poletí přimontován přímo k prvnímu stupni nebo raketa bude mít jen nějakou maketu druhého stupně. To by SpaceX ušetřilo peníze za druhý stupeň, ale bylo by potřeba vyrobit nějaký adaptér pro připojení Dragonu k prvnímu nebo onu maketu druhého stupně. To možná firmě nebude stát za námahu.
Fanouškovská vizualizace úniku Dragonu za letu (Autor: /u/Emmajhtr)
Dále je důležité připomenout, že při únikovém testu dojde nejen k oddělení lodi Dragon, ale spolu s ní poletí také trunk. Všichni obyčejně vnímáme trunk jen jako prostor, kam se umisťuje nehermetizovaný náklad, jeho funkce jsou však daleko širší. Při tomto testu budou hlavně využity aerodynamické stabilizátory, které jsou na něm umístěny. Trunk slouží také jako ochrana Dragonu a jeho tepelného štítu v případě jakýchkoliv problémů s raketou Falcon 9. Dále trunk obsahuje výměníky tepla a v neposlední řadě jsou na něm umístěny i solární panely, které Dragon na orbitě zásobují elektrickou energií.
Následující fanouškovské video z roku 2015 ukazuje, jak by mohl test úniku Dragonu za letu vypadat (ve hře Kerbal Space Program). Nutno podotknout, že nosnou raketou je v tomto případě F9R-Dev2, kterou SpaceX původně plánovalo pro test použít. Tato 3motorová experimentální raketa je sice stále uskladněna na Vandenbergově letecké základně, ale jelikož je založena na zastaralé variantě Falconu 9 v1.1, není už kompatibilní s rampami, které SpaceX používá. Ty totiž byly v letech 2015 a 2016 upgradovány pro nové Falcony v1.2, které využívají podchlazené a zhuštěné pohonné hmoty.
Který první stupeň tedy SpaceX nakonec pro test zvolí, když F9R-Dev2 už není možné použít? V poslední době se spekulovalo, že by k testu mohl být použit stupeň B1042, který v roce 2017 absolvoval misi Koreasat 5A. Jedná se totiž o poslední stupeň varianty Block 4, který nemá přiřazenou druhou misi. A jelikož se obecně očekává, že první stupeň test nepřežije, zdá se logické, že SpaceX by chtělo použít “ojetý” Block 4 místo některého ze stupňů nové varianty Block 5, která má být schopna více než 10 startů. Jenže podle nepotvrzených informací od člověka, který absolvoval prohlídku zařízení SpaceX v Kennedyho vesmírném středisku (příspěvek byl později na žádost SpaceX smazán), firma pro test úniku Dragonu za letu plánuje použít stupeň typu Block 5, pro který to prý má být třetí použití.
Crew Dragon určený pro demonstrační misi DM-1 v bezodrazové komoře (Foto: SpaceX)
Spekuluje se, že důvodem pro použití Blocku 5 by mohlo být to, že technické zázemí rampy musí být pro potřeby Blocku 5 nějakým způsobem upraveno a následně už není kompatibilní se starší variantou Block 4. Tomu nahrává skutečnost, že od únorové demonstrační mise Falconu Heavy proběhl z rampy LC-39A pouze jeden další start, a zrovna to byla premiéra Blocku 5. Následné starty raket varianty Block 4 už opět probíhaly z rampy SLC-40. To by mohlo indikovat, že LC-39A už byla upgradovaná pro Block 5, ale SLC-40 ještě ne. Jenže posledním startem Blocku 4 bude červnová mise CRS-15, takže pokud je tato teorie správná, rampa SLC-40 bude po této misi nejspíš upgradována také, aby SpaceX měl k dispozici dvě rampy pro budoucí mise, které všechny poletí už s raketou ve variantě Block 5. A jelikož únikový test proběhne nejdříve koncem roku, v té době už nebude možné odnikud provést start Blocku 4.
A jaký vlastně bude osud prvního stupně? Nic oficiálního zatím nevíme, ale obecně se má za to, že SpaceX se při únikovém testu Dragonu nepokusí s prvním stupněm přistát. Důvodů je hned několik:
- Není jasné, jestli první stupeň vůbec test ve zdraví přečká. Jak bylo řečeno výše, test proběhne v aerodynamicky velmi nelítostném okamžiku, takže vzniklé síly mohou první stupeň velmi snadno poničit. Můžete argumentovat tím, že v případě nehody CRS-7 první stupeň přečkal selhání horního stupně a fungoval až do doby, než došlo k sebedestrukci. Jenže tato nehoda se stala v relativně pozdní fázi letu, kdy se už raketa nacházela v řídké stratosféře. Aerodynamický nápor tedy byl nízký.
- Ale i pokud první stupeň neočekávaně přežije, jednalo by se o abnormální situaci, na kterou není řídící software prvního stupně připraven. Stupeň by musel být speciálně naprogramován, aby po úniku Dragonu neprovedl automatickou destrukci a místo toho pokračoval v letu jako při normální misi a následně provedl přistání. Jenže to není nic jednoduchého a SpaceX to nejspíš nebude stát za námahu. Například množství zbývajícího paliva a další proměnné by byly vzhledem k předčasnému odhození nákladu a možné absenci druhého stupně na dost jiných hodnotách, než je obvyklé, což nadále komplikuje situaci. Navíc případné poškození stupně, byť třeba jen mírné, může všelijak ztížit či úplně znemožnit pokus o přistání.
- Stupeň, který prošel takhle extrémním náporem, by i v případě úspěšného přistání nejspíš bylo moc riskantní použít znovu, takže proč by se o to SpaceX vůbec pokoušelo?
Jako nejpravděpodobnější se mi tedy jeví varianta, že po aktivaci záchranného systému Dragonu bude první stupeň jednoduše zničen pomocí destrukčního systému. Ten roztrhne nádrže a raketa se velice rychle rozpadne na kousky. A jelikož podle oněch neoficiálních informací by mohlo jít o již dvakrát použitý stupeň (nebo i víckrát, pokud dojde k dalším odkladům demonstrační mise), pro SpaceX to nebude nijak velká ztráta. V plusu bude firma tak jako tak, neboť za splnění testu získá od NASA platbu ve výši 30 milionů dolarů.
Crew Dragon určený pro misi DM-1 během vakuového testování v NASA Plum Brook (Foto: SpaceX)
Na závěr se podívejme znovu do historie a poukažme na několik výhod Crew Dragonu. Vratíme se k záchranné věžičce, která u jiných lodí slouží k úniku kosmonautů v případě anomálie. Jak bylo řečeno v minulých částech tohoto článku, v jisté výšce bývá odhozena, protože tvoří zbytečnou zátěž a o další přerušení letu se obvykle starají motory lodi pro posádku. V případě Crew Dragonu znamená nemožnost odhození záchranných motorů SuperDraco, že v případě úspěšného startu bude zbytečně vynesen na oběžnou dráhu i tento náklad, který nemá již dalšího použití. Osobně si ale myslím, že toto je plně vyváženo faktem, že na rozdíl od klasické věžičky dávají motory SuperDraco posádce možnost rychlého a okamžitého přerušení letu v kterékoliv situaci, a to až do navedení na oběžnou dráhu. Falcon 9 navíc má víc než dostatečné rezervy a vysokou nosnost, aby vůbec nevadilo, že loď nese nějaká ta kila navíc.
Neodhoditelnost motorů Crew Dragonu může přinést ještě jeden bonus. Kvůli odhazování přístrojového úseku s motory totiž nastaly v historii kosmonautiky hodně ošklivé a nepříjemné situace. Lze zmínit například problémy vůbec prvních dvou návratů z orbitální dráhy. Po provedení deorbitačního zážehu u lodí Vostok 1 a 2 mělo dojít k oddělení přístrojové sekce, která neměla tepelný štít, na Zemi se měla vrátit jen kabina s Gagarinem a u mise Vostok 2 s Titovem. Jenže při návratu lodi Vostok 1-2 došlo k tomu, že vinou oddělovací sekvence gilotiny přeřízly kabel dávající povel dřív, než mohly předat zbytek sekvence do přístrojové sekce. Následkem toho byl modul oddělen neúplně a s návratovou kabinou zůstal spojen kabelem. Uvádí se, že oběma prvním sovětským kosmonautům hrozilo, že je nárazy přístrojové sekce v kabině doslova umlátí. Zároveň tu byla i možnost, že kvůli vychýlení těžiště mohla kabina Vostoku sestupovat jinou částí než tou, kde byl tepelný štít. Naštěstí se onen zpropadený kabel pravděpodobně přepálil a kabina se v obou případech stihla zorientovat správně a oba kosmonauti svůj návrat na Zemi přežili.
Umělecká představa průletu Sojuzu 5 atmosférou
Při návratu Sojuzu-5 na Zemi byla situace ještě horší, tam nezůstal přístrojový úsek jen připojený kabelem, tam zůstal opravdu připojený k návratovému modulu a sestupoval atmosférou průlezem napřed. Čelní strana návratového pouzdra se opalovala a plnila zplodinami i palubu Sojuzu 5, kde byl jediný kosmonaut, Boris Volynov. Průlez do kabiny už měnil žárem barvu a začal se prohýbat směrem dovnitř, když se vlivem aerodynamického namáhání odtrhl servisní modul a návratový modul se konečně správně zorientoval štítem proti směru letu. Při otevírání padáků potom došlo k k jejich zamotání, ale naštěstí se celý hrůzyplný návrat podařil a kosmonaut přistál na Zemi jen s pár vytlučenými zuby.
Množství paliva na palubě Dragonu by v případě podobných problémů, jako zažil Sojuz 5, určitě vydrželo déle, než to, které bylo určeno pro orientační motorky Sojuzu a které se rychle vyčerpalo při marné snaze o reorientaci celé soustavy správným směrem. Výhodou Crew Dragonu totiž je, že motory SuperDraco a manévrovacími motory Draco sdílí nádrže s palivem. Malé motorky Draco díky tomu mají při běžné misi k dispozici mnohem více paliva.
Ocitáme se na konci našeho 3dílného zamyšlení nad nouzovými přerušeními letu. Ukázali jsme si, že k nouzovým situacím v reálu dochází a nutnost záchrany astronautů tedy není jen teoretická obava. Je to naprosto nezbytná věc, které musí být jakákoliv pilotovaná loď schopná, a to v jakékoliv fázi letu včetně doby před startem jako takovým.
Co se týče testu úniku z rampy, NASA jej vyžadovala a byl to jeden z milníků programu Commercial Crew, za které NASA v případě jejich splnění postupně uvolňuje peníze pro vývoj. Oproti tomu test záchrany za letu již NASA nepožaduje, takže třeba Boeing jej se svou lodí CST-100 Starliner dělat nebude. SpaceX se jej rozhodlo provést dobrovolně, aby si opravdu otestovalo schopnosti a možnosti kosmické lodi Dragon při záchraně astronautů.
Datum únikového testu za letu zatím můžeme jen odhadovat. Mise je oficiálně stále plánována na srpen, ale dnes už je jisté, že proběhne nejdříve na podzim, potenciálně později, možná dokonce až začátkem roku 2019. Únikový test by pak měl proběhnout zhruba 2 měsíce po této demonstrační misi. Do té doby nám nezbývá než se těšit a držet palce Blocku 5, aby co nejdřív absolvoval oněch požadovaných 7 misí v ustálené konfiguraci, bez kterých nebude moc proběhnout DM-2 s posádkou.
Na článku se podíleli také Pavel Vantuch a Petr Melechin.
Související články:
- Záchranné systémy, 1. část: Nouzové úniky kosmických lodí z rampy
- Záchranné systémy, 2. část: Historie úniků za letu
- Spolupráce NASA a SpaceX: Lety na ISS s lidskou posádkou
- Když se nedaří: Nehody CRS-7, Amos-6 a další selhání
- Nový autodestrukční systém ušetři SpaceX čas i peníze
Podpořte projekt ElonX
- Novinky o Starlinku: Snímek družice na orbitě, spolehlivost přenosu při letu Starship, továrna v Texasu a další - 17. 11. 2024
- Mise GSAT-N2 - 15. 11. 2024
- Mise Optus-X - 13. 11. 2024
No mne sa tieto predpoklady pravdepodobnej deštrukcie prvého stupňa nepáčia. Nevidím ich opodstatnenie. Odpoveď:
a) áno, ak má prísť k oddeleniu v najhoršom okamihu maximálneho aerodynamického odporu (MAX DRAG), to znamená, že loď sa pomocou trysiek musí odlepiť od zvyšku rakety (testuje sa schopnosť Dragonu, nie odolnosť zvyšku rakety), teda nie odraziť, ale odletieť od nej napriek odporu vzduchu a rýchlosti ktorou už letí. Toto nie je odrazenie od rakety nejako mechanicky, hoci môže zvýšiť odpor pre zvyšok rakety tryskami, teda vetrom. To by mala raketa bez problémov zvládnuť. Okrem toho sa dušovali, že má 40%-nú rezervu v konštrukcii pri preprave posádky. V prípade, že by sa to nepodarilo, tak by minimálne táto “rezerva” ostala otázna. Teda prežiť to zvyšok rakety musí, aby nevzniklo podozrenie, že je niekde nedostatočne skonštruovaná.
b) je to síce situácia nie bežná, ale pristávanie s rôznym množstvom paliva je zvládnuté v SpaceX a bola by to veľmi divná vec, keby sa stupeň nepokúsili zachrániť. Nebolo by to v súlade s politikou SpaceX, ani s ich bežným konaním. Teda zachrániť sa ho musia pokúsiť, iba žeby chceli najprv nechať vybuchnúť prvý stupeň a potom sledovať, či to Dragon zvládne 🙂 To by bol naozaj test hodný obdivu 🙂
Keďže však test je plánovaný a plánovateľný, sú jasné všetky parametre a všetko sa dá dopredu odsimulovať a naplánovať ako aj trajektória pohybu prvého stupňa hoci aj s druhým (či už maketou alebo menej maketou), množstvo paliva, celková hmotnosť, vzdialenosť od pozemnej pristávacej plochy atď. proste všetky parametre sú známe. Teda ak by mal byť SpaceX dokonalý, t.j. softvér dokonalý, po uvedomení si, že raketa ostala bez nákladu, teda že Dragon opustil raketu, opodstatnenie pre jej pokračovanie na orbit už nie je, raketa má vyhodnotiť, čo má spraviť. Či sa vrátiť, alebo pristáť na morskej plošine, alebo keď nemá kde pristáť, či sa má zničiť. Ale nie je opodstatnenie uvažovať o samozničení z dôvodu straty podstaty svojej existencie (depresie).
c) stupeň neprešiel takým náporom, že by bolo jeho znovupoužitie ohrozené. Možno v prípade keby sa – ako som napísal – mechanicky odrazil náklad od zvyšku rakety, mohlo by dôjsť k jeho poškodeniu. Teraz skôr došlo k jeho odľahčeniu v čase zaťaženia – ani nie MAX Q, ale MAX DRAG. Určite sa dá odsimulovať, či sa zaťaženie zvýši po úroveň MAX Q, či viac, či menej, ale 40% rezerva to musí zvládnuť akokoľvek.
Týmto nehovorím, že článok sa mi nepáči. To že odpisujem, je pocta pre článok i pisateľa (žartujem, hoci naozaj som doteraz neodpísal a nie je to zvykom). Prajem požehnané nápady 🙂
Moc zajímavý komentář, díky za něj.
Nasimulovat se dá samozřejmě spousta věcí, nám taky v práci moc hezky simulují průběh vstřikovacího procesu, čili SpaceX a NASA budou mít určitě dobrou představu, jaký bude průběh. A jak je ve zvyku, nadefinuje body, za kterých bude mise úspěšná, ale osobně si nemyslím, že do primárního úkolu bude patřit přežití prvního stupně. To možná nebude ani sekundární úkol, snad nějaký optional. A pokud by to zvládl, myslím si, že si ho SpaceX velmi ráda rozebere a zkontroluje.
Jen bych řekl, že raketa má rezervu v konstrukci, jak píšeš, těch 40%, ale to je za předpokladu, že má nahoře aerodynamickou čepičku (boční stupně FH) či druhý stupeň + aerodynamický kryt či dragon. Bude samozřejmě záviset na profilu letu, zda bude agresivní, jako bývají při letu na GTO, či opatrnější, jako když se letí na LEO. Po abortu najednou poletí nahoru konstrukce, která bude vystavena náporu atmosféry úplně jinak, než při nominálním průběhu mise. Tj. odhadovat, jak to dopadne, je moc těžké.
Zároveň podotýkám, že co se týká parametrů testu a jeho předpokládaného průběhu, SpaceX nás nějak moc novinkami nezásobuje. Jedny z mála informací je to nové datum testu (uveřejněné před týdnem) a ten smazaný komentář o použitém stupni pro in-flight-abort, jak je zmíněno v článku.
Myslím, že i ten autodestrukční systém by se měl vyzkoušet a tenhle test je naprosto ideální příležitost
Keď tak čítam tú sekvenciu s palivom Dragon 2 by mohol byť dobre použiteľný na reboost ISS aj keď motorčeky Draco budú asi celkom slabé a neviem či by Superdraco nemali zasa sily až príliš.
Ony jsou dobře regulovatelné, v sekci motorů SpaceX je uvedeno, že až na 20%. Ale tady bych chtěl dodat, že Dušan Majer v dubnu uváděl, že i Cygnus OA-9E by měl provést zvýšení oběžné dráhy. A ten má daleko slabší motory než Crew Dragon a jeho Superdraco. Draco má 400 N. Superdraco 73KN. Hlavní motor Cygnusu má 450 N a motorky pro korekce 31N. A pokud to chtěli zkoušet s Cygnusem a jeho hlavním motorem, co by to nemohli prubnout s motory Draco. Rozhodně máš pravdu, díky té palivové zásobě by to možná stálo za to. Ikdyž a to je jen má spekulace, možná to budou zkoušet v rámci DM-1, co by ne.
Jen bych tu osobně přemýšlel, jestli půjde ten tah na PMA2/IDA2 ukočírovat tak, aby působil v ose stanice a nerozrotoval ji. A opravdu si myslím, že jiná pozice ani na ISS nepříchází v úvahu.
Pôjde to bude asi malý problém keď ISS mohol reboostovať aj Shuttle tam ťažisko ideálne nebolo takmer určite.
Máš rozhodně pravdu, teď se dívám teď na jeden obrázek, a tam Endeavour byl připojený na hodně dobrém místě. Ikdyž, tam minimálně ze začátku nutno brát i do úvahy, že tam byly “špatně či nevhodně” dané nosníky s panely slunečních baterií. Všechno to vznikalo z toho, jak se ISS stavěla, že to prostě šlo v určitém pořadí. Takže tam určitě taky bylo vyosené těžiště a to dost silně. Prostě asi zážeh hlavním motorků plus nějaká korekce od těch manévrovacích. Hádám.
Děkuji za skvělý článek
Nemáš vůbec zač, ani nevíš, jak jsem rád, že se líbí. Prvotní nápad byl, a na to mám svědka, napsat podrobnosti a zajímavosti k misi In-flight-abort. Akorát se to vymklo jakékoliv kontrole, když jsem začal ve spolupráci s Pavlem a Petrem psát článek. A jsem rád, že se to líbí. V tomhle díle už se hodně podílel i Petr Melechin. Mimochodem, výsledný článek se musel potom rozkrájet, protože fakt byl dlouhý jak blázen.