Ariane Works, CNES

ESA pracuje především z dlouhodobými plány a tak se většina věcí neděje ze dne na den, ale je spíše výsledkem koncensu trvajícího roky. Což samozřejmě nepřispívá rychlým inovacím. Za tímto účelem byla vytvořena pracovní skupina s názvem ArianeWorks iniciovaná francouzskou kosmickou agenturou CNES a konglomerátem ArianeGroup. Vzniklý subjekt je zaměřený na hledání inovativních řešení pro budoucí kosmické nosiče. Jde o jakousi obdobu skupiny Skunk Works z USA, která má na svědomí legendární letoun SR-71 a další špičkové projekty. Toto seskupení se původně vyznačovalo inovativními postupy a rychlými prototypy, což předznamenalo to, čemu se dnes říká „start-upový duch“. O něco podobného teď usiluje i tato evropská skupina. Konkrétně má jít o urychlení vývoje moderního nosiče, který by byl konkurenceschopný v nadcházející budoucnosti. Lze tedy říci, že se v podstatě jedná o uměle vytvořený startup s jasným posláním.

Vizualizace raketového motoru Prometheus na kapalný metan a kyslík. (Zdroj: ArianeGroup Holding)

Tým tvoří zatím asi 15 lidí a těžko říct, jestli něco podobného bude fungovat. Skupina má přístup ke zkušenostem CNES a společnosti Ariane, ale nebrání se ani jakékoli jiné spolupráci. Proto jsou i dále v tomto projektu uzavírány smlouvy s dalšími partnery z Evropy. Navzdory probíhající krizi přechází ArianeWorks z tzv. „pilotní fáze“ do intenzivnější fáze, což umožnilo předběžné schválení smlouvy od Evropské kosmické agentury (ESA). Obsahem nebylo nic menšího než demonstrátor Themis. Součástí programu je i vznikající motor na kapalný kyslík a metan zvaný Prometheus a další demonstrátor Callisto, o kterém jsme u nás psali třeba zde.

Klíčovým prvkem je raketový motor Prometheus. Jedná se o předchůdce raketových motorů s mimořádně nízkými náklady a možnosti budoucí znovupoužitelnosti. Vývoj projektu Prometheus má na starosti společnost ArianeGroup a právě tento motor na metan je často zmiňován jako zásadní součást snah o přípravu na budoucí kompetitivní evropský přístup do kosmického prostoru. ESA totiž chce snížit náklady na nový motor až desetkrát ve srovnání s aktuálně používaným vodíkokyslíkovým motorem Vulcain 2 z rakety Ariane 5. Novinkou bude možnost přiškrcení tahu nebo znovuzažehnutí. Což je důležité, pokud plánujete s raketovým stupněm přistávat. Ke stavbě se používá i metoda 3D tisku a některé díly, jako turbočerpadlo, řídicí počítač, ventily spalovací komory nebo přívodní potrubí jsou již připraveny na základní testování. Koncem roku se očekává sestavení technologického demonstrátoru v životní velikosti prototypu M1. Jakmile bude dokončen, otevře se cesta k pozemnímu testování, které je plánováno na rok 2021 a počítá se i s výrobou nových dílů pro další modely motoru Prometheus k testování.

Základní parametry motoru Prometheus:
Tah ve vakuu: 1000 kN
Doprava paliva a okysličovadla: Otevřený cyklus
Specifický impuls (ISP): 320 s (první stupeň), 360 s (horní stupeň, varianta pro vakuum)
Hmotnost: 780 kg
Palivo: metan (CH4)
Okysličovadlo: kapalný kyslík (LOX)
Směšovací poměr: 3:4
Tlak v komoře: 110 barů
Schopnost přiškrcení tahu: 30% do 110 % tahu
Znovupoužitelný potenciál: Až 5
Aditivní výroba: Většina částí motoru

VTOL demonstrátor Frog je prvním z kroků, které povedou k opětovně použitelnému nosiči. (Zdroj: CNES).

Dalším důležitým bodem v přístupu CNES k nové raketě je filozofie: „učit se za pochodu“. Což znamená, že namísto toho, aby byl celý nosič navržen od nuly, bude koncepce nejdříve prokázána pomocí opětovně použitelného demonstrátoru Callisto, kterému předcházejí zkoušky malého zařízení zvaného Frog.

Další větší fází bude již plnohodnotný testovací první stupeň Themis k opakovanému použití. To by měl být již plnohodnotný raketový stupeň, ze kterého by měla být později odvozena již nová raketa Evropské kosmické agentury přezdívaná prozatím Ariane Next nebo také Ariane-7. Celkově tedy nástupce Ariane-6 kombinuje využití nejúspěšnějších prvků SpaceX jako použití stejného typu motoru pro první i druhý stupeň a opětovné použití prvního stupně s restartovatelným motorem schopným přistání na souši nebo na moři. Nejoptimističtější odhady hovoří o zahájení provozu ve 30. letech 21. století, tedy po roce 2030. Je politováníhodné, že kdyby motor Prometheus získal více finančních prostředků už dříve, mohl být připraven klidně už v roce 2015 a mohl být vybrán pro pohon rakety Ariane-6. To mohlo značně urychlit časový plán, a to až o deset let. Ironií je pak fakt, že odložením Ariane-6 o několik let by se dosáhlo shodného výsledku, protože zahajovací let je plánován na rok 2021 a stejný rok se očekává také první zkušební zážeh motoru Prometheus.

Vraťme se ale k demonstrátoru Themis. Následující obrázek ukazuje předběžný plán a destinace nadcházejících zkoušek. Zajímavé jsou na obrázku zejména dvě věci, jednak je to lokalita Vernon ve Francii. Tam sice již existuje testovací zázemí, ale nově pro potřeby programu Themis byla otevřena historická zóna PF20, kde probíhaly zkoušky rakety Ariane 1. Podstatou bude odzkoušet plnění nádrží v životní velikosti a integraci na stanovišti. Poté přijdou na řadu krátké zážehy. Další zajímavostí je zapojení Švédska a raketové střelnice poblíž města Kiruna, kde by se měly uskutečnit krátké skoky do dosud nespecifikované výšky. Partnerů přidávajících se k platformě ArianeWorks, které spojují společné zájmy, dovednosti a stejná inspirace pro další rozvoj evropských raket, je ovšem víc. Mezi současné partnery patří například ONERA, SABCA, APCO, ADF, RUAG a komunita se pravděpodobně brzy rozšíří o další účastníky, aby zvládla všechny stanovené výzvy ArianeGroup.

Předběžný plán realizace zkoušek vedoucích k demonstrátoru Themis včetně lokací. (Zdroj: CNES, překlad autor).

Aby toho nebylo málo, tak je zde také projekt, který se zaměřuje už na období po roce 2040. Nástupcem částečně znovupoužitelné evropské rakety by mohl být silný jednostupňový nosič (SSTO), kterému se provizorně říká Ariane Ultimate. Jeho zaměřením bude jednoduchost a co největší využívání 3D tisku a stavba co možná nejjednodušší infrastruktury, ale k němu je ještě hodně daleko. Nicméně první plány vznikají již nyní. Pravdou také je, že krom motorického přistání se skupina, hlavně tedy francouzská laboratoř ONERA, stále zabývá myšlenkou okřídleného návratu raketového stupně, a to jak s pohonem, tak bez.

Ani tato idea tedy není ještě úplně ze hry. Cílem je zjistit nejlepší a nejlevnější možnou variantu s přihlédnutím k místu startu, tedy kosmodromu Kourou, kde panují jiné podmínky než na amerických kosmodromech, kde motoricky přistávají rakety Falcon. Například v Jižní Americe je obydlená část poměrně nedaleko kosmického centra a místní vody jsou také dost mělké.  Již dobře také víme, že pokud se vrací raketový stupeň na plovoucí platformu, jedním z důležitých faktorů úspěchu je i počasí. Proto je třeba individuální přístup a hledání vlastní invence.

Na kosmodromu Kourou panují jiné podmínky a je třeba hledat vlastní cesty návratu kosmických stupňů. Jednou z možností je okřídlený návrat raketového stupně, na kterém pracuje ONERA. (Zdroj ONERA/CNES, úprava autor).

Pokud se vrátíme do současnosti, tak na globálním trhu je k dispozici pouze 25 až 30 komerčních nákladů ročně. Většinou jde přitom o geostacionární komunikační družice. Nikdo navíc neví jistě, zda tento trend bude pokračovat i v budoucnu. Ona pozitivní predikce vzestupu kosmického průmyslu zatím nepřichází. Přitom jedním ze základních pilířů rentabilního provozu opětovně použitelného systému je vysoký počet startů. To si plně uvědomuje i Elon Musk, který se snaží nejen o co nejčetnější nasazení svých raket, ale přemýšlí i jak tento počet startů ještě navýšit. Například stavbou vlastní satelitní konstelace Starlink. Nespornou výhodou USA v tomto ohledu je roční počet institucionálních startů. V roce 2017 jich bylo 17, zatímco v Evropě pouze 3!

Země jako Japonsko, Indie nebo evropské státy tuto výhodu nemají. Státních startů je zde k dispozici bohužel mnohem méně. Například v Evropě je to v průměru jen 4 až 5 startů ročně, které nejsou navíc nějak smluvně zaručené. ArianeGroup se to snaží kompenzovat získaným podílem na komerčním trhu, aby byl průmyslový koloběh vůbec životaschopný. Zatímco v USA je podíl těchto startů tak vysoký, že tvoří až 60 procent ekonomického podílu. Světové kosmické agentury, včetně NASA, přispívají k ekonomickému růstu svých zemí a musí na to brát ohledy. Peníze vynaložené na rozvoj kosmického průmyslu jsou navíc investicí do naší budoucnosti. Největší projekty vždy vznikaly ze státních peněz a zůstane to tak i nadále.

Předběžná ukázka možností variability budoucího kosmického systému, který bude všestranný a dokáže se přizpůsobit dané misi. Vlevo je dvoustupňová raketa s označením Ariane Next C600-C126, uprostřed je její varianta s pomocnými motory na tuhé pohonné látky bez možnosti opětovného použití a úplně vpravo je verze podobná raketě Falcon Heavy od SpaceX. Tedy spojení tří podobných raketových stupňů dohromady s možností návratu. (Zdroj: CNES/ úprava autor)

Faktem je, že nová evropská raketa Ariane 6 je fakticky nejflexibilnější a nejlevnější kosmická raketa, kterou agentura ESA kdy měla a to stejné bychom mohli říci i o japonské raketě H-3. Tím chci naznačit, že rakety na jedno použití tu ještě nějakou dobu určitě budou a i jejich vylepšování je důležitou součástí levného přístupu do kosmu. Ve skutečnosti se tyto kroky mohou zdát malé či nevýznamné oproti masivním úspěchům SpaceX v poslední době, ale opak je pravdou. Mění se výrobní postupy, nasazuje se 3D tisk a jiné inovativní technologie, jako je využití nových, moderních materiálů. Buduje se potřebná infrastruktura a zázemí. To vše jsou důležité předpoklady k rozvoji opětovně použitelných raket v budoucnu. Na druhou stranu je pravdou, že tato rozhodnutí měla přijít mnohem dříve.

Dalším faktem je, že evropské pokroky či inovace jsou mnohem méně viditelné než ty, které se dějí v USA. Například existuje jen velmi malé povědomí o tom, že ESA pracuje dlouho na opakovaně použitelném systému Space Rider. Což je velmi zajímavá bezpilotní kosmická loď schopná návratu materiálu z vesmíru. Plán je takový, že loď Space Rider bude startovat na raketě Vega-C a poslouží zejména vědcům jako bezpilotní kosmická laboratoř pro lety trvající déle než dva měsíce. Následně vstoupí do zemské atmosféry a přistane, takže do rukou inženýrů a vědců se vrátí celý drahocenný náklad. Po minimální údržbě bude Space Rider připravený na další misi s novým nákladem, což otevře dveře novým podnikatelským příležitostem. V nákladovém prostoru s řízeným prostředím může být umístěno až 800 kg vybavení. Jeho objem činí 1200 litrů. Premiérový start z evropského kosmodromu v Kourou se očekává v roce 2022.

Pro konkurenceschopnost a zaručení nezávislého přístupu do kosmu jsou podobné projekty pro agenturu ESA a partnery nezbytně nutné. Po letech stagnace znovupoužitelnost ukázala jasný směr, kam se evoluce kosmonautiky bude v příštím desetiletí ubírat. Nikdo však neví, jestli všechny plánované projekty budou úspěšné a ekonomicky rentabilní, proto je důležité mít k dispozici vždy více cest, kterými se vydat.

Zdroje informací:

Autor, ONERA, CNES, Kosmonautix.cz, ESA