Raketové nosiče – pořád trochu sázka do loterie (+ aktualita Tiangong 2 )  
V nedávné době došlo ke dvěma haváriím nejmodernějších raketových nosičů. Při předstartovních testech vybuchla raketa Falcon 9 a havarovala také čínská raketa Dlouhý pochod 4C. I to ukazuje, že vývoj a využívání raketové techniky není stále bez rizik.

Exploze rakety Falcon 9 s družicí Amos 6 (zdroj spaceflight101.com).
Exploze rakety Falcon 9 s družicí Amos 6 (zdroj spaceflight101.com).

K pohonu vesmírných lodí a sond jsou při startu ze zemského povrchu nebo ve vesmírném prostoru zatím dominantně využívány chemické tepelné motory. Tato část raketové techniky je už velice rozvinutá a rozsáhlá. Přesto se stále neobejdeme bez havárií. Dvě havárie u nejmodernějších nosičů nastaly těsně za sebou začátkem září. Je tak možná zajímavé si tuto oblast podrobněji přiblížit.

 

 

Dvě současné havárie nosičů

Dne 1. září 2016 došlo při statické zkoušce rakety Falcon 9 firmy SpaceX k explozi a zničení rakety. Nosič se připravoval ke startu, který měl proběhnout o dva dny později. Testy statického zážehu probíhaly na rampě SLC-40 a v té době už byla umístěna na raketě i telekomunikační družice Amos 6. Raketa i družice byly obrovskou explozí zničeny a poškozena byla i rampa. K explozi došlo při běžném tankování. Motory nebyly zapnuté a v místě výbuchu nebyl žádný zdroj tepla. Z videozáznamu je vidět, že výbuch začal v horní části rakety v místě, kde se nachází druhý stupeň. Záběry i některé indicie naznačují, že by prvotní exploze mohla nastat mimo raketu. To zmiňuje i Michal Václavík v pěkném rozhovoru na serveru kosmonautix. Je tak možné, že závada byla na startovacím zařízení. To by byla pro samotnou raketu a její další starty asi lepší varianta. Ovšem vyšetřování zatím příčinu havárie neodhalilo a řešení záhady je teprve na začátku. Raketu Falcon 9 vyvinula firma SpaceX Elona Muska. Podle jeho vyjádření na twitteru to vypadá na nejsložitější a nejkomplikovanější chybu, kterou za čtrnáct let měli. Zatím to vypadá, že všechny standardní možnosti jsou víceméně vyloučeny a na řadu přicházejí velmi exotické a nepravděpodobné události. Je jasné, že až do vyšetření příčiny nebudou možné žádné další starty. Je to velká škoda, protože se ke startu chystá raketa Falcon Heavy, která je silnější variantou jejich rakety. I když některá vyjádření představitelů firmy SpaceX naznačují, že uzemnění by nemuselo být delší než tři měsíce, jsou veškerá spekulace před zjištěním příčin havárie předčasné.

 

Dva obrázky. První je z doby těsně před explozí a druhý na jejím začátku (zdroj spaceflight101.com).
Dva obrázky. První je z doby těsně před explozí a druhý na jejím začátku (zdroj spaceflight101.com).

 

V téměř stejnou dobu nastala také havárie čínského nosiče Dlouhý pochod 4C, který vynášel družici pro snímkování Země Gaofen 10. Raketa startovala z kosmodromu Tchaj-jüan. Zbytky prvního stupně byly nalezeny ve vzdálenosti 600 km, což je standardní. Havárie tak nastala na druhém nebo třetím stupni. Družice se totiž na oběžnou dráhu nedostala. Čína je v informování o této události velice skoupá. Zdá se však, že problém byl až u třetího stupně. Na to se dá usuzovat i z toho, že na rampu byla vyvezena raketa Dlouhý pochod 2F, která by měla 15. září vynést orbitální stanici Tingong 2. V tomto případě se používá pouze dvoustupňová verze nosiče. Pokud by byla havárie na prvních dvou stupních, nemohl by start do ukončení vyšetřování proběhnout. Pokud bude tato nehoda Čínou potvrzena, jedná se o první selhání této rakety od roku 2013.

I z těchto dvou událostí je vidět, že vynášení nákladu do vesmírného prostoru raketami stále není jednoduchou záležitostí bez rizika. Nejen proto je určitě zajímavé si historii a současný stav v tomto oboru přiblížit.

 

Jeden z předchozích úspěšných startů rakety Dlouhý pochod (zdroj China's Xinhua News Agency).
Jeden z předchozích úspěšných startů rakety Dlouhý pochod (zdroj China's Xinhua News Agency).

 

Chemické raketové motory a nosiče

Problematiku si přiblížíme pouze zlehka. Pro detailnější popis lze nahlédnout do literatury a na specializované weby. Na českém internetu se velice pečlivě a fundovaně touto tématikou zabývá server kosmonautix založený Dušanem Majerem. Případně je možné nahlédnout na anglicky psaný server spaceflight. Řada zajímavých článků je i v časopise Letectví a kosmonautika. Rychlý přehled starší historie je k nalezení třeba v knížce Malá encyklopedie kosmonautiky, kterou napsaly legendy české popularizace kosmonautiky Antonín Vítka a Petra Lála.

Chemické tepelné motory jsou složeny ze spalovací komory, ve které dochází ke spalování a hnací trysky, ze které proudí spaliny a vytváří pohon. Komor i trysek může být více. U motoru na tuhá paliva je téměř celá komora vyplněna palivem nebo směsí paliva a okysličovadla. Náplň se postupně spaluje až do úplného vyčerpání. Takový motor nemá možnost opakovaného zažehnutí a regulace jeho výkonu je jen velmi omezená. U motorů na tuhá paliva nemůžeme vychylovat celý motor, takže se to řeší vychylováním trysek.

U motoru na kapalná paliva musíme mít kromě spalovací komory nádrž na palivo a případně také nádrž na okysličovadlo. Palivo a okysličovadlo jsou vháněny do spalovací komory čerpadly nebo tlakem inertního plynu. Komory a trysky bývají chlazeny vstupujícím palivem.

Start rakety Saturn 5 s vesmírnou stanicí Skylab (zdroj NASA).
Start rakety Saturn 5 s vesmírnou stanicí Skylab (zdroj NASA).

Existují také hybridní raketové motory, které oba principy kombinují. Příkladem může být motor z pokusného letounu SpaceShipOne, který má komoru vyplněnou tuhou hořlavinou a kapalné okysličovadlo je dodáváno z oddělené nádrže.

 

Palivo může být jednosložkové, dvousložkové nebo vícesložkové podle počtu reagujících složek.

 

Základní charakteristiky motorů

Podívejme se na základní charakteristiky, které definují vlastnosti motorů i celých raket. Nejdůležitějším parametrem je specifický impuls, který udává tah motoru, který spálí jeden kilogram pohonné látky za jednu sekundu. Další důležitou veličinou je celkový tah motoru, který je pak dán zhruba součinem specifického impulsu a množství paliva spáleného za jednu sekundu. Specifický impuls a tedy i tah závisí na teplotě dosažené při spalování v komoře, průměrné molární hmotnosti spalin a také poměru mezi tlakem v komoře a ve výstupním průřezu trysky. Z toho plyne, že je dobré mít co nejvyšší teplotu v komoře, která vede k vyšším rychlostem vytékajících spalin z trysky. Teplota se při chemickém spalování pohybuje mezi 2600 a 3800 K. Čím je menší molární hmotnost spalin, tím je vyšší specifický impuls. Kvůli rozdílnému tlaku ve výstupním průřezu trysky se také liší případ, kdy motor pracuje v atmosféře, od případu, kdy pracuje ve vakuu. V atmosféře je tak specifický impuls i tah motoru menší než ve vakuu. Specifický impuls závisí na vlastnostech paliva i konstrukci motoru. Tah motoru určuje, jaké zrychlení dokáže motor udělit. To je však ovlivněno i hmotností, kterou zrychluje.

Při konstrukci motoru je potřeba vzít do úvahy, že velmi vysoká teplota silně ovlivňuje stěny spalovací komory a také trysky. Ty musí být velice dobře chlazeny a z velice odolných materiálů. Jejich kvalita je extrémně důležitá při vícenásobném využívání motoru.

Je třeba zdůraznit, že motor musí zpočátku zrychlovat i palivo a také nádrže, ve kterých je. Je tak potřeba, aby se v průběhu letu po spotřebování paliva části již nepotřebné zátěže nosič zbavil. Proto se využívají vícestupňové rakety. U nosiče jako celku je pak důležité, jak těžký náklad dokáže dopravit na oběžnou dráhu. V tomto případě se většinou uvádí nízká oběžná dráha, případně pak dráha geostacionární. Někdy také hmotnost, kterou je raketa schopna vyslat k Měsíci či jinam. Někdy nejsou přesně definovány parametry příslušných drah a to je důvod rozdílů hodnot parametrů konkrétních raket uváděných v různých zdrojích. Podívejme se na konkrétní varianty motorů i raket, které je využívají.

 

Testy největších motorů na tuhé palivo SRB, které provedla NASA a firma ATK Space Systems v roce 2011 (zdroj ATK).
Testy největších motorů na tuhé palivo SRB, které provedla NASA a firma ATK Space Systems v roce 2011 (zdroj ATK).

 

Motory na tuhé palivo

Motory na pevné palivo jsou jednodušší a díky tomu jsou spolehlivější. Stěny spalovací komory, které jsou vyplněny pevným palivem (zrnem) jsou značně tepelně namáhány. Mezi zrnem a stěnou tak musí být tepelně odolná ochranná vrstva. Průběh hoření se může v omezené míře regulovat změnou velikosti zrna po délce komory.

Náplň homogenních motorů na tuhá paliva může být z 52 % nitrocelulózy, 43 % nitroglycerínu a 5 % dalších příměsí. Specifický impuls této kombinace dosahuje hodnot zhruba 2,3 kNs/kg. Tato směs velice rychle hoří, takže se často používají zpomalovače (flegmatizátory), například dinitrotoluen. Snižováním rychlosti hoření se snižuje i specifický impuls.

Motory s heterogenním palivem našly v kosmonautice široké uplatnění a intenzivně se používají jako pomocné motory při startu ze Země. Obvykle se skládají z paliva (polysulfidové, butadienové, butadienakrylátové kaučuky nebo polyuretany), které zároveň funguje jako pojivo pro jemně rozemleté tuhé okysličovadlo (chloristan amonný, dusičnan draselný, dusičnan amonný a další). Pro zvýšení výkonu se do směsi přidává práškový hliník nebo jiné práškové kovy (beryllium, lithium). Rychlost hoření je v tomto případě pomalejší. Specifický impuls je okolo 2,5 kNs/kg.

 

Oddělení bočních urychlovacích stupňů SRB amerického raketoplánu (zdroj NASA).
Oddělení bočních urychlovacích stupňů SRB amerického raketoplánu (zdroj NASA).

 

Největšími motory na tuhá paliva jsou pomocné motory SRB (Solid Rocket Booster), které při startu vyvinou tah 13,68 MN. Během 122 s činnosti spotřebují 502,6 t pohonné látky. Jsou složeny z pěti segmentů, které jsou slepeny dohromady. Používaly se u amerického raketoplánu. Během 270 použití tohoto motoru (vždy dva na jeden start), došlo k jednomu selhání. I když to bylo opravdu fatální, protože vedlo ke ztrátě raketoplánu Chalenger a sedmi astronautů. V současné době se nový typ QM-2 vyvíjí pro novou těžkou raketou SLS (Space Launch System). Poslední jeho testy se uskutečnily 28. června 2016 na testovacím polygonu v Utahu. Úspěšným průběhem se motory kvalifikovaly pro let. Nosná raketa SLS, která by se měla využívat k vynášení lodě Orion, by měla poprvé startovat na podzim roku 2018. Při tomto prvním letu s označením EM-1 by se měla nepilotovaná loď Orion dostat až za Dráhu Měsíce.

Boční urychlovací stupně na pevné palivo však využívaly i americké rakety Titan III a Titan IV, které vynášely hlavně družice pro americkou armádu. Tato raketa ve verzi Titan IIIE s přídavným horním urychlovacím stupněm Centaur vynesla například sondy Voyager nebo Viking. Titan IV pak poslal na dráhu k Saturnu sondu Cassini.

Motory na pevné palivo se používají i pro poslední stupně, které slouží třeba k přemisťování družic z nízké oběžné dráhy na geostacionární. Příkladem může být dvoustupňový systém IUS (Inertial Upper Stage). Jedná se o variantu opírající se o tuhá paliva ke zmiňovanému stupni Centaur, který využívá paliva kapalná. Hrozí u něj daleko menší riziko exploze, a proto byl stupeň IUS využíván pro urychlování sond vynesených raketoplánem. Jeho první start proběhl v roce 1982 u rakety Titan.

 

Sonda Galileo se stupněm IUS (zdroj NASA).
Sonda Galileo se stupněm IUS (zdroj NASA).

 

Motory na kapalné palivo

Dominantně jsou však jako hlavní motory při staru ze zemského povrchu využívány zařízení na kapalná paliva. První takový použil pro svou raketu, která startovala 16. března 1926, Robert H. Godard. Motory na kapalná paliva mají řadu výhod, ale i nedostatků. Hlavní nedostatek je složitější konstrukce s řadou pohyblivých částí a tím i nižší spolehlivost a vyšší riziko havárie. Složitější konstrukce vede i k vyšší ceně. Velkou výhodou je však velmi vysoký specifický impuls, který dosahuje až 4 kNs/kg, možnost regulovat velikost i směr jejich tahu a také využití zastavení a opětného restartu.

Různých druhů kapalného paliva je velké množství. Jednosložková jsou nestále látky, které se při styku s katalyzátorem rozkládají a uvolňují tak značné teplo. Příkladem je peroxid vodíku, který se rozkládá na vodu a kyslík. Dalšími jsou hydrazin, nitrometan nebo etylenoxid, které však mají menší specifický impuls. Využívají se tak většinou u stabilizačních motorů. Právě hydrazin je hlavně pro stabilizační motory využíván docela často, i když se jedná o poměrně nebezpečnou látku. V kapalném stavu je silně korozivní, je značně těkavý a jeho výpary stejně jako dotyk s jeho kapalnou fází jsou zdravotně škodlivé, způsobují poleptání tkání. Při práci s hydrazinem, jeho přepravě a tankování se tak musí dávat velký pozor.

 

Tankování Hydrazinu u sondy Messenger (zdroj kosmonautix a u něj převzato z https://upload.wikimedia.org).
Tankování Hydrazinu u sondy Messenger (zdroj kosmonautix a u něj převzato z https://upload.wikimedia.org).

 

Je také třeba zmínit, že například hydrazin se využívá i jako dvojsložkové palivo. Tím se dostáváme ke dvojsložkovým kapalným pohonným hmotám. U nich se energie získává hořením ve spalovací komoře. Jednou složkou je palivo a druhou okysličovadlo. U hydrazinu se jako druhá složka nejčastěji používá tetraoxid dusíku (N2O4). V tomto případě není potřeba k zapálení žádná jiskra, stačí k tomu, aby se obě látky spojili. Taková paliva se označují jako hypergolická. Kromě hydrazinu se využívají sloučeniny, kde jsou jeden nebo dva vodíky nahrazeny metylovými skupinami CH3, tedy monometylhydrazin a dimetylhydrazin. Při dvousložkovém využití hydrazinu a jeho derivátů jde o urychlovací motory nebo přímo motory raket. Směs dimetylhydrazinu a tetraoxidu dusíku využívají ruské Protony a čínské rakety Dlouhý pochod 2, 3 a 4. Kvůli zmíněné nebezpečnosti hydrazinu i jeho derivátů je snaha je postupně vytlačovat a nahrazovat jinými palivy.

Nejsilnější motory využívají kapalný vodík jako palivo a kapalný kyslík jako okysličovadlo, nebo velmi kvalitně rafinovaný kerosin (letecký petrolej) a kapalný kyslík. V případě využití kapalného vodíku a kapalného kyslíku je třeba zajistit dostatečně nízkou teplotu těchto kapalin. Kerosin je levnější, stačí mu pokojová teplota a nehrozí takové nebezpečí výbuchu. Na rozdíl od hydrazinu není toxický a žíravý. Největší takové motory jsou často právě v prvních stupních těch nejsilnějších nosičů. Motory založené na tekutém vodíku a kyslíku, které mají vysoký specifický impuls pak také jako poslední urychlovací stupně pro meziplanetární sondy. Příkladem je třeba americký stupeň Centaur.

Jak bylo zmíněno, byly hybridní raketové motory využity zatím jen výjimečně. Jedním z mála příkladů je tak motor využitý pro SpaceShipOne. Ten vyvinula firma SpaceDev. Využívá polybutadien ukončený hydroxylovou skupinou (HTPB), což je v podstatě kaučuk a je tedy v pevné fázi. A jako okysličovadlo se využívá oxid dusný v kapalné fázi. Jeho tah je 88 kN, tedy 0,088 MN.

 

Raketový motor F-1 Saturnu V (zdroj NASA).
Raketový motor F-1 Saturnu V (zdroj NASA).

 

Významné příklady využití motorů a jejich kombinací

Pokud chceme vynést těleso na oběžnou dráhu okolo Země, je většinou nutné využít několikastupňovou raketu nebo zařízení. Navíc první stupně pracují v atmosféře a poslední stupně ve vakuu. Takže jde také ve většině případů o kombinaci různých typů motorů.

Nejsilnější motory jsou využívány u prvního stupně. Vrcholem první éry kosmonautiky v tomto oboru byly na americké straně rakety Saturn 5, která dopravila kosmonauty na Měsíc, a potom raketoplán. Saturn 5 zůstal největší americkou raketou. Na Ruské straně s ní soupeří Eněrgija. Tyto dvě rakety využívaly také dva nejsilnější raketové motory na kapalné palivo. Americký jednokomorový motor F-1 použitý na prvním stupni Saturnu 5 měl na úrovni hladiny moře tah 6,833 MN (ve vakuu 7,740 MN) a u čtyřkomorového motoru RD-170 rakety Eněrgija to bylo 7,259 MN (ve vakuu 7,887 MN).

Raketový motor RD-170 byl poprvé použit 13. dubna 1985, spaloval směs kapalného kyslíku a kerosinu. Od něho odvozený čtyřkomorový motor RD-171 je používán u prvního stupně rakety Zenit. Poloviční dvoukomorový motor RD-180 pohání raketu Atlas V firmy Lockheed Martin a ještě menší jednokomorový motor RD-191 pak třeba ruská raketa Angara. Raketový motor RD-171 by měl být využit i pro uvažovanou novou velkou ruskou raketu pro vynášení těžkých nákladů s nosností až po 160 t na nízkou oběžnou dráhu. Je však otázka, zda se tato raketa realizuje.

 

Motor RD-170 v Muzeu kosmické a raketové techniky v Petrohradě (zdroj Andrej Butko).
Motor RD-170 v Muzeu kosmické a raketové techniky v Petrohradě (zdroj Andrej Butko).

 

Rodina raket Saturn byla vyvinuta týmem techniků pod vedením Wernera von Brauna. Využívány byly tři varianty Saturn I, Saturn IB a Saturn V. Saturn I byla raketa využívaná v dvoustupňové a třístupňové verzi. I když třístupňová se během deseti uskutečněných letů nevyužila. Výška rakety byla 55 m, průměr 6,52 m a celková hmotnost 510 tun. První stupeň využíval 8 motorů H-1, které využívaly kerosin a kapalný kyslík. Motor H-1 měl tah zhruba 0,9 MN a celkový tah prvního stupně byl zhruba 6,7 MN. Druhý stupeň využíval 6 motorů RL10 poháněný tekutým vodíkem a tekutým kyslíkem a jeho celkový tah byl 0,4 MN. Raketa byla schopná na nízkou oběžnou dráhu umístit náklad o hmotnosti 9 tun. První její start byl v říjnu 1961 a poslední v červenci 1965. Všech deset startů bylo úspěšných.

Raketa Saturn IB byla dvoustupňová raketa navazující na předchozí. První stupeň měl opět 8 motorů H-1, ale umožnil až tah 7,1 MN. Druhý stupeň měl jeden motor J-2 na tekutý vodík a kyslík. Na nízkou oběžnou dráhu dokázala raketa vynést 21 tun. První start se uskutečnil v únoru 1966, poslední pak v červenci 1975. Všech devět uskutečněných startů se vydařilo. Raketa vynesla například Apollo 7, které neletělo k Měsíci, nebo posádky letící ke stanici Skylab a Apollo, které se spojilo se sovětskou lodí Sojuz.

Raketa Saturn 5 je jedním z nejsilnějších nosičů, které měla dosud naše civilizace k dispozici. Jednalo se o třístupňovou raketu s výškou 110,6 m, průměrem 10,1 m a hmotností 2 970 tun. První stupeň měl 5 už zmíněných motorů F-1 a jeho celkový tah byl 35,1 MN. Na druhém stupni to bylo 5 motorů J-2, zmíněných u Saturnu IB. Třetí stupeň pak měl jeden motor J-2. Na nízkou oběžnou dokázala vynést 140 tun a na dráhu k Měsíci pak 48,6 tun.

 

Test raketového motoru F-1 (zdroj NASA).
Test raketového motoru F-1 (zdroj NASA).

 

Pokusem o konstrukci mnohonásobně využitelného systému, který by snížil cenu dopravy nákladu na oběžnou dráhu, byl americký raketoplán. Měl tři motory SSME (Space Shuttle Main Engine), které jsou největšími motory na kyslík a vodík a označují se akronymem RS-25. Jejich tah je na hladině moře 1,817 MN (ve vakuu 2,278 MN). K náhradě motoru F-1 použitého u Saturnu 5 by byly potřeba tři motory raketoplánu. Samotné motory byly na orbitálním stupni a palivo a okysličovadlo se dodávaly z vnější odhazovací nádrže. Tato nádrž byla jedinou částí, která se v principu nedala opětovně využít. Během celkově 405 použití (vždy tři na jeden start) těchto motorů nedošlo k žádnému jejich selhání. Při startu se používaly dva postranní už popsané pomocné urychlovací moduly SRB. Ty přistávaly na padácích a bylo je možné využít vícekrát. Celkově se uskutečnilo 135 startů raketoplánů. Jedna havárie nastala při startu a byla spojena s pomocnými urychlovacími moduly. Při ní byl zničen raketoplán Chalenger. Druhý raketoplán Columbia byl zničen při přistávání. V obou případech zahynula celá posádka. Kromě těchto tragédií se navíc nepodařilo dosáhnout předpokládaného počtu startů a úspor při vynášení nákladů. Proto nakonec USA po dokončení základní konstrukce ISS v roce 2011 využívání raketoplánů ukončily.

 

Start raketoplánu Discovery se sedmičlennou posádkou (zdroj NASA).
Start raketoplánu Discovery se sedmičlennou posádkou (zdroj NASA).

 

Novou americkou nejsilnější raketou by měla být už zmíněná SLS. Ta využije u centrálního stupně čtyři motory RS-25. Centrální stupeň bude mít po stranách dva urychlovací stupně. Napřed by se měly používat motory na tuhá paliva SRB odvozené od postranních motorů využívaných pro raketoplán, které jsou označovány jako QM-2. Později by se měly využít vylepšené motory F-1, které byly u Saturnu 5. Velikost horního stupně se bude měnit podle potřeby. Její nosnost by měla nakonec být srovnatelná či dokonce přesáhnout nosnost Saturnu V a měla by se stát nejsilnějším prostředkem pro vynášení těch nejtěžších nákladů na oběžnou dráhu. To však bude možné jen v případě, že opravdu projde všemi třemi plánovanými stádii. První verze vynese na nízkou oběžnou dráhu 70 tun, v druhé etapě se pak dosáhne 105 tun a ve finální podobě nakonec přes 130 tun.

Nosič by měl dopravovat i těžké sondy do různých míst Sluneční soustavy, bude vynášet vyvíjenou kosmickou loď Orion, náklady k Měsíci a případně i části kosmické základny, která by jako pokračování ISS vznikla právě u Měsíce. Na testech jednotlivých motorů a komponent se intenzivně pracuje. První start se očekává zhruba za dva roky a SLS by při ní měl dopravit loď Orion, zatím bez posádky, právě k Měsíci.

 

Start rakety Proton (zdroj ILS).
Start rakety Proton (zdroj ILS).

 

Nyní se podívejme na vývoj sovětských a ruských nosičů. První ruská raketa Proton startovala v roce 1965. Plná čtyřstupňová verze startovala poprvé v roce 1967. Proton vynášel vesmírné stanice Saljut, moduly Mir, Zarja a Zvězda vesmírné stanice ISS. Současný model Proton M je schopen vynést na nízkou oběžnou dráhu 22 tun a na geostacionární dráhu 6,2 tuny. Má výšku 53 m a jedná se o čtyřstupňovou raketu. Jak už bylo zmíněno, motory tří hlavních stupňů využívají dimethylhydrazin a tetraoxid dusíku. První stupeň má šest motorů RD-275 a jeho celkový tah je 10,5 MN, druhý čtyři a třetí jeden (jedná se o motory typu RD-0210 až RD-0212). Dodatečný čtvrtý stupeň pak využívá motor na kerosin a tekutý kyslík. Do 9. června 2016 se uskutečnilo 412 startů a z nich 47 skončilo havárií.

Pro vynášení nákladů i posádek má Rusko ještě raketu Sojuz, jejíž první let se uskutečnil v listopadu 1966. Jeho současná verze Sojuz-FG je třístupňová raketa vynese na nízkou oběžnou dráhu 7,1 tuny. Jako palivo je využíván kerosin (RP-1) a tekutý kyslík jako okysličovadlo. Výška rakety je 46 m. Jedná se o jednu z nejvyužívanějších raket, která startovala už zhruba tisíckrát.

Nejsilnější ruskou raketou byla Eněrgija, jednalo se o dvoustupňovou raketu s hmotností 2 400 tun. Na nízkou oběžnou dráhu dokázala vynést 100 tun a na geostacionární dráhu 20 tun. První start byl v květnu 1987 a uskutečnily se pouze dva. Při druhém startu vynesla raketoplán Buran. Čtyři boční stupně využívaly vždy jeden už zmíněný motor RD-170 poháněný kerosinem a tekutým kyslíkem. Jejich celkový tah byl 32 MN. Centrální část využívala čtyři motory RD-120 spalující tekutý vodík a kyslík. V současné době se uvažuje o možnosti vyprojektovat a využívat vylepšenou variantu tohoto supertěžkého nosiče. Realizace tohoto plánu je však otevřenou otázkou.

 

Start rakety Ariane 5 – let 112 (zdroj ESA).
Start rakety Ariane 5 – let 112 (zdroj ESA).

 

Evropa má vývojovou řadu raket Ariane. Model Ariane 1 byla třístupňová raketa. Jejím vylepšením pak byly modely Ariane 2 až 4. První tato raketa startovala v prosinci 1979. V prvních dvou stupních se využívaly motory Viking, které spalují jako palivo směs 75 % dimetylhydrazinu a 25 % hydrazinu s okysličovadlem tetraoxidem dusíku. První stupeň Ariany 1 měl 4 motory Viking-2, druhý stupeň měl jeden motor Viking-4, třetí stupeň pak využíval motor HM7B spalující tekutý vodík a kyslík. Modely Ariane 2 až 4 používaly vylepšené verze motoru Viking, verze Viking 5C má tah 0,678 MN. Od Ariany 3 se mohly namontovat i urychlovací moduly po stranách, buď dva, nebo čtyři. I u nich se používaly motory Viking. Výška rakety Ariane byla téměř 60 m, hmotnost podle varianty 240 až 470 tun. Na nízkou oběžnou dráhu dokázala Ariane 4 vynést až 7,6 tun, na geostacionární dráhu pak 4,3 tun. Ariane je úspěšná raketa, Ariane 1 měla z 11 startů dvě havárie, Ariane 2 ze 6 jednu havárii, Ariane 3 z 11 jednu havárii a Ariane 4 ze 116 startů pouhé 2 havárie.

Ještě silnější je současný model Ariane 5, který je komplexním přepracováním předchozího nosiče. První stupeň v centrální části pohání motor Vulcain spalující tekutý vodík a kyslík, postranní urychlovací moduly na pevné palivo. Na druhém stupni se pak využívá už zmíněný motor HM7B na tekutý vodík a kyslík. Pro vylepšenou verzi se do druhého stupně plánoval motor Vinci. Ten se nyní plánuje využít pro nový model rakety Ariane - Ariane 6. Velmi velkou výhodou motoru Vinci je, že může být zapalován vícekrát, to umožní vynášet více družic na různé oběžné dráhy. Raket Ariane 5 má výšku mezi 46 až 52 m a hmotnost okolo 777 tun. Na nízkou oběžnou dráhu vynese i více než 20 tun a na geostacionární pak i více než 10,5 tuny. Ariane 5 měla do září 2016 87 startů a z toho jen 4 byly úplně nebo částečně neúspěšné.

Nosič Ariane 6 by měl být až o polovinu levnější. V červnu 2016 prošel posouzením návrhu a k prvnímu startu by mohlo dojít v roce 2020. V roce 2023 by plně nahradil Ariane 5. Předpokládá se možnost 11 až 12 startů ročně. Kromě prvního stupně s motorem Vulcain a druhého s motorem Vinci by se k prvnímu stupni připojovali podle potřeby dva nebo čtyři urychlovací bloky na tuhé palivo. Ty budou odvozeny od rakety Vega C. Maximalistická verze ze čtyřmi urychlovacími bloky by měla být schopna dostat na dráhu přechodovou ke geostacionární 10,5 tuny. Slabší verze může umístit na nízkou oběžnou dráhu 7 tun. Někdy v budoucnu by nová raketa měla využívat motory na kapalný metan a kyslík. Firma Airbus uvažuje také o možnosti opakovaného využití motoru prvního stupně.

 

Američané intenzivně využívali rakety Atlas. Ta vynášela i zajímavé vědecké družice. Zde je start rakety Atlas V se sondou MRO (Mars Reconnaissance Orbiter). Atlas V využíval ruské motory RD-180. (Zdroj NASA).
Američané intenzivně využívali rakety Atlas. Ta vynášela i zajímavé vědecké družice. Zde je start rakety Atlas V se sondou MRO (Mars Reconnaissance Orbiter). Atlas V využíval ruské motory RD-180. (Zdroj NASA).

 

Čína rozvíjí řadu raket Dlouhý pochod. První družice byla v Číně vynesena v roce 1970. Od roku 1990 se tyto nosiče začaly nabízet na mezinárodním trhu. Kosmonauty začala raketa, v té době verze Dlouhý pochod 2, vynášet od roku 2006. Nosiče jsou většinou třístupňové, někdy v dvoustupňové verzi, případně s přídavným čtvrtým stupněm. Do března 2016 bylo celkem 225 startů. Až dosud využívaly první a druhý stupeň hlavně motory na dimetylhydrazin v kombinaci z tetraoxidem dusíku a třetí stupeň u verze Dlouhý pochod 1 motor na pevné palivo. Verze Dlouhý pochod 2 až 4 pak měly třetí stupeň využívající kapalný vodík a kapalný kyslík. Prozatím nejsilnější verze Dlouhý pochod 3 vynese na nízkou oběžnou dráhu 12 tun a na geostacionární pak 5,1 tuny.

V současné době přechází na využívání nové trojici nosičů. Dlouhý pochod 5 by měla být těžká raketa, která vynese na nízkou oběžnou dráhu 25 tun a na geostacionární pak 14 tun. Dlouhý pochod 6 je lehkotonážní a premiéru měl v září 2015. V červnu 2016 poprvé startoval Dlouhý pochod 7, který je středně silným nosičem. Na rozdíl od předchozích modelů se zde od ekologicky problematického hydrazinu přechází ke kerosinu a tekutému kyslíku u hlavních motorů a tekutému vodíku a kyslíku u horních stupňů. Studuje se i velmi silný typ Dlouhý pochod 9, který by mohl na nízkou oběžnou dráhu dopravit 150 tun a na geostacionární pak 50 tun. Jestli nakonec vznikne, je však otázka otevřená.

Jak bylo zmíněno, tak na přelomu srpna a září pak havarovala raketa Dlouhý pochod 4C. Problém zřejmě nastal na třetím stupni a zatím lze těžko odhadnout, jaké dopady bude mít nehoda na ambiciózní vesmírné plány Číny.

 

Start rakety Falcon 9 společnosti SpaceX (zdroj SpaceX).
Start rakety Falcon 9 společnosti SpaceX (zdroj SpaceX).

 

Kromě státních organizací se velice intenzivně začaly do vynášení nákladu do vesmíru zapojovat soukromé firmy, které by měly přispět ke snížení nákladů. Zatím nejdále se v tomto směru podařilo postoupit v případě společností SpaceX Elona Musca. Ta vyvinula raketu Falcon. První člen této rodiny Falcon 1 se 28. září 2008 stal prvním soukromým nosičem, který dopravil náklad na oběžnou dráhu. Využívají se různé varianty motoru Merlin poháněné kerosinem a tekutým kyslíkem, ty mají rozdílný tah a vyrábějí se verze vyladěné jak pro práci v atmosféře při použití v prvním stupni tak pro práci ve vakuu při využití ve druhém stupni.

V současné době je nejsilnějším modelem jedna z verzí nosiče Falcon 9. První stupeň rakety je poháněn devíti motory Merlin 1D, které mají každý tah až 0,65 MN. Výška rakety je 54,3 m. Jeho vylepšená varianta dokáže na nízkou orbitu dopravit 22,8 tun a na geostacionární dráhu pak 8,3 tuny. Tato raketa počítá s vícenásobným využitím prvního stupně. K jeho přistání je však potřeba využít část paliva a nosnost rakety se snižuje o 30 – 40 %. První úspěšné motorické přistání prvního stupně se podařilo 22. prosince 2015. Nyní už se úspěšná přistává jak na pevnině, tak na plošině umístěné na moři. A právě raketa Falcon 9 vybuchla prvního září na rampě při předstartovních testech. Jak bylo zmíněno, příčinu havárie se zatím najít nepodařilo a nelze zatím říci, jak silně bude vesmírný program SpaceX ovlivněn.

 

První stupeň rakety Falcon 9 přistál na mořské plošině 8. dubna 2016 (zdroj SpaceX).
První stupeň rakety Falcon 9 přistál na mořské plošině 8. dubna 2016 (zdroj SpaceX).

 

Společnost SpaceX vyvíjí ještě silnější verzi Falcon Heavy, která by měla mít i postranní urychlovací stupně. Na nízkou oběžnou dráhu by měl tento nosič vynášet hmotnost až 54,4 tun a na geostacionární pak 22,2 tuny, k Marsu 13,6 tuny a k Plutu 2,9 tuny. Ještě silnější nosiče by využívaly vyvíjený model Merlin 2, který by měl mít tah až 7,6 MN. Byl by tak v kategorii motorů F-1 a RD-170. Uvidíme, co vše se nakonec podaří realizovat. Kromě družic vynáší tato raketa také loď Dragon, která je určena k dopravě nákladu a v budoucnosti i lidí na mezinárodní vesmírnou stanici ISS. A právě zdržení prvního startu té lodi lze po havárii očekávat.

Na opakované využití částí systémů cílí ještě ve větší míře společnosti pracující na suborbitální turistické lety. Jedním z takových projektů je SpaceShipOne a jeho pokračovatel SpaceShipTwo. Jedná se o raketoplán vynesený letadlem do výšky okolo 15 km, který se pak pomocí hybridního raketového motoru se dostane do výšky přes 100 km a vykoná suborbitální let. Po havárii první lodě tohoto typu, při které zahynul jeden ze dvou pilotů, probíhají v současné době testy nového exempláře.

 

Snímek letu suborbitální lodi SpaceShipTwo v dalekohledu během zkušebního letu v roce 2013 (zdroj MarsScientific.com and Clay Center Observatory).
Snímek letu suborbitální lodi SpaceShipTwo v dalekohledu během zkušebního letu v roce 2013 (zdroj MarsScientific.com and Clay Center Observatory).

 

Budoucnost a limity jejich použití

Je vidět, že již od šedesátých let existuje škála nosičů, které dokáží vynést na nízkou orbitu až náklady s hmotností přes 100 tun. Dosahovaný tah největších motorů je až 7 MN. Postupně dochází ke zvyšování efektivnosti i spolehlivosti nosičů a také snižování jejich ceny. I když nejde o žádné dramatické zlomy a spíše jen o pomalou evoluci. Zvětšení nosnosti není tak příliš nutné. Je velmi pravděpodobné, že v každém případě bude potřeba využívat montáže ve vesmírném prostoru a nebude potřeba vynášet větší celky.

 

 

Intenzivní práce na vývoji nového transportního systému pro NASA SLS pokračuje a do pár let už snad bude v operačním provozu (zdroj NASA).
Intenzivní práce na vývoji nového transportního systému pro NASA SLS pokračuje a do pár let už snad bude v operačním provozu (zdroj NASA).

V současné době je hlavním cílem zvýšení bezpečnosti, zefektivnění a snížení ceny dopravy nákladu na oběžnou dráhu. Je to velmi důležité i pro přípravu budoucích letů do mezihvězdného prostoru a ke hvězdám, protože se dá předpokládat, že mezihvězdné lodě se budou montovat ve vesmírném prostoru a je potřeba jejich komponenty z velké části dopravit ze Země. Případně ve vesmíru smontovat továrny a další zařízení, které budoucí mezihvězdnou loď umožní vybudovat. Pokrok v této oblasti je mnohem pozvolnější než se předpokládalo v počátečních obdobích bouřlivého rozvoje kosmonautiky. Jak lze vidět i z přehledu v předchozí části, stále se používá řada motorů i raket, které pochází právě z těch bouřlivých let. I když se jejich vylepšováním dosahuje zvýšení efektivity a spolehlivosti. Obecnou tendencí je u kapalných motorů právě z důvodu bezpečnosti přechod od hydrazinu ke kerosinu nebo kapalnému vodíku, v obou těchto případech je okysličovadlem tekutý kyslík.

 

 

Příští rok se snad dočkáme i startu rakety Falcon Heavy firmy SpaceX (zdroj SpaceX).
Příští rok se snad dočkáme i startu rakety Falcon Heavy firmy SpaceX (zdroj SpaceX).

 

Zásadní pokrok se očekával z přechodu k mnohonásobně využívaným systémům. Zatím se, až na některé výjimky, rakety a jejich motory použijí jen jednou. První výjimkou byly motory raketoplánu. Ovšem v tomto případě se bohužel naděje vkládané do tohoto systému nenaplnily. Zatím se tak snížení ceny vynesení jednotkové hmotnosti dosahuje snížením ceny rakety a masovější výrobou. Proto je snaha uplatňovat spíše lacinější komponenty a materiály. Pokud by se motory využívaly opakovaně, je při jejich výrobě výhodné použít kvalitnější a tedy většinou i dražší materiály. A bez opakovaného využívání motorů asi nebude možné radikálně cenu dopravy na orbitu zlevnit. Proto se o to snaží několik soukromých společností, které chtějí podnikat v této oblasti.


Opakované využití a zlevnění výroby by umožnilo daleko větší aktivity ve vesmírném prostoru. Znásobení počtu startů by pak vedlo k hromadnější výrobě a ta by mohla způsobit další snížení ceny nosičů. Uvidíme, zda se konečně v následujících letech podaří dostatečně velký průlom. Bez něj si lze těžko představit rozsáhlejší aktivity lidstva ve vesmíru.

 

 

Aktualita
Čínský kosmický program si právě spravil náladu i renomé. Před chvílí se podařilo úspěšně vypustit kosmickou stanici Tiangong 2. Jedná se o jednomodulovou stanici podobnou té předchozí Tiangong 1. Její hmotnost je něco přes osm tun a vynesla jí dvoustupňová varianta rakety Dlouhý pochod 2F. Měly by ji navštívit dvě pilotované lodi Shenzhou-9 a Shenzhou-10. Takže se můžeme těšit, že budou na oběžné dráze dvě obydlené stanice.

 

Autor: Vladimír Wagner
Datum: 15.09.2016
Tisk článku

Krtek a raketa - Puzzle 24 - neuveden
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 129 Kč
cena: 91 Kč
Krtek a raketa - Puzzle 24
neuveden
Související články:

Jaderné zdroje pro vesmírnou kolonizaci     Autor: Vladimír Wagner (11.08.2008)
Evoluce Falconu 9     Autor: Michael Voplatka (19.04.2016)
SpaceX chtějí letět na Mars v roce 2018. Mají na to?     Autor: Stanislav Mihulka (29.04.2016)
Kdy budou potřeba kapitáni slunečních plachetnic?     Autor: Vladimír Wagner (11.07.2016)



Diskuze:

.

Zdeněk Syk,2016-10-02 17:44:01

moc pěkně se to četlo, dobrý článek :)

Odpovědět

Metan

Lvy Janáček,2016-09-16 13:19:22

Ještě jedna věc, škoda, že se autor více nerozepsal o motorech na tekutý metan. Prý vypadají docela zajímavě a je možné dosáhnout úspory hmotnosti díky menším nádržím na palivo.

Odpovědět

RS-25

Lvy Janáček,2016-09-16 12:47:11

Moc hezký článek, jen si myslím, že nelze uvádět, že motory raketoplánu nezaznamenaly žádné selhání. Nechce se mi to hledat, ale minimálně jednou došlo k vypnutí motoru během startu a nejsem si jistý, zda nedošlo i k přerušení startu na rampě kvůli motoru.

Odpovědět

Palivo

David Oplatek,2016-09-15 21:25:05

Jakým způsobem se určuje, které palivo (která chemická látka - asi i v jaké kombinaci s čím) vytvoří největší specifický impulz? Metoda pokus/omyl, nebo na to jsou nějaké vzorečky použitelné k simulaci? Jaký vliv na to má konstrukce motoru, trysek?

Odpovědět


Re: Palivo

Vladimír Wagner,2016-09-16 08:37:24

Uvolňovaná energie je dána vlastnostmi příslušné chemické reakce. Specifický impuls je dán jednak termodynamickými vlastnostmi látek a podmínkami pro spalování dosaženými ve spalovací komoře. Jde o specifická tepla, molární hmotnosti, měrné tepelné kapacity. A spalná teplota, které lze dosáhnout v komoře, ale takové, aby to komora vydržela. Další vliv má pak konstrukce trysky a poměr tlaků ve spalovací komoře a na výstupu trysky, který se podaří dosáhnout. Všechno toto se dá projektovat a jsou pro to fyzikální a technické vztahy, které umožňují předpovědět nejen specifický impuls pro daný návrh motoru. Ale pochopitelně s danou přesností, takže je pořád ještě dost věcí, které se musí zkusit a ověřit, zda to funguje, jak si myslíme. Stejně jako v jiných oborech však podíl problémů řešených metodou pokus/omyl ubývá.

Odpovědět


Re: Re: Palivo

David Oplatek,2016-09-16 16:43:34

Super, děkuji za odpověď.

Odpovědět

Díky za

Zab Hazar,2016-09-15 17:17:31

skvělý a čtivý článek, sepsaný s rozhledem, nadhledem a informační nasyceností pro autora tak typickou.
Osobně si myslím, že civilní kosmonautika stojí na velkém rozcestí, a je otázka, kam se nakonec vydá. Jen aby to nakonec, k nově sílícímu chrastění zbraněmi, nebyl jen velký útlum a odstavení na vedlejší kolej...

Odpovědět


Re: Díky za

Jozef Vyskočil,2016-09-15 21:57:07

Pekný prehľad. Dosť ľudí neverí, že sú americké rakety, ktoré lietajú s ruskými motormi a že pristátie pomocou motora stojí zhruba tretinu nosnosti. Uvítal by som odkaz na článok o schéme ruských motorov, ktorá robila američanom neprekonateľné problémy napriek neobmedzeným prostriedkom od daňových poplatníkov.

Odpovědět


Re: Re: Díky za

Vladimír Wagner,2016-09-16 08:52:04

RD-180 jsou odvozeny od RD-170. Je poměrně nový a má velmi vyladěnou a tím i "jednoduchou" a efektivní konstrukci. Jeho hromadnou výrobou tak lze i dosáhnout nízké ceny. Docela dobrý popis je i na ruské či anglické wikině

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%94-180
https://en.wikipedia.org/wiki/RD-180

Problém není v tom, že by Američané neměli možnost záměny, ale otázkou jsou náklady, viz třeba tento článek:

https://sputniknews.com/politics/20160429/1038857813/pentagon-russian-rocket-engines.html

Je to jeden z příkladů velké výhodnosti spolupráce a hromadnější výroby konkrétního vyladěného a odzkoušeného modelu. V kosmonautice jsou Evropané, Američané a Rusové tak provázání, že zrušení spolupráce by bylo extrémně náročné a nákladné. A podle mého je to dobře, protože i to brání extrémistům na obou stranách v katastrofických akcích nejen v kosmonautice a pomáhá udržování vzájemných vztahů.

Odpovědět


Re: Re: Re: Díky za

Jozef Vyskočil,2016-09-16 20:00:38

Nemôžem nájsť článok o tom ako po uvoľnení železnej opony navštívili američania rusov a tí im ukázali motory podľa schémy o ktorej američania boli presvedčení, že udržať stabilnú prácu podľa nej nie je možné, hoci to prináša významné zvýšenie účinnosti. Týkalo sa to tuším výstupu z turbočerpadiel do spaľovacej komory. Američania prehlásili, že to vzdali v dobe, keď mali prakticky neobmedzené prostriedky a že sa im to bude dosť ťažko vysvetľovať daňovým poplatníkom. Odvtedy kupujú tieto motory od rusov a používajú ich tuším v Atlasoch.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Díky za

Vojtěch Kocián,2016-09-16 22:05:49

Je docela vtipné, že Rusové prodávají motory s uzavřeným cyklem Američanům, kteří podobné nemají, ale Rusové zase nemají v operačním nasazení raketu, kam by ty své motory namontovali. Sojuz používá motory s otevřeným cyklem, Proton sice s uzavřeným, ale na úplně jiné palivo a Angara ještě není v provozu.
Mimochodem, Rusové jsou specialisté především na motory poháněné kerosinem. Pokud jde o velké vodíkové nebo s pevným palivem, Američané nebo i Evropa s nimi mají více zkušeností.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni