Levná, spolehlivá a stále lepší: Vývoj Falconu 9 a cesta ke Starship
Čím je mezi automobily Volkswagen Brouk a mezi letadly Douglas DC-3 Dakota, tím se mezi raketami stal levný, spolehlivý a jednoduchý Falcon 9.
Falcon 9 představuje nejúspěšnější kosmickou raketu současnosti a bez diskuse i jednu z nejúspěšnějších v dějinách. Už nyní jí patří několik primátů, a to nejen kvantitativních, ale také kvalitativních: Loni letěla 134krát (v roce 2023 to bylo 96 startů), což se žádnému jinému nosiči v historii nepodařilo, a aktuálně má za sebou přes 440 startů bez nehody, čímž se rovněž vymyká.
Cesta k devítce
K její stávající podobě ovšem vedla dlouhá cesta. První verze měřila na výšku 54,9 metru a její startovní hmotnost činila 333 tun. Dnes se oproti tomu jedná o 70 metrů, respektive 549 tun, a také nosnost je víc než dvojnásobná – konkrétně 10,4 tuny versus 22,8 tuny na nízkou dráhu. První stupeň nese devět motorů Merlin 1D (původně 1C) a druhý dostal do vínku jeden stejného typu, upravený pro práci ve vakuu.
Premiérová verze Falconu 9 neboli Block 1 (též v1.0) se uplatnila jen pětkrát, v letech 2010–2013. Motory prvního stupně měla uspořádané v mřížce 3 × 3, kdežto ostatní verze mají jeden středový a osm rovnoměrně rozmístěných na kružnici kolem něj. U navazujícího Blocku 2 (v1.1) narostla výška na 68,4 metru a hmotnost na 506 tun, zatímco tah prvního stupně se díky Merlinům 1D zvýšil o 60 %. Daná verze létala od září 2013 do ledna 2016.
Block 3 alias FT, Full Thrust, měl první stupeň optimalizovaný pro vícenásobné použití a raketa už získala finální rozměrové, hmotnostní a kapacitní parametry zmíněné výše. U popsané verze se mimo jiné poprvé tankovalo palivo i okysličovadlo při snížené teplotě, například kerosin podchlazený na −4 °C namísto obvyklých „pokojových“ 20 °C. Hustší směs přitom dovolila jen do prvního stupně natankovat o 17 % pohonných látek víc. Verze Block 4 se vyznačovala pouze drobnými změnami v konstrukci nebo avionice; Block 5 se pak používá od roku 2018 a jde o raketu orientovanou na zjednodušení vícenásobné použitelnosti. Dřívější Block 3 a 4 mohly letět jen dvakrát či třikrát, kdežto Block 5 měl původně umožnit až desetinásobné použití. Rekordman mezi raketami má přitom dnes na kontě už přes dvě desítky startů a SpaceX hovoří o tom, že míří k počtu 40 misí s jedním nosičem – načež se uvidí.
Znovu a znovu na start
Právě opakovaná použitelnost tvoří charakteristický znak Falconu 9. Dnes už všechno vypadá rutinně, ale zdání klame. Jak uvedl Musk před premiérou verze Block 5: „Každému, kdo rozumí raketám, je jasné, že se jedná o neskutečně obtížnou věc. My jsme na ní pracovali od roku 2002. To je šestnáct let extrémní práce a mnoha, mnoha opakování. Šlo o tisíce malých, ale důležitých vývojových změn, které nás přivedly až sem, kdy si myslíme, že je něco podobného možné. Ovšem bylo to strašně těžké.“
A co ony „tisíce změn“ v případě Falconu 9 Block 9 znamenaly? Začněme u přistávacího podvozku, který se dal dřív použít pouze jednou. Jeho demontáž po přistání, nezbytná i pro transport stupně, byla navíc časově náročná. Nový podvozek disponuje lepší tepelnou ochranou a jeho konstrukce také dovoluje opakované použití. „Interní západka se nyní může snadno otevírat a zavírat,“ vysvětlil Musk. Podvozek je tudíž možné po startu sklopit a bez další kontroly použít znovu.
Jiná inovace spočívá v pozměněném tvaru roštových kormidel na prvním stupni, jež jsou navíc vyrobena z titanu a umožňují lepší ovladatelnost i přesnější dosednutí. Dřívější hliníková kormidla byla sice výrazně levnější, ale při přistání se poškozovala, a jejich vlastnosti se tak měnily – tudíž se nedala použít podruhé. Titanová verze dovoluje stupni při návratu letět i s vyšším úhlem náběhu: Znamená to delší aerodynamické brzdění a šetření pohonných hmot při přistání, jež pak mohou posloužit ke zvýšení výkonu, potažmo nosnosti rakety.
Spojit tři k sobě? Jak prosté…
Speciální případ Falconu 9 reprezentuje Falcon Heavy, raketa s trojicí spřažených prvních stupňů. Přestože se na první pohled může zdát, že jde právě o tři spojené „devítky“, je to pravda jen z poloviny. Dva boční bloky skutečně představují Falcony 9, nicméně středový stupeň má úplně jinou konstrukci. Pro představu: Zatímco vývoj Falconu 9 stál zhruba 300 milionů dolarů, do Falconu Heavy musela SpaceX investovat 500 milionů – a to už zdánlivě měla podstatnou část hotovou.
Falcon Heavy měří na výšku 70 metrů, startovní hmotnost činí 1 421 tun a jeho kapacita dosahuje až 63,8 tun nákladu na nízkou dráhu, 26,7 tun na dráhu přechodovou ke stacionární nebo 16,8 tuny k Marsu. Jedná se o údaje platné pro jednorázově použitelnou verzi; při nasazení vícenásobně využitelné trojice prvních stupňů – kdy musejí mít přistávací podvozek, stabilizační kormidla pro manévrování v atmosféře, rezervy pohonných látek na dosednutí apod. – by měla klesnout o 20–30 %. Každý ze tří prvních stupňů nese devět motorů Merlin 1D, dohromady tedy 27 pohonných jednotek.
Raketa poprvé vzlétla v únoru 2018 a Musk neskrýval nadšení z jejího úspěchu: „Když jsem ji viděl startovat, napadlo mě, že teď přichází tisíc věcí, které se mohou pokazit. Překvapilo mě, že fungovaly.“ Falcon Heavy dosud letěl 11krát a vždy úspěšně. Doposud poslední start této rakety se uskutečnil loni v říjnu, kdy do vesmíru vynesla sondu Europa Clipper.
Opuštěné projekty
V prosinci 2011 představil jeden ze zakladatelů Microsoftu investor Paul Allen firmu Stratolaunch Systems, která chtěla vytvořit zcela nový kosmický dopravní systém. První stupeň v podobě letadla s rozpětím křídel 117 metrů, se dvěma trupy a s šesti motory z Boeingu 747 by vynášel raketu Falcon 9 Air, odvozenou z Falconu 9. Disponovala by však jen pěti motory v prvním stupni, tudíž by připomínala opuštěný projekt Falcon 5. Druhý stupeň měl být standardní, z „devítky“, a při startovní hmotnosti 220 tun se počítalo s nosností okolo 6,1 tuny na nízkou oběžnou dráhu.
Vývoj rozplánovaný na pět roků měl stát 200 milionů dolarů. Hlavní výhoda systému pak spočívala v eliminaci pozemního komplexu a v možnosti startovat na dráhu prakticky s jakýmkoliv sklonem, a to odkudkoliv na světě. Jenže rok se s rokem sešel, a SpaceX z projektu „létajícího kosmodromu“ odstoupila. Důvody nikdy oficiálně neuvedla, takže můžeme jen spekulovat, že nechtěla tříštit síly na raketu, jež by nebyla opakovaně použitelná.
A když jsme u nerealizovaných plánů, kdo si dnes ještě vzpomene na projekty Falcon X či Falcon XX, prezentované v roce 2010? V prvním případě šlo o nosič s průměrem 6 metrů a s kapacitou až 38 tun nákladu, s třemi motory Merlin 2 na prvním stupni a s jedním Raptorem na druhém. Merlin 2 však nikdy nevznikl, a co se týká Raptoru, nejednalo se o ten, který v současnosti známe ze Starship: Měl být na kapalný kyslík a vodík! Dále SpaceX vyvíjela také Falcon X Heavy, s trojicí spřažených prvních stupňů a s nosností 125 tun nákladu. U Falconu XX se pak počítalo až se 140 tun a jeho první stupeň o průměru 10 metrů měl dostat do vínku šest Merlinů 2, zatímco druhý by disponoval zcela novou jednotkou – nukleárním motorem. V podstatě šlo o hledání cesty k ultimátnímu cíli v podobě vybudování kolonie na Marsu.
Než přišla Starship
Ačkoliv ke kolonizaci Marsu směřuje SpaceX v podstatě od svého založení, teprve v roce 2013 představil Musk raketu Mars Colonial Transporter neboli MCT. Oficiálně nebyly parametry zamýšleného obra zveřejněny, takže se jeho možná podoba odvozuje pouze z náznaků: S průměrem 15 metrů, výškou 180 metrů, startovní hmotností okolo 15 000 tun a s oběma stupni opakovaně použitelnými šlo o pradědečka dnešní Starship.
V roce 2016 podnikatel poprvé veřejně prezentoval svoji „raketu pro Mars“, tedy Interplanetary Transport System alias ITS. První stupeň nosiče se označoval jako Interplanetary Booster, zatímco druhý mohla tvořit dopravní loď Interplanetary Spaceship nebo zásobovací Tanker. Raketa měla mít výšku 122 metrů a startovní hmotnost 10 500 tun, přičemž šlo o stejný koncept jako u dnešní Starship. Druhý z obou opakovaně použitelných stupňů by pro lety k Měsíci či Marsu doplňoval pohonné hmoty na oběžné dráze Země. Nosnost mohla dosahovat 300 tun v opakovaně použitelné verzi nebo 550 tun v jednorázové. A jako pohonné látky se poprvé představily kapalný kyslík a metan, na který padla volba z několika důvodů – mimo jiné proto, že se dá získávat z marsovské atmosféry.
Jenže už v roce 2017 bylo zase všechno jinak a SpaceX prezentovala koncept pojmenovaný BFR. Zmíněná zkratka se v kosmonautice používá dlouhé roky a odkazuje ke spojení Big Fat Rocket neboli „velká bachratá raketa“, označujícímu obří nosiče (viz Zatraceně velká raketa). Muskova BFR byla podstatně menší než MCT nebo ITS, oba její stupně měly na výšku měřit 106 metrů, vzletová hmotnost by dosahovala 4 400 tun a nosnost by činila 150 tun nákladu. Výroba však měla být dostatečně levná, aby se vyplatila. S podobnými raketami se počítalo třeba pro vynášení pohonných látek, zásob vody, materiálu pro kosmické továrny apod.
Větší, větší, ještě větší...
Na podzim roku 2018 se vývoj ustálil a světlo světa spatřil projekt Starship. Původně se u něj počítalo s uhlíkovými kompozity, poté s nerezem bez tepelného štítu a s aktivním chlazením odpařovaným metanem, a nakonec s nerezem a s tepelným štítem. Následovaly různé vývojové verze, ale dnes se Starship každopádně skládá ze dvou stupňů: První z nich, Booster, měří 71 metrů na výšku, 9 metrů v průměru a jeho prázdná hmotnost činí asi 200 tun. Do nádrží pojme 3 300 tun kapalného kyslíku a metanu, přičemž využívá 33 motorů Raptor, jež mají ve druhé generaci jednotkový tah 2,26 MN.
Druhý stupeň Ship s výškou 50 metrů a průměrem 9 metrů má prázdnou hmotnost také zhruba 200 tun, do budoucna by se však měla významně snížit. Pojme asi 1 200 tun kapalného kyslíku a metanu, který spaluje šest motorů Raptor, konkrétně tři standardní a tři s prodlouženou tryskou optimalizovanou pro práci ve vakuu. Ocasní i kachní stabilizační plochy řídí průlet atmosférou a v dané fázi letu stupeň spoléhá na 19 tisíc keramických destiček tepelné ochrany. Booster i Ship mají přistávat zpět na startovací rampu, kde je bude v letu – byť při minimální rychlosti – zachytávat dvojice mohutných manipulátorů neboli Mechazilla. První úspěšný „záchyt“ se uskutečnil loni v říjnu.
Už dnes chystá Elon Musk Starship druhé a třetí generace. Oba stupně se prodlouží, tah prvního z nich se zvýší asi o 50 % a stejně tak poroste nosnost, snad až na 400 tun u jednorázové verze. Ve třetí generaci pak získá Ship ještě jednu trojici Raptorů upravených pro práci ve vakuu. A především chce šéf SpaceX postavit opravdu hodně zmíněných kosmických plavidel. Svoji vizi popsal následovně: „Abychom mohli dosáhnout kolonizace Marsu v následujících třech dekádách, budeme potřebovat ročně vyrobit sto lodí. Ale ideálně víc, až ke třem stovkám.“
Zatraceně velká raketa
BFR se někdy používá jako zkratka spojení Big Freak Rocket neboli „velká bizarní raketa“. Dané označení – také ve verzi Big Dumb Rocket, „velká hloupá raketa“ – se uplatňovalo už od 60. let pro obří a levné, ale nespolehlivé nosiče, u nichž se kalkulovalo s tím, že třeba každý desátý start skončí havárií. Mnohem populárnější význam zkratky však zní Big Fuc***g Rocket, tedy volně a slušně přeloženo „zatraceně velká raketa“, a v souvislosti s plány Elona Muska rovněž Big Falcon Rocket čili „velká raketa Falcon“.
