Raketa LVM-3: Tažný kůň indické kosmonautiky

Indický vesmírný program ušel od svého vzniku v 60. letech dlouhou cestu. Od vypuštění první družice Aryabhata (Árjabhata) v roce 1975 na sovětské raketě Kosmos-3M až po vyslání sond k Měsíci i Marsu dosáhla Indická kosmická agentura ISRO několika zásadních milníků. Mezi ty dosud nejvýznamnější patří vývoj řady raket označených jako GSLV alias Geosynchronous Satellite Launch Vehicle.

První typ Mark 1 nebo také Mk I vyrostl z velké části na zahraničních technologiích. Například hlavní motory Vikas vy­užívaly licenci pohonu Viking z evropských raket Ariane 4 – ostatně oba nosiče jsou si podobné. Na třetím stupni se pak uplatnil ruský motor RD-56. Popsanou spolupráci však provázely technické i politické problémy. Spojené státy striktně odmítaly přesun know-how kryogenního pohonu do Indie, takže tamní inženýři rychle hledali „domácí“ řešení a postupně vyvinuli odvozené technologie. Varianta využívající vlastní kapalinové motory se nazývala GSLV Mk II. 

Oba nosiče měly ovšem tehdy daleko k přívlastku „spolehlivé“: Mk I startoval šestkrát, a pouze dvakrát uspěl. Také premiéra Mk II skončila nezdarem. Porodní bolesti se však podařilo překonat a chyby eliminovat. V letech 2014–2021 absolvovala raketa šest úspěšných startů za sebou, a až sedmý se nepovedl. Ze statistiky lze nicméně rovněž vyčíst, že ani kadence není nijak závratná.

Vývoj plný překážek

Každopádně k vlastnímu kryogennímu motoru vedla velmi bolestivá cesta. Trvání na uvedených motorech v kosmonautice je dáno dilematem v oblasti pohonné techniky. Kapalná paliva jsou logicky méně hustá než tuhé pohonné látky a zároveň proudí lépe než paliva plynná. Mnohé z kapalných látek pak mají dostatečnou energii, aby se daly považovat za žádoucí.

Například druhý stupeň indické rakety PSLV pohání nesymetrický dimethylhydrazin UDMH, jehož obrovská výhoda tkví v tom, že není citlivý na otřesy a lze ho dlouhodobě skladovat. Je ovšem silně toxický. Nicméně nejvyšší rychlost výfukových plynů ze všech paliv dokáže poskytnout plynný vodík: Při hoření UDMH v přítomnosti tetraoxidu dusíku coby okysličovadla dosahuje rychlost výfukových plynů asi 3,42 km/s, zatímco při hoření vodíku v přítomnosti kyslíku jde o 4,55 km/s.

Jenže vodík coby plyn se do motoru čerpá mnohem obtížněji než UDMH, což inženýři řeší jeho přeměnou na kapalinu. Takový raketový motor je však extrémně složitý. Vodík zkapalňuje při –253 °C a kyslík při –184 °C; látky se tudíž musejí skladovat a přepravovat ve speciál­ních nádržích a do motorů se přivádět speciálním potrubím a pomocí odolných turbočerpadel. Součástky motoru je pak třeba vyrábět z vysoce kvalitních slitin, protože při kryogenně nízkých teplotách běžné kovy křehnou.

Motor tedy musí zvládnout velmi vysoké, ale i extrémně nízké teploty. Navíc má vodík na rozdíl od jiných běžných raketových paliv nesmírně nízkou hustotu a velmi snadno uniká, přičemž nelze opomenout ani řadu dalších komplikací. V podstatě všechny kryogenní motory vyžadují náročnější péči, než na jakou byl tehdejší indický kosmický průmysl zvyklý. Výhody vodíku však stály alespoň za pokus…

Zkrotili jsme oheň

Motor CE 7.5 představoval nejpokročilejší kus techniky, s jakým se do té doby indická agentura musela vypořádat, pokud se chtěla posunout dál. Jeho první zkušební let se uskutečnil 15. dubna 2010 na raketě GSLV Mk II, nosič ovšem selhal 295 sekund po startu, když vybočil z dráhy letu.

Vědci z ISRO se původně domnívali, že správně nefungovaly Vernierovy motory pro řízení vektoru, jež se staraly o natáčení stupně za letu. Podrobná zpráva z července 2010 však označila za příčinu poruchy čerpadlo, které dodávalo kryogenní vodík do turbíny. Spustilo se 294,06 sekundy po startu a normálně fungovalo 0,9 sekundy. Během následujících 0,6 sekundy se však z neznámých důvodů vypnulo, takže se dodávka pohonné směsi zastavila. Celý koncept bylo tudíž nutné předělat, a to po patnácti letech vývoje.

Na 5. leden 2014 pak bude indická kosmonautika ještě dlouho vzpomínat: Upravená raketa GSLV Mk II totiž absolvovala let bez sebemenší chybičky. „Zkrotili jsme toho neposlušného chlapíka,“ poznamenal tehdy ředitel ISRO Kailasavadivoo Sivan. Úspěch přitom otevřel cestu k dosud nejsilnější verzi zmíněného nosiče, s označením GSLV Mk III.

Vysněná raketa

Pokud Indii něco skutečně chybělo, pak to byla silná raketa schopná vynášet těžké náklady. V daném ohledu se asijská země musela spoléhat na zahraniční partnery a nechat si těžší družice dopravovat do kosmu od nich – což bránilo plné soběstačnosti, která je důležitá pro realizaci celé řady misí. Proto Indie napřela největší úsilí do rozvoje potřebných technologií, umožňujících stavbu středně těžkého nosiče.

A díky zvládnutí kryogenní technologie se dlouholetý sen pomalu zhmotňoval. GSLV Mk III zdědila po svých předchůdkyních jméno, šlo však o zcela novou raketu, jež měla s původní řadou jen pramálo společného. Zmíněný fakt se odrazil v pozdější změně názvu na LVM-3 neboli Launch Vehicle Mark 3, což víc odpovídalo skutečnosti: Nosič totiž neměl primárně sloužit pro mise mířící na geosynchronní oběžné dráhy. Pojďme si jej tedy představit trochu blíž.

Rozhodující čísla

Třístupňová raketa LVM-3 měří na výšku 43,5 m a její vzletová hmotnost činí 640 tun. Průměr překrytu nákladu dosahuje 5 m, což je vzhledem k velikosti nosiče celkem netradiční, a raketa tudíž působí mohutně. Na nízkou oběžnou dráhu neboli LEO dokáže vynést okolo 10 tun nákladu a na dráhu přechodovou ke geostacionární alias GTO pak okolo 4 tun. Jen pro představu: Zatímco LEO leží stovky kilometrů nad Zemí, GTO se nachází ve výšce 35 786 km nad povrchem naší planety.

Zajímavé je použití jiného paliva na každém stupni. Tím prvním se myslí dvojice pomocných motorů na tuhé pohonné látky, které jsou mimochodem třetí nejsilnější na světě, a to po SRB americké rakety Space Launch System a po urychlovacích blocích evropské Ariane 5. Střední, tedy druhý stupeň L110 využívá kapalné pohonné látky a pohání ho dvojice motorů Vikas 2. K jejich zapálení přitom dochází až ve výšce 41,5 km, takže trysky mají ochranu, která odpadá teprve krátce před zažehnutím.

Start a prvotní tah obstarávají zmíněné dva výkonné pomocné motory (SRB) S200. Každý obsahuje 205 tun paliva a na výšku měří 25 m, přičemž v počáteční fázi letu řídí směr celé rakety pomocí elektro­hydraulického ovládání trysek až o 8°. Hydraulická kapalina pro daný systém se nachází v nádržích patrných po stranách v dolní části. Poslední stupeň, C-25, spaluje kryogenní pohonné látky, a jeho vývoj tudíž trval nejdéle. Měří 13,5 m a má jeden motor CE-20, upravený pro práci ve vakuu: Jedná se o první kryogenní motor daného typu, který Indie vyvinula.

Postupně vylepšovaná

První úspěch si raketa připsala v roce 2014, šlo však pouze o suborbitální skok, při kterém vynesla demonstrační kabinu CARE. Nezahrnovala nicméně horní stupeň C-25, ale jen jeho hmotnostní maketu. Plnohodnotný start se odehrál až o tři roky později, 5. června 2017, kdy LVM-3 dopravila na oběžnou dráhu družici GSAT-19. Celkem zatím letěla šestkrát a vždy úspěšně.

ISRO ji od počátku prozíravě koncipovala jako modulární – jednoduše řečeno tak, aby se dala postupně vylepšovat, což usnadňuje modernizaci a údržbu. Některé parametry byly již upraveny a další modifikace se chystají. V plánu je například středový stupeň SC120, který bude využívat aktuálně vyvíjené silnější motory SCE-200, a také vylepšený horní stupeň C-32. Inovace mají za cíl zvýšit nosnost rakety, přičemž odlišná bude už verze určená pro vynášení kosmické lodi Gaganyaan (Gaganján).

Plány do budoucna

Indie má nakročeno stát se teprve čtvrtou zemí, která dokáže vlastními prostředky dostat člověka do kosmu. Celý program má sice zpoždění, ale pomalu směřuje k cíli. Klíčovou složku tvoří právě LVM-3, přičemž plán zahrnuje vyslání až tříčlenné posádky přibližně na sedmidenní kosmickou misi. Celková konstrukce tedy znamená i příslib do budoucna a otevírá dveře k tvorbě nové generace nosičů, jež nahradí ty stávající.

Než měla lidnatá země k dispozici raketu LVM-3, musela spoléhat na zahraniční pomoc – třeba na evropskou Ariane – což bylo jednak drahé a zároveň omezující. Nový domácí nosič konečně poskytl Indii nezávislost v kosmickém sektoru a otevřel jí další možnosti. 

Velkolepým úspěchem skončil loňský start rakety LVM3, která do vesmíru vynesla sondu Čandrájan-3 společně s měsíčním landerem Vikrám a šestikolovým roverem Pragján. Indie se tak stala teprve čtvrtou zemí světa, která úspěšně dopravila své zařízení na Měsíc a první, které se podařilo přistát u jeho jižního pólu. V plánu jsou také zkušební lety v programu Gaganján, kdy se bude na palubě místo lidí nacházet robot plný senzorů, schopný plnit jednoduché úkoly. Chystá se rovněž mise k Venuši s atmosférickým balonem, další výprava k Marsu a samozřejmě i vypuštění řady komunikačních a komerčních družic.