Spletitá cesta k raketoplánům: Počátky amerického programu Space Shuttle (2)
Snad každý dnes ví, jak vypadá kosmický raketoplán. Před padesáti lety to však nevěděl nikdo, ani NASA. Jaká cesta vedla ke zrodu legendárních strojů v podobě, v níž létaly do vesmíru mezi roky 1981 a 2011?
V předchozí části jsme skončili u materiálu, z něhož měl být raketoplán postaven. Místo titanu, který byl velmi drahý, se konstruktéři rozhodli pro hliník. Měl také výhodu v tom, že snesl vyšší teploty.
Ve finanční pasti
V únoru 1970 upřesnila NASA podobu raketoplánu. Mělo jít o dvoustupňový systém, přičemž v každém stupni by byla dvoučlenná posádka, ovšem obsluhu by zajišťoval pouze jeden člověk. Stroj by vzlétal vertikálně a dosedal horizontálně. Oba stupně by se pohybovaly jako běžné letadlo včetně možnosti obkroužit letiště při přistání. Startovat se mělo vždy 25–75× ročně, maximálně s dvoutýdenní přestávkou jednotlivých strojů mezi dvěma misemi. Systém měl disponovat dvojicí různých (!) druhých stupňů: jedním s cross-range kapacitou 400 km (využíval by se běžně pro většinu letů) a druhým s 2 500 km (primárně pro potřeby letectva).
V té době už o zakázku soutěžila jen dvě konsorcia: na jedné straně McDonnell Douglas a Martin Marietta, na druhé pak North American Rockwell, Convair, IBM, American Airlines a Honeywell. Ačkoliv ještě o rok dříve prezentovaly tyto skupiny velmi různorodé návrhy a vzájemně si konkurovaly, v sevření podmínek NASA se musely začít sbližovat. Vesmírné agentuře tak shodně předložily značně „bachraté“ stroje, s oběma stupni na kapalný vodík a kyslík. První stupeň tvořil letoun velikosti Jumbo Jetu, ovšem s trupem o průměru 10–12 m!
V květnu 1971 však NASA musela čelit dalšímu střetu s realitou. OMB jí oznámil, že v příštích pěti letech rozpočet v žádném případě neporoste. Agentura přitom na takto koncipovaný stroj potřebovala deset miliard dolarů během pěti let a na vrcholu vývoje pak 3,2 miliardy. Ve skutečnosti ovšem mohla počítat zhruba jen s miliardou ročně po dobu pěti let. Hledala se tedy úsporná řešení a objevily se první úvahy, že by celý systém nemusel být vícenásobně použitelný. Snížily by se tak sice náklady na vývoj, ale prodražil by se následný provoz. Jako první byla mimo stroj vytěsněna objemná nádrž na kapalný vodík, což stále nestačilo. Vznikl proto koncept celé vnější nádrže ET neboli External Tank, kterou bylo nutné vyrobit pro každou misi znovu.
Změn doznal i první stupeň: obří letoun se postupně přibližoval podobě prvního stupně některé rakety Saturn. Objevila se rovněž idea stupně na tuhé pohonné látky převzatého z nosičů Titan. Primární návrh počítal se dvěma stupni na sobě, přičemž ke druhému by z boku přiléhal vlastní raketoplán. V této naprosto změněné formě nakonec vesmírný dopravní prostředek přežil, což – viděno dnešní optikou – představuje malý zázrak. Klíčovou roli zřejmě sehrála podpora letectva, které se stalo partnerem NASA v Kongresu. Díky němu byl navíc projekt vnímán jako vojenský, ovšem financovaný z civilního rozpočtu.
Stovky slíbených startů
V listopadu 1971 představilo Marshallovo středisko kosmických letů čtyřicátou (!) revizi projektu, která počítala s raketoplánem, vnější nádrží a dvěma či čtyřmi pomocnými motory na tuhá nebo kapalná paliva. V podstatě se tak rodil raketoplán Space Shuttle. Zmíněná verze si také o měsíc později vysloužila označení „ekonomicky nejvýhodnější“, přičemž vývoj měl stát 5,9 miliardy dolarů a každý start šest milionů. V březnu 1972 se vývojové náklady snížily o dalších 700 milionů dolarů díky volbě pomocných motorů na tuhá paliva a plánu, že se v letech 1979–1990 uskuteční 580 vesmírných misí! Skeptici označili uvedený počet za nerealistický a mimo jiné i nepotřebný, ale právě podobná „kouzla s čísly“ umožnila projektu přežít.
Už v červenci 1971 získala firma Rocketdyne kontrakt na vývoj kyslíko-vodíkových motorů, ale následujících devět měsíců na nich odvedla jen minimum práce. Úřady totiž musely řešit odvolání neúspěšné konkurence. V červenci 1972 dostala společnost North American Rockwell zakázku za 2,6 miliardy dolarů na stavbu dvou letových prototypů a dvou testovacích verzí STA a MPTA (viz Čtyři prototypy raketoplánů). V polovině srpna 1973 pak bylo oznámeno, že hlavní nádrž vzejde z dílny firmy Martin Marietta a pomocné motory vyrobí Morton-Thiokol. Otevřela se tak cesta k raketoplánům v podobě, v jaké nás poté provázely celých třicet let.
Čtyři prototypy raketoplánů
- MPTA (Main Propulsion Test Article): Jednalo se o základní konstrukci trupu raketoplánu (příliš jej ovšem nepřipomínala), která sloužila ke zkouškám uložení a zážehů hlavních kyslíko-vodíkových motorů.
- STA-099 Challenger (Structural Test Article): Původně šlo o konstrukci raketoplánu určenou k dynamickým a zátěžovým zkouškám. Teprve později bylo rozhodnuto zatížit ji pouze na 120 % konstrukčních limitů (plánovalo se 140 %), aby nedošlo k poškození, a přestavět ji na skutečný letuschopný stroj. Ten se pod názvem Challenger vydal v letech 1982–1985 desetkrát do vesmíru. Při jedenáctém startu v lednu 1986 jej však postihla osudná havárie.
- OV-101 Enterprise (Orbital Vehicle): Stroj určený k pozemním zkouškám se měl následně přebudovat na plnohodnotný kosmický raketoplán. Během testů se ovšem ukázalo, že bude nutné provést celou řadu konstrukčních změn. NASA proto rozhodla, že se OV-101 upravovat nebude a že se do podoby letuschopného raketoplánu modifikuje konstrukce pro zátěžové zkoušky STA-099. Ušetřilo se tak zhruba 100 milionů dolarů.
- OV-102 Columbia: Šlo o první prototyp raketoplánu, který úspěšně absolvoval „křest vesmírem“. V letech 1981–2002 zdárně uskutečnil 27 misí, při návratu z té osmadvacáté v únoru 2003 však kvůli problémům s tepelným štítem zanikl.
První vyrobený raketoplán
Maketa raketoplánu, kterou před více než čtyřiceti lety vytvořila firma North American Rockwell, vznikla z „nekosmických“ materiálů, jako je dřevo, překližka nebo měkké plasty. Scházeli se u ní k debatám konstruktéři i astronauti, ale také politici. Nešlo však pouze o model, nýbrž o technologickou napodobeninu, jejíž důležité části kopírovaly přesné rozměry letového stroje. Kupříkladu nákladový prostor posloužil k četným testům různých maket zařízení v rámci jejich vývoje, jako třeba součástí podvozku, vybavení pilotní kabiny nebo jednotlivých částí motorové sekce.
Nejednalo se přitom o věrnou kopii pozdějších kosmických letounů, ale o reflexi plánů z roku 1972. Tehdy se například předpokládalo, že gondoly manévrovacího systému OMS budou zasahovat až do dveří nákladového prostoru. Stejně tak neměl být přední modul RCS zapracován do těla stroje, ale měl se nacházet před pilotní kabinou za dveřmi, které by se na oběžné dráze otevíraly.
Seznamte se: raketoplán Space Shuttle
Orbitální část: Ze všeho nejvíc připomínala robustnější letoun. Na délku měřila 37,24 m, rozpětí křídel dosahovalo 23,79 m a výška při stání na podvozku činila 17,25 m. Prázdná hmotnost (bez motorů, pohonných látek, posádky či nákladu) se lišila v závislosti na konkrétním stroji, navíc se v průběhu času měnila, ale začínala na hodnotě 68,5 t.
Pomocné motory SRB (Solid Rocket Booster): První dvě minuty letu poháněla raketoplán dvojice motorů o výšce 45,46 m a průměru 3,71 m. Každý měl maximální tah 13,8 MN a vážil 590 t, přičemž více než 500 t připadalo na pohonné látky: kopolymer polybutadien-akrylové kyseliny, práškový hliník a chloristan amonný.
Vnější nádrž ET (External Tank): Nádrž o délce 46,9 m, průměru 8,4 m a prázdné hmotnosti 26,5–35 t v závislosti na verzi měla kapacitu 629 t kapalného kyslíku (objem přes 553 000 l) a 106 t kapalného vodíku (1,5 milionu litrů). Zásobovala pohonnými látkami trojici hlavních motorů raketoplánu, a to celkem 8,5 minuty od startu až po dosažení oběžné dráhy. Nádrž ET nebyla jako jediná součást systému vícenásobně použitelná a pro každou misi se vyráběla znovu.
