Současný trh s orbitálními nosiči se čím dál tím více soustředí na redukci finančních nákladů spojených s jejich výrobou a provozem. Není žádným velkým tajemstvím, že za to může především fenomenální úspěch SpaceX a jejich cenová politika všeobecně. Díky tomu se i jiné organizace, společnosti, agentury a úřady opět začínají seriózně zabývat znovupoužitelností a to i přesto, že prognózy byly po předchozích zkušenostech spíše skeptické. Ani Evropa si nebyla dlouho jistá, zdali se má pouštět do nových studií znovupoužitelnosti a to i přesto, že již existovaly některé starší návrhy jako návratový stupeň Adeline nebo ještě starší Liquid Fly-back Booster (LFBB) zamýšlený už pro Ariane V. O některých dalších krocích Evropy k znovupoužitelnosti jsem se zmiňoval zde.

Názor zainteresovaných výrazně změnil až triumfální první let nejsilnější rakety současnosti Falcon Heavy. Pět dní po startu ředitel Evropské kosmické agentury Jan Woerner napsal na svůj osobní blog ESA toto: „Svět pokročil a současný stav vyžaduje, abychom situaci znovu přehodnotili…“. Byla to jasná reakce na rozhodnutí ESA učiněná v roce 2014 ohledně nosičů Ariane 6 a Vega C.

Detailní model Callisto. Zdroj: https://spacegate.cnes.fr Kredit: CNES/H. Piraud

Ariane 6 má být evropskou odpovědí na současné dění na trhu. Dále má Evropě zajistit vlastní přístup do kosmu a pokusí se být konkurenceschopnou alternativou pro moderní americké nosiče. Otázkou zůstává, zda není příliš pozdě, ale spekulace nechme stranou. Oproti stávající Ariane V má být nová raketa až o 50 % levnější a to díky větší kadenci startů a menším celkovým nákladům na vývoj. (Toto prohlášení je však dle mého názoru značně relativní). Ariane 6 by navíc měla plně nahradit starty nosných raket Sojuz z guyanského kosmodromu.  Dále by se má šetřit díky inovacím, změnám ve výrobě a „zeštíhlením“ managementu. A v neposlední řadě pomohou i nové pomocné motory P120C na tuhé pohonné látky, které bude raketa využívat. Ty najdou uplatnění i na raketách Vega a jejich výroba nebude oproti současným pomocným motorům Ariane V tak náročná a nákladná. O těchto motorech se více dozvíte například v tomto článku.

V prvních letech provozu bude raketa Ariane 6 provozována jako ELV (ExpendableLaunch Vehicle), což znamená, že zatím nebude žádná její část opakovaně použitelná. To by se ovšem mohlo v budoucnu změnit. V plánu je nový raketový motor na metan pro první stupeň, který se již vyvíjí pod názvem Prometheus. Ten by měl být opakovatelně použitelný a je zde možnost, že jej v budoucnu využije i raketa Ariane 6.

Mimo to má však Evropa ještě jiné plány. Nutno však dodat, že jsou dílem především francouzského centra kosmického výzkumu CNES. Dlouhodobý cíl CNES je připravovat budoucí technologie a koncepce pro družice, nosné rakety a kosmodromy pro francouzské a evropské potřeby a právě mezi tyto projekty patří i experimentální demonstrátor Callisto (Cooperative Action Leading to Launcher Innovation in Stage Toss back Operations), na který se teď zaměříme.

Návrh vznikl v roce 2015 kvůli potřebě vylepšení raketových nosičů a zázemí na kosmodromu, vedoucí k opětovnému využívání za účelem šetření nákladů spojených s lety do kosmu. Kvůli složitosti dosažení všech těchto cílů byli ke spolupráci brzy přizváni i jiní partneři. Do projektu se aktivně zapojil ústav DLR (Německé výzkumné středisko) a na pomoc byla přizvána také japonská kosmická agentura Jaxa. Přitom není vyloučena ani další spolupráce z jiných zemí (Belgie, Norsko, Španělsko).

Hlavní cíle projektu

• Prvním cílem je prokázat schopnost návratu raketového stupně metodou „toss-back“. Tento cíl přitom zahrnuje hned několik dalších. Jako například schopnost manévrovat se stupněm během návratu, znovu zažehnutí motoru pro brzdící manévr a přesné přistání. Řídicí počítač bude muset být velmi odolný se složitým softwarem, aby dokázal pracovat během všech fází letu.

• Druhým důležitým cílem je po úspěšném letu raketový demonstrátor zkontrolovat a znovu připravit na další let s minimálními náklady na znovupoužití. Tento cíl zároveň prověří, zda se podobné počínání doopravdy vyplatí i po finanční stránce.

• Třetím cílem bude opětovný start stejného raketového stupně se schopností až pěti obdobných letů a definování rizik spojených s návratem raketových stupňů, tak aby se předcházelo ztrátám.

Předběžný návrh raketového demonstrátoru Callisto. Zdroj: CNES Popis: autor

Tyto cíle by měl prokázat schopnost francouzského kosmodromu provozovat opětovně použitelné rakety. Budou ustanoveny nová bezpečnostní řešení a úpravy s minimálním dopadem na architekturu návratového stupně. Tento projekt je potřeba zejména kvůli nalezení nových řešení v oblasti inženýrských a projektových postupů, které ve finále povedou ke snížení výdajů na vynášení nákladu do kosmu, tak aby se dařilo v budoucnu plnit mise včas, bezpečně, levně a zaručí Evropě konkurenceschopnost. Pojďme si tedy zamýšlený demonstrátor představit blíže.

Experimentální raketa Callisto je koncipována jako jednostupňová s jedním restartovatelným motorem. Problémem je, že Evropa v současnosti žádný vhodný raketový motor pro podobné testy nemá. Proto se partnerem stala japonská agentura Jaxa, která se po dohodě rozhodla s projektem pomoci a poskytne vhodný znovupoužitelný motor na LOX/LH2 (kapalný kyslík, kapalný vodík) o síle 40kN. Ten bude z dílny Mitsubishi Heavy Industries (MHI) a měl by mít schopnost „přiškrcení“ tahu o 60 % .

Velikost demonstrátoru Callisto nebude nějak závratná. Na výšku by měl měřit jen okolo 13 metrů, jiné zdroje však uvádí metrů 15. Průměr bude pouhý 1 metr. Zařízení je tedy na první pohled podstatně menší než obdobný prototyp komerční společnosti SpaceX nazývaný Grasshopper, kterému je Callisto celkem podobný. Letový profil a konečný úkol je však přeci jen odlišný.

Plánovaný konečný letový profil. Zdroj: CNES Popis: autor

Každý partner projektu má své úkoly. Německo se postará o výklopné přistávací nohy, které se budou rozevírat těsně před dosednutím. Jejich součástí budou i tlumiče nárazu. A není divu, že má tento úkol na starosti právě DLR, protože stejné středisko již vyvíjelo pro misi Rosettapřistávací nohy s kotevním systémem pro lander Philae.  Německo navíc zajistí i autonomně ovládaná roštová kormidla k manévrování a stabilizaci demonstrátoru a další aerodynamické prvky. Francie poskytne a připraví zázemí na kosmodromu ve Francouzské Guyaně. Agentura CNES už dokonce předběžně vybrala vhodná místa pro start i přistání. Jako startovní plocha bude zřejmě využita oblast kosmodromu, která v minulosti sloužila pro sondážní rakety (Sounding Rocket Pads). V roce 1968 odstartovala z této oblasti sondážní raketa Veronique , která se zapsala do historie jako vůbec první raketa vyslaná z kosmodromu Kourou.  CNES se dále postará o nádrž na kapalný vodík. Japonsko pak zajistí a dodá zmiňovaný opětovně použitelný raketový motor a nádrž na kapalný kyslík. Oficiálně zatím není známo, o jaký konkrétní motor půjde. Zajímalo mě to však natolik, že jsem trochu zapátral a výsledek mého snažení mě více než překvapil.

Japonsko totiž vyvinulo znovupoužitelný expanzivní motor s naprosto identickými parametry pro experimentální demonstrátor RVT (Reusable Vehicle Testing) už v roce 1997 a podle mého názoru to je právě ten typ motoru, který bude použit i na raketě Callisto. Tento téměř neznámý japonský projekt byl přitom úspěšný hned v několika směrech a je takřka s podivem, že Japonsko nepokračovalo touto cestou dál. Ve světle současného stavu je to opravdu škoda. Teď to vypadá, že se nasbírané zkušenosti částečně přesunou alespoň do projektu Callisto.

Palubní elektroniku a software si mezi sebe rozdělí všichni partneři projektu.

Ukázka studií namáhání během sestupu. Vlevo je ukázka z fáze sestupu bez zážehu motoru při Ma=0.9, úhel náběhu 170°. Uprostřed je znázorněna simulace tepelného toku během zpětného zážehu. Vpravo je podobná simulace pro tři různé návrhy designu při úhlu náběhu 175°, Ma = 0.7 Zdroj: DLR, autor

Podle ředitele CNES  J. Astrorga však není vývoj znovupoužitelné rakety tak jednoduchý, jak se zdá. CNES prý již delší dobu spolupracuje s francouzskou národní laboratoří ONERA. Výzkum prokázal vysokou náročnost celého procesu a zejména pak problematiku znovuzažehnutí raketového motoru při atmosférickém proudění. Toho je prý celkem komplikované dosáhnout a proto bude třeba ještě řada simulací.

První testy demonstrátoru Callisto by měly začít někdy v roce 2021 a zatím se počítá s minimálně 5 starty a stavbou dvou prototypů. První start by měl být pouze do výšky okolo 30 m, zatímco pro poslední plánovaný pokus je navrhovaný let do 40 km s maximální rychlostí okolo 0.5 km/sec. Návrat by dokonce mohl být na plovoucí plošinu vzdálenou asi 20 km od startovací rampy. Ještě ale není úplně jasné, zda si vývojový tým tuto plošinu pouze pronajme nebo raději pořídí. Neznámou zatím zůstává i podoba plošiny. Nevíme tedy zda se bude jednat o plovoucí platformu, která se bude během řízeného přistání pohybovat nebo půjde jen o stacionární, pevně ukotvený ponton.

Vody v okolí kosmodromu jsou totiž poměrně mělké a podobné provedení je tedy celkem pravděpodobné. Každopádně prý bude tato platforma schopná ochránit nosič proti případným vlnám a půjde na ní provést i odtlakování nádrží a vypuštění zbytkových pohonných látek.

Hlavní raketový motor bude během kompletního testu zažehnut celkem třikrát. Při vzletu, zpětný zážeh a naposledy pro brzdící manévr.  Očekávaná cena projektu leží mezi 100 až 200 miliony euro. Peníze by se měly čerpat z rozpočtu na raketu Ariane 6 a vzniknou za ně dva prototypy. Tento program by měl být schopen dosáhnout všech cílů do 6 měsíců od prvního letu a pro Evropu to bude první krok k budoucím opětovně použitelným technologiím.

K programu se vztahují i malá experimentální vznášedla Eagle a Frog Turbo. Prvně jmenované má už DLR k dispozici a téměř bez povšimnutí ho již testuje.

Novější informace dokonce hovoří o tom, že je později v plánu mnohem větší demonstrátor Themis, který by měl využívat již metanový raketový motor Prometheus, od kterého si Evropa hodně slibuje. Vše je však v začátku a pouze na papíře. Zda někdy Themis skutečně vznikne, není jasné ani definitivní. Nové technologie by mohla později využívat i raketa Ariane 6, která by rapidně změnila svou architekturu a stála by se tak částečně znovupoužitelnou. Uvažuje se ale i o úplně novém nosiči, který by mohl vzniknout při nejoptimističtějších odhadech okolo roku 2030. Tento plán se jmenuje Ariane Next a je taktéž teprve na úplném začátku. Předběžné konfigurace budoucích nosičů jsou tedy zatím pouze spekulace a teprve čas skutečně ukáže, zda má Evropa odvahu stát se dalším hráčem využívající opětovně použitelné kosmické nosiče. Jedno je však jisté, znovupoužitelnost kosmických nosičů není na starém kontinentě prioritou číslo jedna.

Takto vypadá předběžný plán CNES. Budoucnost je však neznámá. Zdroj: CNES

Parametry návratového demonstrátoru Callisto:   Výška: 13 m Průměr: 1 m Počet stupňů: 1 Pohon: 1x LOX/LH2 40 kN (Japonsko) Prázdná hmotnost: 1300 kg Startovací hmotnost: 3600 kg

Napsáno pro Kosmonatix a osel.cz

Zdroje informací:
https://www.golem.de/news/
https://spacegate.cnes.fr/fr/
https://www.futura-sciences.com/sciences/
https://www.eucass.eu/doi/EUCASS2017-680.pdf
https://elib.dlr.de/119728/1/406_DUMONT.pdf

Zdroje obrázků:
https://spacegate.cnes.fr/sites/
https://spacegate.cnes.fr/
https://www.eucass.eu/doi/EUCASS2017-680.pdf
https://elib.dlr.de/119728/1/406_DUMONT.pdf
Autor