Intenzita kosmických startů narůstá a oběžná dráha kolem Země se jen hemží různými typy družic a zbytků nosných raket a potřeba startů dále roste. Řada firem proto pracuje na vývoji opakovaně použitelných raket, zlevnění startů i třeba na maximálním zapojení aditivních technologií. Jenom SpaceX vysílá do kosmu téměř každý týden dvě své rakety. Např. 30. března vynesla Falcon 9 dalších 56 satelitů Starlink, což byl mimochodem už 21. letošní start tohoto „tažného koně“ společnosti a 11. se Starlinky. A po několika odkladech už 2. dubna startoval Falcon 9 z kalifornské základny Vandenberg s nákladem 10 družic určených mj. k monitoringu balistických a hypersonických raket. Firma tak už drží nový rekord v počtu startů raket Falcon v jednom kalendářním měsíci — v průběhu března jich bylo osm. Mimochodem, můžeme nyní (7. dubna) napočítat celkem už 215 startů Falconu 9. Ovšem ani taková štika amerického aerokosmického průmyslu vše nestíhá. V čem je problém?
Když někdo zruší starty
Nosné rakety dnes vlastní či vyvíjí téměř každá vyspělejší země, např. Indie, Japonsko, Brazílie, KLDR či Izrael, o Číně či Evropě nemluvě. Přesto se zdá, že při současné intenzitě kosmických startů je vhodných komerčních nosičů nedostatek. Projevilo se to zejména před rokem, po vypuknutí rusko-ukrajinského konfliktu, když agentura Roskosmos ze dne na den stáhla na protest proti sankcím své rakety Sojuz ze základny ESA v Kourou ve Francouzské Guayaně. Odtud např. startovaly i internet-satelity britské společnosti OneWeb. Navíc byl zrušen další připravovaný start 36 družic z kosmodromu Bajkonur, plánovaný na 4. března (2022). Společnost se ocitla v nepříjemném postavení, neboť v dané situaci nebyly k dispozici jiné adekvátní nosiče. Podobně málem dopadla americká Northrop Grumman s raketou Antares (původně vyvinutou společností Orbital Sciences), poháněnou v 1. stupni [jehož celou výrobu realizoval společností Južmaš v ukrajinském Dnipru (Dněpropetrovsk) — pozn. red.] ruskými motory RD-181. Northrop Grumman na rozdíl od sdružení United Launch Alliance (ULA) provozující rakety Atlas V s ruskými motory RD-180, rovněž odvozenými od RD-170 (určenými kdysi pro superrakety Eněrgija) měl v době náhlého přerušení dodávek k dispozici jen motory pro dva starty nákladní lodě Cygnus. Nyní usilovně pracuje na inovaci nosiče pod označením Antares 300, osazeném v I. stupni sedmi motory Miranda společnosti Firefly. Nicméně „náklaďáky“ Cygnus vynášela na ISS i raketa Atlas, což byla pro Northrop Grumman spása. Změny se posléze dotkly i samotného Atlasu V, když se ULA (což je joint venture Boeingu a Lockheed Martin), preventivně sice zásobená motory RD-181, rozhodla investovat do vývoje motoru BE-4 společnosti Blue Origin, který má ruské motory nahradit. Původně měl tento motor-4 na metan a kyslík sloužit jen v prvním stupni těžké rakety New Glenn Jeffa Bezose, ale premiéry se dočká v nosiči ULA Vulcan Centaur letos na jaře. Ovšem třeba britská OneWeb budující na nízké dráze (LEO) konstelaci více než 600 satelitů, jež mají poskytovat internetové služby po celém světě, se nemajíc vlastní nosiče musela porozhlédnout po raketovém trhu, aby našla náhradu za Sojuzy. A nebylo to jednoduché, protože trh v USA se zdál být zahlcen předobjednávkami, SpaceX měla rozjetý konkurenční projekt Starlink a ani Evropa nemohla původně pro tento projekt uvažované rakety Ariane nabídnout. Další ranou bylo 36 satelitů, které po 4. březnu z politických důvodů „uvízly“ na Bajkonuru. Jednání o jejich vydání ruskou stranou nikam nevedla, takže OneWeb nějakých 50 milionů dolarů odepsala. Překvapivě už 21. března 2022 ovšem společnost OneWeb oznámila, že podepsala dohodu s konkurenční společností SpaceX. Původně mělo jít o tři starty, přičemž první se uskutečnil v prosinci 2022. Dohoda to byla překvapivá, protože šlo o přímou konkurenci. Ještě v roce 2014 přitom pánové Elon Musk a Gregory Wyler, zakladatel společnosti tehdy ještě zvané WorldVu, úzce spolupracovali při zkoumání možností satelitních internetových služeb. V listopadu téhož roku dokonce Wall Street Journal oznámil, že Musk a Wyler zvažují možnosti výstavby továrny na velkoobjemovou výrobu nízkonákladových satelitů na Floridě či v Coloradu. Za jakých okolností se pánové rozešli, nevíme, ale vznikly dvě obdobné společnosti, z nichž SpaceX hraje prim. Tři starty satelitů OneWeb na palubě Falconu 9 ovšem nestačily pokrýt plánované množství družic, a tak už 20. dubna 2022 společnost oznámila podobnou dohodu s NewSpace India Limited, což je komerční odnož ISRO (Indické organizace pro výzkum vesmíru). Kupodivu Indové reagovali pružně a satelity OneWeb byly vypuštěny raketou LVM 3 už 22. října 2022 s použitím lehce upravené verze satelitního dávkovače, který byl dříve používán na Sojuzu. A poté co 26. března indická raketa LVM-3 z kosmodromu Satish Dhawan Space Centre (SDSC- -SHAR) v indické Sriharikotě na dráhu ve výšce 450 km dopravila posledních 36 družic, je síť OneWeb dokončena. Šlo o 18. start OneWebu a poslední porci ze 618 satelitů potřebných pro plný provoz systému. [Stačí jich 588, ostatní tak víceméně plní funkci zálohy — pozn. red.]
Levné a moderní
Na první pohled se zdá, že je krize kosmických nosičů zažehnána. Ovšem jde o nosiče střední a těžké tonáže. Vždyť i raketa Vulcan, posílající do penze Atlas (kdysi toho jména 1. americká mezikontinentální balistická raketa ICBM — intercontinental ballistic missile), je určena pro mnohatunové náklady — na nízkou orbitu (LEO) dopraví až 27 t, na geostacionární (GEO) 7 t. Otázkou je tedy jeho tzv. operační nasazení. Tomu se vzdálila i Japonská kosmická agentura (JAXA) se svou nejmodernější, tzv. modulární raketou H3. Při premiérovém startu 17. února havarovala i s 3t družicí ALOS-3, protože kyslíko-vodíkový motor LE-5B-3 ve druhém stupni nenastartoval. Poptávka po levných, lehčích raketách pro menší komerční satelity či cubesaty, nevyžadujících složitá startovací zařízení přitom roste. A na výběr jich mnoho není. Připomeňme např. nezdary Bransonovy společnosti Virgin Orbit, která se s pomocí malé rakety LauncherOne, startující zpod křídla Boeingu 747 s názvem Cosmic Girl, snaží dopravovat na oběžnou dráhu družice o hmotnosti 300 až 500 kg. Uskutečnila šest tzv. vzdušných startů, ale jen čtyři z nich dopadly úspěšně. Letos v lednu se bohužel nevydařila mise, jež měla poprvé v historii vynést na nízkou oběžnou dráhu devět malých satelitů z území Velké Británie. Selhání rakety vyústilo nejen ve zničení všech satelitů na palubě, ale i v insolvenci Virgin Orbit. Společnost musela propustit 80 % zaměstnanců a visí nad ní Damoklův meč bankrotu. Mezi pionýry trendu levných lehkých raket patří společnost Rocket Lab, založená v roce 2006 na Novém Zélandu podnikatelem Peterem Beckem. Ta si troufla nabídnout efektivní komerční službu s náklady na start pod 5 miliony dolarů! Firma má sice centrálu v Kalifornii v USA, ale startovací komplex se dvěma rampami na poloostrově Mahia Severního ostrova Nového Zélandu (Mahia Launch Complex). Rakety Electron vyvinuté v Rocket Lab mohou odsud startovat na dráhy se sklonem 39—98° k rovníku. Rocket Lab uvádí, že se dvěma odpalovacími rampami na Novém Zélandu a nově jednou ve Virginii by mohla za jeden rok odbavit až 132 startů. Jde o dvoustupňovou raketu o průměru 1,2 m, vysokou pouhých 17 m, která může nést užitečné zatížení až 300 kg. Při plné vytíženosti např. cubesaty je cena startu rozložena mezi desítky malých satelitů, jež se vejdou pod aerodynamický kryt. Motory Rutherford pohánějící Electron (na prvním stupni je jich devět, na druhém jen jeden, upravený pro chod ve vakuu) mají jako první motory kosmické nosné rakety v historii elektricky poháněná turbočerpadla. Jde také o první motor spalující kyslík a kerosin, jehož veškeré hlavní díly (např. spalovací komora, vstřikovač, pumpy a hlavní palivové ventily) jsou vyrobeny aditivně! Tělo rakety je z uhlíkatých kompozitů, a proto má startovní hmotnost jen 12,5 t. Ukazuje se také, že Rocket Lab's Launch Complex 2 (LC-2) na NASA Wallops Flight Facility bude zřejmě po druhém úspěšném startu Elektronu (uskutečněném 16. března v rámci mise Stronger Together) častěji využíván (další start se uskutečnil 24. března opět z Mahia). Electron přes problémy s geomagnetickou bouří vynesl dva satelity pro pozorování Země vlastněné společností BlackSky se sídlem v Seattlu. První stupeň přistál na padácích do mořských vln Pacifiku, kde jej vylovily záchranné čety. Ano, i Rocket Lab pracuje na tom, aby byl první stupeň opakovaně použitelný. Společnosti se podařilo zachránit 1. stupeň už při několika předchozích letech, a dokonce se už jednou podařilo na padáku sestupující booster zachytit ve vzduchu vrtulníkem. To měl být v budoucnu standard, ale ukazuje se, že přistání do vody je lepší variantou. Navzdory dlouhodobé vazbě k relativně malé raketě Electron oznámila společnost, že do roku 2024 plánuje dobudovat nový typ rakety pod názvem Neutron. Nosič vysoký 40 m má disponovat nosností 8 t při dopravě na LEO a až 2 000 kg k Měsíci. Firma plánuje Neutron certifikovat i pro pilotované kosmické lodě.
Kosmické startupy
O slovo v segmentu lehkých až středních raketových nosičů se hlásí i Indie se svou raketou SSLV (small satellite launch vehicle) s nosností 500 kg na LEO. Při svém druhém (prvním úspěšném) letu vynesla 10. února satelit ISRO pro dálkový průzkum Země EOS-07. Jde ale spíše o klasické řešení nosiče s motory na tuhé palivo HTPD (hydroxyl-terminated polybutadiene) v prvních třech stupních, i když s poměrně malými výrobními náklady (cca 4 miliony USD). To řada dalších inovačních společností vsadila spíše na pokročilé technologie a materiály. Např. společnost Firefly Alpha využívá pokročilé kompozity z uhlíkových vláken pro celý drak, včetně kryogenních palivových nádrží. Kompozity jsou pro nosné rakety ideální pro vysokou pevnost, pružnost a nízkou hmotnost. Umožňují vynést těžší užitečné náklady než v případě metalických raket. Alpha je poměrně velkou raketou: na výšku měří 29 m, v průměru má 1,82 m a na LEO vynese při startovní hmotnosti necelých 5 t až 1 170 kg, na sunsynchronní (heliosynchronní) dráhu [kombinuje výšku a sklon takovým způsobem, že satelit prochází nad určeným místem povrchu Země vždy ve stejném slunečním čase — pozn. red.] pak 750 kg. Zakladatelem a hlavním technickým poradcem společnosti je jistý Thomas E. Markusic, který pracoval např. jako viceprezident pro pohony ve Virgin Galactic Richarda Bransona, jako vedoucí systémový inženýr konkurenční firmy Jeffa Bezose Blue Origin, a dokonce jako ředitel texaského testovacího polygonu a hlavní inženýr motorář SpaceX. Před tím Tom stihl působit v NASA a USAF, kde působil jako vědecký pracovník. Není divu, že díky jeho kontaktům firma ještě jako Firefly Space Systems přežila v březnu 2017 bankrot a reorganizaci na Firefly Aerospace s novými vlastníky a kapitálem. Opustila původní koncepci rakety s pohonem na metan/kyslík a pustila se do vývoje Alpha 2. V jejích dvou stupních ovšem pracují motory s leteckým petrolejem a kapalným kyslíkem. První zkušební start Firefly Alpha se uskutečnil 3. září 2021, ovšem kvůli banální poruše způsobené odpojením kabelu senzoru přibližně 15 s po startu, ztratila rychlost a musela být po dvou minutách letu zničena. Následně absolvovala částečně úspěšný orbitální start 1. října 2022. Dopravila sice do kosmu sedm satelitů, nicméně kvůli nižší než požadované oběžné dráze většina z nich po týdnu shořela v hustých vrstvách atmosféry. Společnost to však nevzdává. Pronajala si startovní rampu SLC-2W na Vandenberg Space Force Base v Kalifornii, která dříve sloužila pro starty nosných raket Delta, Thor-Agena a Delta II. Kromě toho plánuje renovaci a využití rampy SLC-20 na Cape Canaveral pro starty na dráhy s nízkým sklonem k rovině rovníku. A jen na letošní rok plánuje čtyři starty, první už na květen s misí Space-3 (TacRS-3), což je technologická demonstrační družice rychlé reakce pro Americké kosmické síly. Další štikou v rybníku lehkých nosičů je společnost Astra nabízející snad nejnižší náklady na start a jeden z prvních letově ověřených elektrických pohonných systémů pro satelity: Astra Spacecraft Engine. Firma uskutečnila svůj první komerční start na nízkou oběžnou dráhu Země už v roce 2021, pět let po svém založení. Původně vsadila na nosič Rocket 3. Nešlo ale o dobrou volbu a tak 4. srpna 2022 spolu se zveřejněním finančních výsledků za 2. čtvrtletí Astra oznámila, že má v úmyslu plně přejít na modernizovaný model Rocket 4. „Trojka“ úspěšně dosáhla oběžné dráhy pouze při dvou startech ze sedmi pokusů. Její zbývající starty byly zrušeny a společnost v současné době jedná se zákazníky o nasazení Rocket 4. A jak 30. března prohlásil výkonný ředitel firmy Chris Kemp, její první let je plánován už na sklonek letošního roku. Astra nedávno najala na místo viceprezidenta bývalého ředitele Blue Origin pro provoz a údržbu New Shepardu Douga Kunzmana, aby nový raketový program vedl. A ten přinesl do společnosti nový vítr. Rocket 4 je výrazně větší než 3, ale s plánovanou nosností až 600 kg na střední oběžnou dráhu bude i tak patřit mezi lehké a levné rakety. Základní cena za start by měla činit 3,95 milionu USD. Největší změnou bude muset projít pohonný systém na prvním stupni. Rocket 3.3 měla na prvním stupni pět motorů Delphin, které společně vytvářejí tah necelých 16 t. Rocket 4.0 má dostat pouze dva motory, avšak o dost silnější. Dohromady vyvinou dvojnásobný tah, tedy téměř 32 t. Adam London, technologický ředitel Astry, dementoval, že by firma uvažovalo o vícenásobné použitelnosti. „Ačkoliv je opakované používání mimořádně lákavé,“ řekl, „pro Astru nedává ekonomický smysl. Naše modely a analýzy naznačují, že by se to začalo vyplácet až někde v rozmezí 20 až 50 opakovaných použití...“ Stále se ale bude jednat o mobilní vypouštěcí systém. „Raketa bude nadále přepravitelná v transportních kontejnerech,“ uvedl Kemp a dodal: „Schopnost celou věc zabalit a naložit ji do letadla, na vlak, kontejnerovou loď či za tahač a nenápadně přepravit po celém světě je něco, co nás odlišuje od velkých raket.“ Nový systém má také vyžadovat méně lidí v řídicím středisku, prý budou stačit jen dva operátoři.
Raketa z tiskárny
Pokud však někdo protlačuje inovace až na hranici pomyslných limitů, pak je to poměrně mladá firma Relativity Space, která se holedbá, že pomocí 3D tisku vyrobí celou raketu jen za dva měsíce. Jejich raketa Terran 1 se v březnových dnech stala ostře sledovanou, neboť se po několika odkladech ve středu 22. března odlepila od startovacího komplexu 16 na Cape Canaveral Space Force Station. První stupeň je poháněn devíti motory Aeon 1 s otevřeným pracovním cyklem, pracující se směsí kyslík/metan. Každý z nich produkuje tah až 100 kN. Terran 1 žel oběžné dráhy nedosáhla, druhý stupeň vzdoroval. Motor měl pracovat ještě pět minut, aby raketa dosáhla l. kosmické rychlosti a dostala se tak na orbitu. Trosky rakety pravděpodobně spadly do Atlantského oceánu asi 400 mil východně od mysu Canaveral. Nicméně Firma startem úspěšně demonstrovala možnosti první 3D tištěné struktury nosné rakety, která se navíc stala prvním nosičem s motorem poháněným směsí metanu a kyslíku, jenž nahlédl do vesmíru. Trumfla tak i SpaceX s jejich Raptory pro Spaceship či ULA s Vulcanem. Terran 1 měří na výšku 35 m, při zmíněním prvním startu však měřila jen 33,5 m, jelikož byla bez nákladu, a tedy vybavena pouze aerodynamickou špičkou. V průměru měří první i druhý stupeň shodně 2,3 m a na oběžnou dráhu s apogeem cca 185 km vynese až 1 250 kg. To je výrazně více než u jiných malých komerčních satelitních nosných raket, jako jsou např. Electron společnosti Rocket Lab. Pochopitelně nejzajímavější na celém projektu je fakt, že Terran 1 je raketa z drtivé většiny vytisknutá na 3D tiskárně, zatímco žádná jiná raketa, podle viceprezidenta společnosti Joshe Brosta, dosud nepřekročila 4 %. Nebudeme spekulovat, kolik procent tvoří díly Electronu vyrobené rovněž 3D tiskem, nicméně Relativity Space došla s přehledem nejdále. Vyrobila primární konstrukci rakety a nádrže PHM na svých 3D tiskárnách pomocí patentované hliníkové slitiny. Výrobu dílů zajišťuje „Hvězdná brána“, tedy Stargate, největší 3D tiskárna na světě pracující s kovem. Jednotlivé díly jsou vyrobeny ze slitin na automatizované výrobní lince, což snižuje náklady a krátí dobu výroby. Motory Aeon 1 byly rovněž vyvinuty v Relativity, včetně tlakových komor, vstřikovačů, turbočerpadel či trysek pro řízení reakcí a byly rovněž vyrobeny aditivní technologií. Pouze součásti, jako je avionika a řídicí počítače, byly vytvořeny konvenčními metodami. Relativity Space je kalifornský startup, založený v roce 2015 Timem Ellisem. Ten dříve jistě okoukal, co mohl, jako inženýr pracující u Bezose v Blue Origin. Spoluzakladatelem byl i Jordan Noone, spolužák z vysoké školy, který zase krátce pracoval u společnosti SpaceX. Dvaatřicetiletý Ellis je generálním ředitelem společnosti Relativity, zatímco třicetiletý Noone odstoupil z funkce technologického ředitele společnosti v roce 2020. Sebevědomý Ellis před testovacím letem Terranu 1 uvedl, že jedním z jeho hlavních cílů při zkušebním letu je prokázat, že 3D tištěná raketa může odolat extrémním vibracím a silám při startu, zejména ve fázi letu známé jako Max-Q neboli maximální aerodynamický tlak. Dodal, že „data shromážděná při zkušebním letu Terranu 1 ve středu večer pomohou při vývoji budoucí rakety Relativity, plně opakovaně použitelné nosné rakety pojmenované Terran R“. Podle něj je pak metan „hnací silou budoucnosti, zejména pro opakovaně použitelné rakety“. Ještě předtím, než první Terran 1 opustil startovací rampu, Relativity tedy zahájila vývoj větší, plně znovupoužitelné rakety nazvané Terran R, nosiče, o které společnost říká, že se stane „kosmickou nákladní lodí pro dopravu z bodu do bodu“, schopnou létat mezi Zemí, Měsícem a Marsem. Terran R, připomínající menší verzi obří rakety Starship společnosti SpaceX, bude vysoký 66 m a v průměru dosáhne 5 m. Má plánovanou nosnost 20 t pro lety na nízkou oběžnou dráhu Země. Nosnost by se mohla zvýšit, pokud by Relativity letěla s Terranem R bez návratu prvního stupně. Ten bude poháněn sedmi opakovaně použitelnými 3D tištěnými motory Aeon R, z nichž každý bude schopen tahu 137 t, což dohromady generuje výkon 959 t v plném tahu. Druhý stupeň Terranu R bude mít jeden motor Aeon Vac. Relativity tvrdí, že už má podepsané smlouvy s tuctem zákazníků (např. Telesat, Iridium či OneWeb) v hodnotě více než 1,65 miliardy dolarů. Většina zatím nevyřízených zakázek se týká startů na větším, už vícenásobně použitelném Terranu R, který by podle Relativity mohl poprvé odstartovat do konce roku 2024. Postaven bude rovněž technologií 3D tisku, využije metanové palivo a odletí do vesmíru ze startovacího komplexu 16 na mysu Canaveral. „Terran 1 je fantastická vzdělávací platforma pro vývoj technologií přímo aplikovatelných na Terran R, což nám dává velkou šanci na to, že povedeme v závodě o to, kdo se stane další velkou raketovou společností,“ řekl hrdě Ellis po polovičním úspěchu jeho 3D tištěné rakety. /Stanislav Kužel/
