TECHNIKA: Kravím pšoukem ke hvězdám

aneb Proč jsou nové raketové motory Raptor tak důležitá novinka, i když se to v novinách zase tolik nerozebírá

Milí čtenáři, slavím 41. narozeniny a rád bych na chvíli při svém psaní odbočilod politiky, která je na tomto blogu jinak všudypřítomná. Well, úplně od ní neodbočíme, ale aspoň trochu.

Toto čtení je určeno pro ty, kdo mají aspoň trochu rádi vesmír a létání do něj. Nebude to ale nic superodborného, však jsem taky jen laik.

*****************************

Jedno z témat, ke kterému se občas vracím, je skutečnost, že naše civilizace tak trochu ztratila důvěru sama v sebe a místo dalších cílů, kterých by mohla dosáhnout, na sobě systematicky hledá různé chyby a hnidy. Což by v menším rozsahu nevadilo, zpětná vazba a korekce jsou důležité věci. V tom současném je to ale už kolektivní neuróza.

Informační technologie, které svým prudkým rozvojem poznamenaly začátek 21. století, přitom mezitím narazily na meze snadného růstu. Společnosti jako Google a Facebook rozvinuly svoje produkty až k dokonalosti, ale posledních několik let už není zase tolik co vylepšovat.

Vlastně není divu, že se tyhle firmy také chytily onoho „woke“ uvažování. Rychlý růst a konkurenceschopnost vyžadují svobodu myšlení a slova pro pracovníky, kteří je táhnou. Ale nemáte-li už žádné velké cíle před sebou, všechno je víceméně hotovo a stávající portfolio produktů vynáší spolehlivě miliardy dolarů, začnete se vrtat sám v sobě. Pro vedoucí pracovníky začne být důležitější jejich vnitřní pozice uvnitř firmy, protože „venku“ už není co dobývat; a nejjednodušším způsobem, jak si posílit svoje vnitřní postavení, je ohánět se nějakou morální kauzou. A tak najednou megafirmy řeší otázku, kolik mají ve kterém týmu černých lesbických transžen.

IT svět nám tedy lehce stagnuje, ale mezitím se díky soutěžení soukromých společností dočkal prudkého rozvoje jiný obor, který stagnoval předtím – kosmický výzkum a raketová technika obecně.

V době, kdy internetové startupy jako AirBnB rostly skoro „přes noc“ z nuly do miliardových hodnot, se zdálo, že s kosmickou technologií se nic zajímavého dít nebude a že zůstane ne-li navěky, tak aspoň nadlouho superdrahým oborem, zajímavým jen pro velké státy a jejich vojenské složky. Když jsem někdy před dvanácti lety začal zaznamenávat první zprávy o tom, že do kosmu se chystají soukromé firmy, byl jsem tak trochu skeptik.

Ale realita překonala moji skepsi. Dnes jsme o velký kus dále, ale to není nic proti tomu, jaké cíle jsou teprve před námi. Stojí za to podívat se aspoň zběžně na to, jakou cestou jsme sem došli. Budu se přitom soustřeďovat na dění „za velkou louží“.

*****************************

Naprosto zásadním prvkem celého kosmického průmyslu jsou motory. Dostat se z gravitační studně Země není zrovna jednoduchý úkol a čím efektivněji to dokážete dělat, tím víc se bude celý obor rozvíjet.

Ten pojem efektivněji v sobě přitom skrývá hned několik významů. Podíváte-li se třeba na auta, tak po nich také chcete hned několik věcí naráz. Měla by být:

- přiměřeně levná na výrobu,

- dojet na jednu nádrž co nejdál,

- slušně zrychlovat při rozjezdu,

- mít jen málo poruch vyžadujících zásah mechanika

- nepodléhat moc korozi,

- ochránit při kolizi posádku, jak to jen jde atd. atd.

Některé z těch požadavků jdou proti sobě a v takovém případě je dobré hledat nějaké kompromisy a nesnažit se „vymaxovat“ jednu vlastnost na úkor nějaké jiné. Tak třeba auto, které by jezdilo svižně jako formule, ale potřebovalo by každých pět set kilometrů generálku celého motoru, by pro běžného uživatele bylo k ničemu.

Saturn V, měsíční raketa. Nádherná, elegantní a strašlivě drahá.

V případě raketových motorů toto dlouho nebylo splněno. Typicky se konstruovaly na jedno použití a techniky zajímala hlavně otázka výkonu, nikoliv ceny a ekonomiky provozu.

Příklad: motory F-1, použité na „měsíčních“ raketách Saturn V, měly ohromný tah: 6,77 meganewtonu. Ale taky stály cca 30 milionů dnešních dolarů za kus (zdroj: Everyday Astronaut v tomto videu) a celá jejich provozní kariéra trvala několik minut – od zážehu na floridském kosmodromu až po okamžik, kdy v prvním stupni došlo palivo a byl odhozen do oceánu.

Asi je patrné, že toto je dost neefektivní přístup – vyrobit superdrahé zařízení a po pár minutách použití jej zahodit do moře, kde se při nárazu na hladinu rozbije na kousky.

To, že naprostá většina raket až dosud fungovala právě takto, je vlastně velmi absurdní. Použití jednorázových motorů, jako je F-1 na gigantických strojích typu Saturnu V, bych nejspíš přirovnal k tomu, jako byste zaplatili za café latté zlatou mincí v hodnotě třiceti tisíc korun a nechtěli nic nazpátek. To si mohou velmi bohatí jedinci dovolit občas udělat v rámci tzv. frajeření, pokud se nestydí.

Analogicky si totéž s raketami mohou dovolit bohaté státy, chtějí-li se navzájem trumfnout před zbytkem světa, kdo bude první na Měsíci; a vojenské rozpočty supervelmocí něco takového sem-tam snesou. (Na vrcholu projektu Apollo spotřebovávala NASA skoro pět procent amerických federálních financí!) Ale dříve nebo později převládne finanční střízlivost.

*****************************

Ta skutečně po prvních návštěvách lidí na Měsíci převládla i v USA. Éra krásných, ale drahých Saturnů V brzy skončila, tři poslední plánované lunární mise byly z úsporných důvodů zrušeny.

Hned nato se začalo řešit, jak bude vypadat kosmické plavidlo budoucí generace. Vybrán byl raketoplán, jehož hlavní motor RS-25 už měl být použitelný vícenásobně (Everyday Astronaut tvrdí ve výše odkázaném videu, že rekordní exemplář RS-25 absolvoval devatenáct misí). Motor RS-25 byl sice dražší než F-1, a to skoro dvakrát – výroba jednoho stála zhruba padesát milionů dolarů –, ale vzhledem k jeho opakovanému použití byla amortizace přeci jen příznivější. Jeden raketoplán měl motory celkem tři.

Jenže RS-25 byl složitý model. A vůbec, raketoplán jako takový bylo hodně složité soustrojí, mající zhruba 2,5 milionu pohyblivých součástek (zdroj v PDF). Sehrála v tom nejspíš roli i politika a lobbing, a to jak ze strany velkých firem, tak od senátorů, kteří chtěli, aby nějaká část velké investice mířila právě do jejich státu. Logistické řetězce pro výrobu a údržbu raketoplánů byly legendárně komplikované. Což se většinou s rozumným hospodařením vylučuje.

(Ostatně: tentýž politický problém se zbytečně komplikovanou strukturou výroby má dnes evropský Airbus. U toho jsem našel i přehlednou mapu.)

Jednou ze skutečností, která provoz raketoplánu prodražovala, byla nutnost motory po každém přistání podrobit rozšířené údržbě, v podstatě opravě (refurbishment). Na nějaké „přistanu a za chvíli zase vzlétnu“, jak se to dělá u běžných tryskových letadel, jste v případě raketoplánu mohli zapomenout. Příprava orbiteru k dalšímu startu zabrala zhruba deset týdnů a podílely se na ní tisíce lidí.

Nešlo přitom jenom o motory samotné, které ostatně ani neměly stejnou životnost jako orbiter a musely se po pár desítkách startů vyměnit. Ohromným problémem se stala například údržba tepelného štítu, životně důležité součásti stroje.

Při návratu do atmosféry se povrch každého kosmického plavidla silně zahřívá a aby neshořelo i s lidmi, je potřeba jej nějak chránit. V případě raketoplánů se tepelný štít skládal ze 35 tisíc keramických destiček. (Selhání jedné takové destičky, poškozené při startu, bylo příčinou zničení raketoplánu Columbia v roce 2003. Zahynulo přitom všech sedm členů posádky.)

Jenže právě tyto destičky, jak se ukázalo, dostávaly při návratu zabrat daleko více, než návrháři teoreticky předpokládali. Po přistání bylo tedy nutné jednu každou z nich podrobit odborné kontrole a poškozené kusy vyměnit. A aby té práce nebylo málo, jednotlivé destičky se od sebe lišily tvarem a náhradní kusy se vyráběly ručně. Byla to úmorná a neefektivní práce, totálně ignorující základní princip průmyslové civilizace, podle kterého mají být náhradní díly pokud možno jednotné a vyráběné strojově ve velkých sériích.

Manuální práce na tepelném štítu raketoplánu

Celkově vzato by raketoplán, kdyby ještě létal, patřil na tomto blogu jednoznačně do kategorie „Černé díry v červených číslech“. Rozhodně nepřinesl výhody, které sliboval. Původní představou bylo, že raketoplány budou vzlétat do kosmu každý týden; nakonec činila reálná frekvence startů zhruba jednou za tři měsíce. Dva stroje havarovaly – jeden při vzletu a druhý při návratu – a čtrnáct astronautů přitom zahynulo.

Ani úspěšné mise nebyly zrovna levné. Pro některé účely byl raketoplán vysloveně předimenzovaným strojem, však se také orbiter dal velikostně srovnat s plejtvákem obrovským. Ve výsledku šlo o „drahou hračku“, kterou si Spojené státy sice zhruba 30 let dovolit mohly, ale jen v omezeném rozsahu. Za celou dobu existence programu bylo vyrobeno pouze šest raketoplánů, z toho jeden testovací (Enterprise).

Dokonce i těch šest kusů bylo vlastně moc, právě proto, že byly stejné. Bylo by bývalo – zpětně je člověk vždycky moudřejší, že? – daleko výhodnější vyvíjet raketoplán „iterativně“, tj. postavit prototyp, chvíli s ním létat, identifikovat největší slabiny, pozměnit design, postavit další vylepšený prototyp, chvíli s ním létat, identifikovat největší slabiny a tak dále, dokud po čtyřech či pěti opakováních takového cyklu nezískáte daleko lepší konstrukci, než byla ta, s kterou jste začali. Nestalo se, místo toho byly všechny kusy vyrobeny podle stejného mustru, a vykazovaly tak ty samé neefektivity.

(Trochu lépe na tom jsou samotné motory RS-25, které se průběžně inovovaly, ale rozhodující zlepšení to nebylo.)

*****************************

Iterativním stylem naopak postupovala SpaceX, firma založená Elonem Muskem, při vývoji svých raket Falcon. Typickým rysem pro fungování SpaceX je to, že ve firmě neváhají zahodit svoji starší práci a začít s nějakými vylepšeními, pokud se jim zdá, že novinky vypadají slibněji. Tak třeba Falcon 1, první raketa jejich výroby, která dosáhla oběžné dráhy, se do vesmíru podívala jen dvakrát; poté se úsilí hned soustředilo na jejího nástupce, daleko mohutnější a výkonnější rakety Falcon 9, které jsou dnes „tažnými koňmi“ firmy. A průkopnický Falcon 1 šel do pomyslného muzea.

Falcon 9 létá necelých deset let a za tu dobu už je na světě jeho pátá generace Block 5 (číslování jednotlivých verzí je hodně divoké.) V průměru tedy jedna generace trvala necelé dva roky. Současné Falcony jsou přibližně dvakrát výkonnější než jejich první předkové z roku 2010 a lze je použít opakovaně. Ony i ty drobné zlepšováky se časem docela nasčítají.

Celá rodina raket Falcon, autor Lucabon, Wikipedia, licence CC BY-SA 4.0

Pro pohon Falconů si ve SpaceX vyvinuli svůj vlastní motor Merlin, který spaluje petrolej (kerosin). Má to své výhody i nevýhody. Kerosin je levný a dá se koupit všude možně, ale při hoření trochu „čadí“ (coking), o čemž se může přesvědčit kdokoliv, kdo má doma petrolejku po babičce. Uhlíkové spaliny se samozřejmě ukládají v motoru, což znamená nutnost jej občas vyčistit.

Rovněž Merliny jsou spíše rodina motorů než jeden motor, protože od prvního prototypu (1A z roku 2006) také prodělaly řadu drobných iterativních vylepšení. Současná varianta 1D má zhruba dvaapůlkrát větší tah než první prototyp 1A a použít se dá desetkrát.

Skutečným překvapením je ovšem cena. Společnost SpaceX ji sice oficiálně nesděluje – je to obchodní tajemství –, ale odborníci spočítali na základě ceníku letů, že výroba jednoho Merlinu stojí mezi jedním a 2,5 miliony dolarů. Proti větším motorům jako F-1 a RS-25 jsou to směšné peníze.

Právě kombinace nízké ceny a relativně slušné spolehlivosti umožňuje na jednoho Falcona nasadit motorů celkem devět (a na Falcona Heavy dvacet sedm). Tím vzniká určitá rezerva výkonu pro případ, že by některý z motorů při startu selhal: pokud jeden z motorů zhasne, ostatní to utáhnou „za něj“. Skvělá věc, nechcete-li přijít o raketu a o náklad.

(A přesně to se v roce 2012 stalo, článek včetně videa. Náklad se přesto dostal do vesmíru.)

Nicméně: jak už řečeno, ve SpaceX se inovuje rychle, až obsesivně, což znamená, že Falcony 9 tažené Merliny již jsou také pomalu, ale jistě „pasé“. Na svět přichází novější technologie, která by pro lidstvo skutečně mohla znamenat otevřenou bránu k sousedním planetám. Je to loď Starship a nosič Super Heavy, obrovské stroje srovnatelné se starým Saturnem V. Na rozdíl od něj by však měly být provozně velmi levné.

*****************************

Nový motor Raptor, který je středobodem celého projektu, byl z hlediska konstruktérů úplným skokem do neznáma, protože spaluje metan. (Proto tedy ty „kraví pšouky“ v titulku tohoto článku.) Nad metanem coby palivem uvažovali už průkopníci v dávných 30. letech, ale až dosud šlo jen o teorii.

Vývoj Raptoru trval deset let a první tři roky nebylo ani jasné, jaké palivo bude vlastně používat. Teprve v roce 2012 se záměr ustálil na metanu.

Metan má pro meziplanetární použití vůbec hodně výhod. Na rozdíl od některých paliv (hypergolů) to není prudký jed a není potřeba kolem něj chodit v ochranném protichemickém obleku; v případě nehody nezamoří široké okolí. Na rozdíl od kapalného vodíku zase nepotřebuje technicky náročné podchlazení na 20 stupňů Kelvina a neútočí na strukturální pevnost kovů (studený vodík je prevít a kovy při styku s ním křehnou; nepříliš dobrá vlastnost pro něco tak mechanicky namáhaného, jako je raketa). Na rozdíl od kerosinu se metan dá poměrně snadno vyrobit i na jiných kosmických tělesech, třeba na Měsíci či Marsu, máte-li k dispozici elektřinu, vodu a oxid uhličitý. To znamená, že první kosmičtí cestovatelé na větší vzdálenosti by si nemuseli vozit příliš velké zásoby paliva s sebou.

A ještě jeden bonus k tomu všemu na závěr: metan hoří čistě a součástky motoru se tím pádem nezanášejí zplodinami. Žádná nutnost oblékat si skafandr a vylézat do vesmírného prostoru, abyste drhli trysku kartáčem, hurá!

Killer vlastností Raptora je ale to, že byl navržen k mnohonásobnému použití, aniž by měly výrobní náklady na jeden kus být o moc vyšší než u levného Merlina. Sám šéf společnosti SpaceX si troufá mířit hodně vysoko – podle jeho slov by měl Raptor zvládnout i tisíc(!) použití. To samozřejmě můžeme brát s rezervou, protože Elon Musk si také občas rád „zafrajeří“; ale i padesát nebo sto použití by bylo z hlediska hospodárnosti provozu vynikajících. A vzhledem k tomu, že dnes už softwarové simulace zvládají docela solidně namodelovat, jak se bude motor při opotřebení chovat, na tu stovku bych byl ochoten věřit.

Zkusmý zážeh Raptoru, ještě na testovací lavici

První úspěšné odpoutání od zemského povrchu má už Raptor za sebou, i když bylo skromné. Koncem července se pokusná loďka Starhopper v jižním Texasu vyšplhala do závratné výše dvaceti metrů. V nejbližších dnech má následovat další test, tentokrát půjde o skok do výšky dvě stě metrů. Ze začátku to vypadalo právě na 13. srpna, ale nakonec jsem ten „dárek k narozeninám“ nedostal: aktuálně se předpokládá víkendový termín.

Tím by Starhopper nejspíš skončil (pamatujete na rychle odložený Falcon 1?), protože už se konstruují daleko větší prototypy „skutečné“ kosmické lodi Starship pro rozsáhlejší testování, zahrnující i vesmír. První z nich se staví také v jižním Texasu, druhá na Floridě. Nenastanou-li velké zádrhele, mohli bychom se rakety schopné poměrně levně cestovat k různým cílům ve Sluneční soustavě dočkat už zhruba za dva roky.

A to by bylo dobře; trocha technologického optimismu by v dnešní době, která je posedlá spíš hrůzami z klimatické apokalypsy, byla důležitou vzpruhou pro naši poněkud unavenou civilizaci.

Osobně si přeju, aby to už bylo.

*****************************

Hudební epilog
Co jiného než Fly Me to the Moon? Ale moje žena se zatím na myšlenku letenky do vesmíru dívá poněkud opatrně, takže nějakou dobu budu asi ještě blogovat ze Země.
(Mimochodem, poopravit internet tak, aby stále ještě nějak fungoval i na kosmické vzdálenosti, je docela oříšek. Rychlost světla je „neukecatelným limitem“.)

****************************************
ZAPOMENUTÉ PŘÍBĚHY 2
Když je něco zapomenutého, je dobře se ptát, jak se to stalo. Zapomnělo se proto, že se něco dostalo za horizont času a zájmu, anebo proto, že se nějak někomu zapomenout chtělo? Autor v této knížce nahlíží do událostí zas tak ne moc vzdálených.
Objednat si ji můžete na této adrese.

Převzato z Kechlibar.net se souhlasem autora