Kde jsou ty (skutečné) kosmické lodě?

PETR TOMEK  |  Vesmír
kosmická loď

Bez kosmických lodí se dnes žádná pořádná sci-fi neobejde. Hrdinové si na ně už zvykli tak, že jim stačí vběhnout do kokpitu, přecvakat pár vypínačů, popadnout knipl a odstartovat na oběžnou dráhu nebo rovnou na jinou planetu. Člověk by měl dojem, že nepilotují kosmickou loď, ale stařičkou Cessnu. Ano, je to stejně snadné jako nedosažitelné.

Zatím všechny kosmické lodě, které lidé dokázali postavit, se jejich pilotům- kosmonautům doslova rozpadají za zády. Posádka startující s lodí dlouhou (nebo spíše vysokou) kolem padesáti i více metrů se vrací zpět na zem v kapsli velikosti větší domácí chladničky nebo malého auta. Dokonce i americký raketoplán, který si většinu svých částí nechá na další použití, ztratí hodně ze své velikosti. Přijde totiž pokaždé o velkou oranžovou externí nádrž, bez níž by se na oběžnou dráhu nedostal. Zkrátka člověk vychovaný Star Trekem se musí ptát: Kde jsou ty skutečné kosmické lodě, které stačí před odletem prostě jen natankovat? Možná přitom tuší, a možná netuší, že narazil na věc, která dráždí konstruktéry nosných raket i kosmických lodí už od počátku jejich vývoje. Systémy SSTO (Single- Stage- To- Orbit), tedy jednostupňové kosmické nosiče, jsou pro ně něco jako perpetuum mobile pro renesanční vynálezce. Vždy, když se zdá, že je řešení už na dosah, vynoří se další problém. Stokrát, tisíckrát navrhovaná, opravovaná, znovu navrhovaná a znovu opravovaná řešení. Ale také spousta nových, zajímavých myšlenek, které z tohoto na pohled marného snažení vznikly, to je historie těchto krásných strojů, jež jsou bohužel stále ještě hudbou budoucnosti.

Už K. E. Ciolkovskij

Tak jako je zvykem říkat: „Už staří Římané…“, platí pro konstrukce kosmických lodí rčení „Už Konstantin Eduardovič Ciolkovskij…“. Není divu, tento obdivuhodně prozíravý venkovský učitel skutečně vyslovil většinu myšlenek týkajících se teoretické stránky konstrukce raket a kosmických lodí. Ovšem systémů SSTO se příliš nezastával. Naopak, jeho myšlenky vedly ke konstrukci dnešních vícestupňových nosičů.Nemůžeme to od něj ovšem chápat jako nějakou zpozdilost. Měl k tomu totiž pádný důvod. Objevil vztah mezi konstrukčními parametry rakety a maximální rychlostí, které je taková raketa schopná dosáhnout.

„Rozdíl mezi počáteční a konečnou rychlostí rakety je roven násobku efektivní výtokové rychlosti zplodin a přirozeného logaritmu podílu počáteční a konečné hmotnosti rakety.“ Trochu složité? Znamená to v podstatě, že raketa bude tím rychlejší, čím větší bude rozdíl mezi počáteční a konečnou hmotností. Jenže z něčeho se raketa nakonec skládat musí, a pokud do rovnice zahrnete také gravitační ztráty, zjistíte, že na hmotnost konstrukce zůstává skutečně málo. Jednostupňová raketa s konvenčními raketovými motory tedy vynese na oběžnou dráhu sotva sama sebe. Aby mohla vzniknout vysněná loď schopná doletět až na oběžnou dráhu bez ztrácení různých součástí, je potřeba neúprosnou rovnici nějak obejít. Musí narůst výkon navíc, ubýt nadbytečná hmotnost. Zkrátka je potřeba trochu fixlovat. Samozřejmě první myšlenka, která člověka napadne, je: „Chtělo by to lepší palivo.“

Téměř dokonalé palivo

O SSTO se začalo znovu uvažovat až v šedesátých letech minulého století.Tehdy se totiž objevily první skutečně použitelné kyslíko-vodíkové motory.Zázračná kombinace, o které snil Goddard i Ciolkovskij, přešla konečně do používání a nemálo se zasloužila o americký triumf při dobývání Měsíce. Výpočty ukazovaly, že by nové efektivní palivo dokázalo vynést na oběžnou dráhu i jednostupňovou raketu.

Na straně USA i SSSR začaly vznikat první projekty podivných, zavalitých raket a raketoplánů. Jenže bohužel není všechno zlato, co se třpytí, a kapalný vodík rozhodně není nic, co byste si přáli mít doma. „Jen se na něj křivě podíváš, a už se vaří,“ říkávají o něm všichni, kdo s ním měli co do činění.

A mají pravdu. Nejenže teplota varu kapalného vodíku je –253 °C, ale navíc je vodík v plynném i kapalném stavu dobrým vodičem tepla. Když k tomu připočtete jeho nízkou hustotu (má asi 1/7 hustoty leteckého petroleje), zjistíte, že jste si odstraněním jednoho problému zadělali na další, a mnohem větší.

Sprej na vlasy

Sedminásobně větší nádrže na palivo jsou už pro SSTO pořádný problém.Kvůli jejich velikosti značně narůstá aerodynamický odpor. Ale ani to není všechno. Musejí zároveň fungovat jako obří termosky, aby zabránily teplu dostat se k obrovskému množství kapalného vodíku a naráz jej změnit v plyn. Což by bylo asi to poslední, čím by nás taková raketa oslnila.

(Mnoho z nás má ještě v živé paměti, co dokáže kapalný vodík, při vzpomínce na Space Shuttle Challenger v roce 1986.) Proto mají nádrže na kapalný vodík asi jednu desetinu hmotnosti paliva, které je v nich uskladněno, zatímco ostatní nádrže si vystačí s jednou setinou. Zvýšením výkonu tedy naroste hmotnost. Přes různá nebezpečí si s kapalným vodíkem jako palivem jsme celkem schopni poradit u vícestupňových raket. Systémy SSTO mají proti nim ale ještě jednu nevýhodu navíc. Aby mělo smysl takovou loď stavět, měla by být vícenásobně použitelná. To znamená, že musí být schopná nejen doletět nahoru, ale také se snést vcelku a v pořádku dolů. Gigantickou vodíkovou nádrž je tedy třeba pokrýt neméně obrovským tepelným štítem, který má zase zatraceně velkou hmotnost. Zdá se, že jsme zase na začátku.

Když už konečně máme dostatečně výkonné palivo, ukáže se, že je tak objemné, že kolem něj téměř nelze postavit kosmickou loď. Samozřejmě stále existuje cesta, kdy by byly použity běžné raketové motory spalující kyslík a vodík pro raketu odlehčenou jako vaječná skořápka, ale ne všem se takové řešení právě zamlouvá. Určitě by bylo lepší najít nějakou „zlatou střední cestu“ – tedy palivo výkonem bližší vodíku, které by zároveň mělo při skladování objemové a teplotní nároky bližší leteckému petroleji. Pochopitelným řešením by bylo použití kapalného amoniaku (čpavku), který dává s kyslíkem podobné výkony jako kapalný vodík, ale jeho bod varu je –33,3 °C, což je rozhodně snesitelnější teplota.

Hustotou v kapalném stavu (0,682 g/ cm3) se navíc poměrně blíží leteckému petroleji (0,78– 0,81g/cm3). Jenže i on má své problémy. Nejenže hoří, ale je to žíravina a nebezpečný jed, který se snadno rozpouští ve vodě. Dokud byl používán jen v experimentálním raketoplánu X-15, nějak se to sneslo. Obsluha sice musela mít protichemické obleky, v zásadě však hrozilo nebezpečí jen v nejbližším okolí.Výbuch pořádné nosné rakety by ale mohl mít stejné účinky jako vypuknutí chemické války.

Pozornost se proto zaměřila na méně nebezpečné uhlovodíky metan a butan. Zatímco metan je zajímavý hlavně svou dostupností, butan je známý především jako hnací plyn sprejů na vlasy a také jako palivo do domácích vařičů ve směsi s propanem (propanbutan).Zkapalnit se dá už mírně pod nulou. Vaří se při –0,5 °C, ale při zvýšení tlaku může být uchováván i za pokojové teploty. Také hustota kapalného butanu (0,6 g/cm3) říká, že nádrže nebudou o mnoho větší než nádrže na běžný letecký petrolej.

kosmická loď

Třetí nádrž

Jiná skupina konstruktérů ale oponuje: Proč hledat ideální palivo, když je máme? Jejich návrh jsou v podstatě dva stupně rakety uvnitř jednoho.Vícestupňové rakety totiž často používají v prvním stupni letecký petrolej a v druhém stupni vodík.

Dosahují tak rozumného kompromisu mezi velikostí a výkonem. Proč tedy neudělat totéž i pro SSTO? Stačí vyrobit motor, který po spotřebování petroleje přejde plynule na spalování kapalného vodíku. Menší nádrž na vodík nebude rozhodně dělat tolik problémů. Asi si říkáte, že konstrukce takového motoru není nic jednoduchého. Jistě není, ale první takové motory už existují. Ruský RD- 701 byl vyvíjen od roku 1988 do roku 2001 pro raketoplán MAKS. Otázka ideálního paliva tedy neřešitelná není. Jen k ní chybí ta kosmická loď. Ale když už jsme se dotkli konstrukce raketových motorů, nesmíme se vyhnout problémům s tryskou.

Problém s tryskou

Jistě víte, že se tryska raketového motoru směrem dolů zvonovitě rozšiřuje. Je to proto, aby mohl motor využít expanzi horkých plynů. Jenže to, nakolik plyn zvětší svůj objem, je závislé také na tlaku okolního vzduchu. A protože tlak vzduchu s přibývající výškou klesá, mívají trysky nižších stupňů jiný tvar než trysky stupňů vyšších. Ovšem SSTO využívá stejné motory pro let ze Země až na oběžnou dráhu (tedy z tlaku 1013,25 hPa až do vakua).

Pokud by měl motor pro celý let stejnou trysku, ztrácel by ve větších výškách část výkonu, kterou vytváří rozdíl tlaků. To by bylo u nosiče, který počítá s každým gramem opravdu k vzteku.

Řešení, které našli v USA, bylo poměrně překvapivé – obrátili totiž raketový motor naruby. Zvonovitou trysku nahradilo centrální těleso, kolem kterého obtékaly žhavé plyny a vzduch proudící kolem motoru vytvářel svým tlakem jakousi pružnou stěnu, jejíž tlak se měnil podle výšky.

Protože by ideálním tvarem centrálního tělesa byl kužel vybíhající do tenkého, nekonečného hrotu, nahradili jeho vrchol také tlakem plynu. Vznikl jakýsi „vzdušný bodec“- aerospike. Ve velkém se s nimi počítalo především v projektech SSTO vypracovaných v šedesátých letech. Měly být obrovské, složené z několika desítek prstencově uspořádaných motorů a jejich centrální těleso bylo zároveň tepelným štítem pro vstup do atmosféry. Údajně měly být tak dokonalé, že by jim palivo stačilo nejen na start, ale i na vertikální přistání pouze pomocí motorů (VTOVL – Vertical Take- Off Vertical Landing). Žádný z těch projektů se ale nedostal dál než na rýsovací prkno. Totéž se naštěstí nedá říci o motorech aerospike, které se dočkaly testování. Nejpodivnější z nich – lineární aerospike XRS-2200 – měl být hlavním motorem jednostupňového raketoplánu X-33, který byl zrušen roku 2001 pro množství technických problémů. Vedle revolučních řešení ale existují vždy i jiná, zdánlivě méně objevná, přesto použitelná. Takovým je rozšiřovatelná tryska.

V podstatě je to běžná expanzní tryska, přes kterou je usazena ještě jedna širší pro let ve vakuu. Při dosažení dané výšky se plamen z trysky sám rozšíří a opře o stěny vnější trysky.

Ano, ale i když jsou takové trysky určitě zajímavé, stále jsme veskrze u klasických raketových motorů. A raketové motory pro start ze Země příliš efektivní nejsou. Copak někoho nenapadlo použít nějaký úplně jiný motor? Samozřejmě, že napadlo.

Dýchej a leť

Zatímco jedni vynálezci hledali způsob, jak změnit palivo, druzí se zamysleli nad nádrží plnou kapalného kyslíku. Proč ho si brát s sebou, když kolem nás ve vzduchu je kyslíku dost? Přinejmenším do výšky nějakých třiceti kilometrů by bylo možné používat vzdušný kyslík i k pohonu.

To už je pořádných pár tun ušetřené hmotnosti. Úvahy na toto téma začínají v USA někdy v osmdesátých letech za vlády Ronalda Reagana, kdy se zrodil projekt Rockwell X-30 nazývaný také NASP (National Aero-Space Plane).

Pohánět ho měl nadzvukový náporový tryskový motor (scramjet). Byl to ultramoderní návrh, který se setkal s velkým nadšením. Prezident Reagan dokonce označil X-30 za nový Orient Expres. Jenže nikdo na světě neměl ještě žádné pořádné zkušenosti s motory takového druhu. Přes maximální snahu se nepodařilo získat dostatečné zkušenosti až do roku 1993, kdy byl projekt ukončen. Samozřejmě, že tím vývoj motorů typu scramjet neskončil. Když 16.

listopadu 2004 jásal tisk nad malým nepilotovaným letadélkem X- 43A, málokdo z nezasvěcených věděl proč. Právě totiž překročilo rychlost Mach 9,68, a přiblížilo tak zase o krůček sen o jednostupňových kosmických lodích. Příští rok by na jeho lety měly navázat testy podobného letadélka Boeing X-51.

Jinou cestu ke kosmickým motorům spalujícím vzdušný kyslík zvolili konstruktéři vycházející z klasických proudových motorů. Pravda, to, s čím pracují dnes, se původním proudovým motorům už moc nepodobá. Zjistilo se totiž, že k tomu, aby mohl být vzduch hnán z dmychadel do komory raketového motoru, musí zmenšit svůj objem mnohem výrazněji než v běžných proudových motorech. Chtělo to pořádně účinné chlazení.

I když je tahle myšlenka také přes dvacet let stará, první vlaštovky ohlašující možné úspěchy se začínají objevovat teprve teď. Na výstavách a v tisku se hodně angažovala především společnost Reaction Engines Ltd., vyvíjející předchlazený proudovoraketový motor s přídavným spalováním pro svůj automatický raketoplán Skylon. Jenže zatímco svět napjatě čekal na výsledky jejich pokusů, ohlásili první úspěchy Japonci zkoušející první prototyp svého předchlazeného turbonáporového motoru s expanzním cyklem nazvaný ATREX-500. Oba motory spalují vodík a využívají zmenšení objemu vzduchu při jeho podchlazení. ATREX-500 ale navíc může měnit konfi guraci z turbodmychadlové na čistě náporovou. I když je zatím skutečný SSTO kdesi ve hvězdách (kéž by tam byl i skutečně), nešetří NASA, Reaction Engines Ltd. ani JAXA optimismem.

V nedávné zprávě o pokroku ve vývoji raketoplánu Skylon se dokonce objevil i nákres s vyznačenými řadami sedadel. Doufejme, že je to projev důvěry ve vlastní konstrukční schopnosti, a nikoli jen poslední pokus, jak získat sponzory pro pokračování projektu.

KANKOH MARU

Firma Kawasaki vypracovala v polovině devadesátých let minulého století projekt na loď ve tvaru 23,5 metru vysokého vejce s průměrem 18 metrů. Trysky dvanácti kyslíko-vodíkových raketových motorů procházejí tepelným štítem a při sestupu mají být zakryty, teprve po zbrzdění se otevřou, aby zajistily měkké přistání. Jde jednoznačně o komerční loď, která by měla umožnit padesáti kosmickým turistům zhruba tříhodinový pobyt na oběžné dráze. Kankoh Maru připomíná jak projekty mnohonásobně použitelných kosmických lodí z šedesátých let, tak projekt Blue Origin navržený taktéž pro kosmickou turistiku, ovšem pouze po balistické křivce. O stavu projektu je známo velmi málo, japonská agentura JAXA ale neohlásila jeho ukončení. Poslední prokazatelný pokrok udělal v roce 2003, kdy byl vyzkoušen letový demonstrátor RVT-9. Aby mohla vzniknout vysněná loď schopná doletět až na oběžnou dráhu bez ztrácení různých součástí, je potřeba neúprosnou rovnici nějak obejít. Teplota varu kapalného vodíku je –253 °C, a když připočtete jeho nízkou hustotu, zjistíte, že jste si odstraněním jednoho problému zadělali na další.

GURKOLJOT

Na jednom z nejpodivnějších projektů SSTO pracovali v Sovětském svazu od sedmdesátých do osmdesátých let konstruktéři V. M. Mjasiščev a Oleg Gurko. Jejich MG-19 měl být 69 metrů dlouhý raketoplán s rozpětím 50 metrů. Pohon měl zajišťovat komplex VRDU sestavený z deseti jaderných proudových motorů a jednoho jaderného raketového motoru. Pracovní látkou obou druhů motorů byl pouze vodík. Proudové motory měly fungovat ve dvou režimech: při prvním vodík spalovaly, a fungovaly tedy víceméně jako běžné proudové motory, v druhém režimu využívaly pouze chladicího okruhu jaderného reaktoru k ohřevu protékajícího vzduchu. Gurkoljot měl fungovat stejně dobře jako atmosférické letadlo i jako kosmická loď. Klidová letová hladina měla vést ve výšce 12–15 km. Podle zadání by na oběžnou dráhu vynesl až 40 tun. Zatímco jedni vynálezci zkoumali palivo, druzí se zamysleli nad nádrží plnou kapalného kyslíku. Proč si ji brát s sebou, když kolem nás je kyslíku dost?

X-33 A VENTURESTAR

V roce 1996 hledala NASA nástupce současného raketoplánu Space Shuttle. Nakonec zvítězil projekt firmy Lockheed Martin. Jeho prapředkem byl projekt Philipa Bona zvaný StarClipper. Původně měl dvě přídavné nádrže na kapalný vodík, které měl při letu odhazovat. Projekt VentureStar však předpokládal, že pokud bude dobře zvládnuta konstrukce nádrží a hospodaření s hmotností, nebude nutné se jich zbavovat. Vzniklo tak masivní vztlakové těleso ve tvaru trojúhelníku. Když pak byly v průběhu vývoje nahrazeny původní motory sedmi lineárními raketovými motory aerospike, byl už známý vzhled v podstatě hotov. Po dokončení by VentureStar měřil na délku 37,8 metru a při startu vážil 1000 tun. Na oběžnou dráhu by dokázal vynést až 20 tun. Pro testy byl stavěn experimentální letový model zvaný X-33 v poloviční velikosti, ale už při počátečních testech se objevily problémy. Nejvážnějším bylo prasknutí kompozitové nádrže na kapalný vodík. Nakonec byl projekt v roce 2001 zastaven. Člověk vychovaný Star Trekem se musí ptát: Kde jsou ty skutečné kosmické lodě, které stačí před odletem prostě jen natankovat?

KOSMICKÝ TOBOGAN

S myšlenkou, jak obejít potřebu použití prvního stupně rakety, přišel už Konstantin Eduardovič Ciolkovskij. Všiml si, že obrovská část výkonu prvního stupně nosiče připadá na překonání gravitace. Navrhl ke startu nakloněnou rampu. Raketu v první fázi její raketové motory vůbec nemusely unést, a přesto se její rychlost zvyšovala. Od rampy se měla odpoutat, až když její hmotnost klesla spotřebováním části paliva. Myšlenka takové rampy se od té doby objevuje v návrzích SSTO. Mezitím ovšem dostala mnoho dalších vylepšení. Z prosté nakloněné roviny se vyvinula do podoby částečné paraboly, takže připomíná spíše nedostavěnou horskou dráhu, nad níž by se kosmická loď vznášela díky magnetické levitaci. S rozvojem lineárních elektromotorů přišly návrhy využít jeho zrychlení i pro kosmickou rampu. Zatím poslední projekt, kde se počítalo s její stavbou, navrhovala japonská agentura NASDA (dnes JAXA). Rampa měla stát na ostrově poblíž rovníku a její vrchol by sahal do výše 2100 metrů. Nepřekonatelné technické a ekonomické problémy ale způsobily, že přednost dostaly jiné projekty. Myšlenka však mrtvá ještě není, jak o tom svědčí i fakt, že se v Marshallově středisku s magnetickou dráhou experimentuje.

Nejčtenější