SHS versus SLS
Napsal: 2.2.2019 23:15
V komentářích k různým článkům na stránkách webů kosmonautix.cz resp. elon.cz jsem mnohokrát setkal s tvrzením, že raketa NASA SLS je zastaralá a drahá oproti raketě SpaceX SHS. Hlavní příčinu shledávali diskutující hlavně v jednorázovém použití jednotlivých stupňů s drahými motory u rakety SLS. Uvažoval jsem, proč odborníci NASA, určitě minimálně tak schopní jako odborníci SpaceX, k opakovanému použití stupňů nepřistoupili. Proč v celé historii moderních raket takové na první pohled neefektivní řešení naprosto převládalo, proč některé zřídkavé pokusy o opakovatelnost skončily neúspěšně. Zde nemohu nezmínit např. americký raketoplán. Ještě ze svých mladých let si pamatuji to nadšení, s jakým se vítal vývoj tohoto raketoplánu – údajně 10x menší náklady na vynesení nákladů na oběžnou dráhu než u běžných raket. A jak to dopadlo – opravdu špičkové technické řešení raketoplánu nakonec skončilo ekonomicky neúspěšně, náklady na vynesení nákladu byly vyšší než u standardních raket.
Hlavní důvod vidím v nižší nosnosti raket při opakovatelné použitelnosti jednotlivých stupňů. Pro zajištění návratu jednotlivých stupňů v nepoškozeném stavu zpět na Zem je totiž nutné zajistit snížení jeho rychlosti při přistání na nulu. Moderní kosmické rakety vycházely z vojenských raket středního a zejména dlouhého doletu a proto automaticky nepočítaly s návratem jednotlivých stupňů. Navíc bylo ze všeho nejdůležitější dosáhnout co největší nosnosti rakety, ekonomická kritéria byla vedlejší. Proto se zbytná zatížení maximálně eliminovaly, takže vůbec nepřicházelo v úvahu brzdění motorem a v podstatě ani brzdění těžkými padáky apod. U každé pilotované lodě, dílech kosmických stanic, kosmických sondách k Měsíci a planetám, většině vědeckých družic, spojovacích družic apod. se bojovalo o každý kilogram nosnosti, která by umožnila použití více přístrojů, větší prostor a pohodlí pro posádku, větší spolehlivostí a životnost apod. Větší náklady se většinou zaplatily větší užitnou hodnotou. A to v podstatě převládá dodnes. Cena rakety u mnoha aplikací tvoří jen podstatně menší část celkových nákladů na příslušnou aplikaci – např. kosmické sondy kdy náklady na vývoj a výrobu sondy se pohybují ve stovkách miliónů nebo dokonce miliardách dolarů oproti případné úspoře za opakovatelnost v desítkách miliónů dolarů.
P. Dušena Majer v diskuzi na otázku z publika při některé ze svých přednášek prohlásil, že snížení nosnosti s důvodů opakovatelného použití 1. stupně u SpaceX činní 30-50%. Nechtělo se mi to věřit, a proto jsem přistoupil k jeho ověření. Posouzení jsem provedl pomocí raketové (Ciolkovského) rovnice pro rakety SHS – (dříve BFS/BFR), jako výchozí údaje jsem použil data z wikipedie pro tuto raketu. Z výchozí hmotnosti rakety 4400 tun se pro urychlení celé rakety na rychlost 2 km/s, kdy dochází k oddělení 2. stupně, spotřebuje celkem 1920 tun paliva. Aby 1. stupeň, již samozřejmě lehčí o spotřebované palivo, zpětně zabrzdil tuto rychlost 2 km/s, spotřebuje 500 tun paliva o které byl 1. stupeň při startu těžší. Pokud by se té „nadváhy“ 500 tun použilo pro zvýšení rychlosti rakety v době oddělení 1. stupně, tak by v tom okamžiku měla raketa rychlost 2,8 km/s místo původních 2 km/s. Tím by musely motory 2. stupně jej urychlit pro dosažení orbitální rychlosti 7,9 km/s pouze o 5,1 km/s místo původních 5,9 m/s, což se promítne ve zvýšení výsledné nosnosti o 60 tun. Při udávané užitečné nosnosti rakety SHS 100 tun to je o něco více než 50 %. Vzhledem k tomu, že Starship je současně 2. stupněm a zároveň částečně užitečným nákladem, nelze přesně stanovit kolik se z těch 60 tun promítne do zvýšené užitečné nosnosti, jeví se to jako dosti dobrá shoda s výše uvedeným údajem p. Dušana Majera. Taktéž se uvedený údaj hmotnosti paliva pro zpětné zabrzdění 1. stupně ve výši 500 tun přibližně kryje s rozdílem startovní hmotnosti SHS a SLS o něco více než 400 tun. Samozřejmě to vše je pouze ilustrační příklad, protože údaje zejména o SHS jsou jen orientační, poněvadž se prozatím tato raketa jen projektuje, při čemž ještě dochází k zásadním změnám v koncepci – viz nedávný přechod z uhlíkových kompozitů na nerez.
NASA plánuje užívat raketu SLS v aplikacích, kdy maximální nosnost rakety hraje zásadní roli, přičemž bude využívaná v cca dvouročních intervalech. V případě záchrany stupňů – v úvahu by přicházel zřejmě jen 1. stupeň, by výchozí hmotnost celé rakety při zachování užitečné nosnosti musela být cca o 500 tun vyšší a motory 1. stupně by navíc musely mít přiměřeně vyšší výkon. Zachráněný 1. stupeň by musel čekat cca 2 roky na další využití, pak projít revizemi a testy. Takže je otázkou, kolik by se při opakovaném použití uspořilo. Naproti tomu SpaceX uvažuje s mnohonásobným využitím rakety SHS ve velmi krátkých intervalech. Pokud se SpaceX tuto mnohonásobnou opakovanost podaří zajistit, pak samozřejmě dojde ke značným úsporám nákladů a koncepce SHS tím dokáže svou oprávněnost, stejně jako SLS, každá však z jiných důvodů.
Hlavní důvod vidím v nižší nosnosti raket při opakovatelné použitelnosti jednotlivých stupňů. Pro zajištění návratu jednotlivých stupňů v nepoškozeném stavu zpět na Zem je totiž nutné zajistit snížení jeho rychlosti při přistání na nulu. Moderní kosmické rakety vycházely z vojenských raket středního a zejména dlouhého doletu a proto automaticky nepočítaly s návratem jednotlivých stupňů. Navíc bylo ze všeho nejdůležitější dosáhnout co největší nosnosti rakety, ekonomická kritéria byla vedlejší. Proto se zbytná zatížení maximálně eliminovaly, takže vůbec nepřicházelo v úvahu brzdění motorem a v podstatě ani brzdění těžkými padáky apod. U každé pilotované lodě, dílech kosmických stanic, kosmických sondách k Měsíci a planetám, většině vědeckých družic, spojovacích družic apod. se bojovalo o každý kilogram nosnosti, která by umožnila použití více přístrojů, větší prostor a pohodlí pro posádku, větší spolehlivostí a životnost apod. Větší náklady se většinou zaplatily větší užitnou hodnotou. A to v podstatě převládá dodnes. Cena rakety u mnoha aplikací tvoří jen podstatně menší část celkových nákladů na příslušnou aplikaci – např. kosmické sondy kdy náklady na vývoj a výrobu sondy se pohybují ve stovkách miliónů nebo dokonce miliardách dolarů oproti případné úspoře za opakovatelnost v desítkách miliónů dolarů.
P. Dušena Majer v diskuzi na otázku z publika při některé ze svých přednášek prohlásil, že snížení nosnosti s důvodů opakovatelného použití 1. stupně u SpaceX činní 30-50%. Nechtělo se mi to věřit, a proto jsem přistoupil k jeho ověření. Posouzení jsem provedl pomocí raketové (Ciolkovského) rovnice pro rakety SHS – (dříve BFS/BFR), jako výchozí údaje jsem použil data z wikipedie pro tuto raketu. Z výchozí hmotnosti rakety 4400 tun se pro urychlení celé rakety na rychlost 2 km/s, kdy dochází k oddělení 2. stupně, spotřebuje celkem 1920 tun paliva. Aby 1. stupeň, již samozřejmě lehčí o spotřebované palivo, zpětně zabrzdil tuto rychlost 2 km/s, spotřebuje 500 tun paliva o které byl 1. stupeň při startu těžší. Pokud by se té „nadváhy“ 500 tun použilo pro zvýšení rychlosti rakety v době oddělení 1. stupně, tak by v tom okamžiku měla raketa rychlost 2,8 km/s místo původních 2 km/s. Tím by musely motory 2. stupně jej urychlit pro dosažení orbitální rychlosti 7,9 km/s pouze o 5,1 km/s místo původních 5,9 m/s, což se promítne ve zvýšení výsledné nosnosti o 60 tun. Při udávané užitečné nosnosti rakety SHS 100 tun to je o něco více než 50 %. Vzhledem k tomu, že Starship je současně 2. stupněm a zároveň částečně užitečným nákladem, nelze přesně stanovit kolik se z těch 60 tun promítne do zvýšené užitečné nosnosti, jeví se to jako dosti dobrá shoda s výše uvedeným údajem p. Dušana Majera. Taktéž se uvedený údaj hmotnosti paliva pro zpětné zabrzdění 1. stupně ve výši 500 tun přibližně kryje s rozdílem startovní hmotnosti SHS a SLS o něco více než 400 tun. Samozřejmě to vše je pouze ilustrační příklad, protože údaje zejména o SHS jsou jen orientační, poněvadž se prozatím tato raketa jen projektuje, při čemž ještě dochází k zásadním změnám v koncepci – viz nedávný přechod z uhlíkových kompozitů na nerez.
NASA plánuje užívat raketu SLS v aplikacích, kdy maximální nosnost rakety hraje zásadní roli, přičemž bude využívaná v cca dvouročních intervalech. V případě záchrany stupňů – v úvahu by přicházel zřejmě jen 1. stupeň, by výchozí hmotnost celé rakety při zachování užitečné nosnosti musela být cca o 500 tun vyšší a motory 1. stupně by navíc musely mít přiměřeně vyšší výkon. Zachráněný 1. stupeň by musel čekat cca 2 roky na další využití, pak projít revizemi a testy. Takže je otázkou, kolik by se při opakovaném použití uspořilo. Naproti tomu SpaceX uvažuje s mnohonásobným využitím rakety SHS ve velmi krátkých intervalech. Pokud se SpaceX tuto mnohonásobnou opakovanost podaří zajistit, pak samozřejmě dojde ke značným úsporám nákladů a koncepce SHS tím dokáže svou oprávněnost, stejně jako SLS, každá však z jiných důvodů.