Kosmické agentury pokračují ve vývoji nafukovacích tepelných štítů, které by podle nich mohly být nejen klíčové pro budoucí mise k Marsu, ale mohou také otevřít cestu k plně znovupoužitelným raketám, či dopravě velkých nákladů na Zemi. Už od začátku kosmické éry lidstva jsou pevné aerodynamické konstrukce základem pro bezpečný návrat osob i nákladu do atmosféry pomocí padáků a motorického brždění. Tato metoda je však limitována tvarem aerodynamického krytu nosných raket. Rozměry tak nemohou být v současné době větší než čtyři až pět metrů.

Průřez technologickým demonstrátorem LOFTID.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

„Ty čtyři až pět metrů limituje množství hmoty, které dokážete dopravit z oběžné dráhy,“ říká Joe Del Corso, projektový manažer programu LOFTID (Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator) z Langleyho střediska NASA a dodává: „Čím větší konstrukci pro návrat dokážete udělat, tím větší množství hmoty můžete dopravit zpět z oběžné dráhy.“ Pevné konstrukce s průměrem 4 – 5 metrů využívající klasické žáruvzdorné materiály jsou vhodné pro návrat jedné a půl tuny nákladu z vesmíru. Technologie HIAD (Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator) však může být při startu sbalena a před návratem se nafoukne do výrazně větších rozměrů, aby ochránila náklad před shořením při průchodu atmosférou.

První (a nejmenší) torus pro desetimetrový štít, který NASA vyvíjí společně s ULA, umístěný na šestimetrovém štítu LOFTID, který provedl svou misi v listopadu 2022.
Zdroj: https://i0.wp.com/

Větší plocha štítu zvyšuje odpor, který štítu klade okolní prostředí, což sestavu při návratu do atmosféry účinněji zpomaluje. To se hodí především u planet se slabou atmosférou (jako je třeba Mars), na kterých je potřeba bezpečně zpomalit a přistát. „V našem případě se jedná o přechod z jedné a půl tuny na 20 až 40 tun,“ říká Del Corso a dodává: „Jeden a půl tuny – to je takový hodně dobře vybavené golfové vozítko. Ale 20 – 40 tun, to už je spíše malý ranč, který je plně vybavený i s autem v přístřešku.“

Nafukovací konstrukce je také obecně lehčí než ta pevná. Využití ohebných materiálů také umožní jejich vytvarování do různých tvarů a velikostí pro rozmanitější náklady a mise. Zatímco tradiční pevné tepelné štíty, jako jsou ty používané na nákladních lodích Dragon společnosti SpaceX, se osvědčily, HIAD a podobné technologie je teprve na začátku vývoje. Po startu čínské rakety Dlouhý pochod 5B v roce 2020 selhala při návratu na Zemi experimentální čínská nákladní kosmická loď vybavená nafukovacím tepelným štítem o tvaru deštníku s průměrem asi tři metry. O dva roky později odstartovalo americké zařízení LOFTID jakožto sekundární náklad rakety Atlas V od United Launch Alliance. Zařízení o průměru šesti metrů se stalo největším štítem svého druhu, který kdy prošel vstupem do atmosféry.

Hrubá vizualizace projektu ICARUS (Inflatable Concept Aeroshell for the Recovery of a re-Usable launcher Stage).
Zdroj: https://www.aerospacetestinginternational.com/

V červnu letošního roku rozběhla Evropa projekt ICARUS (Inflatable Concept Aeroshell for the Recovery of a re-Usable launcher Stage), který by měl vyvrcholit v roce 2028 návratem demonstrátoru s průměrem 3 metry, jehož vynesení obstará suborbitální raketa. Evropská komise nedávno udělila kontrakt konsorciu vedenému firmou Deimos (což je technologická odnož španělské společnosti Elecnor) v hodnotě 10 milionů Euro na projekt ICARUS. Ali Gülhan, vedoucí oddělení nadzvukových a hypersonických technologií DLR a hlavní řešitel projektu ICARUS v německé kosmické agentuře, říká, že jednou z hlavních výhod skladných nafukovacích tepelných štítů je jejich kompatibilita s dnes používanými raketami, loděmi, družicemi a sondami.

Rozložený pohled na zařízení LOFTID ukazuje jeho základní systémy.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

„Takové nafukovací konstrukce mohou být snáze integrované do již existujících nosných raket a použity pro návraty těžkých nákladů,“ říká Ali Gülhan a dodává: „Kromě několika pozemních experimentů k demonstraci, či ověření funkčnosti vybraných subsystémů, bude kompletní náklad s nafukovacím štítem otestován při balistickém letu na suborbitální raketě v dvoustupňové konfiguraci. Separace nákladu od nosiče a rozložení složené nafukovací struktury jsou kritické okamžiky letového experimentu.“ Agentura DLR zodpovídá za kampaň startů projektu ICARUS, letový test a návrat systému pro sledování stavu konstrukce.

LOFTID po přistání do Tichého oceánu východně od Havaje.
Zdroj: https://pbs.twimg.com/

Výkonný ředitel firmy Deimos, Simone Centouri, říká, že mise ICARUS umožní Evropě připravit se na testy desetimetrového štítu, který by už byl schopen pomoci dopravovat na Zemi použité stupně raket určené k opakovanému použití. To se hodí především u kusů, které obsahují drahou avioniku a pohonné systémy. „Pokud máme možnost něco používat opakovaně, pak je to dobré, protože dopady na naši Zemi jsou nižší,“ uvedl Centouri a dodal: „Můžete tak snížit svou ekologickou stopu.“

Výše zmíněný nafukovací štít LOFTID o hmotnosti 1,1 tuny dokázal při zkoušce z listopadu 2022 odolat odporu atmosféry, který odpovídal zatížení 11,3 tun. Podle Del Corsa se na NASA od té doby „obrátila řada různých společností a agentur, které chtějí technologii HIAD využít“. Společnost United Launch Alliance uzavřela s NASA dohodu Space Act o vývoji většího nafukovacího tepelného štítu pro záchranu raketových motorů BE-4, které tvoří 65-70 % nákladů na novou raketu Vulcan společnosti ULA. Firma SpaceX, která vyšlapala cestu ke znovupoužitelnosti orbitálních raket a od roku 2017 pravidelně opakovaně používá první stupně, už dokázala se stupněm orbitální rakety úspěšně přistát ve více než 330 případech. SpaceX si však poradí bez technologie HIAD, protože první stupně jejich raket Falcon 9 a Falcon Heavy pracují při startu výrazně kratší dobu než jiné srovnatelné rakety. Druhé stupně Falconů tak musí pro dosažení oběžné dráhy vynaložit značné úsilí.

Úspěch LOFTIDu otevřel NASA cestu ke spolupráci s United Launch Alliance a dalšími průmyslovými partnery na vývoji větších,
schopnějších nafukovacích tepelných štítů.
Zdroj: https://i0.wp.com/

ULA a další provozovatelé raket naopak sázejí na masivnější první stupně a menší druhé stupně. „Čím větší uděláte první stupeň, tím více pohonných látek musíte mít pro zpáteční cestu,“ říká Del Corso. Je pak potřeba také větší tepelný štít. Zmínil třeba, že motory rakety Vulcan by měly návratovou hmotnost okolo 23 tun, což by znamenalo desetinásobné aerodynamické zatížení pláště a vyžadovalo průměr 10 metrů. „Pro technologii HIAD je to obrovský pokrok,“ říká DelCorso a dodává: „A už to pomalu začíná být smysluplné i pro využití jako je třeba doprava kousků ISS zpět, nebo dokonce posílání lidí na Mars.“

Schéma záchrany motorů rakety Vulcan.
Zdroj: http://spaceflightnow.com/
Překlad: Dušan Majer

První mise ULA s vylepšenou technologií HIAD je momentálně plánována zhruba na přelom let 2026 a 2027. Del Corso dodal, že je „zcela možné“, aby tepelné štíty umožňovaly plně znovupoužitelné rakety, ale NASA zatím neobdržela žádné návrhy. „U celých prvních stupňů nebo ještě větších raket je problém v tom, že se těžiště posouvá stále více dozadu,“ zmínil Del Corso a doplnil, že tato skutečnost komplikuje návrat do atmosféry, protože celá sestava je nestabilnější. Příští rok chce NASA začít pracovat na zdokonalení technologie HIAD tak, aby pojmula více než 3,4 tuny zatížení z odporu atmosféry, což vyžaduje tepelný štít o velikosti 16 až 20 metrů. „Tohle je skutečně bod, který umožní lidem přístup na Mars,“ uvedl Del Corso.

LOFTID po vylovení na palubu lodi.
Zdroj: https://i0.wp.com/

Mezi další organizace, které projevily zájem o HIAD, patří americké ministerstvo obrany, i když není jasné, zda by se armádě hodil. „Zpomalujeme hodně vysoko v atmosféře a jsme obrovský, pomalu se pohybující cíl,“ zmínil Del Corso a dodal: „Není to tedy zrovna nejlepší aplikace pro to, co chtějí používat. Je to lepší spíše pro lidi, kteří chtějí jen snést dolů opravdu velké náklady.“

Představa rozkládacího štítu firmy Outpost.
Zdroj: https://payloadspace.com/

Kalifornský technologický startup Outpost, jeden z partnerů projektu LOFTID, hledá mechanicky rozložitelné tepelné štíty pro firmy zaměřené na návrat malých družic a užitečných nákladů z oběžné dráhy. Technologie HIAD není pro všechny, říká spoluzakladatel a výkonný ředitel firmy Outpost, Jason Dunn: „Používají materiály, které jsou drahé. Do stavby NASA takové technologie pro NASA se zapojuje řada dodavatelů a subdodavatelů, což zvyšuje náklady.“ Zatímco technologie HIAD skvěle funguje pro obrovské náklady, tak podle Dunna při zmenšování na zhruba třímetrový průměr už začíná být zbytečně velká.

Představa rozkládacího štítu firmy Outpost.
Zdroj: https://payloadspace.com/

„Systém, který zajišťuje nafukování může být poměrně velký,“ doplňuje Dunn a poznamenává: „Je  proto těžší designovat takovou technologii v malém měřítku.“ První mise firmy Outpost je plánována na rok 2026. V jejím rámci by mělo dojít k navedení zhruba 200 kg vážící družice do atmosféry. Družice bude vybavena mechanickým rozkládacím tepelným štítem, který by firma v budoucnu chtěla sama vyrábět ve velkém. Tento startup věří, že vyšlape cestu k novému trhu pro provozovatele, kteří mají zájem o opakované používání družic, které již splnily svou misi na nízké oběžné dráze Země, ale provozovatelé nechtějí, aby se po vyčerpání pohonných látek jen tak vypařily v atmosféře.

Snímek starší verze testovacího exempláře projektu ADEPT.
Zdroj: https://www.acsce.edu.in/

Dunn také zmínil, že firma Outpost spolupracovala na projektu mechanických rozkládacích tepelných štítů i s Ames Research Center v rámci programu ADEPT (Adaptable Deployable Entry Placement Technology) ještě než agentura začala soustřeďovat zdroje do technologie HIAD.

„NASA dala do technologie HIAD hodně peněz a myslím si, že i proto byl LOFTID tak úspěšný,“ říká Dunn a dodává: „a často se stává, že nejlepší technologie je právě ta, která získá nejvíce finančních prostředků a je rozvíjena.“ Pokud jde o LOFTID, Del Corso uvedl, že NASA spolupracuje se Smithsonian Institution na tom, aby tento exemplář našel své finální umístění mezi dalšími průkopníky kosmického průmyslu.

Přeloženo z:
https://spacenews.com/defying-the-heat/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/…/image/lrc-2022-0614-h1_p_loftid-2-000232.jpeg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/loftid_rv_xsec_iso_1905296_1.jpg
https://i0.wp.com/spacenews.com/wp-content/uploads/2024/07/Picture1.jpg
https://www.aerospacetestinginternational.com/…/2024/06/ICARUS-Illustration-with-logo.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/loftid_rv_diagram.png
https://pbs.twimg.com/media/FhNAzPtVsAI9BRD?format=jpg&name=large
https://i0.wp.com/spacenews.com/wp-content/uploads/2024/07/powerpoint-image.png?ssl=1
http://spaceflightnow.com/…/uploads/2015/04/NC3_SMARTReuse413201561546PM63.jpg
https://i0.wp.com/…/wp-content/uploads/2022/11/loftid-ondeck.jpg?fit=879%2C485&ssl=1
https://payloadspace.com/wp-content/uploads/2024/07/Outpost-Reentry-1-1024×426.png
https://payloadspace.com/wp-content/uploads/2024/07/Outpost-in-orbit-948×395.png
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/acd15-0074-003.jpg