Říká se, že všechny starty do kosmu jsou důležité, ale některé z nich jsou přeci jen významnější, protože se navždy zapisují do historie a lidé se k nim ve vzpomínkách často vracejí. A přesně jeden takový start jsme zažili 22. prosince 2015. Miliony fanoušků se zatajeným dechem tehdy sledovalo raketu Falcon 9 (v1.2) připravenou odstartovat z kosmodromu na Mysu Canaveral k misi Orbcomm OG2. Očekávání byla opravdu veliká a atmosféra by se dala doslova „krájet“. Proto není divu, že i majitel společnosti SpaceX Elon Musk byl tehdy velmi nervózní. Falcon 9 se totiž vracel do služby po nešťastné havárii, ke které došlo během mise CRS-7 a navíc se měl poprvé představit ve vylepšené verzi 1.2. Neklid byl však cítit i v celém řídicím středisku SpaceX a napětí nepolevilo ani pár sekund před startem. Motory Merlin na prvním stupni konečně zaburácely a rozzářily okolí rakety Falcon 9, která stoupala z mraků kouře vzhůru a byla k nezastavení. To nejdůležitější se mělo ten den ale ještě odehrát. Po úspěšném oddělení stupňů pokračoval ostře sledovaný horní stupeň i s nákladem na nízkou oběžnou dráhu. Zatímco ten první zahájil kontrolovaný sestup na zem. Ohnivá koule na černé obloze se stále zvětšovala. Na chvilku připomínala ony komety z uměleckých děl, o kterých se vypráví legendy. Okolní klid narušil až mohutný sonický třesk a pak návratový stupeň zahájil brzdící proceduru. Vyklopily se přistávací nohy a spodní část rakety zahalil plamen. První stupeň rakety Falcon 9 s číslem B1019 poprvé úspěšně přistál na pevnině a ten okamžik se navždy zapsal do dějin kosmonautiky. Stojící raketa osvětlená reflektory, kolem které stoupal jemný dým, byla jako nějaký výjev z budoucnosti. Bylo to až k neuvěření, ale přitom nikdo nepochyboval, že právě došlo k milníku v kosmické dopravě. Tento zásadní moment pro jednou opět přiblížil kosmonautiku masám.

Od té doby se rakety SpaceX úspěšně vracejí nejen na pevninu, ale také na plovoucí plošiny ASDS a široká veřejnost toto počínání začíná pomalu (a trochu nešťastně) vnímat jako běžnou rutinu. Logicky se tedy nabízí otázka, proč opětovně použitelné rakety nevyužívá mnohem více společností? V poslední době se čím dál častěji v nejrůznějších diskusích i na jiných místech objevuje silná kritika některých společností i agentur včetně NASA. Stále dokola se opakují mínění, že jiné než opětovně použitelné kosmické nosiče nemají šanci v následujícím desetiletí uspět, nebo že je dokonce nemá cenu ani stavět. Jednoduše řečeno podle mnoha názorů nemá v dnešní době cenu vyvíjet raketu, kterou lze použít pouze jednou. Jak je to ale doopravdy? Proč po celém světě ve velkém stále nevznikají opětovně použitelné kosmické rakety? Jednoduše proto, že se to v mnoha případech stále nevyplatí, protože pokud má být provoz opětovně použitelného nosiče rentabilní, je třeba dodržet jistá pravidla, ale nepředbíhejme.

Vzestup raket Ariane

V devadesátých letech 20. století neměla znovupoužitelnost kosmických nosičů zrovna nejlepší pověst a mohly za to samozřejmě americké raketoplány. Ty byly pro mnohé velkým zklamáním, alespoň co se ekonomické stránky týče. Raketoplány se totiž původně plánovaným požadavkům ani nepřiblížily. Záměr 50 startů za rok i provoz podobný fungování komerčních aerolinek se ukázal jako příliš ambiciózní na dobu, ve které tento projekt vznikl. Program STS počítal, že se alespoň jednou týdně do kosmu vydá jeden z raketoplánů a start vyjde zhruba na 30 milionů dolarů. Cena se však v reálném provozu neúnosně vyšplhala i přes hranici 1 miliardy dolarů a pro mnohé společnosti se staly raketoplány jednoduše nedostupné.

Už během vývoje raketoplánů tedy na komerčním trhu začal vznikat prostor, který tehdy nejlépe využila ESA (Evropská kosmická agentura). Ta měla v provozu čtyřstupňový nosič Ariane 1, který díky faktickému selhání projektu raketoplánů (STS) zaznamenal neočekávaný úspěch. Koncept vynášení dvou družic najednou se osvědčil a ukázal se jako nadčasový. Postupným vývojem navíc dosáhl původní návrh maximálního výkonu, který naplno využila raketa Ariane 4. Tento překvapivý úspěch dodal Evropským partnerům odvahu vybudovat od základů zcela novou silnou raketu, která měla ještě větší ambice a byla schopna vynášet i pilotovanou kosmickou loď na ISS. Tak vznikl zdařilý kosmický nosič Ariane 5, který se v podstatě stal prvním komerčním nosičem na světě. Umístění kosmodromu v Kourou ve Francouzské Guyaně bylo pro agenturu ESA a partnery nespornou výhodou a nutno dodat, že tehdy skutečně nikdo nelétal do kosmu levněji. Pokud si uvědomíme, že z evropských zemí do kosmického programu jde mnohem méně peněz ze státních rozpočtů, pak se jednalo skutečně o nevídaný úspěch.

Na poli vynášení komerčních satelitů si značka Ariane rychle vybudovala pevnou pozici lídra. V současnosti jsou však raketoplány už minulostí a je čím dál tím více znát politický tlak a chuť Spojených států vrátit se a dominovat komerčnímu trhu vynášení nákladů do kosmu, kterému je navíc předpovězen výrazný růst. Reakce na tento předpokládaný vývoj jsou nějakou dobu již dobře patrné.

Víme, že v současnosti po celém světě vznikají nové orbitální nosiče, státní i soukromé. Jejich cíle jsou možná různé, ale jedno mají společné, měly by být levnější než jejich předchůdci. V USA se očekávají například rakety Vulcan, OmegA, New Glenn a SLS. V Japonsku vzniká raketa H-3 a v Rusku Sojuz-5. Čína dokončuje varianty raket Dlouhý pochod 5 (CZ-5) a plánuje opětovně použitelnou CZ-8. Evropská kosmická agentura ESA připravuje Ariane 6 a upravenou verzi nosiče Vega. Všimněte si, že většina nových raket bude bez možnosti opětovného použití a i nadále budou v tzv. expendable verzi. Nejsou tedy extra anomálií, naopak, rakety jako Falcon 9 budou na trhu prozatím spíše výjimkou.

Nespornou výhodou soukromé společnosti SpaceX je, že má velkou finanční i technologickou podporu od NASA a státního sektoru. O podobné podpoře si mohou nosiče, například z Evropy, nechat pouze zdát. Události předcházející budoucí kosmický nosič Ariane 6 to jen potvrzují. Vzestup konkurence z USA se očekával již dříve. Proto se už v roce 2009 navrhla nová raketa s cílem zlevnit budoucí vynášení nákladů do kosmu. Rozhodnutí o financování nového programu ale přišlo až v roce 2014 a to už bylo logicky moc pozdě. Například nebylo dlouho jisté, zda nedostane přednost jen vylepšení stávající verze rakety Ariane 5. Rychlost rozhodování evropských partnerů je v tomto ohledu dlouhodobý problém.

Pro evropské země je však krom komerčního úspěchu velmi důležitá také nezávislost přístupu do kosmu. Problematika je to mnohem složitější, než se na první pohled zdá, protože potřeba vlastního raketového nosiče je i politickou a strategickou záležitostí. Faktickým příkladem může být historický program Symphonie (Symfonie).

Při počátku rozvoje telekomunikačních technologií hrozilo reálné riziko globálního monopolu USA v této oblasti poskytování služeb. Vznikla sice mezinárodní telekomunikační organizace Intelsat, ale ta nezměnila požadavky a nastupující dominanci Spojených států v telekomunikační oblasti. Západoevropskou odpovědí byla stavba vlastních telekomunikačních družic Symphonie, které měly zaručit informační nezávislost nejen západoevropským zemím. Vznikly dva letové exempláře a jeden prototyp. Problémem byl ale vhodný raketový nosič. Čtyřstupňová raketa Europa II při svém prvním a zároveň posledním letu v roce 1972 bohužel selhala a bylo proto nutné porozhlédnout se jinde.

Představenstvo usilovně hledalo vhodné řešení. V potaz byly tehdy brány obě kosmické velmoci, USA i Sovětský svaz, ale z politických důvodů padlo rozhodnutí dát přednost americkým nosičům Thor-Delta. Jednání s USA nebyla jednoduchá a nakonec vyjednaná klauzule zněla asi nějak takto: „ Francouzská vláda se musí zavázat k experimentální povaze vynášené družice a musí jasně potvrdit, že nebude používat určité služby pro komerční účely. V opačném případě NASA náklad nepřevezme a do vesmíru nedopraví“. Tím by de facto použití družic Symphonie podléhalo stávajícím podmínkám společnosti Intelsat.

Pro Francouze byla taková smlouva samozřejmě nepřijatelná. Na druhou stranu Němci navrhovali, aby byla smlouva akceptována ve stávající verzi, která bude později znovu projednána, bude-li to nutné. Po dlouhých jednáních se tato omezující podmínka nakonec stala mimosmluvní a to jen díky usilovné diplomatické korespondenci. Během provozu první družice Symphonie se Francouzi navíc i nadále snažili vysvětlit organizaci Intelsat důležitost nezávislých regionálních telekomunikačních systémů, což se částečně podařilo prosadit díky propagaci těchto družic v Africe. Nicméně je to stále dobrý příklad toho, proč je tolik důležité mít vlastní kosmický nosič.

Pokud se vrátíme do současnosti, tak na globálním trhu je k dispozici pouze 25 až 30 komerčních nákladů ročně. Většinou jde přitom o geostacionární komunikační družice. Nikdo navíc neví jistě, zda tento trend bude pokračovat i v budoucnu. Ona pozitivní predikce vzestupu kosmického průmyslu zatím nepřichází. Přitom jedním ze základních pilířů rentabilního provozu opětovně použitelného systému je vysoký počet startů. To si plně uvědomuje i Elon Musk, který se snaží nejen o co nejčetnější nasazení svých raket, ale přemýšlí i jak tento počet startů ještě navýšit. Nespornou výhodou USA v tomto ohledu je roční počet institucionálních startů. V roce 2017 jich bylo 17, zatímco v Evropě pouze 3!

Země jako Japonsko, Indie nebo evropské státy tuto výhodu nemají. Státních startů je zde k dispozici mnohem méně. Například v Evropě je to v průměru jen 4 až 5 startů ročně, které nejsou navíc nějak smluvně zaručené. ArianeGroup se to snaží kompenzovat získaným podílem na komerčním trhu, aby byl průmyslový koloběh vůbec životaschopný. Zatímco v USA je podíl těchto startů tak vysoký, že tvoří až 60 procent ekonomického podílu. Pojďme se ale přesunout zpět k technice znovupoužitelnosti.

Existují různé způsoby, jak realizovat opakované použití kosmických prostředků: Falcon 9 má přiměřené technické cíle, které naplňuje krok za krokem a tím se také podstatně liší od raketoplánu. Program STS (Space Trasportation Systém) doplatil na příliš velké ambice a zejména na technické požadavky, které byly neuskutečnitelné v době, ve které vznikly. V současnosti tedy známe již několik strategií opětovného využití. Vzhledem k tomu, že hlavním úkolem je především minimalizovat dopady na návratový stupeň, přistávání pomocí padáků do oceánu není tou nejlepší volbou: slaná voda činí následnou rekonstrukci víc než komplikovanou a drahou.

Rakety Falcon 9 úspěšně používají pro návrat tzv. metodu „toss-back“. Dochází k motorickému přistání raketového stupně, což je poměrně komplikované, ale jak víme ne nemožné. Velkým „oříškem“ v tomto případě zůstává schopnost opětovné zažehnutí motoru při sestupu atmosférou. Klíčovým aspektem této návratové metody je fakt, že tento způsob v podstatě nepředstavuje žádné riziko pro vynášený náklad. To zároveň umožňuje sestupový profil raketového stupně dostatečně a úspěšně testovat poté, co druhý stupeň rakety pokračuje na oběžnou dráhu. Fakticky má toto řešení zatím i nejmenší dopad na parametry celého nosiče. Například u řešení, která počítají s přidáním křídel a návratem stupně klouzavým nebo motorickým letem, je zásah do konstrukce rakety mnohem citelnější a následkem toho mohou tyto přidané prvky více či méně ovlivňovat konečný úspěch mise.

V současném stavu technologií je to jednoznačně metoda „toss-back“, která v praxi funguje nejlépe a umožňuje experimentovat s návratovým stupněm i během jednorázových startů. Proto je návrat raketových stupňů tímto způsobem zatím nejzajímavější volbou. Na samotnou raketu v této konfiguraci přitom přibudou jen minimální, nutné součásti, takže je ve výsledku méně nákladná na výrobu i provoz oproti ostatním známým způsobům znovupoužitelnosti. Tato metoda má samozřejmě svá pro i proti. Některé si tedy uvedeme:

Klady:

• Snížení ceny za 1 kg nákladu
• Záchrana prvního raketového stupně s motorovou sekcí šetří až 50 % výrobních nákladů
• Odpadá čekací doba na výrobu prvního stupně
• Zvýšená možnost kadence startů

  

• Menší náklady na výrobu
• Ekonomika provozu

Zápory:

• Ztráta výkonu
• Větší nároky na celkovou bezpečnost
• Nutná další infrastruktura
• Díly navíc
• Nutnost více startů
• Větší riziko selhání

Nicméně některé kosmodromy pro tento typ návratu raketových stupňů mají situaci ještě o něco ztíženou a proto jde také do značné míry o individuální přístup a vlastní invence. Například na základně v Kourou v Jižní Americe je obydlená část poměrně nedaleko kosmického centra a místní vody jsou také dost mělké.  Již dobře také víme, že pokud se vrací raketový stupeň na plovoucí platformu, jedním z důležitých faktorů úspěchu je i počasí.

Dalším nezbytným předpokladem k ekonomickému úspěchu (nejen) metody „toss-back“ je četnost startů. Prakticky lze říct, že čím více startů nosič uskuteční, tím více bude celý systém rentabilní. Zde fakticky naráží obří nosič NASA – SLS (Space Launch Systém). Tato raketa vzniká jako jednorázově použitelná jednoduše proto, že by se její znovupoužitelnost nevyplatila. Ve skutečnosti by tato snaha naopak celý program značně prodražila a zpomalila. NASA o variantě alespoň částečné použitelnosti některých částí fakticky uvažovala již při návrhu, ale ukázalo se, že z ekonomického hlediska se to jednoduše nevyplatí.

Pokud se nasadí raketa SLS do provozu, četnost startů bude navíc tak malá, že by šlo v podstatě o ekonomickou sebevraždu. V případě NASA je navíc problémem nezávislost. Jakýkoliv projekt může být doslova kdykoli zrušen a podobný přístup provozu opětovně použitelnému systému nenahrává. Dalším problémem rakety SLS je paradoxně její velikost. Nosič to má být opravdu silný a to i v nejslabší variantě, proto je pro rentabilitu nutné vhodně využít přepravní kapacitu rakety a startovat s ní alespoň jednou ročně. Vhodných nákladů zatím ale není tolik, aby se uvažovalo o zásadním nárůstu počtu misí za rok, tak aby se vyplatila investice do znovupoužitelnosti rakety SLS.

Je tu však ještě jeden důležitý faktor, na který se poslední dobou často zapomíná a přitom je znám již z dob programu Apollo. Mám na mysli ekonomickou návratnost. Světové kosmické agentury, včetně NASA, přispívají k ekonomickému růstu svých zemí a musí na to brát ohledy. Peníze vynaložené na rozvoj kosmického průmyslu jsou navíc investicí do naší budoucnosti. Největší projekty vždy vznikaly ze státních peněz a zůstane to tak i nadále.

Jak jsem naznačil v úvodu, úspěšný provoz znovupoužitelných raket vyžaduje dodržení některých pravidel. Například pokud má být provoz ekonomicky výhodný, je třeba mít prosperující výrobu. Jenže v případě, že některé části rakety dokážete opětovně používat, tak vaše produkce bude logicky menší. Takže je nutné co největší část výroby vhodně sjednotit. Cestou je například použití stejného nebo velmi podobného raketového motoru pro všechny stupně kosmického nosiče, kvůli udržení stabilní produkce. Stejný přístup má i společnost SpaceX nebo firma Blue Origin, která se navíc snaží nabízet svůj nový motor BE-4 jiným zákazníkům, tak aby byla zaručena co největší produkce.

To má však opět své nevýhody, protože použití stejných nebo velmi podobných motorů muže svým způsobem raketu zároveň i limitovat. Hezkým příkladem je nejsilnější raketa současnosti Falcon Heavy, která nemá nejlepší druhý stupeň, což se projeví zejména u misí na vyšší nebo únikové dráhy. Na některé mise se zkratka příliš nehodí.

Nalezení ohně

Je ale třeba přiznat, že SpaceX udělala nezbytný krok směrem, kterým se ostatní báli vydat a teď budou nuceni onen náskok dohánět a to bude samozřejmě ještě nějakou dobu trvat. Nejen evropští partneři však stále sází na obě možnosti. Raket na jedno použití se tedy úplně nevzdávají. Podle posledních zpráv je plán ArianeGroup nasadit v budoucnu částečně znovupoužitelné nosiče pro náklady na nízkou oběžnou dráhu. Zatímco pro GEO a únikové dráhy se budou používat nadále jednorázové rakety jako Ariane 6. To by prý umožnilo zachovat výrobní kapacity i rychlost výroby. Nevýhodou je však menší míra úspor.

Tento způsob by podle CNES ušetřil asi 30 % nákladů. Bude ovšem potřeba toho v Evropě ještě hodně vyvinout, protože je nutno zvládnout mnoho složitých operací. Zejména francouzská agentura CNES podniká některé kroky, které by měly vyvrcholit opětovně použitelnými prvky raket. V plánu je demonstrátor Callisto a větší raketový stupeň Themis.

Pro konkurenceschopnost a zaručení nezávislého přístupu do kosmu jsou podobné projekty pro agenturu ESA a partnery nezbytně nutné. Nepřipravenost a malou invenci rakety Ariane 6 ostatně nedávno kritizoval i Francouzský státní auditor.

Koneckonců lehké to nebudou mít v nadcházejících letech ani ostatní kosmické rakety, ať už ty stávající, či ty, které teprve vznikají. Úspěšnost SpaceX je evidentní a proto lze očekávat, že bude narůstat i počet opětovně použitelných technologií, ale to bude ještě nějakou dobu trvat. Zatím se musíme smířit s faktem, že tu budou i kosmické nosiče na jednou použití. V některých případech je jejich nasazení stále dokonce výhodnější. Proto není třeba automaticky odsuzovat vše, co není nebo neplánuje být opětovně použitelné. Rakety na jedno použití tu ještě nějakou dobu určitě budou a i jejich vylepšování je důležitou součástí levného přístupu do kosmu.

Například Ariane 6 je fakticky nejflexibilnější a nejlevnější kosmická raketa, kterou agentura ESA bude mít a to stejné bychom mohli říci i o japonské raketě H-3. Ve skutečnosti se tyto kroky mohou zdát malé či nevýznamné oproti masivním úspěchům SpaceX v poslední době, ale opak je pravdou. Mění se výrobní postupy, nasazuje se 3D tisk a jiné inovativní technologie, jako je využití nových, moderních materiálů. Buduje se potřebná infrastruktura a zázemí. To vše jsou důležité předpoklady k rozvoji opětovně použitelných raket v budoucnu. Na druhou stranu je pravdou, že tato rozhodnutí měla přijít již mnohem dříve…

Začala nová éra dobývání vesmíru a nedávná mise kosmické lodi SpaceX Crew Dragon k ISS jakoby to jen potvrzovala. Létání do kosmu je dalším evolučním krokem lidstva srovnatelným třeba s nalezením metody rozdělávání ohně. Zkrátka hledáme způsoby jak překračovat hranice a jak dlouhodobě přežít a cesta vede přes lety do kosmu, protože osídlení jiných kosmických těles podstatně zvyšuje naše šance na dlouhodobé přežití. Po letech stagnace znovupoužitelnost ukázala jasný směr, kam se evoluce kosmonautiky bude v příštím desetiletí ubírat. Nikdo však neví, jestli všechny plánované projekty budou úspěšné a ekonomicky rentabilní, proto je důležité mít k dispozici vždy více cest, kterými se vydat.

Zdroje informací:
http://www.cannes-aero.pdf
http://www.cnes-observatoire.net.pdf
https://satelliteobservation.net
https://www.elonx.cz/
Rozhovor z Matthiasem Wachterem (Bundesverband der Deutschen Industrie)

Zdroje obrázků:
https://www.elonx.cz/wp.jpg
https://spacenews.com/wp-content.jpg
http://www.cnes-observatoire.net.pdf
https://satelliteobservation.net/2018
https://satelliteobservation.files.jpg