Obvykle je první test nového raketového motoru spíše utajovanou záležitostí, o které ví pouze zainteresované osobnosti nebo zástupci platících zákazníků – 20. září 2018 tomu však bylo trochu jinak. Společnost Northrop Grumman Innovation Systems (NGIS) se rozhodla předvést svůj nový raketový stupeň na tuhé pohonné látky a hned napoprvé i široké veřejnosti. Napětí je vždy před každým prvním zážehem nové rakety vysoké, ale přesto byla ten den cítit spíše slavnostní atmosféra. Pomocný raketový stupeň GEM-63 na tuhé pohonné látky vznikl společným úsilím mezi NGIS a americkým letectvem (USAF) a samotný test proběhl víceméně podle očekávání a diváci si tak mohli vychutnat skvělou show. O necelé tři týdny později, tedy 10. října, byl tento úspěch také patřičně oceněn, protože NGIS byla zařazena do dalšího kola dohod o poskytování služeb na podporu rozvoje příští generace kosmických raket schopných vynášet vojenské družice. Kontrakt získaly tyto společnosti: United Launch Alliance (ULA) vyhrála přesně 967 miliónů dolarů, Blue Origin získala 500 miliónů dolarů a Northrop Grumman Innovation Systems (NGIS) vyhrála 791,601 milionů dolarů. Díky této výhře bude NGIS pokračovat ve vývoji své vlastní rakety OmegA s prvním startem, který je prozatím stále plánován na rok 2021. Test, který byl proveden v září, je fakticky jen jedním z mnoha, ale pro společnost NGIS to byl velmi důležitý milník, protože řada motorů GEM-63 je určena pro multiplatformní využití. Krom již zmíněné rakety OmegA najdou motory uplatnění také na raketách Atlas V i na budoucí raketě společnosti ULA – Vulcan.

Tým NGIS vytvořil zcela nový motor a dosáhl s ním i na vysoce ceněnou smlouvu. Vše ale nebylo tak jednoduché, jak se možná zdá. Každý, kdo podniká v raketovém sektoru, dobře ví, že je za tím spousta neviditelné práce. Úspěšné získání kontraktu je v mnoha případech jen jedním z důležitých kroků, ale v žádném případě nezaručuje konečný úspěch. Podobně ambiciózní programy už v minulosti mnohokrát skončily katastrofálními výsledky. Tyto paralely a rozdíly s podobnými snahami, které začaly již před více jak třemi desítkami let, nám však poskytují důležité informace o tom, jak se celý letecký průmysl mění. Neustále se řeší nové technické a obchodní problémy.

Program GEM-63 začal kvůli požadavkům společnosti ULA na zlepšení jak výkonu, tak cen raket příští generace, ale také kvůli ukončení mnohaleté závislosti na používání ruských motorů na stávajícím Atlasu V, aby mohla ULA lépe konkurovat společnostem jako SpaceX nebo Blue Origin. V roce 2015 pak bylo oznámeno vybudování kosmického nosiče nové generace – Vulcan. Koncept nové rakety fakticky převzal to nejlepší z rodiny raket Atlas a Delta tak, aby nosič vyhovoval požadavkům nastupující generace větších vojenských i civilních nákladů. Nejsilnější stránkou této rakety má být stále vylepšovaný horní stupeň Centaur, který má být nejsilnějším horním stupněm vůbec. Práce na první raketě Vulcan již započala. První start se očekává v roce 2021.

V té době společnost ULA, mimo jiné, prohlásila, že by potřebovala asi o 20 % výkonnější pomocné raketové stupně na tuhé pohonné látky (SRB – Solid Rocket Booster). Žádné rozhodnutí o novém dodavateli však nebylo oznámeno. V té době ULA nakupovala SRB od obou předních amerických výrobců pomocných raketových motorů. Aerojet dodával pomocné raketové stupně AJ-60A pro oblíbený a spolehlivý nosič Atlas V, zatímco společnost Orbital ATK (nyní NGIS) produkovala známé motory série GEM pro rakety Delta II a IV. Na prvních komerčních snímcích rakety Vulcan se sice fakticky objevily vylepšené verze pomocných motorů společnosti Aerojet, ale ve skutečnosti nebyl ještě znám pravý dodavatel.

Nový začátek

Výběr budoucích, vhodných dodavatelů je vždy kritickou součástí stavby nové rakety a je třeba vzít v úvahu mnoho a mnoho faktorů. V roce 2013 společnost Aerojet získala společnost Rocketdyne a vytvořila nový koncern Aerojet Rocketdyne. Tato nová společnost začala hledat způsoby, jak snížit stávající náklady a mohla ušetřit nějaké peníze. Jako součást těchto plánů společnost Aerojet Rocketdyne oznámila přesunutí svého sídla ze Sacramenta v Kalifornii na předměstí Rancho Cordova počátkem roku 2016 a stejně tak i technické a výrobní centrum na stejné místo o rok později. Tato nová strategie nebyla však příznivá pro výrobní proces raketových stupňů AJ-60A, protože všechny možné varianty zachování výroby byly až příliš drahé.

Rakety jsou komplexní stroje a přesun raketové továrny je téměř stejně tak složité a drahé. A to i v případě kdy „pouze“ přesouváte přesně ty samé stroje a nastavíte je přesně stejným způsobem jako v minulosti. Nikdy si totiž nemůžete být předem jisti, zda budou fungovat přesně tak, jak tomu bylo dříve, tedy alespoň dokud to skutečně neotestujete. Například u výrobních strojů se mohou projevovat rozdílné vibrace, protože podloží, na které se nová budova nachází, je jiné. Stejně tak mohou být některé operace ovlivněny rozdíly ve vlhkosti prostředí, protože podnebí se od sebe liší. Neméně důležitým faktorem jsou také klíčoví lidé, kteří vědí, jak správně raketu sestrojit, ale budou ochotni se kvůli novému umístění také přemístit někam jinam? A konečně, jak by všechny tyto plány ovlivnily provoz rakety Atlas V, kterou je v plánu udržet v provozu nejméně do roku 2022?

Právě této nepříznivé situace využila společnost Orbital ATK, která nabídla výrobu zcela nových pomocných stupňů. Nejen pro novou raketu Vulcan, ale přislíbila, že se postará také o zbývající lety již dosluhujícího Atlasu V. Vyměnit výrobce takto důležitého komponentu uprostřed jeho provozní životnosti je pro již existující kosmickou raketu velmi vzácné. Navíc společnost Orbital ATK slíbila, že bude sama financovat všechny náklady spojené s prvotním vývojem a rozjetím výroby pomocí kombinace financování od letectva a interních zdrojů a dokonce se zavázala, že nové motory na tuhé pohonné látky dodá za cenu o 40 % nižší oproti stávajícím AJ-60A, za které ULA v současnosti platí asi 5 milionů dolarů za kus. A tak na konci roku 2015 ULA logicky vybrala právě Orbital ATK, aby pokryla výrobu všech pomocných motorů, které bude společnost v budoucnu používat.

Nová rodina SRB bude k dispozici ve dvou verzích: Slabší označená jako GEM-63 je, jak už bylo řečeno, určená pro rakety Atlas V. GEM je zkratka pro Graphite-Epoxy Motor neboli motory z uhlíko-epoxidového kompozitu. Motor GEM-63  má průměr 1,6 m a na délku měří 20,1 m. Druhou, a o něco silnější verzí je motor označený jako GEM-63XL určený pro raketu Vulcan, který bude mít stejný průměr, ale bude o něco málo delší. Zatím se uvádí délka 21,9 m. Oba stupně se pyšní konstrukcí z uhlíkových vláken Hexcel a vlastní patentované epoxidové pryskyřice CLRF-100, která se používá už i na jiných SRB série GEM. Motory budou tepelně izolovány podle běžných standardů tak, aby byly co nejlépe chráněny před extrémními teplotami a to jak na vnější straně, tak na té vnitřní.

Oba motory budou plněny již existujícím receptem společnosti NGIS pro pomocné raketové stupně. Tedy vysoce výkonnou směsí HTPB – hydroxyl zakončený polybutadienem (umělý kaučuk). Tuto směs má NGIS již dobře odzkoušenou. Používá se totiž již na menších raketových motorech řady GEM. Uvnitř  GEM- 63 pro Atlas V najdeme celkem 39 700 kilogramů této pohonné směsi a motor jí spálí za pouhých 94 sekund. Síla tahu je u této slabší verze 1660 kN. Silnější GEM-63XL spálí dokonce už 48 000 kilogramů pohonných hmot v pouhých 84 sekundách a očekává se tah okolo 2019.5 kN! První test je zatím plánován na únor roku 2020.

Těm z Vás, kteří se alespoň trošku zajímáte o historii letů do kosmu, jistě neuniklo, že velikost pomocného raketového stupně GEM-63 je srovnatelná například s balistickými raketami Redstone. Tuhé palivo je přitom mnohem hustší než kapalné pohonné látky, má tedy mnohem větší hmotnost. A zatímco v roce 1961 Alan Shepard na raketě podobné velikosti letěl do vesmíru, aby se stal prvním astronautem USA, tak dnes považujeme stejně velké, ale výkonnější GEM-63 „pouze za malé“ pomocné motory, které jsou přidělány na stranu mnohem většího raketového nosiče. Což je asi nejlepší demonstrace současného pokroku. Za raketou Redstone navíc stál početný vládní tým, vedený jedním z největších raketových konstruktérů v dějinách, který se ještě k tomu opíral o vysoký rozpočet. Dnes společnost NGIS navrhuje a vyrábí raketu stejné velikosti vlastními silami a financuje vývoj z vlastních zdrojů. Americký raketový průmysl urazil od dob programu Mercury opravdu dlouhou cestu a podobné příklady to jen dokazují.

Kromě lepšího výkonu motorů GEM-63 tu však byly i další výzvy. Oba pomocné motory GEM-63 i GEM-63XL jsou delší a větší než cokoliv, co kdy společnost Orbital ATK vyráběla. Existující odlévací formy, ve kterých se pohonná hmota lije do prázdných pouzder raketového stupně, musela být přepracována a prohloubena o dalších 5,5 metrů a i to je mnohem těžší, než se zdá. V již existující budově, která nebyla navržena na takto velké motory, se tedy logicky improvizuje. Jeřáb nemůže transportovat po hale plášť ve svislé poloze, aniž by ho nešikovně netahal po podlaze. To samozřejmě není nejlepší možnost, přeci jen jde o letový hardware, který se má vydat do kosmu, takže se motory fakticky opatrně přesunují po budově v šikmé poloze.

NGIS má bohaté zkušenosti se stavbou vysoce výkonných kompozitních konstrukcí, které se od sebe příliš neliší a jsou navrženy tak, aby fungovaly i při tlaku okolo 1450 psi. A protože raketový inženýři jsou někdy hodně konzervativní, postavili pouzdro nového motoru ještě silnější, tak aby udrželo o 40 procent více tlaku, tedy okolo 2030 psi, a protože jsou někteří inženýři doslova paranoidní, podstupují náhodně vybraná pouzdra těchto motorů ještě výstupní zkoušku těsnosti, při které se konstrukce naplní vodou a natlakuje nad konstrukční hodnoty a to až o 25%. Takto odolná konstrukce a vysoký vnitřní tlak navíc umožňuje GEM-63, aby byl vybaven účinnější expanzní tryskou z uhlíkového fenoplastu s poměrem 14:1. Pro srovnání v SRB raketoplánů byl tlak asi 900 psi a mohly být tedy vybaveny pouze expanzní tryskou s poměrem 7,7:1.

Motor GEM-63 také vyžadoval, aby se společnost NGIS naučila připojovat SRB na raketový nosič novým způsobem. Nádrže na pohonné hmoty, ať už se jedná o ty na tuhé nebo kapalné palivo, jsou obvykle na obou svých koncích spojeny s prvním stupněm, tak aby se později mohly snadno v těchto místech oddělit od rakety. Umístění těchto bodů vychází z konstrukce nosiče a nelze je jen tak měnit. Proto i NGIS vycházela z dat dodaných od společnosti ULA. Nové úchyty však budou, na rozdíl od starších motorů, již plně součástí uhlíkové konstrukce.

Dalším složitým požadavkem, který je na GEM-63 kladen, je, aby co možná nejvíce odpovídal stávajícím SRB AJ60, které musí nahradit v již vysoce optimalizovaném systému rakety Atlas V bez toho, aniž by se něco zásadního pokazilo. To je hodně zavazující a fakticky to v tomto případě ztěžuje zavedení nebo provedení technologicky odlišných pomocných motorů, které tu ještě nebyly. Aby však mohl být motor GEM 63 skutečnou náhradou, musí svůj výkon přizpůsobit předešlému modelu AJ-60A. To znamená, že tryska GEM-63 je také vychýlena přesně o 3 stupně. Motor musí pracovat i ve stejném rozsahu vnějších teplot, tedy v rozhraní 4 – 32°C plánovaných pro start a právě činnost až na samém okraji tohoto teplotního rozsahu byla důvodem zářijového testu v roce 2018. Raketové motory všeobecně lépe snášejí spíše vysoké teploty než ty nízké a v tomto případě, nejen, že se kaučuková pohonná směs stává tužší a křehčí, ale studená pohonná látka sama o sobě hoří pomaleji, podobně jako je to možné pozorovat u dříví, které je během zimy uskladněno venku. Pomalejší spalovací proces pak poskytuje více času na to, aby teplo plamene proniklo až přes izolaci a potencionálně oslabilo strukturu rakety.

Aby si všichni byli jisti a dokázali, že motor bude schopen pracovat při stanovených teplotách i mimo jejich rozsah, tak se tým NGIS před testem v září rozhodl kolem testovacího stojanu motoru GEM-63 postavit obří „mrazničku“, respektive velké chladící zařízení zakryté pod velkým stanem, které mělo za úkol celý motor před startem ochladit na cca 1°C. Pouze čerpání vzduchu do tohoto speciálního zařízení trvalo týden. Před samotným zahájením testu se pak obří „mrazák“ ve vhodnou chvíli odstranil tak, aby teplota stoupla na asi 3°C a přitom nepřekročila hranici 4°C před zážehem.

Podobný test jsme měly možnost znovu sledovat 4. dubna, ale přeci jen zde byl rozdíl. GEM-63 nebyl tentokrát před testem ochlazen, ale naopak ohříván na 32°C, aby se odzkoušela i opačná maximální hodnota provozní teploty. Test byl podle všeho úspěšný a tak nic nebrání prvnímu nasazení na raketě Atlas V příští rok. Jak takový úspěšný test vypadá, se můžete podívat na videu.

Společnosti NGIS se popravdě povedl malý zázrak: Od podepsání smlouvy přes reprezentativní jednání, až po první zapálení motorů GEM-63 uběhly pouhé tři roky. Nutno si uvědomit, že podobný harmonogram rozhodně není v kosmickém průmyslu standardem. To je samozřejmě dobrá zpráva, protože první GEM-63 mají být dodány v červnu tohoto roku a společnost ULA má již nyní s těmito motory velké plány. Poprvé by tyto SRB měly být nasazeny na raketu Atlas V (v konfiguraci 551) při vojenské misi STP-3 (Space Test Program), která byla již dříve odložena z léta na konec roku 2019, ale dá se spíše očekávat start začátkem příštího roku. Letectvo Spojených států amerických přijímá všeobecně větší riziko pro tento typ zkušebních misí STP, které slouží k odzkoušení nových satelitních a raketových technologií. Ostatně i druhý ostrý let rakety Falcon Heavy bude pro program STP.

První smlouva je uzavřena na celkem 60 motorů s rovnoměrným rozdělením 30/30 mezi GEM-63 a větším GEM-63XL, které má společnost ULA možnost v případě potřeby ještě posunout. Po dalších testech a prvních letech hodlá ULA použít GEM-63 také pro pilotovanou misi, při které bude raketa Atlas V vynášet astronauty NASA na palubě kosmické lodi CST-100 Starliner společnosti Boeing k ISS. Motory GEM-63 pro pilotované lety nevyžadují žádné další změny a společnost ULA chce na nepilotovaných startech demonstrovat jejich spolehlivost, tak aby dokázala sobě i NASA, že nové boostery nemají žádný negativní vliv na bezpečnost posádky a stávající architekturu rakety Atlas V.

Největší výzvou nových pomocných motorů však bylo zajištění snížení nákladů, což odráží také složitá technická předsevzetí. V oblasti letectví a kosmonautiky se náklady nemění tolik s velikostí, jako spíše s komplexností. Ve všech fázích tedy byla přijata rozhodnutí vedoucí ke snížení složitosti a zjednodušení celého návrhu. Namísto cenově nákladného a komplexního nasazení 3D uhlík-uhlíkového laminátu a systému řízení vektoru (TVC), je motor GEM-63 vybaven jednoduchým a levným fenolplastem použitém na trysce, která se nepohybuje. To ostatně poukazuje na preferenci nízkých nákladů a jednoduchost celého návrhu. S podobnou filozofií vzniká přitom i raketa Vulcan, která bude používat o něco silnější SRB GEM-63XL. Jaké pomocné motory budou použity na raketě OmegA, není doposud zcela jasné. Nicméně společnost ULA dostala to, co původně hledala – motory s větším tahem o 20%. Díky použití boosterů GEM-63XL navíc společnost mohla změnit plánované velikosti nádrží na pohonné látky pro první i druhé stupně raket Vulcan a zvýšit tak nosnost a to bez nárůstu velikosti raketového nosiče nebo výrazného zásahu do stávající architektury. Pro společnost ULA to znamená jediné – uzavřela dobrý obchod. Pro nás je to především potěšující zpráva.  Pro raketové inženýry je to však výsledek, kterého se snaží dosáhnout. Navíc stávající konfigurace nevylučuje ani budoucí modernizace nosiče. Dosažené a hodnotné výsledky tedy fakticky snižují riziko současného programu ULA a také zvyšují pravděpodobnost, že se raketa Vulcan „zvedne od země včas“.

Americká armáda samozřejmě není jediná, která počítá s příští generací amerických nosných raket. Vzhledem k tomu, že NASA plánuje vrátit se na Měsíc a vybudovat novou vesmírnou stanici v cislunárním prostoru, tak samozřejmě bude třeba vynášet připravené moduly, náklad a další vybavení a v budoucnu dokonce i přistávací zařízení pro přesun na povrch Měsíce. Zatímco nejrůznější kosmické systémy dobře posloužily při budování a udržování Mezinárodní kosmické stanice (ISS) v provozu, tak pro přesun do blízkého okolí Měsíce s obdobnými parametry užitečné zátěže budou potřeba větší a výkonnější rakety. NASA kromě vlastního systému Space Launch System (SLS) zvažuje využití i nastupující generace raket třídy NSSL (National Security Space Launch), včetně rodiny raket Falcon společnosti SpaceX, New Glenn společnosti Blue Origin nebo Vulcan od ULA a rakety OmegA společnosti NGIS a vyloučené není ani využití evropské rakety Ariane 6 či Japonské H-3. Navíc kromě nosných raket některé společnosti nezávisle na sobě pracují na dalších projektech, jako jsou například přistávací platformy, transportní zařízení a jiné nezbytné vybavení pro budoucí využití průzkumu vesmíru.

Není to však poprvé, co tým z Utahu získal podobně lukrativní smlouvu. Tenkrát to ale nešlo tak hladce… (Pokračování příště).

Zdroje obrázků:
https://www.spaceflightinsider.com.jpg
https://meybe.rajce.idnes.cz/ruzne#3658b.jpg
http://www.thespacereview.com/archive/3658c.jpg
https://pbs.twimg.com/media/DnURGAFVsAAOHNT.jpg
https://www.spaceflightinsider.com.jpg
https://meybe.rajce.idnes.cz/ruzne#gem.jpg
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/.png