Před necelým rokem jsem sepsal článek, ve kterém byly mimo jiné shrnuty plány ESA, respektive francouzského Národního centra kosmického výzkumu (CNES), které se týkaly i připravovaných raketových nosičů a demonstrátorů. Jeden z ředitelů CNES, jenž má na starosti raketové nosiče – Jean-Marc Astorg, nyní tyto plány aktualizoval a přidal podrobnější informace o tom, jak chce Evropa dosáhnout dalšího snížení nákladů, a to až o polovinu v porovnání s aktuálními propočty na provoz rakety Ariane-6. Navíc se zdá, že se významně mění také rétorika. CNES zcela otevřeně přijal přístup „design-to-cost“ inspirovaný SpaceX a nejen to, potvrdil zahájení příprav na opakovanou použitelnost v první fázi, která povede přes koncept k velmi podobné raketě jako je Falcon 9.

Sjednocení prvků by mohly být klíčové pro budoucí nosiče. Kredit: CNES

Tento velký krok však přinese ESA a ArianeGroup řadu nových problémů, protože nový opětovně použitelný nosič, předpokládejme, že se bude jmenovat třeba Ariane-7 (Ariane Next), nebude již navazovat na „dědictví“ raket Ariane-5 a 6. Nebude tedy moci využívat stávající hardware. Ať už jde o pomocné motory na tuhé pohonné látky, motory Vulcain 2.1 pro první stupně nebo motory Vinci pro horní stupně. Pokud má tedy opětovně použitelný nosič vzniknout, bude pravděpodobně velmi těžké ho „prodat“ ostatním členským státům ESA, zejména pak Německu a Itálii. Itálie má v současnosti například kontrakt na výrobu pomocných motorů P120 pro Ariane-6, které mají být v podobné formě využity i v první fází italského lehkého nosiče Vega C, který vzniká samozřejmě pod záštitou ESA. Pokud ovšem dojde k nenavázání na předešlé nosiče, tak ArianeGroup bude muset zvýšit propočítané výdaje, což by mohlo potenciálně Vegu-C postupně vytlačit z trhu. Budoucnost raket Vega ovšem může být ještě o něco horší, pokud raketa Ariane-7 dosáhne svého cíle, kterým je dosažení ceny za start okolo 37 milionů eur. Vega má cenový cíl okolo 35 milionů euro, přičemž se zohledňují sdílené výdaje spojené s motory P120C.

Základní srovnání Ariane-6/Ariane Next

                                                                     Ariane-6                                   Ariane Next

Pohon:                                             1x Vulcain 2.1, 1x Vinci                      9+1 Prometheus
Palivo:                                                        LOX/LH2                                       LOX/CH4
Variabilita nastavení:                           2 nebo 4 P120                            Záchrana 1. stupně
Výška:                                                          62 m                                              70 m
Maximální vzletová hmotnost:         540 t (konf. A62)                                    790 t
Třída nosiče:                                        Jedno použití             Jedno použití/opětovněpoužitelné
Zaměření:                                               Duální starty                                  Singl starty
Kadence:                                                     Max. 11                                          Až 25
Výkon:                                                 A62/ 4,5 t na GTO                *EV 6,6 t na GTO 1500 m/s
                                                                                                          *RV 4,5 t na GTO 1800 m/s

*EV- Expendable verze (jedno použití), RV-Reusable verze (opětovně použitelná verze).

Původní koncept Ariane-6 PPH měl využívat na prvním i druhém stupni tuhé pohonné látky a pouze třetí měl být na kapalné látky. Koncept byl zamítnut.
Kredit: ESA/CNES

Dokonce i ve Francii lze očekávat silnou opozici, protože hlavními výrobci Ariane jsou Airbus Group a Safran, kteří například vyrábějí motory Vulcain a již jednou se jim podařilo zabít koncepci Ariane-6 předloženou CNES, protože to až příliš snižovalo jejich zisky. Koncept CNES se jmenoval PPH a jako první a druhý stupeň u nového nosiče měly sloužit motory na tuhé pohonné látky a pouze na horním stupni motory na kapalné látky. Společnosti Safran i Airbus vyslyšely veřejné pochybnosti provozovatelů družic, který se obávaly vibrací a možného poškození nákladu způsobeného pohonem. Netrvalo dlouho a podařilo se přesvědčit také  francouzskou vládu i ostatní partnery z ESA, aby vybrali řešení s mnohem větším odkazem na Ariane-5 a dali průmyslu mnohem více vlivu na výslednou architekturu. Totéž by se mohlo stát i s Ariane-7 a současnými plány společnosti CNES, kdyby se nepodařilo vzbudit zájem průmyslu. Což se prozatím daří. Jako příklad uvedu fakt, že raketový motor navržený pro Ariane-7 – Prometheus, je vyvíjen stejnými společnostmi a vzniká i ve spolupráci s německým výzkumným centrem DLR a tudíž je před podobnými pokusy částečně chráněn.

Francouzská balistická střela M51 odpolovaná z ponorek (SLBM), je důležitým strategickým prvkem, který navazuje na výrobu motorů na tuhé pohonné látky v komerčním sektoru. Kredit: French Strategic Oceanic Force

Vyhráno ovšem úplně není. Jiné instituce by stále mohly vznést námitky. Například francouzské ministerstvo ozbrojených sil, které velmi pečlivě dohlíží na výrobu velkých raketových motorů na pevné pohonné látky. Důvodem je to, že se tyto technologie používají pro balistické rakety vybavené francouzskými jadernými hlavicemi, které jsou součástí odstrašovací strategie. Faktem je, že koncept PPH vycházel částečně s této potřeby a zajišťoval, že vojenský sektor byl podporován civilním odvětvím. To, že v budoucnu dojde k útlumu v civilním sektoru, by mohlo znamenat pro dodavatele těchto raket velké problémy, protože mezi každou generací balistických raket je přibližně 30leté období, kdy se používají, takže by se klidně mohlo stát, že se ESA vzdá dovednosti navrhovat a budovat velké motory na pevné pohonné látky.

Zatím to tedy vypadá, že budoucnost Ariane-7 je postavená na úspěchu programu Prometheus, který má nahradit poslední řadu motoru Vulcain, jehož vývoj započal v roce 1988 a doposud prošel řadou vylepšení. Nic však netrvá věčně a staré bývá nahrazeno novým, v tomto případě právě motorem, který vznikne z programu Prometheus. Od nového motoru na metan se očekává větší flexibilita a hlavně snížení nákladů.

Základní parametry motoru Prometheus:
Tah ve vakuu: 1000 kN
Doprava paliva a okysličovadla: Otevřený cyklus
Specifický impuls (ISP): 320 s (první stupeň), 360 s (horní stupeň)
Hmotnost: 780 kg
Palivo: metan (CH4)
Okysličovadlo: kapalný kyslík (LOX)
Směšovací poměr: 3:4
Tlak v komoře: 110 barů
Schopnost přiškrcení tahu: 30% do 110 % tahu
Znovupoužitelný potenciál: Až 5
Aditivní výroba: Většina částí motoru

Časová osa je nejistá. Neustále se posouvá směrem doprava, ale snad jednou povede k opětovně použitelné raketě. Kredit: CNES

Velkou výhodou je fakt, že kapalný methan a kapalný kyslík se skladují při podobných teplotách. Což znamená, že lze použít podobné palivové nádrže. To samozřejmě představuje významnou úsporu oproti použití kapalného kyslíku a kapalného vodíku. Kapalný vodík je totiž výrazně chladnější, klidně i přes -250 °C, a proto vyžaduje speciální konstrukci odisolované nádrže, aby jej bylo možné udržet tímto způsobem a nejen to, vodík je mnohem méně hustý než kyslík a vyžaduje nádrže větších rozměrů. Dalším důležitým bodem v přístupu CNES k Ariane-7 je filozofie: „učit se, za pochodu“. Což znamená, že namísto toho, aby byl celý nosič navržen od nuly, bude koncepce nejdříve prokázána pomocí opětovně použitelného demonstrátoru Callisto, o kterém na našem blogu již také vyšel článek. Další fází bude již plnohodnotný testovací první stupeň Themis k opakovanému použití. Některé další informace o evropské znovupoužitelnosti lze najít zde. A aby toho nebylo málo, tak je zde také projekt, který se zaměřuje na období po roce 2040. Nástupcem částečně znovupoužitelné evropské rakety by mohl být silný jednostupňový nosič (SSTO), kterému se provizorně říká Ariane Ultimate. Jeho zaměřením bude jednoduchost a co největší využívání 3D tisku a stavba co možná nejednodušší infrastruktury, ale k němu je ještě hodně daleko.

Celkově tedy Ariane-7 kombinuje využití nejúspěšnějších prvků SpaceX jako: použití stejného typu motoru pro první i druhý stupeň, opětovné použití prvního stupně s restartovatelným motorem schopným přistání v blízkosti místa startu nebo na moři s použitím metanu jako vysoce výkonné pohonné látky. Držme tedy palce, aby se v blízké budoucnosti na ministerské konferenci ESA našly pro nový nosič peníze i podpora. Nová raketa by Evropě poskytla trvající, nezávislý přístup do kosmu a umožnila prosadit se na velmi konkurenčním trhu. Nejoptimističtější odhady hovoří o zahájení provozu ve 30. letech 21. století.

Je politováníhodné, že kdyby Prometheus získal více finančních prostředků už dříve, mohl být připraven klidně už v roce 2015 a mohl být vybrán pro pohon rakety Ariane-6. To mohlo značně urychlit časový plán, a to až o deset let. Ironií je pak fakt, že odložením Ariane-6 o několik let by se dosáhlo shodného výsledku, protože zahajovací let je plánován na rok 2020 a stejný rok se očekává také první zkušební zážeh motoru Prometheus.

Již dnes existuje koncept na jednostupňový nosič Ariane Ultimate, který by mohl být v provozu po roce 2040. Kredit: ArianeGroup

Zdroje informací:
https://www.kosmonautix.cz/2019/03/znovupouzitelnost-kosmickych-nosicu-vcera-dnes-a-zitra/
https://www.elonx.cz/znovupouzitelnost-kosmickych-nosicu-1-evropa/
https://satelliteobservation.files.wordpress.com/2020/01/astorg-conference-7-may-2019.pdf

Zdroje obrázků:
https://preview.redd.it/2mtatid2hce41.png
https://satelliteobservation.files.wordpress.com.pdf str. 44
https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa.jpg
https://www.defencetalk.com/wp-content/uploads.jpg
https://satelliteobservation.files.wordpress.com.pdf str. 51
https://www.aerospatium.info/wp-content.jpg