„Kdyby byl mezi čtenáři zájem, je to na samostatný článek.“ Tuto poznámku jsem schoval do textu Musk představuje opakovaně použitelnou raketu: deset let poté. Zhruba půltucet zájemců reagoval v diskusi kladně, a tak jsme se rozhodli článek spáchat. Pokud jste byli v oné mlčící většině zájem nemající, klidně následující řádky přeskočte, čas věnujte něčemu užitečnějšímu a na plnohodnotný článek si počkejte minimálně do dnešního odpoledne.  Saturnu V se dodnes právem přezdívá „král mezi raketami“. Může přijít cokoliv dalšího, ale Saturn V bude navždy první a navždy jen jeden. Ve své době představoval neskutečné technické, technologické či organizační vzepětí, jakému se dodnes v kosmonautice nic nevyrovnalo a zřejmě už nikdy nevyrovná.

Malý ekonomický rozbor – či spíše postesknutí

Jakékoliv stanovení ceny v kosmonautice je hodně ošemetnou věcí. Když už nic jiného, programy jsou různě propojené, navazují na sebe apod. Když se Apollo rozjíždělo, bylo do raket a veškerého vybavení (Saturn V začínal na zelené louce) počínaje továrnami přes zkušební stavy a konče startovacími rampami počítáno s investicí 7 mld. USD. V přepočtu na dnešní ceny je to 65 mld. dolarů. Tato základní investice je rozložena do necelé dekády, takže reálný přepočet na dnešní hodnotu by byl jiný (dolar z roku 1961 má z dnešního měřítka jinou hodnotu než dolar z roku 1969).

Roky výroby, testování a přípravy – a 2,5 minuty po startu je první stupeň Saturnu V odhazovaný jako již nepotřebný a neupotřebitelný. Není to škoda?
Foto: NASA

Podle jiných výpočtů stál program v letech 1964 až 73 celkem 6,417 mld. USD. Pokud přepočítáme třeba podle hodnoty roku 1969, tak je to dnešních 48 mld. USD.

Cena jednoho startu Saturnu V se uvádí na 185 až 190 mil. USD: z toho 110 mil. tvořila vlastní raketa, zbytek testování, pohonné látky a operace. Jenže do této částky není zahrnuta výstavba infrastruktury (a její veškeré využití).

A aby to bylo ještě složitější, tak dalším problémem je třeba rozpočítání nákladů: třetí stupeň Saturnu V S-IVB byl zároveň vyvíjený jako druhý pro Saturn IB. Kam náklady na něj zařadit? K programu, který byl zahájený dříve? Rozpočítat mezi oba programy podle počtu startů? Dobrá: a co s problémem, že motor J-2 byl vyvíjený jak pro druhý, tak pro třetí stupeň Saturnu V (a tedy i pro druhý stupeň Saturnu IB)? I kdybyste se pokusili vymyslet sebekrásnější metodiku, pak vězte, že v organizacích se to vždy v případě sdílených programů rozpočítá tak, aby to „vyšlo tak, jak to má vyjít“. Dopátrat se skutečných nákladů je prakticky nemožné.

Takto se počítalo s přistáním prvního stupně nosiče Juno V (1958)
Foto NASA

Vycházejme tedy z výše uvedených čísel: program Saturn V stál celkově 48 až 65 mld. USD. Pokud si vezmeme, že vypuštěno bylo třináct raket Saturn V, tak tímto počtem podělíme celkovou částku. Budeme se držet nižších čísel, takže asi nic nepokazíme, když pro zjednodušení budeme brát cenu (včetně vývoje) za start i s poměrnou částí ostatních investic 4 mld. dolarů: celkem je to třináct krát čtyři, tedy 52 mld. dolarů. Ležíme přibližně ve středu uvedeného limitu.

Vylovit, opláchnout – a znovu použít (vyzvednutí motoru H-1 z moře během testů v roce 1961)
Foto: NASA

Ať budeme počítat, jak budeme počítat, zřejmě se shodneme na jednom: „král mezi raketami“ byl děsně, ale opravdu děsně drahý.

Vojenské rakety se nesbírají

Kosmonautika si historicky vláčela (až donedávna) jednu technickou (a potažmo ekonomickou) kouli na noze. A to fakt, že nosné rakety se povětšinou vyvinuly z vojenské techniky, kde se nějaká znovupoužitelnost neřešila. Kde fungoval klasický princip „Odpal a zapomeň.“ Výjimkou byl třeba raketoplán, kde se ale znovupoužitelnost stala obětí kompromisů. A nebo právě Saturn V, který měl onu úžasnou příležitost začít na zelené louce.

Už rok po startu první družice světa, sovětského Sputniku, byla v USA konstruktérem Wernherem von Braunem studována raketa Juno V. Ten ji později označil za „Saturn v kolébce“. A už tehdy (1958!) se řešila možnost opakované použitelnosti. Koncept počítal s přistáním do moře na padáku po balistickém letu po skončení činnosti prvního stupně. Stupeň měl dosedat na mořskou hladinu na motorovou sekci: aby se předešlo poškození motorů při nárazu, měl stupeň v podvěsu čidlo. Jakmile by se dotklo hladiny, bylo by aktivováno několik malých raketových motorů na tuhá paliva, které měly zajistit dosednutí téměř nulovou rychlostí. Stupeň pak měl být odtažený do přístavu.

Karikaturista spojil do jedné kresby snad všechny zvažované možnosti záchrany prvního stupně Saturnu V: v češtině bychom tento hybrid označili termínem „kočkopes“, v angličtině jde o „technical pig“
Kresba NASA

Vývoj Juna V byl ovšem zastavený, neb NASA měla jiné priority.

Vylovení, vysušení, odbahnění

Když byl projekt Juno V ukončený, převzal koncepci měkkého přistání do moře nově vyvíjený Saturn I. U něho ovšem nešlo o vícenásobnou použitelnost, ale záchrana stupně měla sloužit toliko k jeho poletové prohlídce. Konstruktéři motorů H-1 totiž nepočítali s opakovanými starty. Zadání bylo přesně opačné, a to vyvinout co nejjednodušší a nejlevnější jednotku. Vycházeli proto z existujících motorů Rocketdyne S-3D pro rakety Jupiter a Titan, ovšem oproti nim měly jen desetinu součástek.

Tato jednoduchost se ovšem nakonec ukázala jako velká výhoda. Jeden motor H-1 byl v březnu 1961 ponořený do moře u mysu Canaveral, kde strávil dvě hodiny pod hladinou ve třímetrové hloubce a na další dvě hodiny byl napůl vytažený z vody. Následně byl dva týdny odložený (aby se co nejvěrněji simulovaly operace po skutečném letu, kdy se nedal předpokládat okamžitý servis), pak v Marshallově kosmické středisku v Huntsville (Alabama) rozebraný, vyčištěný a následně na zkušebním stavu bez problémů zapálený na plnou provozní dobu 150 sekund. Přesně takový zážeh měl za sebou už před ponořením do vody. Tento motor byl před testem speciálně ošetřený, ovšem další dva při podobných zkouškách v červnu a srpnu 1961 už nikoliv. Poslední z nich byl dokonce pouze opláchnutý čistou vodou.

Zvažovaný toroidální padákový záchranný systém pro stupeň S-IC (1963, Brown Engineering Company Inc.)
Foto Brown Engineering Company Inc.

Záchrana, rozebrání a opětovné sestavení H-1 byly tehdy vyčísleny jen na pět procent ceny nového motoru. Z důvodu nedostatku času ale nakonec nebyla znovupoužitelnost do projektu Saturnu I implementována.

Zachraňte (alespoň) první stupeň!

Věřím, že o něco výše jsme se shodli na tom, že Saturn V byl „děsně, ale opravdu děsně drahý“ (nemá smysl řešit, jak přesně). A tak se u něj už od počátku vývoje řešila otázka znovupoužitelnosti. Primárním cílem bylo dostat člověka na Měsíc před koncem dekády. Ale kdokoliv, kdo byl schopný se najíst vidličkou a nožem, musel vědět, že dlouhodobě je provoz takovéhoto kolosu ekonomicky neudržitelný. Buď bude možné jít s cenou dolů, nebo program zanikne.

Řešila se přitom především opakovaná použitelnost prvního stupně, která měla být technicky nejjednodušší. A u něhož je penalizace za záchranné systémy nejnižší: když studovala firma North American v roce 1963 možnosti záchrany druhého stupně (ano, i takové studie byly!), konstatovala, že je na úkor snížení nosnosti o 70 procent (s tehdejší technologií). Ale i v případě prvního stupně šlo o nemalou výzvu, protože S–IC měl průměr 10,1 m, délku 42,1 m a hmotnost 131 t. Studováno tak bylo mnoho možných cest. Podotýkáme, že cílem tohoto textu není představit a rozebrat všechny, to je prostě nad jeho možnosti. Ostatně, už samotný fakt, že ve hře byly nejrůznější způsoby záchrany stupně, svědčí o tom, jak vážně byla tato otázka brána.

Model Saturnu V s okřídleným prvním stupněm v provedení, jak jej zvažovala firma Boeing
Foto Sotheby´s

Jednou z možností bylo využití obřího rozkládacího křídla – parasoilu – kdy by stupeň „doplachtil“ do vybrané cílové lokality a zde (dobrzděný s pomocí motorů na tuhá paliva) přistál. V roce 1963 dokonce došlo na jeho praktické zkoušky, když byly provedeny testy makety prvního stupně Saturnu I v měřítku 1:12 s parasoilem. Krom toho se řešila možnost zachraňovat S-IC pomocí za letu naplněných horkovzdušných balónů nebo jeho vybavení křídly a proudovými motory. Stejně tak se řešilo přidání obřích rozkládacích vrtulí a návrat stylem à la helikoptéra. Dokonce se uvažovalo, že by takovýto stupeň mohl být i pilotovaný.

Čtyřkrát nahoru a dolů

Asi největšího rozpracování se ovšem dočkal koncept, který počítal s tím, že S-IC bude vybavený zvětšenými stabilizačními plochami, orientačním systémem a v přední části ablativním tepelným štítem. Ten měl zajistit, že konstrukce nebude vystavena teplotám přes 150 stupňů Celsia, což byla hranice, za níž už docházelo k poškození některých prvků.

Stupeň měl po skončení práce pokračovat v balistickém letu, jen orientovaný tepelným štítem dopředu. Ve výšce cca 10 km měl vytáhnout čtyři stabilizační padáky o průměru 15 m. Ve výšce 5 km pak čtyři hlavní o průměru 40 m. Ty by ustálily jeho pádovou rychlost na 110 až 120 km/h. Při dopadu takovouto rychlostí na vodní hladinu by se ovšem stupeň spolehlivě rozlomil nebo alespoň zdeformoval.

Proto mělo být společně s tepelným štítem odhozeno dno nádrže kapalného kyslíku: při přistávání mělo být dole, sekce s raketovými motory nahoře. Zároveň by se otevřely ventily u opačného dna nádrže. Na dutý stupeň by S-IC dosedal: stal by se vlastně pístem, v němž by se stačil vzduch a brzdil jej. Otevřené ventily pak měly bránit přílišnému stlačení vzduchu, které by mohlo stupeň roztrhnout nebo jej po dosednutí „vystřelit“ zpět nahoru. Protože motorová sekce by byla při přistání nahoře, nepřišla by při dosednutí do kontaktu s hladinou a neutrpěla by tak žádnou škodu. S-IC se sice měl vzápětí překlopit, ale síla tohoto nárazu už neměla být významná. Následně měl být odtažený do Michoud Assembly Facility k poletové analýze.

Schéma záchrany prvního stupně Saturnu V na vodní hladinu s využitím kyslíkové nádrže jako obřího „pístu“
Foto Boeing

I v případě S-IC se počítalo jen se studiem stupně, až později se znovupoužitelností. Firma Boeing dokonce vypracovala její ekonomickou analýzu, která počítala se čtyřmi starty každého stupně. Pokud rozpočítáme cenu nové rakety mezi čtyři starty, vyjde nám odpis na start 25 procent. Boeing spočítal, že záchrana stupně a opakované zkušební zážehy měly vyjít na 11 procent ceny nového stupně. A náklady na veškerou „recyklační“ infrastrukturu měly být dalších 23 procent. Opakovaně použitá raketa tak měla létat za cca 59 procent ceny nového nosiče. Časem se přitom předpokládal pokles na 40 procent s tím, jak se záchranné operace stanou rutinní.

Rozpis zároveň upozorňoval, že znovupoužitelnost je ospravedlnitelná jen při vyšší frekvenci startů – přibližně jednou týdně. Jinak nevýhody převažují nad výhodami. Zajímavé je, že k podobným závěrům došli později odborníci z mnoha států i organizací. K podobným číslům došli později i další odborníci či instituce: DLR i SpaceX hovořila o množství 20 až 25 startů, Arianespace dokonce o 30 až 40 startech. (Opět: můžeme se bavit o tom, nakolik jsou čísla přesná, obecná či účelová. Ale faktem je, že i znovupoužitelnost něco stojí a její výhody se projeví až s vyšším opakováním.)

Supervrtulník na lovu

Společnost Hiller Aircraft nabízela vývoj obřího vrtulníku, který by stupeň S-IC zachytil v letu
Foto NASA

Z doby počátků kosmonautiky se dochoval i jeden zaznamenáníhodný projekt, se kterým přišla firma Hiller Aircraft z kalifornského Palo Alto (později pohlcená Fairchildem). V roce 1965 navrhla NASA využít pro záchranu stupně S-IC obří vrtulník. Ten nazvala Rotary Wing System for Booster Recovery, rotující křídlatý systém pro záchranu nosiče. Jeho velkou předností měla být záchrana stupně Saturnu V tak, jak byl. Tedy bez jakékoliv penalizace v podobě ztráty nosnosti rakety, tvrdého nárazu při přistání na pevninu či vodní hladinu, bez navýšení komplexnosti systému nebo snížení jeho spolehlivosti.

Stupeň S-IC nějaký čas žil i v plánech kosmických raketoplánů
Foto T. Přibyl

Vrtulník měl přitom mít úctyhodné rozměry. Průměru rotoru byl spočítaný na 120 metrů, hmotnost včetně paliva na 200 t – a dalších 250 t měla činit jeho nosná kapacita. Při využití interních i externích odhazovacích nádrží se mohl v letové výšce 4500 až 6000 m udržet až šest hodin.

Záchrana měla probíhat tak, že k na padáku sestupujícímu (či spíše klouzajícímu) S-IC by se vrtulník přiblížil ve výšce 3000 m. Pomocí háku by jej zachytil za výtažný padáček a pomalu začal brzdit sestup, až by jej úplně zastavil. V tu chvíli měl být stupeň pod vrtulníkem na 215 metrů dlouhém laně: na něm by si jej také vytáhl nahoru. Vrtulník měl speciální tvar, aby si mohl „sednout“ na stupeň. Následovala by 650 km dlouhá cesta zpět na kosmodrom na Floridě.

Zajímavostí bylo, že rotor neměl používat tradiční motor, ale na konci každého z nich se měl nacházet jeden nebo dva motory proudové. Další motor pak měl být potřeba pro stabilizační rotor. Rychlost rotace listů neměla být závratná; počítalo se jen se zhruba jednou otočkou za sekundu. Přesto by konce rotorů překračovaly rychlosti zvuku.

Okřídlený stupeň S-IC jako samostatný letoun v představách společnosti Boeing
Foto NASA

A pak přišel raketoplán

Stupeň S-IC můžeme nalézt v celé řadě koncepcí kosmických raketoplánů: tato je z roku 1970 od firmy Grumman
Foto NASA

Kalendář ukazoval polovinu roku 1968, v továrnách se dokončovaly poslední komponenty patnáctého (posledního) objednaného a vyráběného Saturnu V. Přitom v té době měla raketa za sebou jen dva starty: Apollo 4 v listopadu 1967 a Apollo 6 v dubnu 1968. Bylo třeba jednat rychle: buď se objedná další série Saturnů V (nebo alespoň několik kusů – hovořilo se nejméně o dvou), nebo se během několika týdnů dodavatelský řetězec rozpadne. Komerční sektor je v tomto případě tvrdý: buď máte práci a zakázky a pokračujete, nebo bez nich výrobu ukončíte, zaměstnance přeřadíte na jiný projekt nebo propustíte. Neexistuje žádná „jízda na neutrál“ (pokud nemáte perspektivu dalších zakázek).

V srpnu 1968 rozhoduje tehdejší administrátor NASA James Webb – i pod vlivem rozpočtové reality – že se žádné další Saturny V objednávat nebudou. Do prvního přistání člověka na Měsíci přitom zbývá ještě jedenáct měsíců! Saturn V tak skončil.

V letech následujících se ještě objevilo několik projektů, které počítaly s použitím stupně S-IC v programu raketoplánů. Samozřejmě patřičně modernizovaného a v některých případech opakovaně použitelného. Ale to už byla jen labutí píseň celého programu.

Král mezi raketami definitivně dolétal.

Modernizovaný a opakovaně použitelný stupeň S-IC se sedmi motory F-1 mohl sloužit jako první stupeň v programu raketoplánů
Foto NASA

Tomáš Přibyl

autor pracuje v Technickém muzeu v Brně