Úsměvy na tvářích se měnily na výrazy beznaděje. Ještě před chvilkou kontrolovaně letící ohnivá koule se z neznámého důvodu nebývale roztáhla, a vydala do všech možných směru. Takto by rozhodně bezproblémový start do kosmu vypadat neměl. Burácení motorů ustalo a nebylo slyšet nic… Zavládlo podezřelé ticho. Byly vidět padající černé věci z nebe. Nevěřící, a nic netušící publikum právě sledovalo smrt 7 dobrodruhů, jejichž cesta do vesmíru se nepovedla. Bylo jasné, že raketoplán Challenger se do vesmíru už nedostane. Viníkem havárie byl sice jeden z pomocných motorů na tuhé palivo, ale byla to právě NASA, která cestou ke hvězdám zapomněla na to nejdůležitější – na bezpečnost.
Od dob této strašlivé havárie uběhla již hezká řádka let, ale doposud se jako temný stín vznáší nad celým kosmickým programem. Díky připomínání podobných událostí, ovšem snáze dokážeme chápat počínání současná a zejména kroky NASA. Nikdo totiž nechce podobné okamžiky zažívat znovu. Odkaz z programu raketoplánů lze dnes najít v konstrukci rakety SLS včetně pomocných motorů na tuhé pohonné látky (SRB). Motory na tuhé pohonné látky jsou nejstarším raketovým pohonem. Mají řadu předností. Předně mají relativně jednoduchou konstrukci, velký tah a velkou spolehlivost. Uplatnění mají zejména ve vojenském průmyslu a kosmonautice. Byly například využívané raketami Titan 3C a výš, ale příkladů najdeme po celém světě mnohem víc. Motorů na tuhé pohonné látky využívají v některých verzích například rakety H-2, Atlas-5, ale najdeme je i na nosičích Vega nebo Ariane-5. Krom řady výhod mají ovšem i své nevýhody. Tou vůbec největší je nemožnost je zastavit. Pokud se tedy jednou zapálí není možné je jednoduše vypnout. Jejich vypnutí je prakticky možné pouze jejich destrukcí. Další nevýhoda je spjata s jejich konstrukcí. Motor nemá žádná čerpadla a spalovací komorou je v podstatě celá nádrž, jejíž stěny zároveň tvoří vnější obal raketového motoru. Ty musí být velmi dobře utěsněné, protože pokud nejsou může dojít k prohoření. Následek by znamenal úbytek tahu vedoucí až ke ztrátě celého motoru a pokud si vzpomenete na úvod, tak právě tento nedostatek vedl ke ztrátě raketoplánu Challenger. Pomocné motory raketoplánů nebyly tvořeny z jednoho kusu, ale cely motor byl složen z několika segmentů, které byly plněny pohonnou směsí a mezi spoje se dávalo těsnění tzv. O-kroužek, který vlivem studeného počasí nevydržel a přes vzniklou mezeru se pak již snadno dostaly spaliny.
Nová raketa SLS bude k letu potřebovat také dva pomocné motory, které přímo vycházejí z těch, které byly používány v programu STS. Ovšem vylepšené a větší. Krom toho je v architektuře SLS mnoho dalších prvků a částí využitých ze zmíněného programu. Původní SRB pro raketoplány byly vyrobeny společností Thiokol, kterou později získala společnost Orbital ATK, kterou zase v roce 2018 získala společnost Northrop Grumman (NG), což znamená, že NG má nyní na starosti tyto motory pro SLS, a mimo to vyrábí i pomocné motory pro rakety Atlas-V, a v budoucnu i pro novou raketu společnosti ULA: Vulcan. Další informace lze nalézt třeba v této dvojici článků.
Na společnost Thiokol byl vyvíjen v minulosti velký tlak, protože raketoplány vůbec poprvé měly využít tuhé pohonné látky v pilotovaném kosmickém programu. Celkově poskytovaly neuvěřitelný tah až 14 000 000 N a poskytly 85 % tahu raketoplánům při startu. Byly to nejvýkonnější pomocné motory na světě. O zbytek tahu se starala trojice motorů RS-25 na kapalné pohonné látky. Postavit ovšem takto velké a silné SRB nebylo jednoduché a není to ani dnes. Pojďme si tedy na začátek ukázat, co mají společného motory SLS a raketoplánů:
- Celková struktura: Nosní kužel a přední lem (který obsahuje avioniku), několik středních segmentů obsahujících pohonnou látku, zadní segment obsahující trysku a řízení vektoru tahu
- Pohonná látka: PBAN-APCP. Tato hrozivě vypadající zkratka je zkratka pro jedinečnou směs chloristanu amonného (který slouží jako oxidační činidlo), hliníkového prášku (palivo) a polybutadien akrylonitril (palivo, působí také jako pojivo), oxidu železitého jako katalyzátoru a epoxidu.
- Geometrie zrna: Jedenáctistranná hvězda, která poskytovala vysoký tah hned po zážehu, ale postupně klesal, když raketoplán míjel max-Q. (Svislou osou bloku motoru prochází kanál, jehož průřez mívá nejrůznější tvar, v tomto případě hvězda, díky tomu lze omezeně řídit tah motoru).
- Systém zapalování : Pyrotechnická zařízení používající standardní rozbušky NASA, které lze odpálit pouze po odstranění ručního pojistného kolíku před startem. K zážehu nedochází dřív než letový počítač potvrdí, že hlavní motory dosáhly správného tahu a neexistují žádné další problémy.
- Segmentová pouzdra: Jsou ze stejného materiálu, využívá se ocel D6AC.
- Doba hoření : Něco málo přes 2 minuty
Je evidentní, že ani po tolika letech nebylo třeba to nejzákladnější měnit. To je možné taky díky tomu, že se společnostem Orbital ATK a nyní Northrop Grumman podařilo udržet výrobu ve výrobně v Promontory v Utahu, která zde funguje od roku 1950. Zejména v několika posledních desítkách let bojovala doslova o přežití. Na druhou stranu se ke slovům dostaly nepatrné, přesto důležité inovace. Řada věcí se změnila, ale některé jsou naopak pořád stejné. Dokončené segmenty pomocných motorů SLS jsou například pořád ještě přepravovány po železnici z Utahu až na Floridu stejně, jako kdysi ty pro raketoplány, ale došlo i na moderní vylepšení. Zde jsou základní změny, které byly provedeny na pomocných motorech pro SLS:
- Dodatečná pohonná hmota: Původní raketoplánové SRB měly čtyři hlavní segmenty plné pohonné hmoty, ale tyto modernizované posilovače mají nyní segmentů pět, aby poskytly raketě SLS o 20 % větší tah a o 24 % větší celkový specifický impuls.
- Nová izolace: Nové SRB se zbavily staré izolace s obsahem azbestu. To nejen eliminuje nebezpečný materiál, ale také přináší úsporu nákladů a hmotnosti.
- Rozšiřitelná konfigurace: Pomocné motory raketoplánů byly vybaveny padáky a byly určeny k opětovnému použití. SLS ovšem tuto přednost mít nebude. Toto lze ve světle událostí posledních let vnímat spíše jako zpátečnický krok, než posun, ovšem v architektuře SLS by záchrana SRB nedávala smysl. Náklady na opětovné používání by převýšily cenu těchto motorů, a například pro záchyt helikoptérou jsou segmenty moc těžké.
- Další vylepšení: Modernizovaná avionika, nový, vylepšený design trysek, vylepšené nedestruktivní techniky vyhodnocování během testování.
Sluší se připomenout, že stávající verze je odkazem nejen na raketoplány, ale i na zrušený program Constellation v rámci kterého vznikala raketa Ares-1, která byla založená z velké části na technologiích SRB raketoplánů. Poté, co byl program Constellation zrušen, byl motor upraven ze své jednosložkové aplikace prvního stupně pro Ares-1 na duální pomocné motory připojené k centrálnímu stupni SLS. Už v době vzniku bylo jasné, že pokud program SLS bude dlouhodobě pokračovat, bude nutné vyrobit přepracované SRB. NASA totiž využila hardwaru z programu STS, který vystačuje pokrýt asi osm letů.
Vývoj se ovšem nezastavil a my dnes již víme, že NASA pro SLS plánuje další řadu pomocných motorů, které budou zase o něco vylepšené. Ty by se měly objevit na SLS Block 2. Northrop Grumman vyvíjejí vylepšenou verzi již nějaký čas. Program se nazývá Booster Obsolescence and Life Extension (BOLE). Je ve fázi podrobného návrhu s plánovanou první zkouškou zážehu v roce 2024. Na první pohled mnoho změn patrno není. Pomocné segmenty si zachovají svůj typický tvar, ale změnami projde výrobní proces, který zahrnuje využití moderní výrobní technologie, jiná kompozitní pouzdra a nový vzorec pro tuhá paliva. NASA a Northrop Grumman pracují společně na integraci nového designu s nosičem SLS a zvýšení celkového výkonu na kongresem předepsanou úroveň při minimalizaci dopadů na konstrukci a provoz dalšího letového hardwaru a infrastruktury.
Zde je souhrn budoucích vylepšení plánovaných na BOLE:
- Nové složení pohonné látky: Stále se bude používat chloristan amonný jako oxidační činidlo (APCP původního vzorce), ale nahrazuje se palivo PBAN jinou pevnou látkou zvanou polybutadien zakončený hydroxylovými skupinami (HTPB), který zvládne vyšší úrovně napětí a může být hustěji plněn. Celková větší hmotnost paliva. HTPB se již používá u některých stávajících raket, které využívají tuhé palivo, jako je například indický nosič PSLV.
- Kompozitní pouzdra: Nahradí současná ocelová pouzdra používaná od dob raketoplánu. Technologie kompozitů za posledních několik desetiletí výrazně pokročila a přinese 30% úsporu hmotnosti.
- Řízení vektoru tahu: Stávající hydrazinem poháněný TVC je vysoce toxický a bude nahrazen novým bateriově napájeným systémem, který využije zkušenosti a práci, kterou Northrop Grumman chtěl uplatnit na navrhované raketě OmegA.
- Lepší spojení se SLS: SRB odvozené z raketoplánu vždy vyžadovaly určité reverzní inženýrství, aby se přizpůsobily nové architektuře SLS. BOLE má upevňovací body, které se lépe hodí pro raketu SLS, a také vylepšený separační systém.
- Další konstrukční vylepšení: Vylepšení kuželu v přední části motoru, optimalizované přední a zadní kryty, přepracovaná tryska.
Tryska se mění hlavně kvůli změně parametrů. Jiné palivo znamená i odlišné spaliny. Pokud se podíváme jaké pomocné motory NG vyrábí, zjistíme, že používá již kompozity (GEM-63 a další). Díky změnám ovšem vznikne jiný TVC (řízení vektoru tahu) a je nutné předělat další věci, jako avioniku a v konečném důsledku, jde o kompletně předělaný moderní motor. Nový systém TVC v designu BOLE je elektrický, bateriemi napájený systém, který nahradí současný vycházející ještě z raketoplánů, který je poháněn toxickým hydrazinovým palivem. Hydrazin byl vstříknut do spalin a díky tomu se omezeně dal řídit vektor tahu.
Pouzdra z kompozitů jsou lehčí než ta stávající. V kombinaci s hustším a těžším palivem bude mít motor o něco vyšší hmotnost, ale větší výkon. Tým byl schopen zvýšit vnitřní tlak v komoře motoru až o 200-300 psi. Nové motory znamenají také jiný profil letu. Ohledně této problematiky probíhala důkladná diskuse a tým se snažil, aby byl výsledek velice podobný stávajícím parametrům. Došlo k některým omezením výkonu. „Když jsme navrhovali stopu tahu, maximální dynamický tlak a vlastně i čas, kdy se maximální dynamický tlak objeví, tak proběhlo obrovské množství konstrukčních iterací kolem různých režimů Machova čísla a dynamického tlaku a nakonec se booster ve spolupráci s konstrukčním týmem [programu SLS] dohodl na konstrukčním omezení, kdy vlastně omezujeme dynamický tlak jako funkci Machova čísla. V podstatě jde o to, že toto omezení říká nosné raketě, že v transsonické části letu lze použít pouze určitý impuls. Takže jsme v podstatě vyladili pomocný motor v transsonické části letu a pak jsme ho vyladili zpět v pozdějších částech letu, abychom získali požadovaný výkon. Takže dynamický tlak byl hlavním faktorem při návrhu konečného tahu. Stálo nás to poměrně hodně úsilí, několik měsíců iterací návrhu, abychom to správně vyřešili,“ uvedl Mark Tobias ze společnosti NG.
Dosud musí také docházet k přiškrcení motorů na centrálním stupni RS-25, které je stále nutné v některých místech během stoupání. Například před oddělením SRB. Nové motory BOLE byly ovšem navrženy tak, aby v první fázi stoupání nebylo nutné vůbec upravovat tah RS-25. Pouzdra motorů BOLE používají stejný systém uhlíkových vláken a pryskyřice jako byl zamýšlen pro raketu OmegA. Stejný je i elektrický systém TVC, který bude jen jinak nastaven a společné jsou i další prvky. První test v plné délce motoru DM-1 (Development Motor-1) je plánován na léto roku 2024. Cílem bude získat přímé měření skutečného tahu a ujištění, že vše funguje tak, jak bylo navrženo a zamýšleno. K prvnímu letu na SLS by pak mělo dojít při devátém letu. Před letem je v plánu provést celkem 5 zážehu. 3 zkušební a 2 kvalifikační.
Nám nezávislým pozorovatelům se může zdát, že vývoj SLS je dlouhý a postupuje jen malými krůčky kupředu. Pokud si však celý program zasadíme do kontextu všeho co víme, hned působí vše jinak. Nikdo nechce, aby opět došlo k nějaké fatální chybě, a proto je maximální úsilí vkládáno do testů a kontrol. Ano, jsou tu soukromé společnosti jako SpaceX, které postupují naprosto jiným tempem a způsobem, ale je třeba si uvědomit, že SpaceX nemá za sebou dvě fatální havárie, během kterých umírali lidé. Podobné věci mění vše od základů, včetně přístupu, který by byl i u SpaceX zcela určitě jiný, kdyby měla za sebou podobnou zkušenost.
Zdroje informací:
http://www.hvezdarna-vsetin.cz/pages/view1dd8.php
https://www.nasaspaceflight.com/2021/07/sls-bole-srbs
Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_
https://www.nasaspaceflight.com/wp.jpg
https://blogger.googleusercontent.com/img
Kompozit u SRB netrpí na teplo ze spalování?
Při tragickém startu Challengeru, který proběhl při mrazu −14 °C, byl problém s materiálem těsnicích kroužků, nikoliv s materiálem pláště boosterů. Těsnicí kroužky nevyrovnaly rozpínání obalu a nezadržely tlak plynů, které pronikly izolačním tmelem.
Kompozitní nádrže u SRB se přeci již používají. NG vyrábí SRB GEM-63 pro rakety Atlas a GEM-63 XL budou na raketách Vulcan. V programu STS se také plánovalo přejít na kompozit a dokonce se i testovaly. Bohužel byly později z finančních důvodu zrušeny. Vice ve dvojici článku zde:https://kosmonautix.cz/2019/04/tak-trochu-jiny-raketovy-motor-2-2
Díky.
Není zač. 🙂
Děkuji za článek.Jen mám jednu otázku.V poslední verzi SLS měly být boostery na pevné palivo nahrazeny palivem kapalným.Je tato verze ještě ve hře,nebo již byla opuštěná?Otázka je nejspíš pro pana Hoška,ten má SLSku v malíku.Díky.
V první fázi formulace projektu nových postranních boosterů byly obě varianty (tuhé versus kapalné pohonné látky) rovnocenné. Už několik roků se však s variantou kapalných pohonných látek nepočítá.
Středový kanál u SRB raketoplánu měl tvar „jedenácticípé hvězdy“ pouze v horní polovině horního segmentu. Dva další mají průřez kanálu kruhový. To platní i o spodním segmentu, který má ale kanál kónický a jeho spodní část tak má větší průměr.