Osmý leden roku 2024 se zapsal do historie jako den, kdy byl ve Spojených státech dokončen vývoj nového středně těžkého až těžkého nosiče, který využívá řadu nových technologií. Start Vulcanu nebyla samozřejmost a to i přesto, že společnost ULA má za sebou dlouhou řadu zkušeností s lety do kosmu a za zády také řadu průmyslových kosmických matadorů. Na prvním stupni byly použity motory spalující kapalný kyslík a kapalný metan, což je technologie, která se po světě zatím jen pomalu osahává. Nový byl i druhý stupeň, ačkoli vycházel z již ověřených technologií. Na palubě byl hned při prvním startu náklad a to náklad značně drahocenný – první americký komerční lunární lander Peregrine. Start je proto důležitý i pro lunární program Artemis. O to více mrzí, že se lander potýká od počátku s problémy, které zabrání jeho pokusu o přistání na Měsíci. Pojďme se za tímto úspěšným startem a dobrodružnou misí ohlédnout.

Nový nosič:

Úvahy o novém nosiči se objevily už krátce po založení firmy ULA v roce 2006. Zásadním hybatelem vývoje Vulcanu pak byly události na Krymu v roce 2014, kdy se ukázalo jako nevhodné, aby motory do raket vynášejících vojenské družice byly dodávány ze zahraničí. Společnost ULA se také začala potýkat s proměnou trhu. Konkurenční SpaceX totiž začínala značně měnit finanční politiku zákazníků a na změny bylo potřeba reagovat. Už v roce 2014 byla oslovena společnost Blue Origin s žádostí o vývoj nových motorů. Ta tehdy už tři roky pracovala na motorech BE-4. V roce 2016 se do projektu připojilo letectvo a roku 2018 se k financování a podpoře vývoje rakety připojila i vláda v rámci podpory spolupráce komerčního a veřejného kosmického sektoru. V roce 2017 byl horní stupeň změněn ze slabšího stupně Centaur III na Centaur V. Síla tohoto velkého druhého stupně umožňuje dopravit na oběžnou dráhu (podle konfigurace) až o 30% hmotnější náklad než Delta IV Heavy.

Snímek zachycující první start nového nosiče Vulcan
Zdroj: https://www.flickr.com/photos/ulalaunch/

První start se původně očekával v roce 2019. Vývoj však nabral dle očekávání skluz a se startem se nakonec počítalo v roce 2021. Do vývoje však dále zasáhla celá řada událostí, které se nedaly předvídat. Zásadní byla pandemie Covidu 19, která zpozdila nejen práce na nosiči, ale také na výrobě prvního nákladu – komerčního lunárního landeru Peregrine. Společnost Blue Origin se potýkala s problémy při vývoji technologicky nových a velkých motorů BE-4. Právě problémy s motory nakonec vedly k řadě dalších odkladů. Do vývoje zasáhla také exploze horního stupně Centaur V během testování. Nový datum startu pak byl stanoven na 24. prosince 2023. Během takzvaného WDR – zkoušky, při které je celá sestava na rampě a probíhá plnění palivem, došlo k problémům s pozemním vybavením a úniku paliva. Dodatečné zkoušky a opakovaná a posléze již zcela úspěšná zkouška WDR, vedla k odkladu na 8. ledna 2024, když se uskutečnil start.

O raketě:

Vulcan během příprav na start
Zdroj: https://www.flickr.com/photos/ulalaunch/

Vulcan-Centaur je dvoustupňová raketa, která v prvním stupni používá zkapalněný zemní plyn (v zásadě metan) s kapalným kyslíkem a ve druhém stupni Centaur V kapalný vodík a kapalný kyslík. Na prvním stupni je dvojice motorů BE-4 společnosti Blue Origin, jejichž vývoj začal už v roce 2011. Šlo o první ostrou letovou misi BE-4. Motory na prvním stupni byly ostatně hybatelem vývoje nového nosiče. Doposud využívané ruské motory RD-180 na raketách Atlas V začaly být po roce 2014 rizikové a to i s ohledem na to, že ULA měla tehdy ještě monopol na vynášení družic v kategorii národní obrany.

Na boku nosné rakety byly použity dva motory na tuhé pohonné látky využívající palivo složené z HTPB a okysličovadla APCP (GEM) 63XL vyrobené společností Northrop Grumman. Jde o nejdelší monolitické SRB, jaké kdy letěly. Jedná se o výrazně vylepšené pomocné motory GEM 63, používané na Atlasu V. Druhý stupeň s označením Centaur V byl osazen dvěma motory RL-10 vyrobenými společností Aerojet Rocketdyne. Jde o stejné motory horního stupně, které používá Atlas V, a které se v průběhu času ukázaly jako velmi spolehlivé. Raketa pak byla osazena ještě aerodynamickým krytem o průměru 5,4 metru a délce 15,5 metru.

Vulcan má tak celkovou výšku 61,6 metru a průměr 5,4 metru. Při plném natankování bude na startovací rampě mít hmotnost 663 367 kilogramů a při startu vyvine tah 8,9 meganewtonů.

Profil letu:

Pohled na raketu Vulcan vzdalující se od startovní rampy
Zdroj: https://www.flickr.com/photos/ulalaunch/

První letová trajektorie rakety směřovala na lunární přeletovou dráhu, aby nosič dokázal dostat náklad na dráhu k Měsíci. Druhý stupeň poté přešel na heliocentrickou dráhu. V konfiguraci, která včera letěla, je Vulcan schopný k Měsíci vyslat až 6 300 kg nákladu.

Samotný start proběhl v 8:18 SEČ. Ještě před tím v čase T-5 sekund se zažehly motory BE-4 a v čase T+1 sekunda začal Vulcan nabírat výšku. Krátce po opuštění věže pak zahájil manévr náklon/odklon. Raketa dosáhla rychlosti Mach 1 v čase T+69 sekund – ještě před dosažením max-Q neboli maximálního dynamického namáhání. Poté se v čase T+104 sekund oddělily pomocné motory GEM 63XL.

Motory BE-4 pokračovaly v hoření až do času T+ 4 minuty a 59 sekund. O šest sekund později se první stupeň oddělil od druhého stupně. Centaur V pak v čase T+5 minut a 15 sekund zapálil své dva motory RL-10. Po zažehnutí motorů se v čase T+5:23 oddělily kryty a byly odhozeny. Lander Peregrine byl poprvé plně vystaven kosmickému prostředí. Centaur V pokračoval v hoření po dobu zhruba deseti minut až do času T+15 minut a 45 sekund. V tomto okamžiku Vulcan přešel do fáze přeletu, která trvala až do T+43 minut a 35 sekund, kdy se motory RL-10 znovu zapálily pro korekci kurzu na TLI. V T+47 minut a 37 sekund se druhý stupeň opět vypnul a pokračoval v letu necelé tři minuty, kdy došlo k vypuštění landeru. Po této fázi se lunární lander Peregrine dostal na vysoce eliptickou dráhu, po které bude pokračovat k Měsíci, kde měl být zachycen lunární gravitací.

Po oddělení landeru Peregrine se Centaur V naposledy zapálil v čase T+1 hodina 18 minut a 24 sekund a hořel po dobu 20 sekund, aby společně se sebou dopravil náklad Celestis Memorial Spaceflight ‚Enterprise Flight‘ na heliocentrickou dráhu. Oficiální konec mise nosiče proběhl v čase T+4 hodiny 24 minut a 44 sekund. „Úspěšný vývoj a let této rakety je skutečným důkazem bezkonkurenčního odhodlání a vynalézavosti našich zaměstnanců,“ uvedl v prohlášení Mark Peller, viceprezident společnosti Vulcan Development. „Konstrukce rakety Vulcan využívá to nejlepší, co jsme se naučili ze zkušeností se starty raket Atlas a Delta, a v konečném důsledku zvyšuje kosmické schopnosti naší země a poskytuje nebývalou flexibilitu misí.“

Náklady

Lunární lander Peregrine
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com/

Krom lunárního landeru si svoje místo na palubě našel i produkt společnosti Celestis Memorial Spaceflights, která poskytuje možnost vyslat DNA nebo zpopelněné ostatky do kosmického prostoru. Před pondělním startem se uskutečnila vzpomínková bohoslužba a večeře pro rodiny a blízké, kteří posílají svého zesnulého přítele nebo člena rodiny na poslední cestu. Společnost Celestis Memorial Spaceflights existuje od roku 1997 a startovala na mnoha různých nosičích včetně Pegasus-XL, Falcon 1, Falcon 9, Falcon Heavy a nyní i na Vulcanu. Část nákladu byla vypuštěna na dráze k Měsíci (a bude obíhat kolem Slunce) a část měla přistát na Měsíci.

Hlavním nákladem však byl lander Peregrine společnosti Astrobotic, který se měl pokusit o jedno z prvních přistání na Měsíci od ukončení programu Apollo a pokud se mu to i přes současné závažné problémy povede, bude prvním úspěšným americkým landerem od roku 1972. Jedná se o lander komerční, který je pevnou součástí programu Artemis. V roce 2019 byla společnost Astrobotic vybrána agenturou NASA v rámci programu Commercial Lunar Payload Services (CLPS) a získala kontrakt v hodnotě 79,5 milionu dolarů na stavbu landeru, který doručí náklad na Měsíc před misí Artemis III.

Peregrine má během tohoto prvního certifikačního letu na palubě 20 užitečných nákladů, přičemž pět z nich pochází z programu NASA CLPS. Tyto přístroje zahrnují specifické vědecké projekty, jejichž hlavními cíli jsou hledání vodního ledu v měsíčním regolitu a získání dalších údajů o radiačním prostředí, měsíční exosféře a magnetických polích na povrchu Měsíce. Některé položky nákladu mají za úkol reprezentovat lidstvo pomocí uměleckých a historických artefaktů.

Přibližně 40 minut po oddělení od stupně Centaur byl lander Peregrine úspěšně oživen a začal přijímat signály z řídicího střediska mise Astrobotic v Pittsburghu v Pensylvánii. Po vypuštění měly probíhat drobné seřizovací manévry, při nichž budou kontrolovány systémy pro přistání na Měsíci. Po jejich potvrzení Peregrine nasměruje své solární panely ke Slunci, aby nabil lithium-iontovou baterii, a čeká jej dlouhá cesta k Měsíci. Právě při zajištění stabilní orientace vůči Slunci, však potkala lander první anomálie – nepodařilo se nasměrovat fotovoltaický panel ke Slunci. Týmu se nakonec tento problém podařilo vyřešit. Bohužel však společně s tím nastal i problém neméně závažný. Z palivového systému zřejmě začalo unikat palivo a jeho zásoby se na palubě začaly tenčit. Tato skutečnost vede firmu k přemýšlení o tom, jak celou dráhu optimalizovat tak, aby se nakonec dalo z tohoto letu vytěžit co nejvíce vědy. Je zároveň možné, že spolu obě závady nějak souvisí. Bohužel je však nyní prakticky jisté, že modul nebude schopen přistát na Měsíci. Ještě krátce po startu však panovalo ve firmě velké nadšení. „Mise Peregrine 1 dnes dosáhla několika velkých milníků,“ uvedl v prohlášení John Thornton, generální ředitel společnosti Astrobotic. „Peregrine se zapnul, získal signál se Zemí a nyní se pohybuje kosmickým prostorem při své cestě k Měsíci. Díky těmto úspěchům jsme o krok blíže k přistání nákladů sedmi národů na Měsíci, z nichž šest na Měsíci ještě nikdy nebylo.“ Jedná se o další cennou lekci, že lety do kosmu nebudou nikdy jednoduché.

Krásný snímek zachycující první a hned úspěšný start rakety Vulcan
Zdroj: https://pbs.twimg.com/

K přistání mělo dle původních plánů dojít 23. února a očekávalo se, že lander bude fungovat osm dní. Astrobotic se tak měla šanci stát první komerční společností, která úspěšně přistane na Měsíci. Není však jedinou americkou společností, která letí letos k Měsíci. 10. února má startovat raketa Falcon 9, která vynese lunární lander Nova-C společnosti Intuitive Machine na misi IM-1. Kdy dojde k přistání je však nejisté, jelikož start je ještě daleko a může dojít k odkladům.

„První start programu CLPS vyslal užitečný náklad na cestu k Měsíci – je to obrovský skok pro lidstvo, které se připravuje na návrat na měsíční povrch poprvé po více než půl století,“ uvedl v prohlášení administrátor NASA Bill Nelson. „Tyto vysoce riskantní mise nejenže na Měsíci provedou nové vědecké poznatky, ale podporují rostoucí komerční kosmickou ekonomiku a zároveň ukazují sílu amerických technologií a inovací. Díky misím CLPS se můžeme dozvědět mnoho nových vědeckých poznatků, které nám pomohou lépe pochopit vývoj naší sluneční soustavy a utvářet budoucnost lidského průzkumu pro generaci Artemis.“

Znovupoužitelnost:

Pokud dnes vzniká nový kosmický nosič, logicky se většina veřejnosti ptá, zda bude alespoň jeho první stupeň znovupoužitelný. I raketa Vulcan počítá se znovupoužitelností, ale ULA by ji chtěla implementovat až v pozdější fázi, kdy se nový nosič zalétá. V případě této rakety by mělo docházet k oddělení motorové sekce prvního stupně, která by pak přistávala na padácích – právě motory jsou nejcennějším kusem hardwaru. Vulcan tak prozatím patří do rodiny klasických raketových nosičů. Není to na škodu. Jeho role je zajistit jistotu pro vynášení družic určených k národní obraně. A v takové roli nemusí přísně kalkulovat návratnost a výdělek. Aby tento nosič dosáhl certifikace pro tyto citlivé mise, bude muset uskutečnit ještě jeden úspěšný start. Ten by mohl přijít nejdříve v dubnu a náklad bude opět atraktivní – první exemplář nákladního raketoplánu Dream Chaser. Po dvou úspěšných startech pak Vulcan získá kýženou certifikaci pro armádní zakázky.

Úspěšný první let rakety Vulcan je větším úspěchem, než se na první pohled může zdát. Nejenže mají Spojené státy k dispozici nový silný nosič využívající americké motory, což samo o sobě není málo; v případě problémů s Falconem 9, to dává kosmickému průmyslu přeci jen trochu více jistoty. Jedná se také o první úspěšné nasazení amerických kyslíko-metanových motorů na úspěšném orbitálním nosiči. Ano, již před tímto letem byly motory spalující stejnou směs použity na Starship a Super Heavy, ale ani jeden z těchto strojů nedokázal dosáhnout oběžné dráhy.

Pohled na pracující motory BE-4 a pomocné urychlovací motory na tuhé pohonné látky, během certifikačního letu rakety Vulcan
Zdroj: https://pbs.twimg.com/

EDIT: Upraveno tvrzení, že jde o první komerční lander na to, že jde o první americký komerční lander (v prosinci 2022 startoval japonský lander HAKUTO-R). 

Zdroje informací:
https://www.nasaspaceflight.com/
https://en.wikipedia.org/
https://en.wikipedia.org/
https://en.wikipedia.org/
https://www.ulalaunch.com/

Zdroje obrázků:
https://www.flickr.com/photos/ulalaunch/
https://twitter.com/TrevorMahlmann/status/1744320080018538499
https://pbs.twimg.com/media/GDUQ0_EWMAEIl6N?format=jpg&name=large
https://twitter.com/TrevorMahlmann/status/1744316797673709966/photo/1
https://pbs.twimg.com/media/GDUOYu1WcAAIQFV?format=jpg&name=large
https://twitter.com/johnkrausphotos/status/1744391749349290301/photo/2
https://pbs.twimg.com/media/GDVS9QGXwAAXF-5?format=jpg&name=large
https://www.nasaspaceflight.com/wp-content/uploads/2024/01/PeregrineEncap1.png