Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 2 – vyšlo 15. ledna, ročník 19 (2021)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Raketa Electron

Vilém Boušek

Rocket Lab je soukromá americko-novozélandská společnost založená Peterem Beckem na Novém Zélandu v červnu roku 2006. Jedná se o teprve druhou soukromou společnost na světě, jejíž raketa dosáhla oběžné dráhy a jejíž financování pocházelo čistě ze soukromých subjektů. Společnost vyvinula suborbitální sondážní raketu Ātea (Ātea je maorské slovo pro prostor) a v současné době provozuje orbitální raketu Electron.

Atea a Electron

Suborbitální sondážní raketa Ātea je zachycena na fotografii vlevo a na pravé
fotografii je raketa Electron krátce před startem. Zdroj: Rocket Lab.

LEO – Low Earth Orbit, nízká oběžná dráha, na které krouží družice kolem Země ve výšce od cca 200 km do 2 000 km. Oběžná doba je od 84 do 127 minut. V této výšce již není takový odpor vzduchu, aby způsobil rychlý pokles výšky.

Nanosatelity – satelity s hmotností kolem 1 kg a rozměry přibližně 10 cm. Jsou často vynášeny do vesmíru ve větším množství, jako tomu je například při některých startech nosných raket Vega, Atlas V nebo Falcon 9. Do jejich vyřazení roku 2018 byly k těmto misím využívány i rakety Delta II. Nejznámější projekt týkající se nanosatelitů je CubeSat, kde mají nanosatelity tvar krychliček o hraně 10 cm.

CubeSats – třída nanosatelitů, která využívá standardizovaný tvar a rozměry. Rozměr CubeSatů se udává v jednotkách U (z anglického unit), kde 1U představuje krychli o délce hrany 10 cm a s hmotností do 1,33 kilogramu. Nejčastější rozměry CubeSatů jsou 1U, 1,5U, 2U, 3U, 6U a 12U.

Heliosynchronní dráha – geocentrická dráha, která kombinuje výšku a sklon takovým způsobem, že satelit prochází nad určeným místem povrchu Země vždy ve stejném slunečním čase. Na této oběžné dráze může být satelit neustále osvícen Sluncem.

Electron

Electron je dvoustupňová raketa spadající do kategorie raket s nosností do 2 000 kilogramů na nízkou oběžnou dráhu. Tento typ raket se označuje pojmem „Small-lift launch vehicle“. Samotná raketa Electron je určena pro vynášení CubeSatůCubeSats – třída nanosatelitů, která využívá standardizovaný tvar a rozměry. Rozměr CubeSatů se udává v jednotkách U (z anglického unit), kde 1U představuje krychli o délce hrany 10 cm a s hmotností do 1,33 kilogramu. Nejčastější rozměry CubeSatů jsou 1U, 1,5U, 2U, 3U, 6U a 12U. a mikrosatelitů. Co se nosnosti týče, záleží na sklonu a výšce zvolené oběžné dráhy. Přibližné hodnoty najdete v následujícím grafu.

Nosnost rakety electron

Přibližný vztah mezi maximální nosností rakety Electron, výškou nad povrchem a sklo­nem oběžné dráhy. SSO oznažuje heliosynchronní dráhuHeliosynchronní dráha – geocentrická dráha, která kombinuje výšku a sklon takovým způsobem, že satelit prochází nad určeným místem povrchu Země vždy ve stejném slunečním čase. Na této oběžné dráze může být satelit neustále osvícen Sluncem.. Zdroj: Rocket Lab.

Jedná se o 18 metrů vysokou, dvoustupňovou raketu vyrobenou z uhlíkových vláken, s průměrem 1,2 metru a celkovou hmotností 13 tun. O pohon prvního a druhého stupně se starají motory Rutherford. Devět motorů pohání první stupeň a jeden motor stupeň druhý. Motory využívají pohonnou směs RP-1 (kerosin) a tekutý kyslík. Výtoková rychlost plynů z trysek těchto motorů je 3,05 km/s pro motory prvního stupně pracující na úrovni hladiny moře a 3,44 km/s pro motor uzpůsobený pro práci ve vesmírném vakuu. Na rozdíl od klasických raketových motorů, využívajících plynový generátor a turbínu k pohonu turbočerpadel, se u motorů Rutherford využívají elektromotory. Díky elektromotorům se veškeré palivo zužitkuje ve spalovací komoře. Zapotřebí je ale zdroj elektrické energie. Tímto zdrojem jsou lithium-polymerové akumulátory.

Tryska motorů Rutherford prvního stupně je chlazená prouděním paliva (RP-1) stěnami spalovací komory a tryskami, čímž dochází k jejich chlazení na principu tepelného výměníku. Pro chlazení motoru druhého stupně se využívá principu záření absolutně černého tělesa. Při výrobě motorů Rutherford se využívá technologie 3D-tisku: spalovací komora či vstřikovače jsou vyrobeny touto metodou.

Ředitel společnosti a motor Rutherford

Na levém obrázku je ředitel společnosti Rocket Lab, Peter Beck, s motorem Ruther­ford. Na pravém obrázku je zachycen druhý stupeň rakety Electron poháněný jedním motorem Rutherford s větší tryskou. Zdroj: Rocket Lab.

K testování motorů Rutherford docházelo od roku 2013 a o rok později společnost Rocket Lab oznámila vývoj své rakety Electron. K prvnímu letu došlo 25. května 2017. Let pojmenovaný „It's a Test“ skončil neúspěchem. Problém nebyl v samotné raketě, nýbrž v pozemním vybavení. Následující pokus uskutečněný 21. ledna 2018 již byl úspěšný. Od té doby se až do konce roku 2020 uskutečnilo dalších 15 startů, ze kterých bylo 14 úspěšných. Všech 17 startů proběhlo ze startovací rampy LC-1A komerčního kosmodromu Rocket Lab Launch Complex 1 (Mahia Launch Complex), nacházejícího se na východním pobřeží Nového Zélandu, konkrétně na poloostrově Mahia. V průběhu roku 2021 dojde ke stratům raket Electron ze Spojených států, z ostrovu Wallops ve státě Virginia, kde se nachází kosmodrom Mid-Atlantic Regional Spaceport, ze kterého v současné době startují rakety Antares 230+ se zásobovacími loděmi Cygnus pro Mezinárodní vesmírnou staniciISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. ISS je neustále ve stavbě a potýká se s finančními problémy na ruské i americké straně. V roce 2008 byl k ISS připojen Evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán..

Poloha obou kosmodromů

Na obrázku nahoře je zachycena poloha komerčního kosmodromu Rocket Lab Launch Complex 1 nacházejícího na poloostrově Mahia na Novém Zélandu a na obrázku dole poloha ostrova Wallops v americkém státě Virginia, kde se nalézá Mid-Atlantic Regional Spaceport. Zdroj: Rocket Lab.

Curie & Photon

Urychlovací stupeň Curie slouží ke změně oběžné dráhy vynášených satelitů satelitů z eliptické (excentricitaExcentricita – výstřednost, poměr vzdálenosti ohniska od středu elipsy k délce hlavní poloosy. U pohybu těles v gravitačním poli jde o jeden ze základních dráhových elementů. < 1) na kruhovou (excentricita = 0). Tento stupěň snižuje čas potřebný k navedení satelitu na určenou oběžnou dráhu. Využití vlastního pohonu prodlužuje i životnost satelitů, která je určena objemem nesených pohonných látek. Stupeň Curie je vyroben z uhlíkových vláken, jeho vlastní hmotnost je 40 kilogramů a k jeho pohonu slouží stejnojmenný motor Curie s tahem 120 newtonů, vyráběný taktéž technologií 3D tisku, spalující dvousložkové palivo neznámého typu.

Postupným vývojem urychlovacího stupně Curie vznikla družicová platforma Photon, která je uzpůsobena pro delší mise. Bylo zvětšeno množství nesených pohonných látek a motor Curie získal trysku s větším průměrem. K prvnímu letu Photonu došlo 31. srpna 2020 během v pořadí čtrnáctého letu rakety Electron, pojmenovaného „I Can't Believe It's Not Optical“.

Urychlovací stupeň Curie

Urychlovací stupeň Curie je zde zachycen „zezadu“ a „zepředu“. Na levé fotografii
si můžete uprostřed povšimnout motoru Curie. Zdroj: Rocket Lab.

Společnost Rocket Lab má však ambice přesahující nízkou oběžnou dráhu. V únoru roku 2021 vynese raketa Electron do vesmíru družicovou platformu Photon s CubeSatem CAPSTONE (Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment), která bude ověřovat pohyb na oběžné dráze okolo Měsíce (NRHO, Near Rectalinear Halo Orbit). Tato dráha byla mj. zvolena pro americkou stanici Gateway, viz AB 11/2020.

Budoucí plány této společnosti jsou spojeny s modifikovanou a vylepšenou verzí platformy Photon. Měla by využívat motor HyperCurie spalující hypergolickéHypergolická reakce – extrémně rychlá chemická reakce, při níž se uvolní takové množství tepla, že k zažehnutí chemického hoření dojde už při prvním kontaktu obou složek. Obvykle jde o palivo a okysličovadlo. Reakce se využívá například v raketových motorech. palivo. Sám Peter Beck se netají svými plány vyslat misi k výzkumu Venuše.

Družicová platforma Photon

Tato konkrétní družicová platforma Photon bude sloužit jako třetí stupeň pro Cube­Sat CAPSTONE, jehož představa je na obrázku vpravo. Zdroj: Rocket Lab.

Znuvupoužitelnost

Budoucnost leží ve znuvupoužitelnosti raket. To si uvědomuje i společnost Rocket Lab a usilovně pracuje na zvládnutí této technologie. Na rozdíl od raket Falcon 9, které ke svému zpomalení před dosednutím využívají raketové motory, byla pro Electron zvolena rozdílná filosofie, kterou si nyní přiblížíme. Po vyčerpání pohonných látek dojde k oddělení a následnému zážehu druhého stupně. První stupeň se ocitne na balistické dráze mířící k zemskému povrchu. Po vstupu do hustších vrstev atmosféry dojde k vypuštění brzdícího balónového padáku, který raketu zpomalí pod rychlost zvuku. Následně dojde k vypuštění řiditelného padáku typu parafoil. V této fázi letu dojde k zachycení klesajícího prvního stupně rakety helikoptérou, takže bude znovu použitelný při některém z dalších startů. Animaci popsaného cyklu můžete shlédnout na následujícím videu.

Animace ukazující zachycení prvního stupně helikoptérou. Zdroj: Rocket Lab.

V současné době probíhají testy měkkého přistání na mořské hladině, první takový pokus proběhl 20. listopadu 2020 při v pořadí šestnáctém letu pojmenovaného „Return To Sender“. Z této mise byla společností Rocket Lab následně zveřejněna videa zachycující oddělení prvního a druhého stupně a následné přistání prvního stupně na mořské hladině:

Oddělení prvního a druhého stupně. Zdroj: Rocket Lab.

Alternativní řešení – přistání prvního stupně na mořské hladině. Zdroj: Rocket Lab.

Závěr

S mohutným rozmachem mikro a nanosatelitů na globálním trhu a zvyšující se poptávkou po raketových nosičích s nosností v řádech stovek kilogramů, které dopraví náklad na nízkou oběžnou dráhu, vzniká celé řada společností zaměřujících se na tento trh. Rocket Lab je v současné době jediná společnost, jejíž raketě se podařilo úspěšně dosáhnout oběžné dráhy. Avšak tento stav nebude trvat navždy, kupříkladu 16. prosince 2020 raketa Rocket 3.2 společnosti Astra, která odstartovala z kosmodromu Kodiak Launch Complex na Aljašce, pokořila Karmánovu hraniciKarmánova hranice – pomyslná hranice mezi zemskou atmosférou a kosmickým prostorem. Je definována jako výška, ve které rychlost potřebná k udržení hladiny letu pomocí vztlaku křídel dosahuje orbitální rychlosti. Hodnota Karmánovy hranice – 100 km – je definitorickým kompromisem mezi hodnotami kolísajícími podle aktuálního stavu ovzduší a parametrů letadla., nicméně neměla rychlost potřebnou k dosažení stabilní oběžné dráhy. Vzrůstající konkurence povede k hledání způsobů, jak zvítězit nad konkurenty a jak si osvojit technologii opětovného používání částí raket, což může být rozhodující.

Odkazy

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage