Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 36 – vyšlo 13. září, ročník 17 (2019)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Plovoucí kosmodromy

Rudolf a Dana Mentzlovi

Čína se během posledních dvou desetiletí stala nepřehlédnutelnou mocností dobývající vesmír. Bylo by předmětem hlubokého rozboru a nekonečných diskuzí, zda se v budoucnosti stane i lídrem, proto se zaměřme na to, co dělá nyní. V nedávné době jsme zaznamenali její další úspěch.

Start rakety Dlouhý Pochod 11 z čínské plovoucí plošiny. Zdroj: NASA Spaceflight.

Sea Launch Equatorial Range – původně mezinárodní a nyní ruský námořní kosmodrom kotvící v Tichém oceánu poblíž rovníku. Rakety startují z přebudované ropné plošiny Ocean Odyssey, řídicí středisko se nalézá na doprovodné lodi Sea Launch Commander. Následník kosmodromu San Marco Equatorial Range.

San Marco Equatorial Range – italský námořní kosmodrom vypouštějící menší rakety Scout. Vznikl v roce 1965, první start se uskutečnil v roce 1967, poslední v roce 1988.

Karmánova 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.

Radar se syntetickou aperturou – radar rychle se pohybující nad krajinou, který vysílá v rychlém sledu sérii impulsů a matematickou analýzou odražených paprsků získává obraz s vyšším rozlišením, než by poskytl statický radar. Postup je náročný na výpočetní techniku. Zpracovává informaci nejen o amplitudě, ale i o fázovém posunu odražených vln.

Čína se při startech kosmických raket musí potýkat s jednou komplikací – se zeměpisnými predispozicemi. Většina jejího území není pro výstavbu kosmodromu vhodná. Velkou část zabírá hornatá Himálaj, hustě obydlené oblasti nepřipadají v úvahu z pochopitelných důvodů. I její nejjižnější část (kde by bylo beztak riskantní kosmodrom vybudovat) se nachází asi 2000 kilometrů daleko od rovníku, kde jsou podmínky ke startu z energetického hlediska nejvýhodnější. Díky rotaci ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. zde každý bod dosahuje rychlosti téměř 0,5 km.s⁻¹, tedy asi 6 % první kosmické rychlosti. Proto se kosmodromy staví pokud možno co nejblíže rovníku. Větší část rovníku však prochází oceánem. Čína tuto komplikaci přeměnila ve výhodu a zkonstruovala plovoucí kosmodrom.

Z vody do vesmíru

Myšlenka plovoucího kosmodromu rozhodně není nová a už vůbec ne původní. O letech do vesmíru snili lidé dávno před tím, než se uskutečnil první start. Ve fantastických románech jsme se mohli dočíst nejen o kosmodromech plovoucích, ale i podvodních. Teprve moderní doba ukázala, že to nejsou jen fantazie, dnes máme obojí. Srovnejme například start rakety v němém filmu Žena na Měsíci s (neuskutečněným) projektem z moře startující obří rakety Sea Dragon (viz obrázek). Ačkoli je děj filmu neskutečně naivní, k technickým konzultacím si přizvali samotného profesora Hermanna Julia Obertha (1894–1989). Ten místo startovací rampy navrhl umístit raketu pod vodní hladinu. Na první pohled bláznivý nápad má i nesporné výhody. Předně je to stabilita před startem a v prvních fázích startu. Dále odpadá problém s pomalými deformacemi způsobenými vlastní tíhou. Tlak okolní vody také zjednodušuje konstrukci palivových nádrží. Mnohokrát testované starty balistických raket z ponorek potvrzují řešitelnost technologických problémů.

Neuskutečněný projekt z roku 1962 – raketa Sea Dragon schopná startovat
přímo z moře. Zdroj: @AstroBidules, Rb4827, CC BY 4.0.

Start rakety z ponorky až na oběžnou dráhu není pouze vize. Z ruské mezikontinentální balistické rakety R-29R povstala v roce 1995 raketa Volna s ambicemi vynést na nízkou oběžnou dráhu až 120 kg užitečného zatížení. Nebýt ojedinělosti koncepce, nestály by její úspěchy za zmínku. Z pěti startů se zdařil pouze první, a ten mířil pouze na suborbitální dráhu. Při druhém startu měl být vypuštěn prototyp sluneční plachetnice Cosmos 1 společnosti Planetary Society, bohužel skončil havárií. Podrobnosti jsme přinesli v AB 35/2005. U dalších startů někdy selhal software, jindy turbočerpadlo, což jsou dětské nemoci a jistě by se dal celý systém doladit, nicméně po roce 2005 byl projekt zrušen. Nebyl to jediný pokus tohoto typu. V roce 1998 vypustila ruská ponorka K-407 Novomoskovsk z Barentsova moře dvě německé komunikační družice Tubsat-N a Tubsat-N1. Možnost putovat s kosmodromem po světovém oceánu zůstává tedy stále zajímavá. Proto se pojďme podívat na podobné, ale úspěšnější koncepce.

První mořský kosmodrom zkonstruovali již v roce 1966 Italové a bezproblémově fungoval až do roku 1988. Kosmodrom San Marco Equatorial RangeSan Marco Equatorial Range – italský námořní kosmodrom vypouštějící menší rakety Scout. Vznikl v roce 1965, první start se uskutečnil v roce 1967, poslední v roce 1988. postavili na pilotech ukotvených v hloubce dvaceti metrů v mezinárodních vodách nedaleko Keni. Byl tvořený dvěma plošinami vzdálenými několik set metrů. Hlavní plošina s dílnami a odpalovací rampou měla půdorys obdélníku o stranách 100×30 m, vedlejší s řídicím střediskem a ubytovnami vypadala jako rovnostranný trojúhelník o straně 30 m. Kosmodrom sloužil k vypouštění menších raket typu Scout.

Raketa Scout na italském kosmodromu San Marco Equatorial Range.
Zdroj: Wikipedia.

Za málo peněz hodně muziky

Jiný plovoucí kosmodrom pořídila poměrně levně ze staré ropné plošiny firma Sea Launch sdružující čtyři soukromé firmy – americký Boeing (40 %), ruskou Eněrgii (25 %), norskou Aker Solutions (20 %) a ukrajinskou Južnoje (15 %). Po ekonomických kotrmelcích je dnes vlastníkem ruská S7 Group. Starty do vesmíru by chtěla obnovit do konce tohoto roku.

Komplex se skládá ze dvou základních částí: z velitelské lodě Sea Launch Commander a ze startovní plošiny Ocean Odyssey. Velitelská loď má dva úkoly. Nejprve, ještě v přístavišti, poslouží jako montážní hala, ve které se kompletuje nosná raketa a náklad, později přejímá funkci řídicího střediska. Plošina Ocean Odyssey převeze připravenou raketu k rovníku, kde dojde ke startu rakety.

Plovoucí kosmodrom Sea Launch Equatorial RangeSea Launch Equatorial Range – původně mezinárodní a nyní ruský námořní kosmodrom kotvící v Tichém oceánu poblíž rovníku. Rakety startují z přebudované ropné plošiny Ocean Odyssey, řídicí středisko se nalézá na doprovodné lodi Sea Launch Commander. Následník kosmodromu San Marco Equatorial Range. je specializovaný na odpalování raket Zenit – 3SL s komerčním nákladem na palubě. Od prvního startu v roce 1999 má na kontě 32 úspěšných startů a čtyři selhání, z nichž to nejhorší potkalo plošinu v lednu 2007. Výbuch nosné rakety přímo na plošině Odyssey zničil holandskou telekomunikační družici NSS-8. Příčina havárie není jednoznačně prokázána, předpokládá se však, že explozi způsobilo turbočerpadlo zablokované cizím tělesem. Škody na plošině se ukázaly víceméně jen jako povrchové, a tak k dalšímu startu došlo již za rok.

Start z plošiny Ocean Odyssey. Zdroj: S7 Space.

Nejnovější úspěch na poli dobývání kosmu z hladiny moře je spojen s letošním pátým červnem. K nebi vzlétla z plovoucí základny ve Žlutém moři čínská čtyřstupňová raketa Dlouhý pochod 11. Sama raketa se za pět let provozu stala osvědčeným prostředkem pro dopravu na oběžnou dráhu. Byla vyvinuta Čínskou akademií raketových technologií jako raketa, která má být vždy po ruce. To se podařilo především díky pohonu – jedná se o raketu na tuhá paliva, se kterým nejsou problémy během skladování. Se svou délkou 20,8 m a průměrem 2 m patří spíše mezi ty menší, nicméně na 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. ve výšce 700 km dokáže dopravit náklad o hmotnosti až 350 kg.

Vlastní plošina má rozměry 110×80 m. Do startovní polohy dostává raketu 15,5 m vysoká konstrukce. Sama raketa je odpalována z uzavřeného sila, což s sebou nese mnoho rizik, od nezanedbatelné energie zvukových vln až po problematický odvod horkých spalin. Proto se v takových případech raketa vystřeluje stlačenými plyny jako z děla a teprve v dostatečné výšce dochází k vlastnímu zážehu raketových motorů. Tento způsob, jakkoli povážlivě vyhlíží, přináší uspokojivé výsledky.

Raketa Dlouhý Pochod 11 po úspěšném startu. Zdroj: NASA Spaceflight.

Bilancování

Od doby, kdy se německá balistická střela V2 při pokusném letu dotkla hranic kosmického prostoruKarmánova 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., vyrostly na Zemi desítky raketodromů. Většina z nich dokáže vypouštět rakety schopné dosáhnout oběžné dráhy. Z mnoha důvodů je klíčovým parametrem jejich umístění. Někdy je žádoucí využít co nejvíce rotace Země, pak jsou stavěny poblíž rovníku. Jindy je důležitý sklon dráhy, pak je upřednostněna jiná rovnoběžka. Významná je také orientace pobřeží. Většina startů využívá rotaci Země, proto je preferováno východní pobřeží, aby odhazované první stupně raket padaly do moře. Vojáci (a nejen oni) ovšem leckdy mají zájem na retrográdním oběhu. Oběh proti směru otáčení Země je pak téměř o 1 km s⁻¹ rychlejší, což zvýší rozlišení radarů se syntetickou aperturouRadar se syntetickou aperturou – radar rychle se pohybující nad krajinou, který vysílá v rychlém sledu sérii impulsů a matematickou analýzou odražených paprsků získává obraz s vyšším rozlišením, než by poskytl statický radar. Postup je náročný na výpočetní techniku. Zpracovává informaci nejen o amplitudě, ale i o fázovém posunu odražených vln. ve špionážních družicích. Pak je výhodné startovat z pobřeží západního.

Ne vždy se podaří pro požadované parametry oběžné dráhy najít kosmodrom s optimální polohou. Je možné, že na požadovaném místě ani není možné kosmodrom postavit. Zde je prostor právě pro plovoucí kosmodromy. Zatím mají konstrukci vyžadující ukotvení v mělkých vodách, nicméně na příkladech vypouštění raket z ponorek vidíme, že i tento nedostatek se dá odstranit. Otázka je, zda o to bude zájem. Dosavadní úspěchy nevyznívají příliš přesvědčivě. Za 22 let provozu italské plošiny San Marco Equatorial Range zde bylo vypuštěno pouhých devět raket nižší tonáže. Novější plošina Odyssey se svými 32 úspěšnými starty je na tom lépe, ale ve srovnání s klasickými kosmodromy se nedá mluvit o triumfu. Uvidíme, zda čínský příklad přinese zlom v dobývání vesmíru.

Start rakety Dlouhý pochod 11 z plovoucí základny ve Žlutém moři.
Zdroj: China Central Television.

Odkazy