Raketa SLS se vydá na startovací rampu. A jednou poletí na Měsíc. Podívejte se, z čeho se skládá

SLS se chystá na první start

Nová raketa SLS se chystá na svůj první start. Oficiálně tím započne program Artemis, který naváže na úspěchy Apolla a dopraví člověka na povrch Měsíce. Trvale a ve spolupráci s mezinárodními partnery. 

SLS bude k Měsíci dopravovat kosmickou loď Orion s posádkou. Při prvním letu (pro SLS, Orion už jednou letěl) ale bude kosmická loď samozřejmě ještě prázdná.

Než se SLS odlepí od Země, proběhnou testy na startovací rampě. Na ní se vydá ve čtvrtek 17. března. Pásový přepravník s celou sestavou vesmírné rakety i odpalovací věže se dá do pohybu okolo 22:00 našeho času. Cesta na startovací komplex LC-39B potrvá 6 až 12 hodin. Pásový přepravním Crawler při tom ujede vzdálenost 6,8 km. 

Vlevo pásový přepravník Crawler, vpravo cesta, po které se vydá. Dole na fotografii je montážní hala VAB, ve které se SLS sestavuje. Startovací komplex 39B je vlevo nahoře. Vedle něj (vpravo) je komplex 39A, který dnes využívá SpaceX. Foto: NASA

SLS alias raketoplán bez raketoplánu

SLS (Space Launch System) bude vynášet kosmické lodě Orion „k Měsíci“. Nejdříve na oběžnou dráhu Měsíce, kde astronauti přestoupí do lunárního modulu (Starship od SpaceX). Později pak na cislunární dráhu okolo Měsíce, na které vyroste stanice Gateway.

Raketa SLS bude startovat z rampy LC-39B na Mysu Canaveral, z níž dříve startovaly raketoplány.

SLS je v podstatě americký raketoplán bez raketoplánu. No vážně! Space Shuttle, který létal do vesmíru v letech 1981 až 2011 se skládal ze tří části:

• Orbiteru (samotný raketoplán): na SLS ho samozřejmě nenajdeme, raketa si však bere z raketoplánu motory RS-25. Jen nebudou tři ale čtyři.  Servisní sekce Orionu pak využije motory OMS. 
• Vnější palivové nádrže (ET):  poskytovala palivo pro motory raketoplánu RS-25, což bude dělat také v případě SLS, kde tvoří tzv. centrální stupeň.
• Přídavných motorů na tuhé pohonné hmoty (SRB): v případě SLS byly zvětšeny a upraveny. Jejich role bude stejná – pomohou celému kolosu se odlepit od Země.

Americký raketoplán. Foto: NASA

Celou sestavu pro mise Artemis můžeme rozdělit na několik částí:

• Centrální stupeň (Core Stage)
• Přídavných motorů na tuhé pohonné hmoty (Solid Rocket Booster, SRB)
• Druhého stupně (Upper Stage), kterým bude při prvních letech stupeň ICPS. 
• Kosmická loď Orion
• Záchranná věžička (LAS)

Raketa SLS a loď Orion. Foto: NASA

Centrální stupeň (Core Stage)

• Délka: 65 metrů
• Průměr: 8,4 metru
• Hmotnost prázdného stupně: 85 275 kg
• Hrubá hmotnost: 979 452 kg

Centrální stupeň rakety SLS. Foto: NASA

Centrální stupeň vychází z vnější palivové nádrže raketoplánu (ET), která dodávala palivo pro motory raketoplánu. Úloha centrálního stupně je podobná. Poskytne palivo a okysličovadlo pro čtyři motory RS-25. 

Centrální stupeň se skládá z několika základních částí (zdola směrem nahoru):

• Motorová sekce
• Nádrž na kapalný vodík
• Intertank (propojení nádrží)
• Nádrž na kapalný kyslík
• Adaptér LVSA

Centrální stupeň rakety SLS se vyrábí v Michoud Assembly Facility v New Orleans.  V minulosti se zde vyráběl první stupeň rakety Saturn V, později pak vnější palivové nádrže raketoplánu. Hlavním dodavatelem je Boeing. 

Jednotlivé hlavní části centrálního stupně si můžeme rozdělit na tři typy dílů: sudy (barrels), kroužky (rings) a kupole (dome). Tyto díly se vyrábí z hliníkových panelů (materiálem je hliník 2219), které se liší délkou a výškou.

Centrální stupeň rakety SLS. Foto: NASA

Centrální stupeň obsahuje dvě nádrže, do kterých se vejdou 2 miliony litrů kapalného vodíku a 742 tisíc litrů kapalného kyslíku.

Zleva: Nádrž na vodík, intertank, nádrž na kyslík. Foto: NASA

Vodík a kyslík jsou prvky, které jsou běžnější ve formě plynu. V tomto skupenství jsou ale jako raketové palivo a okysličovadlo nepoužitelné. Palivové nádrže by musely být extrémně velké. Proto je potřeba přeměnit oba prvky na kapalnou formu a zvýšit tak jejich hustotu. Není to ale zadarmo. Oba prvky musíme ochladit na extrémní teploty. S vodíkem se pracuje při teplotě -253 stupňů Celsia, kyslík vstupuje do palivové nádrže při teplotě asi -179 stupňů Celsia.

Nádrž na vodík má délku 39 metrů, nádrž na kyslík 8,5 metru. Mezi nimi je intertank, který obě nádrže spojuje a je také připojovacím bodem pro dva motory SRB.

Adaptér LVSA 

Nad nádrží s kyslíkem je pak adaptér LVSA (Launch Vehice Stage Adapter), který spojuje centrální stupeň se stupněm ICPS, který dopraví Orion k Měsíci.  Hlavním dodavatelem je Teledyne Brown Engineering v Huntsville. Největší průměr je 8,4 metru a výška 9,1 metru.

Adaptér LVSA, foto: NASA 

Izolace aneb proč je nádrž oranžová?

Díky práci s kryogenním palivem dostává centrální stupeň i svou charakteristickou oranžovou barvu – jedná se o pěnovou izolaci. Proč je oranžová?

Izolační pěna, která má zajistit, že palivo zůstane v kapalném skupenství, se při výrobě nádrže nastříkává. Pěnová izolace sice vypadá stejně jako u vnější palivové nádrže raketoplánů, ale i ona prošla vývojem a to zejména z důvodu větší šetrnosti k životnímu prostředí.

Pěna se skládá ze dvou kapalin – isokyanátu a speciální směsi polyolů. Obě složky zůstávají oddělené a promíchají se až ve stříkací pistoli. Když je pěna nanesena na jednotlivé části centrálního stupně, dostává raketa světle žlutou barvu, kterou ultrafialové paprsky nakonec „opálí“ na oranžovou.

Izolace centrálního stupně. Foto: NASA

Některé části rakety vyžadují trochu ohleduplnější izolaci, a tak se provádí nanesení pěny ručně nebo s využitím forem vyrobených 3D tiskem.

Tloušťka izolace se pohybuje od 1,3 po 5 cm. Například v oblasti adaptéru LVSA je tloušťka pěny kolem 1,7 cm, ale u palivové nádrže s kyslíkem asi 3 cm.

Kromě pěny se používá pro izolaci také korek a to v oblasti motorové sekce, pod motory SRB apod.

Motory RS-25

Centrální stupeň bude dodávat palivo pro motory RS-25, které SLS zdědila z raketoplánu. Space Shuttle používal tři pod zkratkou SSME (Space Shuttle Main Engine). SLS bude mít motory rovnou čtyři.

• Rozměry: 4,2 x 2,4 m
• Hmotnost: 3,5 tuny
• Operační čas: 8 minut
• Tah:  2,27 MN (každý)

Motory RS-25, foto: Aerojet Rocketdyne

Reakce vodíku a kyslíku generuje obrovské teplo, což způsobuje, že vodní pára expanduje a opouští trysky motoru rychlostí 16 000 km/h. Rychle se pohybující pára vytváří tah, který pohání raketu. 

Pokud si chcete udělat představu o velikosti motoru, tak vězte, že tryska motoru je 3,1 metru dlouhá. Ve svém hrdle má průměr jen 26 cm a na výstupu 2,30 metru. Vnitřní povrch každé trysky je chlazen kapalným vodíkem.

1 až 4: turbočerpadla, 5: hlavní spalovací komora, 6: tryska, 7: ovladač motoru.

Motory RS-25 byly navržené a vyrobené společností Aerojet Rocketdyne ze Sacramenta v Kalifornii.

Z programu raketoplánu zbylo 16 motorů, které SLS využije pro první čtyři mise (Artemis 1 až 4). Motory se označují za RS-25D.

Elon Musk je považován za otce „opakovatelně použitelné kosmonautiky“. Není to ale úplně pravda. Nesmíme zapomínat, že raketoplán se po splnění úkolu vracel na Zemi. Motory RS-25 tak byly opakovatelně použitelné. Při startu SLS ale budou s celým centrálním stupněm zahozeny, takže se z opakovatelně použitelné technologie stává paradoxně nevýhoda.

Každý motor má své číslo, což umožňuje prozkoumat jeho historii. Při misi SLS budou využity motory E2060, E2058, E2045 a E2056. Nejstarším je E2045, který má na kontě 12 letů. Prvním byla mise STS-89 v roce 1998 a posledním STS-135 v roce 2011 (poslední let raketoplánu). Další motory mají na kontě 3, 4 a 6 letů. E2056 letěl při misi STS-114, což byl první let po nehodě Columbie, E2060 je druhým ze tří motorů z mise STS-135.

Zatímco u raketoplánů fungovaly na 104,5 procent jmenovitého tahu, u SLS bude každý motor pracovat s tahem 109 procent.

Motory prošly úpravami. U SLS bude u motorů docházet ke zvýšení vstupního tlaku a teploty hnacího plynu. V případě spalovací komory se využívají nové materiály (keramika), které mají výrazně nižší tepelnou vodivost než kovové slitiny, což umožňuje účinnější spalování a snižuje požadavky na chlazení. Nové jsou také řídicí jednotky a výfukové trysky.

NASA a Aerojet Rocketdyne už obnovili výrobu RS-25 pod označením RS-25E. Mají být levnější a nabídnout i nepatrně větší tah.

Motory RS-25 (ty největší) na raketoplánu. Foto: NASA

Nová varianta bude zjednodušena, eliminuje opakovaně použitelné funkce raketoplánu a bude využívat nejmodernější výrobní procesy, materiály, technologie a kontrolní techniky, které sníží práci, závady hardwaru a dobu výroby.

Jednou z nejslibnějších výrobních technologií je selektivní laserové tavení, což je forma 3D tisku. Vzhledem k tomu, že nejsou svařeny, jsou tyto části konstrukčně pevnější a spolehlivější.

Přídavné motory SRB (Solid Rocket Booster)

• Délka: 54 metru
• Průměr: 3,6 metru
• Tah (ve vakuu): 16 MN
• Hmotnost: 725 747 kg
• Operační čas: 126 sekund

Přídavné motory (SRB) jsou další částí rakety SLS, která má původ u amerického raketoplánu. Motory jsou na tuhé pohonné hmoty a pracují první dvě minuty letu.

SRB se skládají z pěti segmentů. Foto: NASA

Opět jde o krok zpět. U raketoplánu se SRB odpojily a přistály v oceánu na padácích, takže mohly být znovu použity. U SLS se s tím nepočítá.

Jako palivo se používá hliníkový prášek a jako oxidační činidlo slouží minerální sůl – chloristan amonný. Pojivem je PBAN (polybutadien akrylonitril). Směs s konzistencí gumy se plní do ocelového pouzdra.

Spojování segmentů SRB. Foto: NASA

SRB spaluje přibližně šest tun pohonné látky každou sekundu. Oba boostery poskytují raketě SLS více než 75 procent celkového tahu při startu.

SRB vyrábí společnost Orbital ATK v Utahu. Motory SRB se skládají z několika segmentů. Právě u nich najdeme hlavní rozdíl mezi SRB raketoplánu a SLS. V případě raketoplánu měl SRB čtyři segmenty, u SLS byl přidán ještě pátý. Kromě toho jsou SRB optimalizován pro jedno použití, obsahují o 25 % více paliva, mají nový design trysek, novou avioniku a novou izolaci bez azbestu.

ICPS (Interim Cryogenic Propulsion Stage)

• Délka: 13,7 metru
• Průměr: 5 metrů

ICPS při přípravě k připojení k SLS. Foto: NASA

ICPS bude sloužit jako druhý stupeň, který zajistí let k Měsíci. Využívá jeden motor RL10 od společnosti Aerojet Rockedyne. Motor je poháněn kapalným vodíkem a kapalným kyslíkem a generuje 110 kN tahu.

Motor RL10 se v různých verzích od počátku 60. let. Dnes se používá pro druhé stupně (Centaur) raket Atlas V a Delta IV. Využívat ho bude také stupeň Centaur rakety Vulcan od ULA.

Verze rakety SLS

Při prvních třech letech poletí SLS ve verzi Block 1. Počítalo se i s nákladní verzí rakety, ale je otázkou, zda bude mít vůbec co vynášet. 

Od mise Artemis 4 by měla létat verze Block 1B a později Block 2.

Možné verze rakety SLS. Foto: NASA

Rozdíly:

• Block 1B využije místo ICPS nový urychlovací stupeň EUS
• Block 2: využije také EUS a kromě toho nové přídavné motory BOLE (Booster Obsolescence and Life Extension

EUS (Exploration Upper Stage) bude poháněn čtyřmi motory RL10, které produkují téměř čtyřikrát větší tah než jeden motor RL10, který pohání ICPS nebo také asi 428 kN tahu.

BOLE bude využívat odlišné palivo, uchycení k SLS i odlišná konstrukční řešení.

Rozdíly mezi CLPS a EUS. Foto: NASA

Evropská servisní sekce (ESM)

Kosmická loď Orion bude astronauty dopravovat ke stanici Gateway, nebo na oběžnou dráhu kolem Měsíce. Svůj první let absolvovala už v prosinci 2014, kdy ji poprvé a naposledy vynesla raketa Delta IV Heavy. 

Orion se skládá ze tří částí:

• Evropské servisní sekce
• Modulu posádky 
• Záchranného systému (LAS)

Kosmická loď Orion se servisní sekcí a záchrannou věží. Foto: NASA

Servisní sekce poskytne Orionu pohonnou a napájecí podporu. Vychází z evropské kosmické lodě ATV, která dopravovala v letech 2008 až 2014 zásoby na ISS.

Orion se servisní sekcí

Servisní sekce má průměr 4,1 metru a délku 4 metry. Na rozdíl od Apolla bude Orion využívat energii vyrobenou solárními panely. Najdeme je právě na servisní sekci – celkem jsou čtyři. Každé pole má rozměry  2 x 7 metrů a skládá se ze tří části. Solární panely dodají 11,2 kW elektrické energie. 

Motory servisní sekce

Na samotné servisní sekci najdeme tři druhy motorů. Všechny využívají kapalné pohonné hmoty – palivem je monometylhydrazin (MMH) a jako okysličovadlo se využívají oxidy dusíku. Ve čtyřech nádržích o kapacitě 2000 litrů je celkem 9 tun paliva. Dvě ze tří sad motoru vyrobila firma Aerojet Rocketdyne.

Motory na servisní sekci. Foto: NASA

Orbital Maneuvering System (OMS-E)

• Počet: 1
• Tah: 26,7 kN

Jedná se o hlavní motor, který bude zajišťovat pohon pro hlavní manévry Orionu ve vesmíru při jeho cestě kolem Měsíce. Hlavním motorem první mise je repasovaný motor raketoplánu, který již dříve létal ve vesmíru – absolvoval 19 misí raketoplánů, počínaje STS-41G v říjnu 1984 a konče STS-112 v říjnu 2002.

Pomocný motor R-4D-11

• Počet: 8
• Tah: 0,49 kN (každý)

Slouží ke korekci trajektorie a jako záloha hlavního motoru. 

Reaction Control System Engines

• Počet: 24
• Tah: 0,22 kN (každý)

Vyrobila je společnost ArianeGroup. Slouží k tomu, aby se kosmická loď pohybovala různými směry nebo se otáčela do libovolné polohy. 

Modul posádky (Orion Crew module)

Jedná se o opakovaně použitelnou kapsli pro posádku, poskytuje úložiště pro spotřební materiál a výzkumné nástroje a obsahuje dokovací port pro přesuny posádky. Modul posádky je jedinou částí kosmické lodi, která se po každé misi vrací na Zemi. Má tvar komolého kužele o průměru 5 metru a délce 3,3 metru. Na palubu se vejde 4 až 6 astronautů.

Posádka bude mít k dispozici ovládací panel se třemi obrazovkami s 67 spínači, což je docela velká úspora ve srovnání s raketoplánem, ve kterém bylo 10 displejů a na 1200 přepínačů. 

Na rozdíl od kosmických lodí pro let na nízkou oběžnou dráhu musí Orion umět pracovat také s nabitými částicemi ze Slunce. V případě zvýšeného rizika se posádka přesune dolů pod podlahu do úložných skříní a vybuduje si úkryt z vaků, které obsahují zásoby a vybavení. Částečně to zachycuje video níže.

Motory MR-104G Reaction Control System Engines

• Počet: 12
• Tah: 0,7 kN

O pohon Orionu se sice stará servisní sekce, ale také na modulu posádky najdeme motory. Jejich úloha přijde poté, co se Orion odpojí od servisní sekce před vstupem do atmosféry. Motory zajistí správnou orientaci kosmické lodi pro vstup do atmosféry.

Uvnitř Orionu. Foto: Jessica Meir, NASA

Při průletu atmosférou ochrání loď tepelný štít z látky zvané Avcoat, která je ablativní. Během průletu postupně shoří a odvede tak teplo z kapsle.

Orion přistává stejně jako Apollo na padácích – celkem jich je během přistání postupně nasazeno 11. Vyrobeny jsou z kevlaru a nylonu. K přistání pak dochází do vody. 

Tepelný štít Orionu ochrání posádku při návratu atmosférou před teplotou asi 2700 °C. Na fotografii je tepelný štít pro Artemis 2. Foto: NASA

Systém LAS

Kosmická loď Orion má záchranný systém, který by byl aktivován v případě problémů na startovací rampě nebo během prvních fází letu. Jeho úkolem je odnést loď od rakety SLS do bezpečí a naorientovat Orion tak, aby mohl rozvinout své padáky.

Zatímco například u Crew Dragonu je záchranný systém integrován přímo do lodě, Orion používá záchranou věžičku, která se následně odhodí.

Během startu a přistání budou mít astronauti na sobě skafandry – Orion Crew Survival System (OCSS). Vychází z oranžových skafandrů, které měli astronauti v raketoplánu.

Vlevo: systém LAS při práci (kresba), vpravo: skutečný systém LAS pro misi Artemis 1. Foto: NASA

LAS disponuje třemi sadami motorů:

• Abort motor: zajistí oddělení a odlet Orionu od rakety SLS 
• Attitude Control motor: otočí celou soustavy před odpojením LAS od Orionu.
• Jettison motor: zajistí bezpečný odlet LAS od Orionu.

Motory systému LAS. Foto: NASA