Cesta k první české raketě Český vrabec

Vesmír není jen velký byznys. Vesmír je nová lidská doména. Někteří přirovnávají dnešní dobu k počátkům zaoceánských výprav v 15. století. Zaoceánské cesty přenesly nebývalou prosperitu Evropě a stvořily nejbohatší a nejmocnější státy světa. Stejné předpoklady platí i pro vesmírné výpravy.

Díky vesmíru může prosperovat i Česká republika. Vlastně nemá na výběr. Šance uspět máme:

Na konci tohoto desetiletí se podle odhadů každý rok na oběžnou dráhu dostane 1400 malých komerčních satelitů (Starlink nepočítáme). Ze dvou třetin půjde o satelity do 200 kilogramů, kam patří i česká vojenská družice Golem. Globální trh v oblasti vynášení malých satelitů v tomto desetiletí překoná 10 miliard dolarů.

Současně celosvětově běží více než 150 projektů v oboru raketové dopravy malých satelitů na oběžnou dráhu. Více než deset je již plně etablováno a dalších 40 subjektů plánuje první start v této dekádě. Konkurenční prostředí tedy houstne. Avšak vzhledem k silné poptávce každá malá raketová firma může mít roční obrat desítky či stovky milionů dolarů.

Stačí k tomu jediné – mít vlastní raketu. Z technického hlediska to nemusí být zase tak složité, jak by se mohlo na první pohled zdát:

Řada lidí si při představě startující rakety vizualizuje spektakulární start raketoplánu nebo obří rakety Saturn 5. Vzpomene si také na monumentální startovní rampy a rozlehlé kosmodromy. V lidech tyto obrazy vyvolávají fascinaci, úžas a ohromení.

Prototyp českého motoru PEPEk s palivy hnanými tlakem v nádržích (tzv. pressure-fed system) / OteSpace

Dnes jsou ale starty raket mnohem nudnější, a hlavně mnohem levnější. Do vesmíru totiž začínají pronikat soukromé firmy orientované na zisk skrze nízké náklady. Dřívější vládní firmy naopak dosahovaly „zisku“ skrze maximální náklady – čím složitější a komplikovanější raketa a startovní rampa, tím lépe, protože to znamená více práce pro všechny, a tedy více vládních peněz.

Ostatně srovnejte si programy raket StarShip od SpaceX a „vládní“ měsíční rakety SLS (Space Launch System). Podívejte se na konstrukci raket, a hlavně na provozní zázemí. Tohle srovnání řekne vše, co potřebujete vědět.

Srazit náklady a zvýšit efektivitu jde u malých raket mnohem více. Již nyní některé soukromé firmy vyvíjejí malé nosné rakety, s kterými můžete odstartovat téměř odkudkoli, a přitom na oběžnou dráhu vynášet 200 kilogramů těžké satelity. Podívejte se například na startovní rampu rakety Electron.

Provozní zázemí malých raket se vejde do několika, po cestě přepravitelných, kontejnerů. Není to výsledkem jen technologického pokroku, ale také výsledkem poptávky – malé satelity si dnes do vesmíru může nechat poslat i menší firma, zemědělské družstvo, střední škola nebo menší město. Proč město? Například aby si hlídalo uniky vody z vodovodního řádu, hlídalo špatně zaparkovaná auta, nelegální stavby, nelegální kacení stromů atd.

Další test stejného motoru/ OteSpace

Také český start-up OteSpace vyvíjí malou „kontejnerovou“ raketu Český Vrabec (The Czech Sparrow). O firmě jsme již psali. Dnes se ponoříme hlouběji do vývoje rakety a ukážeme si působivé video z testu prototypu raketového motoru PEPEk (PEroxide Propulsion Element).

Základní vlastnosti českého raketového motoru PEPEk jsou:

• Jednoduchost, nenáročnost, nízké výrobní náklady a použití volně dostupných materiálů a dílů.
• Výroba v běžných strojírenských podnicích (bez investic do nového vybavení);
• Relaxované podmínky běhu (relativně nízké teploty a tlaky v komoře);
• Regulovatelný tah v širokém rozsahu 15 až 115 % nominálního tahu;
• Znuvupoužitelnost, tedy schopnost se opakovaně a spolehlivě zažehnout (bez využití speciálního zážehového systému), a schopnost přestát mnoho cyklů (délka jednotlivého běhu je do šesti minut);
• Motoricky přistávat s raketou;
• Tekutá a skladovatelná paliva za normálních podmínek (≈ 25°C, atmosférický tlak, tedy nikoli podchlazené tekuté plyny, se kterými je obtížná manipulace), netoxická a nekarcinogenní (ekologická, s minimálními nároky na bezpečnost práce, ochranu, legislativu), ne pyroforická (spontánně se zažehující se vzduchem), vodou ředitelná (snadná dekontaminace prostoru vodou).

OteSpace v první fázi vyvinula potřebné palivo a otestovala prototyp raketového motoru se stabilním během a schopností opakovaného zažehnutí (viz dvě videa výše).

Po počátečních demonstračních testech OteSpace přistoupila ke stavbě raketového motoru PEPEk-1 poháněného elektrickými čerpadly. Výhodou elektrických čerpadel je celková jednoduchost – konstrukční i operační. Současně ke svému fungování nepotřebují pohonné hmoty z nádrží rakety. Nevýhodu je především vyšší hmotnost (díky bateriím) a nepraktičnost využití elektrických pump pro velmi výkonné raketové motory.

Úspěšný horký test nechlazeného motoru PEPEk-1 s nerezovou komorou a tryskou z grafitu (konec roku 2020) / OteSpace

Pro vyvíjený prototyp PEPEk-1 (relativně malý motor o nominálním tahu 1000 N = 100 kg) nebylo možné použít standardní odstředivé (radiální) čerpadlo. Takové čerpadlo by mělo velmi malý impeller („vrtulku“) a nesmyslně velké otáčky. Protože PEPEk-1 do vesmíru nepoletí a není tedy třeba hledět na hmotnost, OteSpace pro zkoušky zvolila pístová čerpadla.

Pro první fázi bylo zvoleno čerpadlo s 18 písty. Tento prototyp trpěl řadou problémů v důvodu malého zdvihu pístů, které z důvodu konstrukce a nepřesností při výrobě pulsovalo. Nedal se tedy očekávat hladký běh motoru. Nicméně OteSpace si odzkoušelo postupy spojené s řízením hnacího elektromotoru, sekvencemi ventilů při zážehu a získala neocenitelné množství znalostí a praktických zkušeností.

Tato fáze skončila na konci roku 2020, kdy OteSpace provedl horký test nechlazeného motoru PEPEk-1 s tryskou z grafitu a jmenovaným čerpadlem (viz video výše). Test trval řádově deset sekund a byl plánovaně přerušen, protože nechlazená, pět milimetrů tlustá nerezová komora vydrží akumulovat teploty a odolávat tlaku jen krátce.

Dron RRDD; větší foto / OteSpace

Na začátku roku 2021 si OteSpace stanovila další cíle:

• Stavba raketového testovacího dronu RRDD (Reusable Rocket Dron Demonstrator). V první fázi dron slouží ke zkouškám tlakovaných palivových nádrží. Toky paliv z nádrží jsou řízené pneumaticky soustavou ventilů – po odvzdušnění soustavy se přepne tok do injektoru komory raketového motoru a ventilu sloužícího k přepínání paliv z hypergolického (zážehového) na méně reaktivní. Hypergolické palivo je kromě své značné reaktivity navíc drahé a má horší specifický impuls (efektivitu). Je proto výhodnější, a hlavně bezpečnější, po zážehu (rozehřátí komory na provozní teplotu) přepnout na efektivnější a méně reaktivní palivo;

Regenerativně chlazená komora a tryska; větší foto / OteSpace

• Navrhnout a vyrobit regenerativně chlazenu komoru a trysku. Jde o poměrně komplikovanou věc, protože chladivo – peroxid – musí po vstupu do raketového motoru nejprve projít stěnou trysky a komory a poté teprve do injektoru raketového motoru. Ve hře je proto výroba celého raketového motoru na 3D tiskárně;

Nové pístové čerpadlo; větší foto / OteSpace

• Největší výzvou byla konstrukce pístového čerpadla, které pomocí šesti pístů čerpá zároveň palivo i okysličovadlo. Zkoušky potvrdily minimální pulsování čerpadla a vysokou efektivitu. Dalším oříškem bylo najít komerčně dostupný vhodný elektromotor s dostatečně velkým krouticím momentem, který by byl odolný proti přehřátí (systémem protéká řádově 100 A). Stejně tak bylo potřeba najít dostatečně dimenzovaný regulátor otáček elektromotoru. Požadavkem byla odolnost proti vlhkosti, ovladatelnost a schopnost v reálném čase zobrazovat a zaznamenávat všechna potřebná data (otáčky, průběhy, teploty, proudy, napětí a další);

Hlavní ventil; větší foto / OteSpace

• Vývoj hlavního ventilu. Jedná se v podstatě o trojcestný, pneumaticky řízený ventil, který musí za všech okolností zamezit smíchání paliv. V opačném případě dojde k explozi (podobné požadavky jsou i na hydraulickou část čerpadla);
• Vývoj, návrh, osazení a programovaní malého průmyslového počítače PLC (Programmable Logic Controller) tak, aby bylo možné ze vzdáleného notebooku ovládat nádrže, ventily a čerpadlo a vyčítat telemetricky všechna data;

Blok pneumatických ventilů; větší foto / OteSpace

• V „laboratorních podmínkách“ rutinně zvládnut test těsnosti nádrží a rozvodů, plnění nádrží, tlakování nádrží, tlakování pneumatiky, proplachování potrubí a přepínání hlavního ventilu do komory (bez jakéhokoli prosakování hlavního ventilu a čerpadla kamkoli).

Vše výše uvedené se během minulého roku podařilo dokončit, a proto byl na polovinu února naplánován horký test motoru PEPEk-1 a výše popsaných komponentů. Test se nijak nevymykal z běžné praxe testů raketových motorů a raket – byl úspěšný, ale skončil výbuchem.

Obstál nový řídící systém, sběr dat, automatické sekvence, pístové čerpadlo a běh s natlakovanými nádržemi. Stejně tak fungoval hlavní ventil a přepnutí paliva ze zážehového na „cestovní“. Vydržela také tryska motoru, tedy nejvíce namáhaná část raketového motoru.

Únorový horký test chlazeného motoru PEPEk-1 s novým čerpadlem a přepínáním paliva./ OteSpace

Naopak selhala komora – resp. její hliníková komponenta. Další verze proto bude celá vyrobena z nerezového materiálu.

Kromě pokračující práce na chlazeném motoru PEPEk-1 je v tomto roce ještě v plánu vývoj a konstrukce zhruba desetkrát silnější varianty PEPEk-10PF (hnaným tlakem v nádržích), dokončení vývoje řídících raketových motorků RCS (Reaction Controll System) „hot gas thrusters“, nutných pro plánovaný návrat prvního stupně Vrabce a započetí práce na vývoji avioniky pro raketovou „kvadrokoptéru“ RRDD hned se čtveřicí raketových motorů PEPEk-1. Dron RRDD má prověřit schopnost týmu řídit let a přistát. K ostrým letovým pokusům by mohlo dojít v příštím roce.