Kosmonautika VII - Ariane 5 ESC-A

Start Ariane 5 (let 157) v premiérové konfiguraci ESC-A měl podle původních plánů proběhnout 28. listopadu 2002. Přípravy začaly tři měsíce před samotným startem a to 27. srpna 2002 postavením prvního stupně H-173 do svislé polohy v montážní budově BIL (Launcher Integration Building). Poté proběhlo navěšení obou urychlovacích bloků EAP na první stupeň, usazení kryogenního stupně ESC-A a VEBu. Dne 17. října se uskutečnila první zkouška RSL (Launcher Systems Rehearsal). Její součástí byla simulace plnění prvního a druhého stupně kapalným vodíkem a kyslíkem následována odpočítáváním, které vyvrcholilo 14-ti sekundovým zážeh motoru Vulcain Mk.2. Druhá zkouška RSL proběhla 5. listopadu a její průběh byl obdobný jako u první zkoušky. Podle plánu bylo odpočítávání zastaveno 6 sekund před zážehem motoru Vulcain Mk.2. Po úspěšných testech bylo přikročeno k umístění družic na družicový adaptér a jeho připojení ke druhému stupni. Poslední částí, kterou bylo potřeba k raketě připojit byl aerodynamický kryt chránící užitečné zatížení při průletu hustými vrstvami atmosféry. Dne 28. listopadu nastal den převozu kompletní sestavy Ariane 5 ESC-A na startovací komplex ELA-3 kosmodromu Kourou ve Francouzské Guayaně a následné 11,5 hodinové odpočítávání. To probíhalo bez vážnějších problémů až do T -3 sekundy (22:47 UT), kdy se z důvodu technické chyby nepodařilo zažehnout motor Vulcain Mk.2.

Obr. 1: Přeprava Ariane 5 ESC-A z BIL (Launcher Integration Building) do BAF (Final Assembly Building), kde propěhne připojení užitečného zatížení a aerodynamického krytu [3].

Obr. 2: Pohled na motor Vulcain Mk.2 čtyři sekundy před plánovaným startem 25. 11. 2002. V T - 3 sekundy bylo odpočítávání zastaveno [3].

Obr. 3: Přeprava Ariane 5 ESC-A na vypouštěcí komplex ELA-3 [3].

Obr. 4: Plnění prvního a druhého stupně kryogenními pohonnými látkami. Do startu zbývá necelých 5 hodin [3].

Obr. 5: Ariane 5 ESC-A jen několik málo minut před startem, který se uskutečnil 11. 12. 2002 [3].

Datum druhého pokusu o start bylo stanoveno na 11. prosince 2002. Přeprava Ariane 5 ESC-A z BAF (Final Assembly Building) na startovací komplex ELA-3 byla zahájena ve 13:30 UT. Převoz pod střídavě slunečnou a zataženou oblohu byl ukončen přibližně po jedné hodině. Poté bylo zahájeno odpočítávání, které bylo ve 22:22 UT završeno startem. První náznak potíží se objevil v T +96 sekund, kdy telemetrie ohlásila mírný pokles tlaku v chladícím systému motoru Vulcain Mk.2. V čase T +187 sekund došlo ve výšce 150 kilometrů ke ztrátě kontroly nad raketou. Ta postupně ztrácela výšku a rychlost, až v T +455 sekund došlo k explozi ve výšce 69 km nad Atlantským oceánem. Trosky dopadly do vod oceánu ve vzdálenosti 800 - 1 000 kilometrů od kosmodromu Kourou. Čas ukončení letu byl stanoven na 22:31 UT.

Na oběžnou dráhu kolem Země měly být vyneseny dvě telekomunikační družice. První družicí, umístěnou na družicovém adaptéru Sylda 5, byla Hot Bird 7. Ta by pokrývala televizním a rozhlasovým vysíláním oblast Evropy, severní Afriky a Středního východu. Druhou družicí byla experimentální telekomunikační družice Stentor (Satellite de Télécommunications pour Expérimenter de Nouvelles Technologies en Orbite). Ta byla umístěna uvnitř družicového adaptéru Sylda 5. Družice měla za úkol prověřit nové druhy telekomunikačních služeb včetně multimediálního širokopásmového přenosu do malých "uživatelských terminálů".

Nyní již však přejděme k popisu rakety. Raketu Ariane 5 ESC-A odlišuje od základní verze zdokonalený motor prvního stupně EPC (H-173) a úplně nový druhý stupeň ESC-A. Vylepšení "zasáhlo" také urychlovací bloky EAP na tuhé pohonné látky (TPL). Nosnost takto modifikované Ariane 5 činí na GTO (dráha přechodová ke dráze geostacionární) 10 500 kg při startu s jednou družicí nebo 10  000 kg při stratu s adaptérem.

První stupeň pohání kryogenní motor Vulcain Mk.2. Předběžné studie motoru Vulcain Mk.2 začaly na začátku roku 1991 podporované Francouzskou kosmickou agenturou CNES a Švédskou kosmickou agenturou SNSB. Vypracováním této studie byla pověřena francouzská společnost Snecma Moteurs ve spolupráci s německou společností Astrium, italskou Fiat Avio a švédskou Volvo Aero Corporation. Výsledkem jejich práce bylo rozhodnutí Evropské kosmické agentury ESA ze 4. dubna 1995, které dalo "zelenou" vývojové fázi motoru Vulcain Mk.2. První motor byl připraven v dubnu 1999 a první testovací zážeh byl proveden v červnu téhož roku. Do konce roku 2000 proběhlo 60 zkušebních zážehů o celkové délce 20 330 sekund. Možná se to zdá málo oproti 275 zkušebním zážehům při vývoji Vulcainu Mk.1, ale právě z důvodu těchto tvrdých a náročných testů mohly být zkoušky u motoru Vulcain Mk.2 zaměřeny na dokonalé odzkoušení funkce nových nebo výrazně pozměněných částí motoru. Vulcain Mk.2 má nové kyslíkové turbočerpadlo s dvoustupňovou turbínou o výkonu 5 100 kW. Průtok kapalného kyslíku se zvýšil o 23%, což je důsledek změny směšovacího poměru z 5,25 na 6,15 (LOX/LH2). Naproti tomu vodíkové čerpadlo doznalo jen několika nepodstatných změn. Změny doznala také spalovací komora motoru, jenž dostala modifikovanou vstřikovací hlavu. Dalším parametrem, který se svou hodnotou liší od hodnoty u motoru Vulcain Mk.1 je specifický impuls (výtoková rychlost spalin). Ten vzrostl o 17,7 Ns/kg. Třešničkou na pomyslném dortu úprav je nová metoda chlazení trysky motoru, která je jednodušší než předchozí metoda chlazení. U této nové metody je zároveň menší spotřeba vodíku. To co nás však asi nejvíce zajímá u každého raketového motoru je jeho tah. U motoru Vulcain Mk.1 je 1 140 kN u Vulcainu Mk.2 je 1 350 kN ve vakuu. Jak již bylo napsáno výše, motor Vulcain Mk.2 pohání první stupeň EPC (l'Etage Principal Cryotechnique). V horní části stupně je umístěna nádrž kapalného kyslíku, který je skladován při teplotě 91 K. Dolní část vyplňuje nádrž kapalného vodíku. Ten je skladován při teplotě 20 K. Dohromady obsahují obě nádrže okolo 173 tun kryogenních pohonných látek. Toto číslo nevyjadřuje pouze hmotnost pohonných látek, ale slouží k rozlišení prvních stupňů u základní verze Ariane 5 a u zdokonalené Ariane 5 ESC-A, neboť oba se označují EPC. Bylo tedy vymyšleno ještě jedno označení a to H-155 u prvního stupně základní verze a H-173 u verze ESC-A. Písmeno "H" označuje to, že stupeň pohání motor na kryogenní pohonné látky a číslo za pomlčkou udává hmotnost pohonných látek.

Úplně nový druhý stupeň ESC-A (Etage Supérieur Criotechnique A) poháněný osvědčeným kryogenním motorem HM-7B dal název nové verzi Ariane 5. Maximální průměr stupně je 5,46 metru, což odpovídá maximálnímu průměru prvního stupně H-173. Délka stupně je 4,71 metru (měřeno od výstupního průřezu trysky). Tah 62,7 kN dodává motor HM-7B. Ten je již dlouhou dobu úspěšně používán ve třetím stupni všech verzí rakety Ariane 4. Výrobcem tohoto motoru je opět francouzská společnost Snecma Moteurs. Při letu motor pracuje maximálně 970 sekund a za tuto dobu spotřebuje asi 14 600 kg kapalného kyslíku (LOX) a kapalného vodíku (LH2). Z hmotnosti pohonných látek lze opět analogicky odvodit, stejně jako u prvního stupně, druhé označení. V případě stupně ESC-A to je H-14. Teď se asi všichni divíte, kde se v označení vzalo číslo 14, když pohonných látek je 14,6 tuny. Odpověd je prostá. Číslo 14 je zaokrouhlená hodnota 14,6 (dolů na jednotky). Toto označení se však nepoužívá neboť nemá žádny praktický význam naproti označování prvního stupně. Součástí druhého stupně je samozřejmě VEB (Vehicle Equipment Bay) jehož pracovní náplní je zajištění bezpečného vynesení užitečného zatížení na požadovanou oběžnou dráhu kolem Země. Na VEB dosedá aerodynamický kryt chránící užitečné zatížení. U Ariane 5 ESC-A je možno použít jak 17-ti metrový, tak i 12,7 metrů dlouhý aerodynamický kryt shodný s kryty základní verze. Novinkou je 13,8 metrů dlouhý aerodynamický kryt, který má za úkol vyplnit čtyřmetrovou "mezeru" mezi dvěmi doposud používanými velikostmi. Při startu s více družicemi se k jejich uložení používá družicový adaptér. V případě Ariane 5 ESC-A se zatím počítá s využitím adaptéru Sylda 5, který se umisťuje pod aerodynamický kryt. Adaptér se vyrábí v 7 verzích lišících se rozměry umístěné družice. U nejmenší verze je vnitřní rozměr 4 x 4,6 metru, u největší 4 x 6,4 metru.

Změny doznala také dvojice urychlovacích bloků EAP (Etage d'Acceleration Poudre) s motory MPS na tuhé pohonné látky (chloristan amonný, hliník a polybutadien). Doposud používané motory MPS mají zrno (blok tuhé pohonné látky) složené ze tří segmentů, které jsou navzájem spojeny speciálním "lepidlem". Motory použité u Ariane 5 ESC-A mají zrno v jediném kompaktním bloku (tuto informaci se mi bohužel nepodařilo potvrdit z oficiálních zdrojů). Podstatnou změnou ale je zhuštění heterogenních tuhých pohonných látek. V důsledku této úpravy vzrostl průměrný tah motoru na 5 060 kN, maximální pak na 7 080 kN, což představuje nárůst tahu o 10%. Po vyhoření ve výšce 65 km se motory pyrotechnicky oddělují od centrálního stupně rakety. Poté setrvačností pokračují v letu až do výšky okolo 120 km, odkud dopadnou asi 150 km od kosmodromu Kourou. S opětovným použitím bloků EAP se v brzké době nepočítá.

První start rakety Ariane 5 ESC-A bohužel skončil nezdarem, který velmi citelně zasáhl všechny lidi pracující na přípravě letu 157. Je nutno dodat, že ihned po nezdaru se koordinátor letů Ariane 5 Jean-Yves Le Gall omluvil jménem Arianespace a jejich partnerů společnosti Eutelsat a Francouzské kosmické agentuře CNES za ztráty způsobené havárií rakety Ariane 5 ESC-A.

Další start Ariane 5 byl naplánován na 12. ledna 2003, ale z důvodu selhání Ariane 5 ESC-A se předpokládá, že bude o několik dnů (týdnů?) odložen. Při startu by měla být vynesena na oběžnou dráhu vědecká družice Rosetta, která se poté vydá na svoji osmiletou cestu ke kometě 46P Wirtanen.

Název:	Vulcain Mk.1	Vulcain Mk.2
Tah:	1 140 kN (vakuum)	1 350 kN (vakuum)
Specifický impuls:	4 228 N.s/kg (vakuum)	4 246 N.s/kg (vakuum)
Tlak ve spalovací komoře:	11 MPa	11.5 MPa
Směšovací poměr:	5.25 : 1	6.15 : 1
Spotřeba pohonných látek:	271 kg/s	320 kg/s
Hmotnost motoru:	1 700 kg	1 935 kg
Délka motoru:	3.0 m	3.6 m
Maximální průměr motoru:	1.76 m	2.15 m
Otáčky kyslíkového turbočerpadla:	13 400 ot/min	12 600 ot/min
Výkon kyslíkového turbočerpadla:	3 700 kW	5 100 kW
Otáčky vodíkového turbočerpadla:	33 200 ot/min	35 000 ot/min
Výkon vodíkového turbočerpadla:	11 900 kW	14 100 kW