Kosmonautika XVIII - Čtvrstoletí s Ariane

Někomu se to možná bude zdát nemožné, ale je to tak. Před 25 lety, 24. prosince 1979, odstartovala z kosmodromu Kourou (Centre Spatial Guayanais – CSG) raketa Ariane 1, první z velké řady raket Ariane. Za toto období byla Ariane vypuštěna celkem 164krát a s její pomocí bylo vyneseno více než 250 družic, převážně na dráhu přechodovou ke dráze geostacionární (GTO). Ze všech doposud uskutečněných startů bylo pouze 9 neúspěšných, což celkově řadí rakety Ariane k nejspolehlivějším nosičům světa [1].

Obr. 1: Raketa Ariane 1 při svém prvním stratu 24. prosince 1979 [11].

Obr. 2: První start rakety Ariane 3 ze dne 4. srpna 1984 [12].

Obr. 3: Raketa Ariane 44LP při svém prvním stratu 15. června 1988 [13].

Obr. 4: Poslední start Ariane 4 ve verzi 44L ze dne 15. února 2003 [14].

Obr. 5: Raketa Ariane 5 připravená ke startu se sondou Rosetta [15].

Ihned po vzniku Evropské kosmické agentury ESA (European Space Agency) v roce 1974 se prvním úkolem stalo postavení vlastní „evropské“ nosné rakety. A to pod heslem: „no launcher – no space programme“ (žádný nosič – žádný vesmírný program). Vývoj byl zahájen již v roce 1974 ve Francii a od počátku se počítalo s využitím technologií využívajících kapalného kyslíku (LOX) a kapalného vodíku (LH2) pro pohon některého ze stupňů. Projekt dostal název LIIIS (Lanceur a Trois Etages de Substitution) a lehce navazuje na program Europa 3. V roce 1977 se na zasedání Rady ESA rozhodlo o definitivním názvu nové evropské nosné rakety. A bylo z čeho vybírat: Edelweiss, William Tell, Patience, Prometheus, Penelope, Phoenix nebo Ariane [2]. Právě Ariane, řecká bohyně, která podle pověsti pomohla Theseovi najít cestu ven z minotaurova labyrintu, se stala vítězným návrhem. Od tohoto okamžiku se Evropská kosmická agentura ESA pyšní svoji vlastní nosnou raketou Ariane, jejíž první start byl velmi očekáván. A nenechal na sebe dlouho čekat.

Na Štědrý den o dva roky později se z kosmodromu Kourou po několika odkladech vznesla první raketa Ariane, a to ve své počáteční verzi – Ariane 1. Poté následovaly další tři kvalifikační starty, z nichž ten poslední uskutečněný 19. prosince 1981 byl prvním nočním startem v historii ESA. První operační let se uskutečnil 9. září 1982 a měly při něm být vyneseny geostacionární družice Merecs B a Sirio 2. Pro závadu na turbočerpadlech ve třetím stupni rakety došlo v T+570 s k ukončení činnosti motoru HM-7. Raketa i s užitečným zatížením zanikla v hustých vrstvách atmosféry a její zbytky dopadly do Atlantského oceánu. Jako hlavní příčinou bylo podle závěrů vyšetřovací komise poškození převodovky turbočerpadel způsobené nedostatečným mazáním a nepříznivým vlivem výrobních tolerancí jednotlivých dílů [3]. Zbývající starty Ariane 1 proběhly již bez problémů a k 21. únoru 1986 byly lety první verze Ariane ukončeny. Za zmínku ještě stojí let uskutečněný 2. července 1985 s úspěšnou sondou Giotto, která zkoumala Halleyovu kometu.

Ariane 1 byla koncipována jako třístupňová raketa se všemi stupni na kapalné pohonné látky (KPL) a její startovní hmotnost činila 208 t, výška 47,4 m. Nosnost na GTO byla maximálně 1 830 kg [4], přičemž v této sumě je započtena hmotnost družicového adaptéru (single nebo dual). První stupeň L-140 poháněla čtveřice motorů Viking 5 spalující směs oxidu dusičitého (NO₂) a asymetrického dimethylhydrazinu (UDMH). Po dobu 146 s dodával každý z motorů tah 621 kN (při hladině moře), poté byl první stupeň odhozen a zažehl se motor Viking 4 druhého stupně L-33. Tento motor o tahu 723 kN pracoval 138 s a spotřeboval 34 t pohonných látek (NO₂ a UDMH). Poslední stupeň H-8 poháněl kryogenní motor HM-7 (tah 61,3 kN), který dopravil užitečné zatížení na požadovanou oběžnou dráhu (většinou GTO) [5].

Dalším logickým krokem, který přišel v době prvního vypuštění Ariane 1 bylo její zdokonalení. To se dotklo zejména doposud používaných raketových motorů, u kterých byl zvýšen jejich výkon. Toho bylo docíleno zvýšením tlaku ve spalovací komoře a použitím UH-25 (75% UDMH a 25% hydrát hydrazinu) místo UDMH. Hydrát hydrazinu se do paliva přidává hlavně z důvodu větší stability hoření. U prvního stupně byla čtveřice motorů Viking 5 vyměněna za Viking 5B o tahu 673 kN (při hladině moře), u druhého pak motor Viking 4 za Viking 4B s tahem 786 kN. Podstatnou změnou prošel třetí stupeň, který byl prodloužen o 1,3 m a z důvodu většího obsahu pohonných látek (10,7 t) přejmenován na H-10. Také motor HM-7 byl nahrazen zmodernizovaným typem HM-7B o tahu 62,8 kN [5]. Takto upravená raketa nesla jméno Ariane 2 a její maximální nosnost byla zvýšena na 2 270 kg na GTO [4].

Společně s Ariane 2 byla vytvořena i verze Ariane 3, která se od předchozí lišila pouze navěšením dvou pomocných urychlovacích motorů na tuhé pohonné látky (TPL). Každý z nich měl průměr přibližně 1 m, výšku 8,3 m a hmotnost 9,7 t (z toho 7,3 t tvořila TPL). Při startu vyvíjely tah 2 x 666 kN [5] a od rakety se oddělily těsně před dosažením M=1 (M – rychlost zvuku v daném prostředí). Tato úprava opět zvýšila maximální hmotnost vynášeného nákladu na 2 580 kg na GTO [4].

Trošku paradoxně odstartovala jako první z modifikací Ariane 3, a to 4. srpna 1984 s družicemi Eutelsat-1 F-2 a Telecom 1A. Celkem se do vesmíru vydala 11krát, z čehož byl pouze jeden start neúspěšný (12. září 1985). První start Ariane 2, který se uskutečnil 30. května 1986 se bohužel nezdařil, a byla při něm zničena telekomunikační družice Intelsat 5A F-14. Zbývající starty z celkových šesti byly již plně úspěšné. Ariane 2 se naposledy vznesla 1. dubna 1989, Ariane 3 o několik měsíců později 11. července 1989.

Zatím nejslavnější ze všech raket ESA je Ariane 4. Ta byla navržena v šesti variantách, které se od sebe liší v počtu a typu pomocných urychlovacích motorů. Slabším byl urychlovací stupeň PAP (Propulseur d'Appoint a Poudre) odvozený z pomocných motorů Ariane 3. Motor spaloval TPL tvořené směsí karboxylovaného polybutadienu (CTPB) a chloristanu amonného, které byly tvořeny jedním zrnem o hmotnosti 9 500 kg. Silnější byl, v té době nově vyvinutý, stupeň PAL (Propulseur d'Appoint de Liquide) s motorem Viking 6 využívající jako paliva UH-25 a jako okysličovadla NO₂. Tyto urychlovací motory se podle potřeby zavěšovaly symetricky na první stupeň L-220. Ten poháněla čtveřice motorů Viking 5C o tahu 667 kN, které byly konstrukčně shodné s motorem Viking 6 z urychlovacího stupně PAL. Lišily se pouze v geometrii výstupní části trysky, což vedlo k tomu, že každý z motorů měl jiný specifický impuls (výtokovou rychlost spalin). Druhý stupeň L-33 je shodný se stupněm Ariane 3 a nedoznal žádné zásadní změny. Poslední, třetí stupeň, poháněl kryogenní motor HM-7B, který byl použit také u Ariane 3. U tohoto stupně došlo v průběhu aktivní služby Ariane 4 ke dvěma poměrně zásadním změnám. Při 22. letu byl naposledy použit stupeň H-10 a od následujícího letu se začal používat H-10+. V něm bylo obsaženo o 300 kg více LH₂ a LOX, čímž se prodloužila doba činnosti stupně z původních 720 na 750 s. Díky této úpravě mohla Ariane 4 vynášet na dráhu přechodovou ke geostacionární GTO o 110 kg více. K druhé změně došlo při 45. letu, kdy bylo ukončeno používání stupně H-10+ a začal se používat stupeň H-10/3. Ten obsahoval o 1 000 kg více pohonných látek než původní stupeň H-10 a doba činnosti se prodloužila na 780 s. Na třetím stupni je samozřejmě umístěn mozek celé rakety tzv. VEB (Vehicle Equipment Bay), který řídí činnost rakety až do vypuštění družice (družic). K ochraně užitečného zatížení při průletu hustými vrstvami atmosféry se používala trojice aerodynamických krytů o vnitřním průměru 3,65 m a délkách 8,6 m, 9,6 m a 11,1 m. Při vypouštění dvou družic současně se většinou používal adaptér SPELDA (Structure Porteuse Externe pour Lancements Doubles Ariane), ten se vyráběl v délkách 2,8 m a 3,8 m s průměrem 3,9 m. Při vypouštění tří družic se potom používala kombinace adaptérů SPELDA a Sylda [6].

První start Ariane 4 se uskutečnil 15. června 1988 a použito varianty Ariane 44LP se dvěma motory PAL a dvěma motory PAP. O rok později 5. června 1989 následoval start nejsilnější varianty Ariane 44L se čtyřmi motory PAL. Rok 1990 zaznamenal start hned tří variant – nejslabší Ariane 40 22. ledna, Ariane 42L 12. října a Ariane 42P 20. listopadu. Poslední Ariane 44P se premiérového startu dočkala 4. dubna 1991. Za období od 15. června 1988 do 15. února 2003, kdy byla ukončena aktivní služba Ariane 4, se uskutečnilo 116 startů, z nichž byly pouze tři neúspěšné (22. února 1990, 24. ledna 1994 a 1. prosince 1994). Celkem bylo do vesmíru vysláno 182 družic (9 pro průzkum Země, 5 meteorologických, 139 telekomunikačních, 2 vědecké a 27 doplňkových) o celkové hmotnosti 404,2 t (je třeba dodat, že většina byla umístěna na geostacionární dráhu) [7]. Nejpoužívanější variantou se stala Ariane 44L, která také drží primát ve hmotnosti vynášeného nákladu. Tohoto prvenství dosáhla v roce 1998, kdy na oběžnou dráhu vynesla družice AfriStar a GE–5 o celkové hmotnosti 4 947 kg [6].

V pořadí zatím poslední Ariane 5 zahájila svoji historii v listopadu 1987, kdy Rada ESA odsouhlasila její vývoj. Původně byla projektována pro vynášení pilotovaného raketoplánu Hermes k orbitální stanici Columbus. Na počátku 90. let došlo ke zrušení projektů Hermes i Columbus a využití Ariane 5 se přesunulo na pole vynášení komerčních družic [8]. Její první start se uskutečnil 4. června 1996 a měli při něm být vyneseny čtyři družice Cluster. Jen několik desítek sekund po startu došlo k maximálnímu vychýlení trysek všech motorů, což mělo za následek prudkou změnu směru letu a došlo k dezintegraci rakety mezi prvním a druhým stupněm. V čase T+66 s byl vyslán povel k destrukci rakety, jejíž trosky dopadly nedaleko od pobřeží Francouzské Guayany [9].

Konstrukce rakety se již nepodobá svým předchůdkyním, ale vychází spíše z amerického Titanu 3. První stupeň H-155 má délku 30 m a pohání jej kryogenní motor Vulcain Mk. 1, který má tah 1 140 kN. Tento motor byl podroben velmi náročným a přísným testům. Celkem proběhlo 275 testovacích zážehů, při kterých byla odzkoušena funkčnost motoru i při velmi extrémních podmínkách. Společně s prvním stupněm při startu pracuje i dvojice mohutných urychlovací bloků EAP (Etage d'Acceleration Poudre) s motory P-230 na TPL. Tyto bloky jsou paralelně uchyceny k centrálnímu stupni a každý obsahuje skoro 240 t HTPB. Tah EAP je 5,4 MN (při hladině moře), což je asi polovina tahu, který vyvine SRB (Solid Rocket Booster) použitý u dopravního systému amerického raketoplánu. Druhý stupeň tvoří pohonná jednotka s motorem Aestus o tahu 27 kN, která dopraví užitečné zatížení na požadovanou oběžnou dráhu. Pro uložení družic lze použít jak adaptér Speltra, tak i Sylda 5. Adaptér Speltra slouží k vynášení dvojice družic, jejichž maximální průměr může být 4,5 m a výška do 6 m. Sylda 5 slouží stejně jako Speltra k vynášení dvojice družic, liší se však rozměry úložného prostoru (maximální průměr do 4 m a výška od 2,9 do 4,4 m). Na oba typy adaptérů lze ještě připevnit speciální platformu ASAP (Ariane Structure for Auxilliary Payloads). Ta slouží k upevnění dvou až čtyř minidružic nebo maximálně šesti mikrodružic. Na stupni L-9 je také uložen systém řízení rakety VEB (Vehicle Equipment Bay), na který dosedá aerodynamický kryt chránící užitečné zatížení. Aerodynamický kryt je buď krátký (12,7 m) nebo dlouhý (17 m). Pomocí Ariane 5 lze dopravit na GTO 6 200 kg při startu s jednou družicí. Při startu s více družicemi se pohybuje nosnost kolem 5 700 kg v závislosti na použitém družicovém adaptéru [8].

V listopadu roku 2002 mělo dojít ke startu modifikace Ariane 5 pod označením ESC-A. Z důvodu nezažehnutí kyslíko-vodíkového motoru prvního stupně byl start odložen na 11. prosince 2002, kdy také raketa ve 22:22 UT odstartovala. Let probíhal normálně až do T+96 s, kdy došlo k mírnému poklesu tlaku ve spalovací komoře motoru Vulcain Mk. 2. V T+187 s byla ztracena kontrola nad raketou, a ta postupně začala ztrácet rychlost a výšku. V čase T+455 s došlo k explozi, při které byla zničena jak vlastní nosná raketa, tak i telekomunikační družice Hot Bird 7 a Stentor [10]. Dalšího startu Ariane 5 ESC-A se dočkáme začátkem příštího roku, přesněji 11. února 2005.

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 TPL. Nosnost takto modifikované Ariane 5 činí na GTO 10 500 kg při startu s jednou družicí nebo 10 000 kg při stratu s družicovým adaptérem adaptérem [10].

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 s. 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 druhé verze 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. 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. Oproti 1 140 kN u motoru Vulcain Mk. 1 je tah Vulcainu Mk. 2 1 350 kN ve vakuu. Jak již bylo napsáno výše, tento motor pohání první stupeň EPC (l'Etage Principal Cryotechnique). V horní části stupně je umístěna nádrž kapalného kyslíku, který je skladován při teplotě 91K. Dolní část vyplňuje nádrž kapalného vodíku. Ten je skladován při teplotě 20K. Dohromady obsahují obě nádrže okolo 173 t kryogenních 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 m, což odpovídá maximálnímu průměru prvního stupně H-173. Délka stupně je 4,71 m (měřeno od výstupního průřezu trysky). Tah 62,7 kN dodává již zmíněný motor HM-7B. Výrobcem tohoto motoru je opět francouzská společnost Snecma Moteurs. Při letu motor pracuje maximálně 970 s a za tuto dobu spotřebuje asi 14 600 kg pohonných látek. Součástí druhého stupně je samozřejmě VEB, 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 m dlouhý aerodynamický kryt shodný s kryty základní verze. Novinkou je 13,8 m dlouhý aerodynamický kryt, který má za úkol vyplnit čtyřmetrovou „mezeru“ mezi dvěma 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. Adaptér se vyrábí v 7 verzích lišících se rozměry umístěné družice. U nejmenší verze je vnitřní rozměr 4 x 4,6 m, u největší 4 x 6,4 m [10].

Změny doznala také dvojice urychlovacích bloků EAP 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 (pravděpodobně) zrno v jediném kompaktním bloku. Podstatnou změnou 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 [10].

Za těch 25 let se uskutečnilo, již na začátku zmiňovaných, 164 startů rakety Ariane s více než 250 družicemi, jejichž celková hmotnost nám dává neuvěřitelné číslo – 538 t. Ariane má na svém kontě několik prvenství či rekordů, namátkou například vynesení nejtěžší telekomunikační družice Anik F2 o hmotnosti 5 950 kg. To však není všechno. I přes ukončení aktivní služby Ariane 4 zůstává ve flotile Evropské kosmické agentury Ariane 5 a její modifikace Ariane 5 ESC-A. Ty budou doplněny o další modifikace, jako Ariane 5 ES ATV pro vynášení nákladního modulu ATV (Automated Transfer Vehicle) k Mezinárodní kosmické stanici ISS, nebo Ariane 5 ESC-B, u které bude opět zdokonalen motor Vulcain a použit úplně none svý motor Vinci ve druhém stupni. Evropská kosmická agentura a společnost Arianespace však plánují další podstatné změny. V roce 2007 by měla odstartovat nová evropská raketa Vega (Vettore Europeo di Generazione Avanzata) na TPL a ve stejném roce se možná dočkáme i prvního startu rakety Sojuz z kosmodromu Kourou. Popřejme tedy raketě Ariane i celému evropskému kosmickému programu hodně zdaru v dalších letech vývoje, objevů, zkoumání a poznávání blízkých i vzdálených koutů vesmíru.