Peripetie lodi zvané Cygnus

Více než 3 720 kilogramů zásob a vědeckého hardwaru přivezla ve čtvrtek 1. února pro astronauty na palubě Mezinárodní orbitální stanice už dvacátá nákladní loď Cygnus společnosti Northrop Grumman.

Nebylo by na tom nic zvláštního, kdyby tento Cygnus neodstartoval z floridského Cape Canaveral na vrcholu v zásadě konkurenční rakety Falcon 9 společnosti SpaceX. Ještě náklaďák značený NG-19 startoval loni 2. srpna z kosmodromu NASA Wallops Flight Facility na vrcholku rakety Antares 230, původně vyvinuté společností Orbital Sciences Corporation. Ostatně ta také vyvinula samotnou nákladní loď Cygnus, ale její název už pohltila historie. Orbital Sciences Corporation se totiž v roce 2015 po sloučení s firmou Alliant Techsystems přejmenovala na Orbital ATK, kterou potom v letech 2017/2018 spolkla společnost Northrop Grumman... Nicméně přes všechny peripetie patří Cygnus spolu s ruskými Progressy a Muskovými Dragony k páteřním prostředkům, zásobujícím ISS už od roku 2013.

Složitý osud Antaresu

Start lodě Cygnus NS 19 v srpnu 2023, pojmenované po astronautce Laurel Clarkové, která v roce 2003 zahynula při havárii raketoplánu Columbia (STS-107) byl posledním, který vynesla raketa řady Antares 230. Není bez zajímavosti, že šlo o celkově o 22. start této lodi a její 21. start k ISS. Pravda, při prvním startu byla vynesena pouze maketa, při druhé, demonstrační misi se už prototyp Cygnusu připojil k ISS. Zbylých devatenáct letů se uskutečnilo v rámci programu Commercial Ressuply Services, tedy komerčního zásobování ISS prostřednictvím soukromých kosmických společností. Všechny zásobovací mise až na jednu svůj náklad na ISS dovezly. Výjimkou je pouze mise Orb-3 Deke Slayton, kdy nosná raketa, tehdy ještě ve variantě Antares 130, selhala 15 sekund po startu. Následně došlo ke ztrátě rakety i nákladní lodi.

Náklaďáky Cygnus létaly doposud ve dvou variantách, pro demonstrační misi a první tři ostré starty byla použita základní varianta lodi o průměru 3,07 m a délce 5,14 m. Od mise OA-4 létá tato loď ve vylepšené variantě, kdy trup lodi byl prodloužen o 1,25 m na nynějších 6,39 m s nosností téměř 4 tuny.

Otázka zní, proč Northrop Grumman platí za vynesení posledního Cygnusu konkurenční společnosti SpaceX, když měla k dispozici vlastní, celkem spolehlivý nosič. Nu, kartami zamíchala válka na Ukrajině. Raketa Antares (v původní verzi Taurus II) byla využívaná v řadě různých variant. Původně ji vyvinula společnost Orbital ATK (dříve Orbital Sciences Corporation)  jako Taurus II a od konce roku 2011 Antares 100. V této verzi používala v I. stupni v Rusku zakoupené motory Kuzněcov NK-33 s uzavřeným cyklem, vyvinuté koncem 60. let 20. století pro Koroljovem konstruovanou lunární superraketu N-1. Po rozpadu SSSR jich 36 kusů zakoupila a posléze upravila společnost Aerojet jako Aerojet AJ-26.

Mimochodem, motor NK-33 (poháněný LOX a kerosinem) má jeden z nejvyšších poměrů tahu k hmotnosti ze všech raketových motorů startovatelných na Zemi; pouze motory NPO Eněrgomaš RD-253 a SpaceX Merlin 1D dosahují vyššího poměru. Ovšem specifický impuls NK-33 je výrazně vyšší než u obou těchto motorů.

Bohužel, v nosiči Antares se Aerojet AJ-26 příliš nedařilo a v roce 2014 raketa Antares 130 s těmito motory při misi Cygnus Orb-3 Deke Slayton k ISS havarovala několik sekund po startu. To vedlo k tomu, že společnost sáhnula po novějších ruských motorech a už v listopadu 2014 Orbital Sciences oznámila, že bude používat motory RD-181 NPO Eněrgomaš na raketách Antares druhé generace. A uzavřela smlouvu na dodávku až 60 motorů RD-181, odvozených z motoru RD-191 (rodina RD 170) speciálně pro Antares. Kontrakt v hodnotě přibližně jedné miliardy dolarů byl podepsán a ratifikován ruskou vládou v prosinci 2014. Podle dokumentu mělo být do USA dodáno od června 2015 celkem 60 motorů RD-181. Mělo...

Nešlo o výjimku. Obdobné motory ruské konstrukce, RD-180, zakoupil i společný podnik společností Lockheed a Boeing, United Launch Alliance (ULA) pro první stupeň modernizovaných nosičů Atlas 5. Ty totiž jsou pokračovateli motorů NK-33 (viz výše).

Po technologických úpravách (1980) vznikl motor RD-170, původně určený pro boostery superakety Eněrgija a posléze používaný na raketách Zenit, vyráběných v ukrajinském Dnipro (dříve Dněpropetrovsk, "Južnoje"). Tyto dvoukomorové motory na kerosen a kapalný kyslík rovněž využívají tzv. uzavřený cyklus zvyšující výkon a RD-180 je upravená verze pro potřeby prvního stupně Atlasu V.

Stejný ukrajinský výrobce pak dodával pro Orbital ATK i 1. stupně Antaresu vč. licenčních ruských motorů. Slibně se rozvíjející kooperace s americkými firmami ale začala skřípat už po roce 2014, když Rusko obsadilo Krym. Už tehdy začala ULA z bezpečnostních důvodů hledat náhradu pro motor prvního stupně Atlasu a rozhodla se proto investovat do vývoje motoru BE-4 společnosti Blue Origin Jeffa Bezose pro raketu Vulcan (l. start v lednu 2024). Zároveň si ULA na rozdíl od Grummanu vytvořila zásobu RD-180. Což bylo prozíravé, neboť po invazi na Ukrajinu v roce 2022 byly v odpověď na uvalené ekonomické sankce na Rusko dodávky z Ruska ukončeny. Grummanu totiž na rozdíl od ULA zbyly jen 4 komplety motorů. Start Antaresu 1.srpna loňského roku tak byl labutí písní rakety i spolupráce s Ukrajinou. Dnipro (Dněpropetrovsk) a závody na výrobu raket Južmaš, se pochopitelně staly cílem ruských raket. "Dnipro je pod útokem téměř každý týden a Rusové se zaměřují na kritickou infrastrukturu," řekl bývalý šéf kosmického výzkumu Volodymyr Usov webu Space.com. Nebýt toho, létal by zřejmě Antares 230 dodnes. (Mimochodem – před válkou továrny Južnoje vyráběly asi 100 (!) nosných raket ročně, včetně rakety Zenit střední tonáže, která do nedávna vynášela komerční náklady především z ruského kosmodromu Bajkonur).

Společnosti Northrop Grumman nezbývalo nic jiného než objednat další starty u konkurence SpaceX, protože došly i Atlasy 5 od ULA. Pro SpaceX to je samozřejmě vítaný kšeft, ale loď Cygnus si vyžádala jisté, nikoliv jednoduché úpravy ochranného krytu Falconu 9.  Nákladní Dragony totiž startují bez krytu, protože se po splnění úkolu navrací zpět na Zemi k dalšímu použití. Vzhledem k tomu, že kosmická loď Cygnus musí být přístupná pro naložení citlivého nákladu (např. ovoce, nebo zmrzliny atd.) na poslední chvíli, SpaceX provedlo některé úpravy aerodynamických krytů Falconu 9, aby to možné bylo. Nynější zásobovací mise NG-20 měla proto zpoždění – původně měla k ISS odstartovat v listopadu 2023.

Co je podstatné – v reakci na ruské embargo se společnost Northrop Grumman dohodla s Firefly Aerospace o výrobě motorů a vlastně celého nového prvního stupně pro modernizovanou raketu Antares řady 330. Nový Antares tak bude mít jiný první stupeň a stávající horní stupeň Castor 30XL. Prvním startem rakety Antares 330 bude mise NG-23, oproti původním předpokladům nejdříve v červnu roku 2025.

Modernizovaný Cygnus

Nákladní loď Cygnus se skládá ze dvou částí, servisního modulu (SM) postaveného v USA na základě satelitní platformy GEOStar původně vyvinuté Orbital Sciences Corporation a hermetizované nákladní části zvané PCM (Pressurized Cargo Module), vyrobeného ve Francii a Itálii společností Thales Alenia Space.

Prázdný PCM váží 1800 kg a suchá hmotnost servisního modulu je zhruba identická. Dalších 800 kg váží hypergolické palivo pro manévrovací motorky.

V současnosti se používá vylepšená varianta lodi Cygnus, která je schopna dopravit na ISS až 3,75 tuny nákladu. Firma Northrop Grumman však plánuje do budoucna zvýšit nákladní kapacitu až na 5 tun pomocí prodloužení modulu PCM.

A to i z toho důvodu, že po odstoupení od plánů na vývoj vlastní komerční orbitální stanice se zapojil do spolupráce s Nanoracks, dceřiné společnosti Voyager Space.

V rámci tohoto společného podniku hodlá Northrop Grumman poskytovat služby nákladní dopravy pro stanici nazvanou "Starlab". A tak Cygnus čeká další modernizace tak, aby umožnila autonomní spojení s budoucí stanicí. Což je funkce, která je v současné době běžná u lodi SpaceX Cargo Dragon a ruského Progressu. Loď zatím nemá samostatný spojovací uzel a k ISS je připojována pomocí manipulátoru Canadarm2.

Mimo to se zkouší využít motorů Cygnusu k úpravám dráhy ISS, když doposud tuto funkci plnili Progresy.

„Naší strategií je využít hardware, na kterém jsme už pracovali," prohlásil Rick Mastracchio, ředitel strategie a obchodního rozvoje společnosti Northrop Grumman Space Systems. "Přemýšlíme předem o tom, jak aktualizovat loď, abychom měli kosmickou loď, která bude létat i za 10, za 20 let.“

Koncepce Cygnusu, jednoho z nejpoužívanějších náklaďáků, se prostě osvědčila. A tak společnost uzavřela v červnu s NASA samostatnou dohodu v rámci iniciativy Collaborations for Commercial Space Capabilities-2 (CCSC-2) o vývoji verze Cygnus "Persistent Platform" , která je navrhována tak, aby sloužila jako volně létající, autonomní a robotická kosmická loď pro komerční vědecký výzkum a výrobu na nízké oběžné dráze Země. Platforma by mohla vyrábět baterie, superslitiny, vodiče, léčiva či kosmetické výrobky pro pozemské použití. Mohla by také hostit servery cloud computingu a být využívána pro ukládání dat, nebo produkci potravin a další služby, uvádí Grumman Space Systems.

Takto může spolupracovat nejen se stanicí Starlab, ale např. i s Axiom Station. Navíc – příspěvek společnosti k lunární stanici NASA Gateway, Habitation and Logistics Outpost (HALO), je také založen na technologii Cygnus.

Northrop nabídl minimalistický design o rozměrech 6,1 x 3 metry, stejně jako větší design o rozměrech 7 x 4,4 metru, který rovněž vycházel z Cygnusu, na jehož vnější straně budou přidány radiální dokovací porty, baterie a komunikační antény. Společnost Northrop Grumman Innovation Systems se rozhodla postavit minimalistický design, který nabí výhodu kompatibility komponent a urychlení testování systémů podpory života na stávající nákladní lodi Cygnus. Vzhledem k tomu, že HALO bude sloužit i jako prostor pro astronauty, připravuje tak půdu pro možnou pilotovanou verzi lodi. 

Co připlulo na ISS

Kosmická loď Cygnus NG 20 dorazila k Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) ve čtvrtek brzy ráno (1. února) Na palubě jsou čerstvé potraviny a zásoby pro astronauty, z nichž někteří kteří jsou v současné době na palubě kosmické stanice téměř půl roku, a samozřejmě řada sofistikovaných vědeckých experimentů, včetně prvního robotického chirurga, který se dostal na ISS.

Mezi experimenty je i projekt Evropské kosmické agentury (ESA), který bude testovat 3D tisk malých kovových dílů v prostředí mikrogravitace.

„Tento výzkum nám poskytuje první pochopení toho, jak se taková tiskárna chová ve vesmíru,“ uvedl Rob Postema z ESA.  „Především proto, abychom pochopili, jak se tisk ve vesmíru může lišit od tisku na Zemi, a za druhé, abychom zjistili, jaké typy tvarů můžeme touto technologií tisknout. Kromě toho tato aktivita pomáhá ukázat, jak mohou členové posádky bezpečně a efektivně pracovat při tisku kovových dílů ve vesmíru,“ dodal Postema.

Oba citované experimenty jsou významné pro budoucnost.

O tom, že se uvažuje např. o tisku habitatů z místních surovin na Měsíci či na Marsu, si zpívají vrabci na střeše.

V případě robotického chirurga jde o zařízení o hmotnosti 0,9 kilogramu, které je dlouhé asi jako naše předloktí, se dvěma ovladatelnými pažemi, které drží chapadlo a nůžky. Tento lékařský robot, vyvinutý společností Virtual Incision, je postaven tak, aby jednoho dne byl schopen komunikovat s lidskými lékaři na Zemi a zároveň prováděl lékařské zákroky na lidech s vysokou přesností. "Pokročilejší část našeho experimentu bude ovládat zařízení z Lincolnu v Nebrasce a pitvat simulovanou chirurgickou tkáň na oběžné dráze," řekl Shane Farritor, spoluzakladatel Virtual Incision, během předletové tiskové konference.

„Prozatím, protože jde o přípravnou fázi, bude testován na gumičkách – ale tým vkládá velké naděje do budoucnosti, protože mise na Měsíc, Mars a dále se začínají rozjíždět po rychlodráze dráze průzkumu vesmíru.“

Kosmická medicína na dálku se v posledních několika letech stala žhavým tématem, protože kosmické agentury a soukromé vesmírné společnosti připravují plány na různé budoucí mise s lidskou posádkou.

„Očekává se, že tyto mise společně vydláždí cestu pro vzdálenou budoucnost, ve které se lidstvo vydá na daleké kosmické lety, možná na Venuši nebo k Jupiteru a, pokud opravdu sníme, mimo sluneční soustavu. Aby se vědci ujistili, že astronauti zůstanou ve vesmíru v bezpečí – v prostředí, ve kterém bez ochrany nejsou schopni přežít – chtějí se ujistit, že lékařská péče v kosmu bude probíhat ruku v ruce společně s rozvojem raketové techniky,“ zasnil se Shane Farritor.