Vždy se těšíme na pilotované mise do vesmíru, ale dnes si povíme, proč je návrat posádek na Zemi stále obrovskou výzvou.
Vesmír lidi vždy přitahoval, bylo to něco tajemného, neprobádaného. Svítání, vzdálené planety nás lákají, vybízejí k výzkumu, experimentům a meziplanetárním letům. Za zmínku stojí, že poslední dobou se zdá, že lety do vesmíru, i když stále nejezdíme první třídou, jsou zvládnuté v základním objemu. Mise Artemis 1 k Měsíci již měla letět, ale kvůli povětrnostním podmínkám byl start odložen na 2. září. A zatímco napjatě očekáváme start, musíme pochopit, že návrat bude také kritickým okamžikem, přestože jde o bezpilotní misi.
Vesmírné mise lze rozdělit do dvou tříd. Ty, ve kterých se kosmická loď jednoho dne vrátí na Zemi, jsou většinou mise s lidskou posádkou a ty, které dostanou jednosměrnou letenku. Zde můžeme zmínit i budoucí pilotované mise, například na Mars od Elona Muska, které se nemusí nutně vrátit na Zemi. Jenže ve skutečnosti musí takové letadlo také někde přistát. Ukazuje se, že fáze přistání je nejtěžší částí takových misí. Dnes se na to pokusíme přijít.
Přečtěte si také:
Bezpečnost posádky a vybavení
Od chvíle, kdy člověk poprvé vzlétl do vesmíru, máme strach o jeho zdraví a celkový úspěch letu. V případě pilotovaných letů může být kritický každý okamžik. Bezpečnost posádky a vybavení na palubě, pokud se jedná o bezpilotní misi, byla vždy prioritou. Inženýři a vedoucí takových misí, stejně jako samotní kosmonauti nebo astronauti, chápali všechna rizika takových letů. Ne všechny tyto mise byly úspěšné, zvláště ty první, ale bylo důležité vyvodit závěry, opravit chyby a v budoucnu je neopakovat.
Například při první misi kosmické lodi Apollo vše skončilo tragicky ve fázi předstartovních testů. Ve slavné misi Apollo 13 došlo během letu k nehodě, v jejímž důsledku se znemožnilo přistání na povrchu Měsíce. Je dobře, že se podařilo zachránit posádku a úspěšně dovézt loď 7,5 km daleko od letadlové lodi Iwo Jima. Byly učiněny závěry a další misijní loď byla vyslána do vesmíru jen o 5 měsíců později. I nejúspěšnější mise Apolla 11 byla plná vypjatých momentů při přistání astronautů na povrchu Měsíce a následném startu a návratu na Zemi. Sovětská loď Sojuz také utrpěla mnoho nehod. To bohužel bylo a je ve vesmírném průmyslu normou.
Ano, jde většinou o ojedinělé, nepředvídatelné situace. Nicméně v každé vesmírné misi s lidskou posádkou, která zahrnuje návrat na Zemi, existuje okamžik, který je vždy ohromující. Asi znáte nepředvídatelné problémy, které vznikají při přistávání bezpilotních prostředků na Marsu, ale v případě pilotovaných misí jde o lidské životy. Všichni si pamatujeme katastrofu z roku 2003 - během přistání raketoplán "Columbia" jednoduše shořel v hustých vrstvách atmosféry, celá posádka sedmi lidí tragicky zemřela.
Níže je fragment z filmu "Apollo-13", který demonstruje proces přistání astronautů na Zemi. Samozřejmě jde o film, který má svá pravidla, nemusí přesně odrážet realitu, ale ani se od ní příliš neliší.
Přečtěte si také: Vesmírný dalekohled Jamese Webba: 10 cílů k pozorování
Proč je bezpečný návrat z vesmíru na Zemi takový problém?
Zdálo by se, že zde by měla pomoci gravitace, takže není třeba bojovat se zpomalením rakety. Jeho rychlost je ale desítky tisíc kilometrů za hodinu – to je rychlost potřebná k tomu, aby se zařízení buď dostalo na oběžnou dráhu kolem Země (tzv. první kosmická rychlost, tedy 7,9 km/s), nebo ji dokonce překonalo ( druhou kosmickou rychlostí , tedy 11,2 km/s) a letěl např. na Měsíc. A právě tato vysoká rychlost je problémem.
Klíčovým bodem při návratu na Zemi nebo při přistání na jiné planetě je brzdění. To je stejně problematické jako zrychlení lodi během vzletu. Raketa se totiž před startem vůči Zemi nepohybovala. A nebude to ani po jejím přistání. Stejně jako v letadle nastupujeme na letišti. Za letu sice dosahuje rychlosti 900 km/h (cestovní rychlost středně velkého osobního letadla), ale po přistání se opět zastaví.
To znamená, že raketa, která se chystá přistát na Zemi, musí snížit rychlost na nulu. Zní to jednoduše, ale není. Letadlo, které musí zpomalit z 900 km/h na 0 km/h vzhledem k Zemi, má mnohem snazší úkol než raketa, která se pohybuje rychlostí asi 28 000 km/h. Raketa navíc nejen letí šílenou rychlostí, ale téměř vertikálně vstupuje do hustých vrstev atmosféry. Ne pod úhlem jako letadlo, ale po opuštění oběžné dráhy Země téměř svisle.
Jediné, co dokáže letadlo účinně zpomalit, je zemská atmosféra. A ten je i ve vnějších vrstvách poměrně hustý a způsobuje tření na povrchu sestupného zařízení, které za nepříznivých podmínek může vést k jeho přehřátí a zničení. Takže poté, co kosmická loď zpomalí na rychlost o něco menší než první kosmická loď, začne klesat a padá k Zemi. Volbou vhodné dráhy letu v atmosféře je možné zajistit výskyt zátěží nepřekračujících přípustnou hodnotu. Při sestupu se však stěny lodi mohou a měly by se zahřát na velmi vysokou teplotu. Bezpečný sestup do zemské atmosféry je proto možný pouze v případě, že je na vnějším plášti speciální zařízení tepelné ochrany.
Dokonce i marťanská atmosféra, která je více než 100krát tenčí než zemská, je vážnou překážkou. To cítí všechna zařízení, která sestupují na povrch Rudé planety. Dost často se s nimi stávají nehody, nebo prostě shoří v atmosféře Marsu.
Někdy se takové brzdění hodí, což dokazují mise, ve kterých atmosféra sloužila jako dodatečná brzda, pomáhající vozidlům dostat se na cílovou oběžnou dráhu planety. Ale to jsou spíše výjimky.
Zajímavé také:
Atmosférické brzdění je účinné, ale má obrovské nevýhody
Ano, atmosférické brzdění je poměrně účinné, ale má obrovské nevýhody, i když je pro účinné brzdění nezbytné.
Takové zpomalení v případě orbitálních misí na jiné planety není úplné a návrat na Zemi je spojen s úplným zpomalením. Totéž platí pro přistání roveru na Marsu. Sonda, která vstoupí na její oběžnou dráhu, se nesmí úplně zastavit, jinak by spadla na povrch Rudé planety.
Zařízení ve vesmíru, obíhající kolem Země nebo vracející se z Měsíce, se pohybují obrovskými rychlostmi, které jim byly dány v době startu. Proto například Mezinárodní vesmírná stanice čas od času upravuje oběžnou dráhu, zvedá ji, protože čím je vyšší, tím nižší by měla být rychlost potřebná k pobytu na oběžné dráze.
Protože zajištění těchto rychlostí vyžaduje odpovídající spotřebu energie, musí být brzdění spojeno s podobným výdejem energie. Pokud by tedy bylo možné zařízení před vstupem do atmosféry zpomalit, letět nízkou rychlostí nebo dokonce pomalu dopadnout k Zemi, tolik by se nezahřálo a nebezpečí pro posádku by bylo nepatrné.
V tom spočívá háček. Vesmírné lety vyžadují obrovské náklady na energii. Hmotnost užitečného zatížení rakety je malá část celkové vzletové hmotnosti rakety. Z velké části je uprostřed rakety palivo, jehož většina je spálena na prvním stupni průchodu spodními vrstvami atmosféry. Do vesmíru je nutné poslat vybavení nebo posádku lodi. Palivo je také potřeba pro opuštění oběžné dráhy Země během přistání, a to velmi velké množství. Při brzdění tedy hrozí, že palivo způsobí požár lodi. Ve většině případů jsou to palivové nádrže, které při přistání explodují vysokou teplotou.
Zajímavé také:
- 10 nejpodivnějších věcí, které jsme se dozvěděli o černých dírách v roce 2021
- Terraforming Mars: Mohla by se rudá planeta proměnit v novou Zemi?
Přistání, obdobné jako při startu, pouze v opačném směru
K téměř úplnému zpomalení vozidla před vstupem do atmosféry bude nutné použít stejné množství paliva jako při startu za předpokladu, že se hmotnost vozidla během mise výrazně nezmění. Když však k hmotnosti lodi připočteme palivo potřebné ke zvednutí lodi a k následnému brzdění, vyjde to mnohonásobně. A právě tato smutná ekonomická kalkulace znamená, že je stále nutné spoléhat na inhibici zemské atmosféry.
Například při přistávání raket SpaceX Falcon 9 se používá palivo, ale zde je samotná raketa velmi lehká (na Zemi se vrací většinou jen palivová nádrž) a návrat ze vzdálené oběžné dráhy se neprovádí.
Inženýři vypočítali, že přistání na Zemi vyžaduje stejné zdroje paliva na kilogram jako vzlet na oběžnou dráhu. To znamená, že je to skoro jako vzlet, jen v opačném směru.
A nejspíš to tak bude ještě dlouho. Nejen během misí Artemis 1, ale také poté, co člověk dosáhne Rudé planety. Až bude do jisté míry tato překážka překonána, pak bude možné říci, že vesmírné lety jsme konečně zvládli. Protože vzlétnout může každý, ale mohou nastat problémy s přistáním.
Historie ale zná mnoho příkladů, kdy se našim vědcům a inženýrům podařilo vyřešit složité problémy. Doufáme, že velmi brzy nebude let na Měsíc nebo Mars o nic obtížnější než let z New Yorku do Kyjeva. S příjemným a bezpečným přistáním.
Pokud chcete pomoci Ukrajině v boji proti ruským okupantům, nejlepší způsob, jak to udělat, je darovat Ozbrojeným silám Ukrajiny prostřednictvím Zachraňte život nebo přes oficiální stránku NBÚ.
Přečtěte si také:
Proč nepoužívají scénáře návratu hybridních kosmických lodí. Ne žáruvzdorná "křídla" a ne termoablační štíty + padák.
Klouzání s brzděním proti atmosféře, závěrečný řízený „padák“ na improvizované „trampolíně“. A nepotřebujete spalovat palivo, možná nevyprodukované zbytky. Podvozek necháme na zemi, vezmeme pouze řídicí systém.
Zajímavý je především názor neuznaného matematického génia a praktického altruisty.