Vesmírne misie s ľudskou posádkou: Prečo je návrat na Zem stále problémom?

Vždy sa tešíme na pilotované misie do vesmíru, no dnes si povieme, prečo je návrat posádok na Zem stále obrovskou výzvou.

Vesmír vždy lákal ľudí, bolo to niečo tajomné, neprebádané. Úsvity, vzdialené planéty nás lákajú, povzbudzujú nás k výskumu, experimentom a medziplanetárnym letom. Treba povedať, že v poslednej dobe sa vesmírne lety, hoci stále necestujeme prvou triedou, zdajú byť zvládnuté v základnom objeme. Misia Artemis 1 na Mesiac už mala letieť, no kvôli poveternostným podmienkam bol štart odložený až na 2. septembra. A kým netrpezlivo čakáme na štart, musíme pochopiť, že aj návrat bude kritickým momentom, napriek tomu, že ide o bezpilotnú misiu.

Vesmírne misie možno rozdeliť do dvoch tried. Tie, v ktorých sa kozmická loď jedného dňa vráti na Zem, sú väčšinou misie s ľudskou posádkou a tie, ktoré dostanú jednosmernú letenku. Tu môžeme spomenúť aj budúce pilotované misie, napríklad na Mars od Elona Muska, ktoré sa nemusia nutne vrátiť na Zem. Ale v skutočnosti musí takéto lietadlo aj niekde pristáť. Ukazuje sa, že pristávacia fáza je najťažšia časť takýchto misií. Dnes sa na to pokúsime prísť.

Prečítajte si tiež:

• 100 rokov kvantovej fyziky: Od teórií 1920. rokov k počítačom
• 5 budúcich vesmírnych misií na zamyslenie

Bezpečnosť posádky a vybavenia

Odkedy človek prvýkrát letel do vesmíru, obávame sa o jeho zdravie a celkový úspech letu. V prípade pilotovaných letov môže byť kritický každý moment. Bezpečnosť posádky a vybavenia na palube, ak ide o misiu bez posádky, bola vždy prioritou. Inžinieri a vedúci takýchto misií, ale aj samotní kozmonauti či astronauti chápali všetky riziká takýchto letov. Nie všetky tieto misie boli úspešné, najmä tie prvé, no dôležité bolo vyvodiť závery, opraviť chyby a v budúcnosti ich už neopakovať.

Napríklad pri prvej misii kozmickej lode Apollo sa všetko skončilo tragicky v štádiu predštartových testov. V známej misii Apollo 13 došlo počas letu k nehode, v dôsledku ktorej sa znemožnilo pristátie na povrchu Mesiaca. Je dobré, že sa podarilo zachrániť posádku a úspešne doviesť loď 7,5 km ďaleko od lietadlovej lode Iwo Jima. Boli urobené závery a ďalšia misia bola poslaná do vesmíru len o 5 mesiacov neskôr. Aj najúspešnejšia misia Apollo 11 bola plná napätých momentov pri pristávaní astronautov na povrchu Mesiaca a následnom štarte a návrate na Zem. Sovietska kozmická loď Sojuz tiež utrpela veľa nehôd. To, žiaľ, bolo a je vo vesmírnom priemysle normou.

Áno, väčšinou ide o jednotlivé, nepredvídateľné situácie. Avšak v každej vesmírnej misii s ľudskou posádkou, ktorá zahŕňa návrat na Zem, existuje moment, ktorý je vždy ohromujúci. Pravdepodobne poznáte nepredvídateľné problémy, ktoré vznikajú pri pristávaní bezpilotných prostriedkov na Marse, no v prípade pilotovaných misií ide o ľudské životy. Všetci si pamätáme katastrofu z roku 2003 - počas pristátia raketoplán "Columbia" jednoducho zhorel v hustých vrstvách atmosféry, celá posádka siedmich ľudí tragicky zomrela.

Nižšie je fragment z filmu "Apollo-13", ktorý demonštruje proces pristátia astronautov na Zemi. Samozrejme, ide o film, ktorý má svoje pravidlá, nemusí presne odrážať realitu, no ani sa od nej veľmi nelíši.

Prečítajte si tiež: Vesmírny teleskop Jamesa Webba: 10 cieľov na pozorovanie

Prečo je bezpečný návrat z vesmíru na Zem taký problém?

Zdalo by sa, že tu by mala pomôcť gravitácia, takže nie je potrebné bojovať so spomalením rakety. Jeho rýchlosť je ale desiatky tisíc kilometrov za hodinu – to je rýchlosť potrebná na to, aby sa zariadenie buď dostalo na obežnú dráhu okolo Zeme (tzv. prvá kozmická rýchlosť, t.j. 7,9 km/s), alebo ju dokonca prekonalo ( druhá kozmická rýchlosť , teda 11,2 km/s) a letel napríklad na Mesiac. A práve táto vysoká rýchlosť je problémom.

Kľúčovým bodom pri návrate na Zem alebo pri pristávaní na inej planéte je brzdenie. Je to rovnako problematické ako zrýchľovanie lode počas vzletu. Raketa sa totiž pred štartom vzhľadom na Zem nepohybovala. A nebude to ani po jej pristátí. Rovnako ako v lietadle nastupujeme na letisku. Za letu síce dosahuje rýchlosť 900 km/h (cestovnú rýchlosť stredne veľkého osobného lietadla), no po pristátí sa opäť zastaví.

To znamená, že raketa, ktorá sa chystá pristáť na Zemi, musí znížiť rýchlosť na nulu. Znie to jednoducho, ale nie je. Lietadlo, ktoré musí oproti Zemi spomaliť z 900 km/h na 0 km/h, má oveľa ľahšiu úlohu ako raketa, ktorá sa pohybuje rýchlosťou približne 28 000 km/h. Raketa navyše nielen letí šialenou rýchlosťou, ale takmer zvisle vstupuje aj do hustých vrstiev atmosféry. Nie pod uhlom ako lietadlo, ale po opustení obežnej dráhy Zeme takmer vertikálne.

Jediné, čo dokáže lietadlo efektívne spomaliť, je zemská atmosféra. A je dosť hustý, dokonca aj vo vonkajších vrstvách, a spôsobuje trenie na povrchu zostupného zariadenia, čo môže za nepriaznivých podmienok viesť k jeho prehriatiu a zničeniu. Takže potom, čo vesmírna loď spomalí na rýchlosť o niečo nižšiu ako prvá vesmírna loď, začne klesať a padá na Zem. Voľbou vhodnej dráhy letu v atmosfére je možné zabezpečiť výskyt záťaží nepresahujúcich prípustnú hodnotu. Počas zostupu sa však steny lode môžu a mali by sa zahriať na veľmi vysokú teplotu. Preto je bezpečný zostup do zemskej atmosféry možný len vtedy, ak je na vonkajšom plášti špeciálne zariadenie na tepelnú ochranu.

Dokonca aj atmosféra Marsu, ktorá je viac ako 100-krát tenšia ako zemská, je vážnou prekážkou. Cítia to všetky zariadenia, ktoré zostupujú na povrch Červenej planéty. Pomerne často sa s nimi stávajú nehody, alebo jednoducho zhoria v atmosfére Marsu.

Niekedy sa takéto brzdenie hodí, o čom svedčia aj misie, v ktorých atmosféra slúžila ako dodatočná brzda, pomáhajúca vozidlám dostať sa na cieľovú obežnú dráhu planéty. Ale to sú skôr výnimky.

Tiež zaujímavé:

• Prečo hviezdy blikajú?
• Prečo sú kozmické lode vybavené procesormi 20. storočia

Atmosférické brzdenie je účinné, no má obrovské nevýhody

Áno, atmosférické brzdenie je pomerne účinné, ale má obrovské nevýhody, hoci je potrebné na účinné brzdenie.

Takéto spomalenie v prípade orbitálnych misií na iné planéty nie je úplné a návrat na Zem je spojený s úplným spomalením. To isté platí pre pristátie roveru na Marse. Sonda, ktorá sa dostane na jej obežnú dráhu, sa nesmie úplne zastaviť, inak by spadla na povrch Červenej planéty.

Zariadenia vo vesmíre, ktoré obiehajú okolo Zeme alebo sa vracajú z Mesiaca, sa pohybujú obrovskými rýchlosťami, ktoré im boli dané v čase štartu. Preto napríklad Medzinárodná vesmírna stanica z času na čas upravuje obežnú dráhu, zvyšuje ju, pretože čím je vyššia, tým nižšia by mala byť rýchlosť potrebná na zotrvanie na obežnej dráhe.

Pretože zabezpečenie týchto rýchlostí vyžaduje zodpovedajúci výdaj energie, brzdenie musí byť spojené s podobným výdajom energie. Ak by teda bolo možné zariadenie pred vstupom do atmosféry spomaliť, letieť nízkou rýchlosťou alebo dokonca pomaly dopadnúť k Zemi, tak by sa toľko nezohrievalo a nebezpečenstvo pre posádku by bolo bezvýznamné.

V tom je háčik. Vesmírne lety si vyžadujú obrovské náklady na energiu. Hmotnosť užitočného zaťaženia rakety je malá časť celkovej vzletovej hmotnosti rakety. Z väčšej časti je v strede rakety palivo, ktorého väčšina je spálená na prvom stupni prechodu spodnými vrstvami atmosféry. Do vesmíru je potrebné poslať techniku ​​alebo posádku lode. Palivo je potrebné aj na opustenie obežnej dráhy Zeme počas pristávania, a to veľmi veľké množstvo. Preto pri brzdení hrozí, že palivo spôsobí požiar lode. Vo väčšine prípadov sú to palivové nádrže, ktoré pri pristávaní od vysokej teploty explodujú.

Tiež zaujímavé:

• 10 najpodivnejších vecí, ktoré sme sa dozvedeli o čiernych dierach v roku 2021
• Terraformovanie Marsu: Mohla by sa červená planéta zmeniť na novú Zem?

Pristátie, podobne ako pri štarte, len v opačnom smere

Na takmer úplné spomalenie vozidla pred vstupom do atmosféry bude potrebné použiť rovnaké množstvo paliva ako pri štarte za predpokladu, že hmotnosť vozidla sa počas misie výrazne nemení. Keď však k hmotnosti lode pripočítame palivo potrebné na zdvihnutie lode a na následné brzdenie, vyjde nám to mnohonásobne. A práve táto smutná ekonomická kalkulácia znamená, že sa treba stále spoliehať na inhibíciu zemskej atmosféry.

Napríklad pri pristávaní rakiet SpaceX Falcon 9 sa používa palivo, tu je však samotná raketa veľmi ľahká (na Zem sa vracia väčšinou len palivová nádrž) a návrat zo vzdialenej obežnej dráhy sa neuskutočňuje.

Inžinieri vypočítali, že pristátie na Zemi si vyžaduje rovnaké palivové zdroje na kilogram ako vzlet na obežnú dráhu. To znamená, že je to skoro ako vzlet, len v opačnom smere.

A zrejme to tak bude ešte dlho. Nielen počas misií Artemis 1, ale aj potom, čo človek dosiahne Červenú planétu. Keď sa do určitej miery podarí prekonať túto prekážku, potom bude možné povedať, že vesmírne lety sme konečne zvládli. Pretože každý môže vzlietnuť, ale môžu nastať problémy s pristávaním.

História však pozná veľa príkladov, keď sa našim vedcom a inžinierom podarilo vyriešiť zložité problémy. Dúfame, že už čoskoro nebude let na Mesiac alebo Mars o nič ťažší ako let z New Yorku do Kyjeva. S príjemným a bezpečným pristátím.

Ak chcete pomôcť Ukrajine v boji proti ruským okupantom, najlepší spôsob, ako to urobiť, je darovať Ozbrojeným silám Ukrajiny prostredníctvom Zachrániť život alebo cez oficiálnu stránku NBU.

Prečítajte si tiež:

• Pozorovanie červenej planéty: História marťanských ilúzií
• Teleportácia z vedeckého hľadiska a jej budúcnosť