Dlaczego rakiety latają zawsze na wschód?

Oto zasadne pytanie. I tak w ogóle, to jak rakiety ślemy w niebo ? Sprawa zdaje się prosta. Mamy do czynienia z wielką, pionową kolumną – na górze ostro zakończoną, na dole zaopatrzoną w duże silniki w kształcie dzwonów. Do kapsuły na górze w glorii i chwale wsiada kilku bohaterskich astro-/kosmo-/taikonautów¹Zastanawialiście się kiedyś, na czym polega różnica? Astronauci są amerykańscy, kosmonauci najpierw sowieccy, potem rosyjscy, a tajkonauci – chińscy., następnie głośno odliczamy od dziesięciu do zera, silniki zaczynają pluć ogniem i rakieta na słupie dymu leci w kosmos.

Tak to mniej więcej wygląda w telewizji i na transmisjach online. Rzeczywistość jest dużo bardziej skomplikowana. W języku angielskim występuje wręcz powiedzenie „It’s not rocket science”²Dosł. „To nie jest nauka o rakietach” na określenie czegoś bardzo łatwego. No cóż, tutaj mamy do czynienia z nauką i techniką rakietową.

My w niebo ślem rakiety

Zacznijmy od ustalenia, co to tak właściwie znaczy „polecieć w kosmos”. Jak daleko trzeba polecieć, żeby być astronautą? Okazuje się, że niezbyt daleko. Międzynarodowa Federacja Lotnicza za granicę kosmosu przyjmuje tzw. linię Kármána, czyli wysokość 100 km nad poziomem morza. Spośród liczących się organizacji jedyną taką, która się z tą definicją nie zgadza, jest wojsko amerykańskie. Dla nich astronautą jest ten, kto przekroczył pułap 50 mil (ok. 80 km) nad poziomem morza. Niezależnie od tego, którą definicję przyjmiemy, kosmos nie jest tak daleko. Więc w czym problem?

Najpewniej w ukrytym założeniu. Otóż najczęściej, gdy mówimy „polecieć w kosmos”, mamy na myśli „…i się tam utrzymać”. Chodzi o to, że żeby odwiedzić kosmos, rzeczywiście wystarczy polecieć 100 kilometrów pionowo w górę. Utrzymanie się w kosmosie, czyli wejście na orbitę, oznacza, że musimy się rozpędzić do ok. 8 km/s, czyli do tzw. pierwszej prędkości kosmicznej. Dlaczego? Otóż wbrew obiegowej opinii, to nie jest tak, że na obiekty na orbicie nie działa ziemska grawitacja. Działa, jak najbardziej – w przeciwnym wypadku zamiast po orbicie obiekty te oddaliłyby się od Ziemi ruchem jednostajnym.

Wszystko, co krąży na orbicie, jest cały czas przyciągane przez Ziemię i próbuje na nią spaść. Ale porusza się przy tym na tyle szybko, że „nie daje rady” i zamiast na Ziemię spadać, okrąża ją. Wyobraź to sobie w ten sposób: nasz obiekt próbuje spaść, ale nie daje rady, ponieważ Ziemia się zakrzywia i mu „ucieka”. Tutaj warto dodać, że na wysokości 100, 200 czy nawet więcej kilometrów nad Ziemią daleko jest do absolutnej próżni. Wszystkie obiekty na tej wysokości nadal będą spowalniane przez tarcie i koniec końców spadną. A o konkretach związanych z powrotem na Ziemię napiszę więcej w którymś z przyszłych wpisów w tym cyklu.

Co z tym wschodem?

I tutaj ciekawostka: rakiety – generalnie – startują na wschód. A dlaczego? Najprostsza w tym momencie odpowiedź to „bo wszystko na orbicie porusza się na wschód, więc lecąc na wschód mamy mniejszą szansę zderzyć się z czymkolwiek”. No dobrze, ale dlaczego pierwsze starty odbywały się w tym kierunku? Ponieważ, jak ponoć stwierdził Galileusz, „a jednak się kręci”. Pomyślcie: te 8 km/s to nie ma być szybkość względem jakiegoś punktu na powierzchni Ziemi, tylko względem jej środka ciężkości³Chcąc być bardzo poprawnym należałoby powiedzieć „względem środka ciężkości układu Ziemia-rakieta”, ale ze względu na stosunek ich mas wychodzi na to samo. A powierzchnia Ziemi na równiku porusza się z szybkością 460 m/s, czyli około 5% potrzebnej prędkości. Start w drugą stronę oznaczałby konieczność pozbycia się tych 460 m/s prędkości, czyli zamiast odjąć 5% od koniecznej zmiany prędkości, trzeba by je dodać. Wybór był więc oczywisty. Innymi słowy, startując na wschód, możemy albo zużyć mniej paliwa, albo wystrzelić większą masę.

Warto tu zauważyć, że im dalej jesteśmy od równika, tym wolniej porusza się powierzchnia Ziemi⁴Mówimy tu oczywiście o prędkości liniowej, nie kątowej.. Jeśli kiedyś interesowaliście się podbojem kosmosu, pewnie słyszeliście o tym, że miejsca startu wybiera się tak, żeby były jak najbliżej równika. To wprawdzie tylko część prawdy, ale dodatkowa prędkość na starcie jest jednym z dwóch istotnych efektów wpływających na faworyzowanie lokacji położonych bliżej równika.

It IS rocket science

A drugi efekt? Żeby to wyjaśnić, trzeba najpierw zrozumieć, czym jest inklinacja (nachylenie) orbity. Dla obiektu poruszającego się wokół Ziemi środkiem orbity jest środek Ziemi⁵O ile mowa o orbicie kolistej, jeśli orbita ma kształt elipsy, to środek Ziemi będzie w jednym z jej ognisk. A teraz wyobraźmy sobie kółko do hula hop, w środku którego jest globus. Na ile sposobów możemy je ustawić? Na nieskończenie wiele, ponieważ kółko możemy ustawić w poziomie, w pionie, albo jakkolwiek inaczej. I właśnie kąt pomiędzy płaszczyzną orbity a płaszczyzną odniesienia nazywa się inklinacją. W przypadku orbit okołoziemskich tą płaszczyzną odniesienia jest płaszczyzna równika. 

Warto tutaj dodać, że za inklinację 0° przyjmuje się orbitę położoną dokładnie w płaszczyźnie równika, gdy orbitujący obiekt porusza się w tym samym kierunku, w którym obraca się ciało, wokół którego orbituje – w przypadku Ziemi z zachodu na wschód. Gdyby obiekt orbitował ze wschodu na zachód, to inklinacja wynosiłaby 180°. Tu właśnie pojawia się zaleta startów z okolicy równika. Przy takim starcie można polecieć bezpośrednio na orbitę o dowolnej inklinacji. Przeciwnie, gdybyśmy postanowili wysłać coś w kosmos z bieguna, dostępna bezpośrednio byłaby tylko inklinacja 90°.

I przypadek bardziej ogólny – dla punktu startu położonego na szerokości geograficznej X dostępne bezpośrednio są orbity o inklinacji od X° do 180°-X°. Czyli na przykład: gdyby chcieć polecieć w kosmos z Wrocławia, leżącego przy 51. równoleżniku, można by bezpośrednio polecieć na orbitę o inklinacji między 51° a 129°. Zauważyliście pewnie, że używam wciąż słowa „bezpośrednio”? Gdy już będziemy na orbicie, możemy ponownie odpalić silniki i zmienić orbitę. Jednak będzie nas to kosztowało dużo energii, o czym dokładniej opowiem następnym razem, gdy zapoznamy się z panem Ciołkowskim i jego równaniem rakietowym.

Orbita ma znaczenie

Ale tak właściwie jakie znaczenie ma dla nas inklinacja orbity? Czy to nie jest dla nas wszystko jedno? To zależy. Jeśli celem jest po prostu „wejść na orbitę”, tak jak to wyglądało w przypadku Sputnika, to faktycznie inklinacja jest nieistotna. Ale w dzisiejszych czasach wejście np. rakiety na orbitę rzadko jest celem samo w sobie. Czasem na przykład chcemy polecieć gdzieś dalej, choćby na Księżyc. Inklinacja orbity Księżyca to około 6°, więc startując choćby z przylądka Canaveral (szerokość geograficzna ok. 28°), trzeba trochę poprawić orbitę, żeby w Księżyc ostatecznie trafić. Ale nawet jeśli nie wybieramy się dalej, orbita ma często istotne znaczenie. Weźmy na przykład satelity telewizyjne. Czy zauważyliście, żeby anteny na domach co chwilę zmieniały położenie? Nie? No właśnie: dlatego, że prawie wszystkie satelity telewizyjne są na orbicie geostacjonarnej, czyli „wiszą” nad jednym punktem na Ziemi.

Jak to osiągnąć? Po pierwsze, trzeba mieć orbitę kołową o odpowiedniej wielkości. W przypadku Ziemi jest to ok. 41160 km od środka Ziemi. Samo to – wbrew temu, co często znajduje się w podręcznikach fizyki – daje nam orbitę geosynchroniczną. Co to znaczy? To orbita, w której satelita okrąża ziemię w czasie jednej doby. Oznacza to, że znajduje się nad jednym południkiem – i oscyluje sobie nad nim z południa na północ i z powrotem. Żeby natomiast orbita była geostacjonarna, to poza odpowiednim kształtem i wysokością, jej inklinacja musi wynosić 0°. Wtedy satelita, okrążając ziemię w czasie takim, jaki Ziemi zajmuje jeden pełny obrót dookoła własnej osi, będzie „zawieszony” nad jednym punktem na równiku.

Z drugiej strony, są satelity, które mają za zadanie zobaczyć jak największą część powierzchni Ziemi – na przykład satelity szpiegowskie. Takie satelity są często wysyłane na orbity biegunowe, czyli o inklinacji bliskiej 90°. To swoją drogą stanowi też część wyjaśnienia, dlaczego prom kosmiczny wyglądał tak, jak wyglądał. Otóż miał być przystosowany do tego, żeby w razie potrzeby polecieć na orbitę biegunową, zabrać z niej radzieckiego satelitę, i od razu wrócić na Ziemię. Do punktu, który zdążył się przesunąć o ok. 1000 km na wschód od jego orbity⁶O promach kosmicznych jeszcze tu dużo poczytacie :).. 

Polityka i rakiety

Jeszcze inną ciekawą orbitą jest orbita heliosynchroniczna – inklinacja około 98°. Zapewnia ona fakt, że każdy przelot satelity nad danym miejscem będzie się odbywał o tej samej porze czasu lokalnego. Jest to przydatne dla niektórych satelitów szpiegowskich, ale też na przykład dla monitorowania klimatu. Naukowcy zainteresowani zmianami temperatury w dłuższych okresach chcieliby uzyskać dane pozbawione zaburzeń związanych z rytmem dobowym. W końcu, żeby się dowiedzieć, że nocą jest zwykle chłodniej niż za dnia, nie trzeba wysyłać satelity na orbitę.

Dodatkowym czynnikiem wyboru orbity dla rakiety lub innego obiektu bywają czynniki polityczne. Świetnym przykładem może być Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS). Amerykanie najchętniej ustawiliby ją na orbicie o inklinacji około 28°, bo to jest najbardziej ekonomiczna orbita osiągalna z przylądka Canaveral. Statki dostawcze wysyłane przez ESA z Gujany Francuskiej mogłyby wejść nawet na orbitę o inklinacji 5°. Ale ponieważ w projekt zaangażowani są również Rosjanie, ustalono, że wybrana zostanie orbita najdogodniejsza dla nich. Dlaczego? Ponieważ zdecydowanie łatwiej jest przy starcie zmieniać orbitę na taką o wyższej inklinacji, niż później przechodzić na orbitę o niższej inklinacji. 

I tym sposobem ISS krąży po orbicie nachylonej o 51.6°. Ale zaraz, chwileczkę, przecież Bajkonur, z którego startują rosyjskie misje załogowe i zaopatrzeniowe, leży na szerokości geograficznej 46°, więc skąd te 51.6°? Tu wchodzi dalsza część polityki: lecąc bezpośrednio na wschód dość szybko (w skali prędkości kosmicznych) trafia się nad Chiny. A przypomnieć należy dwa fakty. Po pierwsze, większość rakiet ma kilka stopni, które po zużyciu odpadają i wracają na Ziemię. Odbywa się to w sposób bardziej lub mniej kontrolowany. Po drugie, rakiety czasem się psują i wracają na Ziemię w całości lub drobnych częściach⁷Tzw. RUD – rapid unplanned disassembly – czyli wzięło i się nagle rozwaliło. Pozdrawiamy w tym miejscu fanów Kerbal Space Program., w sposób zdecydowanie niekontrolowany, zapewniając widzom końca ich podróży spektakl typu „światło i dźwięk”.

Zrzucenie zużytych stopni rakiety na terytorium – może niekoniecznie wroga, ale na pewno nie przyjaciela – jest słabym pomysłem. Nieplanowane zrzucenie całej, uszkodzonej rakiety mogłoby zostać w ferworze uznane za atak i doprowadzić do wybuchu wojny. W związku z tym rakiety startujące z Bajkonuru lecą trochę bardziej na północ i wchodzą na orbitę o inklinacji 51.6°.

Centra kosmiczne – dlaczego akurat tam?

Podobne czynniki polityczne i praktyczne decydują o umiejscowieniu centrów kosmicznych. Zauważcie: przylądek Canaveral to wschodnie wybrzeże Stanów Zjednoczonych. Gujana Francuska – wschodnie wybrzeże Ameryki Południowej. Przyczyna jest dość oczywista – startujemy na wschód, więc odpady trafiają do oceanu, a nie na głowy obywateli. Wprawdzie Bajkonur jest położony w Kazachstanie, daleko od jakichkolwiek oceanów. Jednak w okolicy gęstość zaludnienia jest na tyle niska, że nie było problemu z wyborem toru lotu pozwalającego zapewnić bezpieczeństwo wszystkim wokół. 

Natomiast, jeśli mówimy o lotach na orbity biegunowe, Amerykanie korzystają z bazy wojskowej Vandenberg położonej w Kalifornii. Jest tak, ponieważ starty z Florydy w kierunku północnym oznaczałyby zrzucanie resztek na gęsto zaludniony obszar wschodniego wybrzeża. Zaś start na południe uszczęśliwiłby tymi resztkami – w tym na przykład tajnymi technologiami satelitów szpiegowskich – kraje karaibskie, w tym potencjalnie Kubańczyków. Z kolei z bazy Vandenberg można bez problemu startować na południe, nad ocean.

W skrócie: gdyby marzyło się Wam wysyłanie rakiet na orbitę z własnej działki, postarajcie się, żeby ta działka była jak najbliżej Równika, oraz żeby na wschód od niej nie było niczego delikatnego. A następnym razem dowiecie się, co z czym trzeba zmieszać (a może obejdzie się bez mieszania?), żeby do tego startu w ogóle doszło. Do zobaczenia w części drugiej!

Źródła:

https://spaceplace.nasa.gov/launch-windows/en/

https://www.narom.no/undervisningsressurser/sarepta/rocket-theory/satellite-orbits/introduction-of-the-six-basic-parameters-describing-satellite-orbits/

https://spaceflight.nasa.gov/feedback/expert/answer/mcc/sts-112/09_04_12_54_17.html

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Types_of_orbits

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!