Przepraszam, którędy do góry? O manewrowaniu w kosmosie

Ostatni odcinek naszego cyklu rakietowego zakończyliśmy wejściem na orbitę. Dobrze – ale co dalej? Przed nami odcinek o manewrowaniu w kosmosie. Prawdopodobnie po wejściu na orbitę chcemy się dostać w jakieś konkretne miejsce, a później wrócić do domu. Tylko jak to zrobić? Przede wszystkim – nie ufaj zmysłom. Nasze zmysły nie są przystosowane do takich sytuacji – zawodzą już po wzniesieniu się w przestworza. Jedną z ważniejszych lekcji wpajanych młodym pilotom jest to, że jeśli ich zmysły mówią im coś innego, niż ich przyrządy, to mają zaufać przyrządom. A sytuacja lotu w atmosferze jest o wiele łatwiejsza, niż w wypadku lotu kosmicznego. W końcu samolot wystarczy skierować dziobem we właściwym kierunku, żeby prędzej czy później doleciał¹O ile mu nie zabraknie paliwa, ale to temat na inną notkę. 

W kosmosie – cóż, samo obrócenie dzioba nie daje nic. Bez włączonych silników będziemy dalej lecieć, a właściwie spadać, w tym samym kierunku co wcześniej. Ale nawet obrócenie dzioba w kierunku celu i włączenie silników nie oznacza, że dolecimy tam, gdzie chcemy. O tym bardzo boleśnie przekonali się astronauci w czasie misji Gemini IV.

O co chodziło? Pozwól, że wyjaśnię: jednym z zadań postawionych przed astronautami było zbliżenie się do ostatniego stopnia rakiety nośnej. Jednak – tajemnicza sprawa – gdy kierowali się w jego stronę i przyspieszali, to po pewnym czasie okazywało się, że znajdują się nie tylko wyżej niż on, ale coraz bardziej z tyłu. Dlaczego? Zaraz dowiecie się, jak działa mechanika orbitalna.

Jaka jest różnica między samolotem a statkiem kosmicznym?

Dużo większa, niż tylko pułap lotu. Samolot utrzymuje kurs i wysokość dzięki temu, że pracują silniki, które go popychają do przodu. Skrzydła i stateczniki wytwarzają dzięki temu odpowiednie siły, utrzymujące samolot tam, gdzie trzeba. W związku z tym obrócenie samolotu tak, żeby dziób był skierowany tam, gdzie chcemy lecieć, sprawi, że siła ciągu zacznie nas tam popychać. Z kolei odpowiednio ustawiając wszystkie stery, wybieramy, czy zwiększając ciąg, chcemy przyspieszyć, czy może polecieć wyżej.

W przypadku statku kosmicznego jest inaczej. Na kursie utrzymuje nas to, że poruszamy się wystarczająco szybko, i żadne silniki nie są do tego potrzebne. Ale nawet użycie silników w odpowiednim kierunku zmienia (lub przynajmniej może zmienić) wszystkie parametry orbity w sposób dość niespodziewany. Przykład: jeśli ustawimy dziób w tym kierunku, w którym lecimy, i przyspieszymy, to głównym efektem nie będzie przyspieszenie. Przede wszystkim, zwiększy sie odległość orbity od Ziemi – i to po przeciwnej jej stronie, niż aktualnie jesteśmy.

A teraz czas na tę najbardziej nieintuicyjną część. Im wyższa orbita, tym więcej czasu zajmuje jej przelecenie²Co swoją drogą jest ważne – kształt orbity jednoznacznie określa osiągane prędkości. Parametry statku kosmicznego nie mają tu nic do rzeczy.. Jeśli więc nasi dzielni astronauci lecą tuż za swoim celem, skierują się ku niemu i przyspieszą, to wejdą na nieco wyższą orbitę. Oznacza to, że po kilkudziesięciu minutach zobaczą, że są wyżej, niż ich cel. A gdy znowu będą na tej samej wysokości³Przypominam, że ich orbita będzie eliptyczna! będą coraz dalej od celu. 

Manewrowanie w kosmosie

To, co powinni zrobić, to dokładnie odwrotne podejście: jeśli przyspieszą w kierunku przeciwnym niż ich cel, ich orbita się obniży. Przelecenie całej orbity zajmie im mniej czasu, więc po kolejnym okrążeniu znajdą się bliżej celu. No, chyba że dadzą radę go całkiem wyprzedzić. Trudne? Nawet jeśli, to pocieszę Was: pamiętajcie, że nawet ludzie szkoleni do pilotowania statków kosmicznych mieli z tym na początku duży problem.

Po pobycie na orbicie często chcemy wrócić do domu. Powodów jest wiele: do laboratoriów na Ziemi trzeba by dostarczyć próbki, a pozostawione śmieci na orbicie utrudniają przyszłe misje. Poza tym pozostawienie tam astronautów skutkuje złą prasą i trzeba się tłumaczyć w mediach. A więc – jak wrócić na Ziemię?

W strumieniu ultragorącej plazmy

Tak zupełnie poważnie. Brzmi to dość absurdalnie, ale wbrew pozorom jest to najbezpieczniejszy sposób na powrót z orbity. Dlaczego rakieta nie mogłaby po prostu mocno wyhamować na orbicie, a następnie łagodnie opaść na Ziemię? Cóż, tu niestety ponownie kłania się nam równanie rakietowe Ciołkowskiego, o którym pisałem w poprzednim odcinku. Otóż: jeśli chcemy dostarczyć statek kosmiczny na orbitę, a następnie tam wyhamować, to całkowita zmiana prędkości jest dwukrotnie wyższa, niż do samego wejścia na orbitę. I tu wkracza logarytm. Żeby uzyskać dwukrotnie wyższą zmianę prędkości, paliwa musimy ze sobą zabrać nie dwukrotnie więcej, lecz ośmiokrotnie więcej. Dlaczego?

Powód jest dość prosty: wyhamowanie rakiety wymaga mniej-więcej tyle paliwa, co jej rozpędzenie ⁴w praktyce ciut mniej, bo nie trzeba przebijać się przez atmosferę. Czyli żeby spowolnić nasz ładunek do prędkości, która pozwoli na łagodne opadanie, potrzebujemy… Takiej rakiety, jakiej teraz używamy do wyniesienia tego ładunku w Kosmos. A żeby tę rakietę wynieść w kosmos – potrzebujemy jeszcze siedem razy tyle paliwa. To zaś oznaczałoby potrzebę dorzucenia kolejnych silników, żeby siła ciągu była wyższa, niż masa rakiety. Więcej silników oznacza większą masę rakiety, więc potrzeba będzie więcej paliwa…. Widzicie, do czego to zmierza? Zapewniam, że budowa takiej rakiety nie byłaby bezpieczniejsza – a o kosztach nawet nie ma co wspominać.

Rozwiązanie jest dość proste. Zamiast hamować silnikami “do zera”, wystarczy wyhamować trochę – na tyle, żeby wejść w atmosferę. A dalej atmosfera zrobi swoje i przejmie energię od powracającego na Ziemię statku. W jaki sposób? Co ciekawe, nie odbywa się to – jak wielu ludzi sądzi – na zasadzie tarcia cząsteczek powietrza o rozpędzony statek kosmiczny. Główną przyczyną spowolnienia statku jest sprężanie powietrza przed nim. Sprężanie w dużo większym stopniu niż “rozpychanie”, ponieważ mówimy tu o prędkościach ponaddźwiękowych. Pomyślcie o tym w ten sposób: prędkość dźwięku to prędkość rozchodzenia się fali mechanicznej w danym ośrodku. Jeśli coś, w tym wypadku statek kosmiczny, porusza się szybciej niż dźwięk, to powietrze przed nim nie “dowiaduje się” na czas, że musi się rozstąpić. Zamiast tego jest ono “uderzane” przez rozpędzony statek. W związku z tym jego objętość się zmniejsza.

Hamowanie przez sprężanie

No dobrze, różne rzeczy już wyjaśniłem, ale skąd ta plazma? Właśnie ze sprężania powietrza. Mówi się często, że “w przyrodzie nic nie ginie”. Ta maksyma dotyczy również energii⁵Wprawdzie pan Einstein miał na ten temat inne zdanie, ale w większości przypadków z tzw. “życia codziennego” kwestię przemiany materii w energię i odwrotnie możemy spokojnie pominąć. Jeżeli sprężanie powietrza hamuje lecący statek kosmiczny, a tym samym obniża jego energię kinetyczną, to ta energia musi się gdzieś podziać. I podziewa się – zwiększa szybkość ruchu molekuł powietrza. A to, jak wiecie z naszego artykułu na temat temperatury, oznacza wzrost temperatury powietrza.

Jeśli chcecie się przekonać, że to działa, możecie wykonać prosty eksperyment. Potrzebna do tego będzie pompka – rowerowa, samochodowa lub jakaś podobna. Spróbujcie, szybko pracując, napompować koło, albo przynajmniej szybko popracować pompką o zatkanym wylocie. Dotknijcie później korpusu pompki – łatwo się przekonać, że będzie ciepły⁶Oczywiście, ci z Was, którzy czytali nasz artykuł o efekcie placebo wiedzą, że taki eksperyment nie wystarczy, żeby udowodnić, że to kompresja, a nie tarcie jest odpowiedzialna za wzrost temperatury. Punkt dla Was! Poczekajcie, aż pompka ostygnie, a potem powtórzcie eksperyment, ale wylot pompki pozostawcie otwarty. Łatwo się przekonacie, że nawet jeśli temperatura wzrośnie, to nie będzie to aż tak duży wzrost..

O jak dużym wzroście mówimy? Do przeszło półtora tysiąca stopni Celsiusza. Takie temperatury wystarczają, żeby zjonizować powietrze⁷Sprawić, że od cząsteczek i atomów, z których składa się powietrze, poodłączają się elektrony., a tym samym zmienić je w plazmę. Ten efekt jest też, swoją drogą, odpowiedzialny za czasowy zanik komunikacji radiowej ze statkiem kosmicznym wracającym z orbity. Jeśli ktoś pamięta pełne napięcia chwile “blackoutu” pod koniec filmu “Apollo 13” – to właśnie o to chodziło. Plazma wokół kapsuły wywoływała zakłócenia elektromagnetyczne i nie pozwalała na przejście fal radiowych.

Jak się nie usmażyć?

Wszystko pięknie, nasz statek kosmiczny hamuje bardzo efektywnie, nie zużywa paliwa… Ale to są tysiące stopni! Co zrobić, żeby chociaż nie spalił nam się statek, nie mówiąc już o ugotowaniu delikatnego mięsa w środku? Są zasadniczo dwie podstawowe możliwości rozwiązania tego problemu.

Pierwszym i najpopularniejszym są osłony ablacyjne. Ablacja to proces usuwania kolejnych warstw czegoś. Nie inaczej jest w przypadku osłon ablacyjnych. Są one wykonane z tworzyw sztucznych, które pod wpływem ciepła rozpadają się w dość kontrolowany sposób, emitując przy tym duże ilości gazów.

Pamiętacie pewnie ze szkoły, że pocenie służy nam do regulacji temperatury ciała. Pot, odparowując odbiera z naszej skóry dużą ilość energii. W wypadku osłony ablacyjnej jest podobnie. Dodatkowo warstwa gazów tworzących się w wyniku rozpadu materiału osłony służy za swego rodzaju “poduszkę gazową” (pamiętacie efekt Leidenfrosta?). Utrzymuje ona gorące gazy na odległość od statku kosmicznego, a tym samym utrudnia i spowalnia transfer ciepła. Podstawową zaletą tego typu rozwiązania jest prostota konstrukcji, jej odporność i niezawodność. Po prostu nie ma tam za bardzo co pójść nie tak. Niestety, jest to rozwiązanie jednorazowego użytku. Osłona po prostu zużywa się podczas wejścia w atmosferę, żeby chronić cenny ładunek ponad nią.

Krucha tarcza 

Opcja numer dwa, wykorzystywana rzadziej, ale bardziej spektakularnie: osłona wielorazowego użytku, bazująca na izolacji. Taka właśnie metoda stosowana była w promach kosmicznych. Materiał, z którego wykonana była największa część osłony, miał fascynujące właściwości. Składał się z włókien krzemionkowych, które jednak zajmowały tylko 10% jego objętości. Sprawiało to, że był bardzo lekki, a jednocześnie nie przewodził ciepła zbyt dobrze. W Internecie łatwo znaleźć filmy, pokazujące jak niezbyt gruby kawałek osłony, podgrzewany z jednej strony palnikiem, z drugiej jest trzymany gołą ręką.

Osłony te są na tyle wytrzymałe termicznie, że nie zużywają się przy wejściu w atmosferę. Było to kluczem do wielokrotnego wykorzystywania promów kosmicznych i planowanej szybkiej obsługi pomiędzy lotami. Niestety, przy swoich licznych zaletach, przynajmniej niektóre z tych materiałów były bardzo kruche, a przez to podatne na uszkodzenia mechaniczne. To właśnie stało się przyczyną katastrofy Columbii. Kawałek pianki izolacyjnej oderwanej z zewnętrznego zbiornika paliwa uderzył w skrzydło i wybił w nim dziurę, pozwalając tym samym, by przy powrocie gorące gazy wdarły się do środka pojazdu. Dodatkowo, ograniczona wytrzymałość mechaniczna sprawiła, że trzeba było każdą płytkę sprawdzać ręcznie po powrocie z orbity, co całą procedurę przygotowania do kolejnego startu wielokrotnie przedłużało.

Oczywiście te rozważania nie do końca dotyczą do końca misji bezzałogowych. Satelity z definicji zostają na orbicie. Z kolei w większości przypadków kapsułom transportowym pozwala się po prostu spłonąć w atmosferze. Tak wygląda koniec życia kapsuł wiozących zaopatrzenie na Międzynarodową Stację Kosmiczną – na drogę powrotną wypełnia się je odpadami. Kapsuła spala się, wchodząc w atmosferę, i problem odpadów znika.

To nie jest świat dla starych satelitów 

A co się dzieje ze zużytymi satelitami? Jak to zwykle bywa – jest kilka opcji. Zdarza się, że satelity zużywają resztkę paliwa na powrót na Ziemię i spłonięcie w atmosferze. To załatwia sprawę ostatecznie, choć bywa problematyczne. Niektóre satelity zasilane są generatorami radioaktywnymi. Wprawdzie takie satelity mierzą w kawałek oceanu odległy od wszelkich szlaków handlowych, ale wciąż rozrzucanie radioaktywnych materiałów przy niekontrolowanej destrukcji satelity nie jest najszczęśliwszym pomysłem.

Druga opcja – satelity, które krążą dalej od Ziemi, przenoszone są na wyższe orbity. Po co? Jak już kiedyś pisałem, nawet poza formalną granicą atmosfery ziemskiej wciąż napotyka się cząsteczki gazów, które powoli spowalniają orbitujące tam obiekty, a tym samym przyczyniają się do obniżenia ich orbity. Im wyżej – tym takich cząsteczek mniej, więc i orbita jest bardziej stabilna. A dlaczego przeszkadza nam niestabilność orbity?

Ponieważ satelita pozostawiony samemu sobie, co się czasem zdarza (opcja numer 3), czy to celowo, czy z powodu awarii, staje się nieprzewidywalny. Wiemy, że prędzej czy później wróci na Ziemię. Nie wiemy dokładnie kiedy, nie wiemy też, gdzie pospadają szczątki. I owszem, statystyka mówi nam, że prawdopodobnie trafi do morza czy oceanu. Ale ma również szansę wylądować we Wrocławiu, Londynie czy innym Ułan Bator. A tego wolelibyśmy uniknąć.

Orbitalne śmietnisko

Tak samo z resztą wolelibyśmy uniknąć opcji numer 4, wykorzystanej kilka razy w ramach demonstracyjnego potrząsania szabelką: używania broni antysatelitarnej. O co chodzi? Niektóre kraje wystrzeliwują w kosmos satelity do szpiegowania bliźnich. Bliźni często nie życzą sobie być podglądani, rozwijają więc broń mającą za zadanie niszczyć satelity-podglądaczy. Taką broń trzeba czasem przetestować, więc wykorzystuje się w tym celu jakiegoś starego, nieużywanego już satelitę. I w czym problem? Ano w tym, że taki satelita rozpada się na wiele mniejszych kawałków, które zaczynają latać po różnych orbitach. A i bez tego mamy w bliskiej przestrzeni kosmicznej masę śmieci⁸Trzeba przyznać, że jesteśmy konsekwentni: gdzie tylko nasz gatunek się pojawi, zaczyna śmiecić., co utrudnia planowanie kolejnych lotów. Trzeba przecież uważać, żeby nowo wystrzelony statek kosmiczny nie zderzył się przypadkiem z kawałkiem złomu, który lata po orbicie…

To wyczerpuje podstawowe informacje – wiecie już, co się dzieje od startu do końca aktywności statku kosmicznego. Zostańcie z nami – niedługo będziemy mogli porozmawiać o co ciekawszych fragmentach historii podboju kosmosu, ale też i o planach na przyszłość bliższą i dalszą⁹Elon Musk, liczymy na Ciebie!

Źródła:

https://cosmosmagazine.com/technology/how-do-heat-shields-spacecraft-work/

https://spaceplace.nasa.gov/spacecraft-graveyard/en/

https://www.nasa.gov/centers/johnson/pdf/584728main_Wings-ch4b-pgs182-199.pdf

https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/avs/offices/aam/cami/library/online_libraries/aerospace_medicine/tutorial/media/III.4.1.5_Maneuvering_in_Space.pdf

http://www.braeunig.us/space/orbmech.htm

http://www.astronautix.com/g/gemini4.html

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