Kozmický let

Ako kozmický let označujeme let, pri ktorom sa umelé kozmické teleso dostane do horných vrstiev zemskej atmosféry alebo úplne mimo zemskú atmosféru. V súčasnosti je možné takýto let uskutočniť len prostredníctvom telesa poháňaným chemickým reaktívnym pohonom. Za kozmický let sa často považuje len taký let, pri ktorom umelé kozmické teleso vykoná aspoň jeden oblet okolo Zeme, alebo nad hranicami atmosféry zotrvá aspoň 90 minút.

Pojem kozmický let nemožno presne vymedziť, pretože zemská atmosféra prechádza do medziplanetárneho prostredia plynule a akákoľvek výška nad povrchom Zeme, ktorá sa v súvislosti s kozmickým letom spomína, bola zavedená len umelo. Niekedy sa za hornú hranicu atmosféry považuje už výška 120 km nad povrchom Zeme. Aby však mohla byť splnená podmienka, že teleso vykoná aspoň jeden oblet Zeme, výška musí byť väčšia, pretože v 120 kilometroch ešte kladie zemská atmosféra priveľký odpor a preto sa horná hranica zemskej atmosféry pri definícii kozmického letu kladie do výšok okolo 200 km.

Pokiaľ umelé kozmické teleso na palube nesie človeka, hovoríme o pilotovanom kozmickom lete bez ohľadu na to, či sa osoba podieľa na riadení kozmickej lode. Ak sa na palube nachádza iný alebo žiadny živočích, let je nepilotovaný. Špeciálnu kategóriu predstavujú tzv. suborbitálne kozmické lety, pri ktorých teleso nedosiahne obežnú dráhu a ani potrebný čas nad hranicou atmosféry, napriek tomu sa zaraďujú ku kozmickým letom.

Dôvody

Dôvody kozmického letu sú rôzne a súvisia s tým, či ide o pilotovaný alebo nepilotovaný let, či sa počíta s návratom telesa na Zem alebo nie, či je teleso vypúšťané na obežnú dráhu Zeme alebo nie, o aký typ dráhy ide a aká je dĺžka misie. Vo všeobecnosti je cieľom kozmického letu dosiahnutie kozmického priestoru, ktorý má v porovnaní s priestorom v zemskej atmosfére množstvo zvláštnych vlastností, ktorých využitie môže byť výhodné. Veľmi riedka zemská atmosféra vo veľkých výškach umožňuje, aby teleso bolo navedené na obežnú dráhu okolo Zeme a zotrvalo na nej pomerne dlho. Tým teleso dosiahne dynamický stav beztiaže, ktorý sa nikde na Zemi na takú dlhú dobu nedá simulovať. Stav beztiaže je predmetom mnohých technologických, materiálových, biologických, lekárskych, fyzikálnych a iných výskumov. Neprítomnosť atmosféry poskytuje ďalšiu výhodu a to že neskresľuje pohľad na nočnú oblohu, nedochádza tu k scintiácii hviezd, k poklesu ich jasnosti či refrakcii a tak z kozmického priestoru môžu byť uskutočňované veľmi presné a cenné astronomické merania. Prístroje umiestnené v kozmickom priestore naviac môžu skúmať nebeskú sféru v celom elektromagnetickom spektre, čo by na Zemi nebolo možné, pretože atmosféra väčšinu vlnových dĺžok umožňuje. Užitočný pre vedu je tiež pohľad z kozmu späť na Zem, tzv. diaľkový prieskum Zeme.

Praktický úžitok kozmického letu spočíva ďalej v možnostiach telekomunikácie, navigácie, vojenstva, priameho prieskumu iných telies slnečnej sústavy (mesiacov, planét,...), budovanie orbitálnych staníc, zásobovanie orbitálnych staníc, výmena posádok, opravy umelých kozmických telies a znášaní umelých kozmických telies na Zem.

Súbor:New horizons Pluto.jpg

Kozmické lety umožňujú priamy výskum iných telies slnečnej sústavy. Na obrázku je umelecká predstava sondy New Horizons, ktorá bude skúmať Pluto.

Teória letu

Zem priťahuje všetky telesá na svojom povrchu silou F_g. Aby sa teleso dostalo na približne kruhovú obežnú dráhu okolo Zeme (na ktorú sú telesá zvyčajne navedené aj v prvej fáze medziplanetárneho letu), musí sa gravitačné pôsobenie Zeme vyrovnať s odstredivou silou F _o pôsobiacou na obiehajúce teleso. Musí teda platiť

$F_{g}=F_{o}\,\!$

čiže

${\frac {m\mu }{r^{2}}}={\frac {mv^{2}}{r}}$ ,

pričom µ je gravitačný parameter sústavy (pre Zem má hodnotu 398600,3 km³/s² a r je vzdialenosť od stredu Zeme.

Aby toto teleso dosiahlo, musí mať prvú únikovú rýchlosť, nazývanú tiež kruhová rýchlosť. Táto rýchlosť teda nie je závislá od hmotnosti vypúšťaného telesa, je teda pre všetky telesá rovnaká. Kruhovú rýchlosť obiehajúceho telesa možno vyjadriť vzorcom

$v_{k}={\sqrt {\frac {\mu }{r}}}$

Pre teleso obiehajúce vo výške okolo 200 km predstavuje 8000 m/s, čo je desaťkrát viac, ako rýchlosť bežných nadzvukových lietadiel. Na udelenie takejto obrovskej rýchlosti musí mať teleso pri štarte dostatočnú zásobu paliva a dostatočne výkonné raketové motory. Najčastejšie teleso do vesmíru vynáša osobitné teleso, nosná raketa, ktorá väčšinou slúži len na jedno použitie. Nosná raketa je neporovnateľne väčšia a hmotnejšia než vynášané teleso. Väčšina jej hmotnosti pripadá na palivo a okysličovadlo, pretože časť letu prebieha v takých veľkých výškach nad povrchom Zeme, kde už nie je dostatok atmosférického kyslíka na horenie paliva.

Po vynesení na obežnú dráhu sa teleso pohybuje len zotrvačnosťou a obieha centrálne teleso stále v jednej rovine. Jeho dráha sa dá popísať dráhovými elementmi. Ďalším zapnutím raketových motorov - pridávaním rýchlosti bude najvzdialenejší bod telesa na dráhe (apogeum) stúpať a dráha sa stane eliptickou. Zážihom motorov vo vhodnej časti eliptickej dráhy sa eliptická dráha môže opäť zmeniť na kruhovú, ale vyššiu ako predchádzajúca dráha. Obežná rýchlosť telesa však bude menšia ako na nižšej dráhe (tretí Keplerov zákon).

Keď sa rýchlosť zvýši na 11180 m/s (druhá úniková rýchlosť), apogeum sa stratí v nekonečne a teleso prejde na obežnú dráhu okolo Slnka - heliocentrickú. Najvzdialenejší bod jeho dráhy od Slnka sa nazýva afélium. Po ďalšom zvyšovaní rýchlosti sa bude afélium od Slnka vzďaľovať, až po dosiahnutí hraničnej rýchlosti 16670 m/s sa stratí v nekonečne a dráha sa zmení na parabolickú. Teleso s takouto rýchlosťou navždy opúšťa slnečnú sústavu.

Ak sa chce vypustené teleso stretnúť s nejakou inou družicou (na obežnej dráhe Zeme) alebo s nejakou planétou (na obežnej dráhe Slnka), musí mať rovnako vysokú obežnú dráhu, dráhu v rovnakej rovine a tiež musí na miesto stretnutia doletieť v rovnaký čas ako očakávané teleso, pretože všetko v Slnečnej sústave sa pohybuje. Preto musí teleso odštartovať zo Zeme v správny okamih. Tento okamih sa nazýva štartovacie okno.

Uskutočnenie letu

Aby sa kozmický let mohol konať, je potrebné vynášanému telesu udeliť aspoň 1. únikovú rýchlosť vo výške aspoň 200 km. Toto sa v súčasnosti uskutočňuje pomocou nosných rakiet. Nosná raketa je teleso s premennou hmotnosťou využívajúca princíp reaktívneho pohonu. Palivo (kvapalné alebo tuhé) sa spaľuje v tzv. spaľovacej komore. Pritom prudko rastie tlak v komore a spaliny vylietavajú tryskou motoru vysokou rýchlosťou do okolia. To tlačí raketu smerom nahor.

Úspešné vypustení rakety si vyžaduje množstvo pozemných zariadení, ktoré dohromady vytvárajú kozmodróm. Jeho základom je štartovacia rampa nazývaná tiež štartovací komplex, kde sa raketa udržiava v štartovacej polohe a kde prebiehajú záverečné prípravy rakety na štart. Zvyčajne tam dochádza tiež k plneniu rakety palivom. Raketa sa na kozmodróm prepraví z montážnej budovy. Dôležitou súčasťou kozmodrómu je tiež stredisko riadiace štart, kde sa riadia predštartovné prípravy na rakete a obvykle aj prvá fáza štartu. Zo strediska riadenia vesmírnych letov, ktoré môže byť aj veľmi vzdialené od kozmodrómu letoví kontrolóri kontrolujú telemetriu daného telesa. Po štarte raketa letí tzv. streleckým sektorom kozmodrómu.

Užitočné zaťaženie, ktoré raketa vynáša, môže byť družica, sonda alebo kozmická loď. Toto teleso musí mať vhodnú konštrukciu, aby odolávalo nepriaznivým kozmickým podmienkam. Musí mať stabilnú dodávku elektrickej energie, ktorú mu zabezpečujú buď batérie, rádioaktívny rozklad v izotopových batériách, alebo solárne panely. Ďalej musí byť zabezpečená jeho komunikácia so Zemou (podľa možností nepretržitá), musí mať systémy orientácie a stabilizácie, navigačný systém a riadiaci orientačný systém.

Návrat z kozmu

Nepilotované telesá sa vracajú z kozmu na Zem len zriedkavo. Veľa nepotrebných dielov, napríklad vyhorených stupňov nosných rakiet alebo nefunkčných družíc cielene zhorí v zemskej atmosfére. Iné zostávajú po dlhú dobu na zemskej orbite (kozmický odpad), heliocentrickej dráhe, únikovej dráhe zo slnečnej sústavy alebo dopadnú na povrch telesa, ktoré skúmali (napríklad na povrch Mesiaca, planéty a pod.). K návratu sú napríklad projektované sondy so vzorkami.

Teleso sa na Zem môže vrátiť vlastnými silami alebo (veľmi zriedkavo) v nákladovom priestore raketoplánu. Pokiaľ sa vracia samo, je nevyhnutné, aby malo zachované schopnosti manévrovania a aby jeho povrch bol chránený tepelným štítom. Pri opätovnom vstupe do atmosféry, ktorý sa uskutoční vysoskou rýchlosťou, začne vznikať silné trenie o častice atmosféry, ktoré jeho povrch zahrejú na vysokú teplotu. Okolo telesa sa vytvorí stĺpec ionizovaného plynu podobne ako pri meteoroch. V tejto fáze letu sú možnosti vysielania jeho údajov na Zem veľmi obmedzené.

V záverečnej fáze letu, kedy teleso svojim pohybom už neionizuje vzduch okolo seba, sa na finálne zabrzdenie a mäkké dosadnutie telesa používa väčšinou padák. Ďalšou možnosťou (používanou popri padáku) sú brzdiace trysky. Jedine raketoplán je schopný pristáť podobným spôsobom ako bezmotorové lietadlo vďaka vlastným aerodynamickým schopnostiam. V súčasnosti raketoplán tiež používa pri pristátí padák, ale len ako prostriedok na skrátenie dojazdu po dosadnutí hlavného podvozku na pristávaciu dráhu.

Pozri aj

Externé odkazy