Lot kosmiczny

Z Wikipedii

Lot kosmiczny jest zastosowaniem technologii kosmicznej aby wynieść pojazd kosmiczny do i poprzez przestrzeń kosmiczną.

Lot kosmiczny jest stosowany w eksploracji kosmosu, a także w celach komercyjnych, takich jak turystyka kosmiczna czy komunikacja satelitarna. Inne niekomercyjne zastosowania lotów kosmicznych to obserwatoria kosmiczne, satelity wywiadowcze i inne typy satelitów obserwacyjnych.

Lot typowo zaczyna się odpaleniem rakiety, która dostarcza wstępnego ciągu do pokonania siły grawitacji i odrywa pojazd od powierzchni Ziemi. Ruch pojazdu w przestrzeni kosmicznej - zarówno bez zastosowania napędu jak i z nim - jest przedmiotem badań dyscypliny zwanej astrodynamiką. Niektóre pojazdy pozostają w przestrzeni kosmicznej na zawsze, niektóre spalają się w czasie ponownego wejścia w atmosferę, a inne docierają na powierzchnie planetarne lub księżycowe poprzez lądowanie lub zderzenie.

Spis treści 1 Historia lotów kosmicznych 2 Lot kosmiczny ze startem z Ziemi 2.1 Osiąganie kosmosu 2.2 Platformy startowe i kosmodromy - start 2.3 Powrotne przejście przez atmosferę i lądowanie/wodowanie 2.4 Systemy startowe jednorazowego stosowania 2.5 Systemy startowe wielorazowego stosowania 2.6 Katastrofy 2.7 Pogoda kosmiczna 2.8 Środowisko 3 Statek kosmiczny 4 Załogowy lot kosmiczny 4.1 Nieważkość 4.2 Promieniowanie 4.3 Podtrzymywanie życia 5 Międzyplanetarny lot kosmiczny 6 Lot międzygwiezdny 7 Lot międzygalaktyczny 8 Astrodynamika 9 Napęd pojazdu kosmicznego 10 Koszty, rynek i zastosowanie lotów kosmicznych 11 Listy lotów kosmicznych 12 Zobacz też 13 Linki zewnętrzne 14 Przypisy

[edytuj] Historia lotów kosmicznych

Pierwsze realne propozycje podróży kosmicznych przypisywane są Konstantinowi Ciołkowskiemu. Jego najsłynniejsze dzieło, "Исследование мировых пространств реактивными приборами" (Eksploracja przestrzeni kosmicznej dzięki urządzeniom reakcyjnym), została opublikowana w roku 1903, ale ta teoretyczna rozprawa nie była szeroko znana poza Rosją.

Loty kosmiczne stały się możliwe z inżynierskiego punktu widzenia po publikacji Roberta Goddarda Metoda osiągania ekstremalnych wysokości, gdzie jego propozycja zastosowania dyszy de Lavala do rakiet na paliwo ciekłe dało moc wystarczającą do podróży międzyplanetarnych. Praca ta miała wielki wpływ na Hermanna Obertha i Wernera von Brauna, później kluczowe postaci z dziedziny lotów kosmicznych.

Pierwszą rakietą która dotarła do przestrzeni kosmicznej była niemiecka rakieta V2 w czasie lotu testowego 3 października 1942. 4 października 1957 Związek Radziecki wystrzelił Sputnika 1, który stał się pierwszym sztucznym satelitą na orbicie Ziemi. Pierwszym lotem załogowym była misja Wostok 1 12 kwietnia 1961 - na pokładzie pojazdu znajdował się kosmonauta Jurij Gagarin, który dokonał jednego okrążenia wokół Ziemi.

Rakiety pozostają jedynymi praktycznymi środkami dotarcia do przestrzeni kosmicznej. Inne technologie, takie jak scramjet, w dalszym ciągu nie pozwalają na osiągnięcie prędkości orbitalnej.

[edytuj] Lot kosmiczny ze startem z Ziemi

[edytuj] Osiąganie kosmosu

Najpowszechniejszą definicją przestrzeni kosmicznej jest wszystko powyżej linii Kármána, czyli 100 km nad powierzchnią Ziemi. W Stanach Zjednoczonych czasem stosowana jest alternatywna definicja, określająca granicę przestrzeni kosmicznej na wysokości 50 mil.

Aby pocisk rakietowy mógł polecieć w kosmos, potrzebuje on minimalnego delta-v. Prędkość ta jest o wiele mniejsza niż prędkość ucieczki, pozwalająca na wyrwanie się z zasięgu działania przyciągania Ziemi.

Jest możliwe, aby pojazd kosmiczny opuścił ciało niebieskie bez osiągania prędkości ucieczkowej z powierzchni danego ciała poprzez wytwarzanie ciągu po wyniesieniu. Jest jednak bardziej wydajne paliwowo, aby pojazd spalił swoje paliwo tak blisko powierzchni jak to możliwe, zachowując możliwość osiągnięcia prędkości ucieczki w późniejszym czasie^[1]

Suborbitalny lot kosmiczny

W czasie lotu suborbitalnego pojazd dociera do przestrzeni kosmicznej, ale nie zostaje umieszczony na orbicie. Jego trajektoria prowadzi z powrotem na powierzchnię Ziemi. Loty suborbitalne mogą trwać wiele godzin. Pioneer 1, pierwszy sztuczny satelita NASA, na skutek usterki, zamiast polecieć w kierunku Księżyca, znalazł się na trajektorii suborbitalnej o wysokości 113 854 km, a w atmosferę Ziemi ponownie wszedł 43 godziny po starcie.

17 maja 2004 Civilian Space eXploration Team wystrzeliła pojazd GoFast Rocket do lotu suborbitalnego - pierwszego w historii amatorskiego lotu kosmicznego. 21 czerwca 2004 SpaceShipOne został zastosowany do pierwszego finansowanego prywatnie załogowego lotu kosmicznego.

Orbitalny lot kosmiczny

Minimalny lot orbitalny wymaga znacznie większych prędkości, niż minimalny lot suborbitalny, a więc jest on technologicznie trudniejszy do osiągnięcia. Dla uzyskania lotu orbitalnego, kątowa prędkość wokół ziemi jest tak samo istotna jak pułap lotu. Aby możliwy był stabilny, długotrwały lot kosmiczny, pojazd musi osiągnąć minimalną prędkość orbitalną wymaganą dla zamkniętej orbity.

Bezpośrednie wyniesienie

Uzyskanie zamkniętej orbity nie jest konieczne do podróży międzyplanetarnych, dla których pojazd musi osiągnąć prędkość ucieczki. Wczesne radzieckie pojazdy pomyślnie osiągały bardzo wysokie pułapy bez wchodzenia na orbitę. W czasie wstępnego planowania misji Apollo NASA rozważała zastosowanie bezpośredniego wyniesienia na Księżyc, jednak pomysł ten został porzucony ze uwagi na masę pojazdu. Wiele automatycznych sond kosmicznych badających zewnętrzne planety układu słonecznego stosują metodę bezpośredniego wyniesienia - nie orbitują wokół Ziemi przed odlotem.

Z drugiej strony, wiele planów przyszłych załogowych lotów kosmicznych, jak amerykański program Orion czy rosyjski tandem Kliper/Parom.

Inne sposoby docierania do kosmosu

Zostało zaproponowanych wiele sposobów docierania do przestrzeni kosmicznej, niewykorzystujących rakiet. Pomysły takie jak winda kosmiczna, pomimo elegancji rozwiązania, nie są aktualnie wykonalne. Z kolei nie ma znanych problemów konstrukcyjnych blokujących wykonanie procy elektromagnetycznej takiej jak pętla startowa. Inne pomysły wykorzystują wspomagane rakietowo odrzutowce jak Skylon lub trudniejszy w realizacji scramjet. Dla ładunków towarowych zaproponowano wystrzeliwanie pojazdu ze specjalnego działa.

[edytuj] Platformy startowe i kosmodromy - start

Platforma startowa to stała instalacja zaprojektowana do wysyłania pojazdów powietrznych. W najprostszej wersji składa się ona z wieży startowej i tunelu odprowadzającego płomienie. Jest ona otoczona przez wyposażenie niezbędne do ustawienia pojazdu w pozycji startowej, zatankowania go i dokonywania innych operacji. Kosmodrom z kolei jest zaprojektowany także do obsługi pojazdów skrzydłowych, wymagających długiego pasa startowego. Zarówno platformy startowe jak i kosmodromy są sytuowane daleko od siedzib ludzkich ze względu na hałas oraz w celu zapewnienia bezpieczeństwa.

Start jest często ograniczony do konkretnego okna startowego. Okna te zależą od położenia ciał niebieskich i orbit względem miejsca startu. Największy wpływ ma często sam ruch obrotowy Ziemi. Po wystrzeleniu pojazdu, orbity są położone na względnie stałych płaszczyznach, pod stałym kątem do osi Ziemi, a Ziemia obraca się w wewnątrz tej orbity.

[edytuj] Powrotne przejście przez atmosferę i lądowanie/wodowanie

Ponowne wejście atmosferę

Pojazdy na orbicie mają bardzo dużą energię kinetyczną. Energia ta musi być wytracona aby pojazd mógł wylądować bezpiecznie, bez wyparowania w atmosferze. Zazwyczaj ten proces wymaga specjalnych metod ochrony przed nagrzewaniem aerodynamicznym. Teoria powrotu do atmosfery została stworzona przez Harry'ego Allena. Na podstawie tej teorii, pojazdy powrotne mają kształty tępe. Zastosowanie tępych kształtów powoduje, że mniej niż 1% energii kinetycznej wraca do pojazdu w postaci energii cieplnej. Zamiast tego energia ta oddawana jest do atmosfery.

Lądowanie

Kapsuły Mercury, Gemini i Apollo lądowały w morzu. Zostały zaprojektowane tak, aby zderzenie z powierzchnią morza następowało przy względnie niewielkich prędkościach. W rosyjskich kapsułach Sojuz stosuje się rakiety hamujące pozwalające na lądowanie na twardym gruncie. Promy kosmiczne szybują do pasa startowego, na którym lądują z dużą prędkością.

Odzyskanie kapsuły

Po pomyślnym lądowaniu pojazdu, załoga i ładunek mogą zostać odzyskane. W niektórych przypadkach odzyskanie następuje przed lądowaniem - w czasie, kiedy pojazd opada na spadochronie, może być złapany przez specjalnie przystosowany samolot lub helikopter. Technika ta była stosowana do odzyskiwania zasobników z kliszami z satelitów szpiegowskich Corona.

[edytuj] Systemy startowe jednorazowego stosowania

Wszystkie aktualne loty kosmiczne oprócz promów kosmicznych NASA i pojazdu Falcon 1 firmy SpaceX do osiągnięcia przestrzeni kosmicznej stosują wielostopniowe systemy startowe jednorazowego użytku.

[edytuj] Systemy startowe wielorazowego stosowania

Pierwszy pojazd, który mógł być używany wielokrotnie, X-15, był wystrzeliwany z powietrza na trajektorię suborbitalną. Pierwszy lot odbył się 19 lipca 1963 r. Pierwszy pojazd orbitalny, który można było częściowo użyć ponownie, prom kosmiczny, został wystrzelony w 20-tą rocznicę lotu Jurija Gagarina, 12 kwietnia 1981 r. W czasie trwania programu lotów wahadłowców, zbudowano sześć orbiterów, z których wszystkie latały w atmosferze, a pięć znalazło się w kosmosie. Prom Enterprise używany był tylko do testów podejścia i lądowania - pojazd startował z grzbietu samolotu Boeing 747 i szybował do momentu lądowania w bazie Edwards w Kalifornii. Pierwszym wahadłowcem, który poleciał w kosmos, była Columbia, później Challenger, Discovery, Atlantis i Endeavour. Endeavour został zbudowany z części zamiennych aby zastąpić prom Challenger stracony w katastrofie w styczniu 1986. Prom Columbia rozpadł się w czasie powrotu z orbity w lutym 2003.

Pierwszym i do tej pory jedynym automatycznym pojazdem częściowo wielokrotnego stosowania był prom Buran wystrzelony przez ZSRR 15 listopada 1988, jednakże wykonał on tylko jeden lot. Ten samolot kosmiczny był zaprojektowany do lotów załogowych o bardzo przypominał amerykańskie promy, jednak jego odrzucane rakiety dodatkowe stosowały paliwo płynne, a silniki główne były zamontowane na podstawie odpowiednika zbiornika zewnętrznego amerykańskich promów. Ze względu na brak funduszy i skomplikowaną sytuację po rozpadzie ZSRR, program Buran został anulowany.

Na podstawie założeń Wizji Eksploracji Kosmosu, promy kosmiczne mają zakończyć loty do roku 2010, głównie ze względu na zużycie sprzętu i wysoki koszt programu, osiągający miliard dolarów za lot. Rolę pojazdu transportującego pasażerów ma przejąć do roku 2014 także częściowo ponownie używalny Crew Exploration Vehicle (CEV). Do wynoszenia na orbitę ciężkich ładunków będą używane jednorazowe rakiety, jakie jak Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV) lub Shuttle-Derived Launch Vehicle.

Pojazd SpaceShipOne firmy Scaled Composites jest pierwszym suborbitalnym samolotem kosmicznym, który wyniósł pilotów, konkretnie Mike'a Melvilla i Briana Binnie, w dwóch następujących po sobie lotach, czym w roku 2004 zdobył nagrodę Ansari X Prize. The Spaceship Company zbuduje jego następce, SpaceShipTwo. Dzięki flocie tych pojazdów, firma Virgin Galactic planuje od 2008 roku oferować osobom prywatnym loty kosmiczne.

[edytuj] Katastrofy

Wszystkie pojazdy startowe zawierają olbrzymie zasoby energii, która jest niezbędna aby dotrzeć na orbitę. W związku z tym istnieje pewne ryzyko, że ta energia zostanie wyzwolona przedwdześnie i gwałtownie, z drastycznymi skutkami. Kiedy 17 stycznia 1997 eksplodowała w czasie startu rakieta Delta II, szyby wypadały z okien nawet 16 km dalej^[2].

Dodatkowo, kiedy pojazd znajdzie się już w kosmosie, pomimo że kosmos jest dosyć przewidywalnym środowiskiem, istnieje ryzyko przypadkowej utraty hermetyczności oraz potencjalne problemy z nowo stworzonym wyposażeniem.

[edytuj] Pogoda kosmiczna

Pogoda kosmiczna to idea zmieniających się warunków środowiskowych w przestrzeni kosmicznej. Jest to pojęcie różne od pogody wewnątrz atmosfery planetarnej. Elementami pogody kosmicznej są takie zjawiska, jak plazma, pola magnetyczne, promieniowanie i materia kosmiczna (blisko Ziemi, ale też w przestrzeni między planetarnej, czasem też w przestrzeni międzygwiezdnej). "Pogoda kosmiczna opisuje warunki w kosmosie które wpływają na Ziemię i ziemskie systemy technologiczne. Nasza pogoda kosmiczna jest konsekwencją zachowania Słońca, natury ziemskiego pola magnetycznego, i naszego położenia w systemie słonecznym."^[3]

Pogoda kosmiczna wywiera znaczny wpływ w wielu sferach związanych z eksploracją kosmosu i rozwojem technologii kosmicznych. Zmieniające się warunki geomagnetyczne mogą spowodować zmiany w gęstości atmosferycznej powodujące znaczną degradację orbity pojazdu kosmicznego poruszającego się po niskiej orbicie okołoziemskiej. Burze geomagnetyczne wywołane przez zwiększoną aktywność słoneczną mogą potencjalnie "oślepić" czujniki pojazdu czy wpłynąć na działanie pokładowej elektroniki. Zrozumienie warunków środowiska kosmicznego jest także ważne przy projektowaniu osłon i systemów podtrzymywania życia na załogowych pojazdach kosmicznych.

[edytuj] Środowisko

Rakiety jako ogół nie dokonują znacznego zanieczyszczenia środowiska, jednak niektóre z nich są napędzane toksycznymi, a większość pojazdów używa paliwa, które nie jest węglowo neutralne (czyli bilans wydzielania dwutlenku węgla nie jest równy zero). Wiele rakiet na paliwo stałe zawiera chlor w postaci nadchloranów lub innych chemikaliów, co może prowadzić miejscowe dziury ozonowe. Ponowne wejście w atmosferę pojazdu kosmicznego wydziela azotany, które także mogą miejscowo wpłynąć na powłokę ozonową. Większość rakiet jest stworzona z metali, które mogą mieć wpływ na środowisko w czasie ich konstrukcji.

Oprócz wpływu na atmosferę, loty kosmiczne mogą mieć wpływ na środowisko okołoziemskie. Istnieje prawdopodobieństwo, że orbita może stać się niedostępna przez wiele pokoleń ze względu na wykładniczo rosnącą ilość kosmicznego złomu wytworzonego przez spalling rakiet i pojazdów (Syndrom Kesslera). W związku z tym wiele pojazdów jest projektowanych tak, aby wchodziły one w atmosferę po ich użyciu.

[edytuj] Statek kosmiczny

Statki kosmiczne to pojazdy zdolne do kontrolowania swojej trajektorii w czasie lotu w przestrzeni kosmicznej.

Czasem za pierwszy "prawdziwy" pojazd kosmiczny uznaje się Moduł księżycowy Apollo^[4], ponieważ był to jedyny pojazd załogowy, który został zaprojektowany i wykorzystany tylko i wyłącznie do lotów w przestrzeni kosmicznej, na co jasno wskazuje brak aerodynamicznego kształtu.

[edytuj] Załogowy lot kosmiczny

Pierwszym załogowym lotem kosmicznym był Wostok 1 12 kwietnia 1961, w czasie którego kosmonauta Jurij Gagarin z ZSRR dokonał pełnej orbity wokół Ziemi. W oficjalnej dokumentacji nie ma jednak wzmianki, że Gagarin ostatnie 15 km lotu spadał na spadochronie, poza pojazdem^[5]. Międzynarodowe zasady dotyczące rekordów lotniczych jasno stanowią, że "pilot pozostaje w pojeździe od momentu startu do lądowania". Zasada ta, zastosowana do lotu kosmicznego", "dyskwalifikuje" lot Gagarina. Obecnie jedynymi pojazdami stosowanymi do załogowych lotów w kosmos są rosyjskie pojazdy Sojuz i amerykańska flota wahadłowców kosmicznych. W ramach obu tych programów narodowych w przeszłości stosowano inne pojazdy. W ostatnim czasie dwukrotnie do lotów załogowych zastosowano pojazdy Shenzhou i SpaceShipOne.

[edytuj] Nieważkość

Większość ludzi uważa brak grawitacji za przyjemne doświadczenie.

Długotrwały brak przyciągania ziemskiego powoduje wiele problemów ze zdrowiem, z których najistotniejszym jest utrata kośćca, w niektórych przypadkach trwała. Innym skutkiem, także bardzo istotnym, jest odwarunkowanie tkanki mięśniowej i układu krwionośnego.

Krótkotrwałym efektem zerowej grawitacji jest choroba kosmiczna, mdłości spowodowane przez zaburzenia błędnika wywołane brakiem ciążenia. Stopień tej choroby to rzecz indywidualna. Najgorszą zaobserwowaną reakcją była choroba senatora Jake'a Garna, przez co stworzona została Skala Garna, stopniująca reakcje na chorobę kosmiczną.

[edytuj] Promieniowanie

Po znalezieniu się powyżej atmosfery, znacznie zwiększa się wpływ promieniowania na pojazdy i ludzi znajdujące się na orbicie, głównie ze względu na pasy Van Allena, promieniowanie słoneczne i promieniowanie kosmiczne.

[edytuj] Podtrzymywanie życia

W załogowych lotach kosmicznych system podtrzymywania życia to grupa urządzeń, która pozwala człowiekowi na przetrwanie w ciężkich warunkach przestrzeni kosmicznej. NASA często stosuje nazwę System Kontroli Środowiskowej i Podtrzymywania Życia (ang. Environmental Control and Life Support System - ECLSS) opisując te systemy w swoich misjach załogowych^[6].

System podtrzymywania życia może zapewniać powietrze, wodę i jedzenie. Musi także utrzymywać odpowiednią temperaturę, akceptowalne przez człowieka ciśnienie, a także zajmować się pozbywaniem się wydalin ciała. Może być też konieczne zapewnianie osłony przed szkodliwymi wpływami zewnętrznymi, takimi jak promieniowanie i mikrometeoryty. Komponenty systemu podtrzymywania życia są kluczowe dla życia, i są projektowane i konstruowane z zastosowaniem technik inżynierii bezpieczeństwa.

[edytuj] Międzyplanetarny lot kosmiczny

Podróż międzyplanetarna to lot pomiędzy planetami wewnątrz jednego układu planetarnego. W praktyce, termin ten stosuje się wyłącznie do lotów między planetami Układu Słonecznego.

[edytuj] Lot międzygwiezdny

Na chwilę obecną pięć pojazdów jest na trajektorii ucieczkowej z Układu Słonecznego. Najdalej znajduje się sonda Voyager 1, która jest w odległości 100 AU od Słońca, i oddala się o 3,6 AU rocznie^[7]. Dla porównania, Proxima Centauri, gwiazda najbliższa Słońcu, znajduje się od niego w odległości 267 000 AU. Voyager 1 odległość pokona w 74 000 lat.

[edytuj] Lot międzygalaktyczny

Podróż międzygalaktyczna dotyczy lotu kosmicznego pomiędzy galaktykami, i jest uważana za znacznie bardziej technologicznie wymagająca niż podróż międzygwiezdna. Przy obecnym stanie techniki, uważana jest za science-fiction.

[edytuj] Astrodynamika

Astrodynamika to dziedzina zajmująca się trajektoriami pojazdów kosmicznych, a w szczególności ich związkami z efektami grawitacyjnymi i napędowymi. Dzięki astrodynamice pojazdy docierają do swoich miejsc docelowych w odpowiednim czasie i bez nadmiernego zużycia paliwa.

[edytuj] Napęd pojazdu kosmicznego

W pojazdach kosmicznych w dzisiejszych czasach jako napęd stosuje się głównie rakiety, ale powszechne staje się stosowanie alternatywnych technik, głównie do pojazdów bezzałogowych. Napędy takie jak silnik jonowy pozwalają na znaczne zmniejszenie masy pojazdu i zwiększenie jego delta-v.

[edytuj] Koszty, rynek i zastosowanie lotów kosmicznych

Obecnie loty kosmiczne są często, ale nie wyłącznie, finansowane przez rządy państw. Istnieje jednak silny rynek startów w celach takich jak telewizja satelitarna, który jest czysto komercyjny, jednak same starty są często przynajmniej częściowo sponsorowane przez rządy.

Do zastosowań lotów kosmicznych należą:

• Satelity obserwacyjne Ziemi, takie jak satelita szpiegowski lub satelita meteorologiczny
• Eksploracja kosmosu
• Turystyka kosmiczna, lecz akutalnie to dosyć mały rynek
• Satelity telekomunikacyjne
• Nawigacja satelitarna

Istnieje coraz większe zainteresowanie kwestiami pojazdów kosmicznych i lotami opłacanymi przez firmy lub nawet osoby prywatne. Panuje także opinia, że wysokie koszty dostępu do przestrzeni kosmicznej są spowodowane nieefektywnością instytucji rządowych - koszty biurokracji panującej w NASA są już legendarne. Jeśli firmy byłyby w stanie pracować z większą efektywnością, koszty lotów mogłyby zostać ograniczone. Pojazdy startowe opracowane całkowicie dzięki prywatnemu finansowaniu, takie jak Falcon I, posiadają znacznie mniejsze nominalne koszty startu.

[edytuj] Listy lotów kosmicznych

p • d • e Listy i chronologie eksploracji kosmosu Loty załogowe Chronologicznie 1961-1970 • 1971-1980 • 1981-1990 • 1991-2000 • 2001-obecnie • planowane Tematycznie Lista załogowych lotów kosmicznych według programów Loty księżycowe 1958-1980 • 1981-obecnie • planowane Loty międzyplanetarne 1959-1980 • 1981-2000 • 2001-obecnie • planowane Astronauci Alfabetycznie • Grupy i oddziały • Pierwsi wg narodowości Międzynarodowa Stacja Kosmiczna Loty załogowe • Loty bezzałogowe • Goście • Spacery kosmiczne Misje Ekspedycje na stację Mir • Misje Sojuz • Misje NASA • Misje wahadłowców Inne Rekordy lotów kosmicznych • Lista rakiet nośnych • Chronologia wyścigu kosmicznego • Lista agencji kosmicznych • Lista kosmodromów

[edytuj] Zobacz też

• Rakieta
• Napęd pojazdu kosmicznego
• Eksploracja kosmosu
• Pasy Van Allena

[edytuj] Linki zewnętrzne

• Podstawy lotu kosmicznego (en)
• Międzynarodowe muzeum lotów kosmicznych (en)

Przypisy