Ruch pojazdu w przestrzeni kosmicznej - zarówno bez zastosowania napędu jak i z nim - jest przedmiotem badań astrodynamiki. Typowy lot kosmiczny zaczyna się od odpalenia rakiety nośnej, która dostarcza wstępnego ciągu do pokonania siły ciężkości i odrywa pojazd kosmiczny od powierzchni Ziemi. Statki kosmiczne mogą pozostać 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.

Fizyka jest przyczyną wszelkich trudności związanych z lotami kosmicznymi, ale również fizyka podsuwa pomysły na ich rozwiązanie. Pierwszą trudnością jest grawitacja. Siła, która utrzymuje nas na Ziemi, sprawia że oderwanie się od niej jest zadaniem trudnym. Jeżeli będziemy strzelać z armaty, to pociski będą lądować coraz dalej, a przy pewnej szybkości ciało okrąży Ziemię i wróci w to samo miejsce. Minimalna prędkość, przy której nastąpi taki powrót do miejsca wystrzelenia (lot orbitalny), to tzw. pierwsza prędkość kosmiczna. Można ją wyznaczyć zauważając, że podczas ruchu orbitalnego po orbicie kołowej siła grawitacji jest równa sile dośrodkowej. 

v=(GM/R)^(1/2)   gdzie: G - stała grawitacji, M - masa Ziemi, R - promień Ziemi.

Jaka to szybkość? Okazuje się, że bardzo duża - 7,9 km/s, to znaczy, że rakieta musi w ciągu jednej sekundy pokonać prawie 8 kilometrów! Dla porównania samochód przy prędkości 180 km/h, w ciągu sekundy przejeżdża 50 metrów, a samolot wojskowy przelatuje nieco ponad kilometr. Widać więc, że w przypadku lotów kosmicznych muszą być zastosowane zupełnie inne technologie. Żeby oddalić się od Ziemi (lot międzyplanetarny) trzeba osiągnąć prędkość 11,2 km/s - druga prędkość kosmiczna. Na opuszczenie układu słonecznego potrzeba już 17,7 km/s, a opuszczenie naszej galaktyki wiąże się z osiągnięciem szybkości 130 km/s.

Jakiego napędu trzeba użyć, aby osiągać takie prędkości? Obecnie używa się wyłącznie silników rakietowych, czyli takich, w których wszystkie potrzebne substancje do wytworzenia siły ciągu rakiety są przenoszone wraz z nią. Jest to konieczne, ponieważ po opuszczeniu dolnych warstw atmosfery, w jej górnej części, a tym bardziej w dalszej części kosmosu nie ma skąd pobierać tlenu do spalania paliwa. Silniki rakietowe działają na zasadzie zjawiska odrzutu. Gazy spalane w silniku wyrzucane są do tyłu, a rakieta nabywa pęd do przodu, zgodnie z zasadą zachowania pędu. Doprowadzone do komory spalania substancje łączą się chemicznie, a po spaleniu się, wytworzone gazy spalinowe przepływają przez dyszę z prędkością ponad kilku tysięcy metrów na sekundę. Siła reakcji (siła ciągu - wynikająca z trzeciej zasady dynamiki) powoduje ruch rakiety w stronę przeciwną do kierunku wypływających gazów.

Siła ciągu rakiety zależy od masy wyrzucanych gazów w ciągu jednej sekundy i ich prędkości. Podstawowy wzór stosowany w technice rakietowej, określający prędkość rakiety zużywającej podczas lotu paliwo, czyli rakiety zmieniającej masę został wyprowadzony z zasad dynamiki Newtona przez Konstantina Ciołkowskiego.  Innymi słowy: dla uzyskania jak największej sprawności silnika rakietowego należy dążyć zarówno do zwiększenia stosunku masy paliwa do masy rakiety, jak i do zwiększenia prędkości wypływu gazów z dyszy. Masa spalonego w jednej sekundzie paliwa wynosi we współczesnych rakietach setki kilogramów. Przyspieszenie chwilowe rakiety zależy od jej chwilowej masy, a ta maleje na skutek spalania paliwa. Widać więc, że przyspieszenie rakiety rośnie w miarę ubytku paliwa i we współczesnych rakietach osiąga wartość kilkakrotnie większą od przyspieszenia ziemskiego.

TECHNIKA LOTÓW KOSMICZNYCH

Jak wygląda lot rakiety z technicznego punktu widzenia? Należałoby go podzielić na kilka etapów: start i przelot przez atmosferę do umownej granicy, lot po orbicie okołoziemskiej i wszelkie manewry na tej orbicie, przelot do innego obiektu kosmicznego i „zaokrętowanie” na jego orbicie, wreszcie lądowanie na innej planecie. Czy jest to zadanie nieskomplikowane? Prześledźmy więc kolejne etapy, aby nabrać wyobrażenia o skali problemów.

Współczesne rakiety kosmiczne startują pionowo, a ich lot w pierwszej fazie odbywa się po trajektorii zbliżonej do pionu, gdyż bardziej opłaca się jak najszybciej opuścić gęste warstwy ziemskiej atmosfery, które powodują duże straty spowodowane tarciem. W rzeczywistych warunkach, gdy rakieta przekracza prędkość dźwięku występuje też maksymalny opór aerodynamiczny, po ustąpieniu którego, przy prędkości naddźwiękowej, korygowana jest trajektoria wzlotu na coraz bardziej horyzontalną.

Uzyskanie ogromnej prędkości możliwe jest dzięki silnikowi rakietowemu. Okazuje się jednak, że to nie wystarcza. Konieczne jest zastosowanie rakiet wielostopniowych, to znaczy takich, w których poszczególne stopnie, po zużyciu są odłączane od głównej części rakiety. Po zużyciu paliwa w pierwszym członie zostaje on odczepiany, masa rakiety jest wtedy mniejsza i dalsze stopnie uzyskują większe przyspieszenia.  W przypadku sond badawczych, nie powracających na Ziemię, ostatni stopień rakiety jest odpalany na ziemskiej orbicie i nadaje sondzie taką prędkość, by mogła pomknąć ku innej planecie, planetoidzie lub komecie. Sonda leci wtedy siłą bezwładu. Ma jedynie niewielki zapas paliwa, do korygowania kierunku lotu oraz wejścia na orbitę planety lub wylądowanie.

W całej dotychczasowej historii podboju kosmosu, żaden pojazd nie wszedł na orbitę ziemską bez użycia napędu wielostopniowego. Stąd właśnie wynika potrzeba użycia ogromnej ilości paliwa, które stanowi niemal całą masę pojazdów kosmicznych. Na przykład masa paliwa w rakiecie Ariane stanowi 97,5%, w amerykańskich rakietach Tytan i Saturn około 96%, w promach kosmicznych 93,5% masy całej rakiety. Dla porównania ten wskaźnik dla samolotów pasażerskich wynosi ok. 50%, a dla samochodów jest rzędu kilku procent. Duża prędkość rakiet i ogromne przeciążenia powodują również konieczność zastosowanie w konstrukcji pojazdów kosmicznych materiałów, które wytrzymają bardzo wysokie temperatury powstające z powodu tarcia atmosferycznego i ogromne naprężenia materiałowe.

Ale grawitacja, to nie tylko trudność w oderwaniu się od powierzchni Ziemi i problem z wejściem na orbitę. Jest z nią związane kolejne ważne zagadnienie, jakim jest astronawigacja.  W przestrzeni kosmicznej statek porusza się praktycznie cały czas bez udziału silników. Nie ma tarcia, które trzeba pokonywać, więc raz rozpędzony statek kosmiczny porusza się po trajektorii wyznaczonej przez siły grawitacji. Poza tym należy pamiętać o tym, że statek kosmiczny ma ograniczoną ilość paliwa i silniki uruchamiane są jedynie podczas wykonywania manewrów koniecznych do wejścia na inną orbitę, lądowanie, ponowny start, itp.

Z tego powodu wszystkie manewry muszą być wykonywane w taki sposób, aby zużycie paliwa było jak najmniejsze, dając jednocześnie jak największy efekt. Jedyną alternatywą jest skorzystanie z siły grawitacji mijanych obiektów kosmicznych. Przelatując tuż obok planety lub jej księżyca sonda jest chwytana w jej pole grawitacyjne, zatacza wokół niej łuk i jest „wyrzucana” z większą prędkością. Programy komputerowe potrafią wyszukać taką trasę lotu, aby łączyła punkty, gdzie równoważą się siły oddziaływania ciał grawitacyjnych, gdyż mamy wtedy minimalne zużycie paliwa. Tor lotu sondy zwykle przypomina spiralę, która zatacza kręgi wokół Słońca, zbliżając się do planet, zanim skieruje się w kierunku ostatecznego celu lotu.

Wyobraźmy sobie następującą sytuację: statek kosmiczny krąży wokół Ziemi, a pilot chce wejść na orbitę wyższą. Jakie manewry musi wykonać? Reguła brzmi dość prosto: „aby zwiększyć odległość apogeum, odpal silnik zgodnie z wektorem prędkości w perygeum oraz aby zwiększyć odległość perygeum, odpal silnik zgodnie z wektorem prędkości w apogeum”. Perygeum,  to punkt orbity leżący najbliżej Ziemi, apogeum - najdalej. Jak taki manewr wygląda w praktyce? Statek musi być ustawiony dokładnie przodem do kierunku lotu i znajdować się możliwie jak najbliżej Ziemi. Wtedy wykonać należy pierwsze odpalenie silników. Po takim manewrze nasza orbita nie będzie kołowa tylko eliptyczna. Konieczne jest zatem drugie odpalenie silników. Tym razem nie jest obojętne, gdzie ono nastąpi, ale miejscem, w którym wykonywany jest taki manewr musi być dokładnie apogeum, a statek musi być ustawiony zgodnie z kierunkiem ruchu. I dopiero wtedy osiągniemy wyższą orbitę kołową. Jest to tak naprawdę jeden z prostszych manewrów orbitalnych, a samo zagadnienie ma duże znaczenie praktyczne. Chcąc doprowadzić na przykład do spotkania dwóch obiektów np. statku i stacji kosmicznej trzeba najpierw wyrównać ich orbity tak, by znalazły się one w tym samym miejscu i czasie poprzez właśnie takie, jak przed chwilą opisane manewry.

A co ze stabilizacją samej rakiety? Przecież każde uruchomienie silników powoduje obrót. Co więcej, jakiekolwiek przesunięcie cięższego obiektu będzie powodowało obrót - na przykład wyjście astronauty na zewnątrz pojazdu kosmicznego. Dodajmy, że będą to obroty w przestrzeni trójwymiarowej. Każda taka utrata stabilności musi być zrównoważona uruchomieniem specjalnych silniczków rakietowych, a specjalne programy komputerowe muszą wcześniej obliczyć, jak ustawić silnik, przez jak długi czas ma działać i z jaką siłą ciągu, aby zredukować ilość spalanego paliwa i szybko ustabilizować pojazd w trzech osiach. Opis przesunięcia ciężkich przedmiotów w rakiecie dotyczył niekontrolowanej utraty stabilności, ale w podobny sposób rozwiązuje się problemy z obrotami zamierzonymi i stabilizacją rakiety po wykonaniu obrotu.

Manewry w przestrzeni kosmicznej stają się jeszcze bardziej skomplikowane, gdy chcemy odbyć lot międzyplanetarny. Wymagania są podobne, jak przy manewrach orbitalnych. Na inną planetę musimy dolecieć przy jak najmniejszym zużyciu paliwa, więc wykluczony jest jakikolwiek rodzaj lotu z ciągle włączonym silnikiem. Jednym z najprostszych i najbardziej ekonomicznym jest lot po części elipsy łączącej obydwie orbity. Chcąc odbyć lot np. na Marsa musimy osiągnąć odpowiednią wokółziemską orbitę i na niej odpowiednio ustawić statek względem kierunku ruchu. Następnie przez odpalenie silników (w odpowiednim miejscu i przez odpowiedni czas) przejść na orbitę transferową, która w dalszej części zbliży nas do orbity Marsa. Samą trajektorię komplikuje fakt, że orbity nie są okręgami, ale elipsami. Do tego nie są dokładnie współpłaszczyznowe. Wprawdzie płaszczyzny orbit planetarnych są do siebie zbliżone, ale nie pokrywają się dokładnie.

Jeszcze jednym utrudnieniem jest konieczność lotu w tzw. oknie startowym. Pojęcie to jest związane z faktem, że Mars (i praktycznie każdy inny cel podróży kosmicznej) nie czeka posłusznie na przybycie naszego statku, ale porusza się po swojej orbicie. Oznacza to, że możemy dolecieć na orbitę Marsa i nie zastać tam tej planety, która może być choćby i po drugiej stronie Słońca. Zatem lecąc na Marsa musimy wybrać taki czas, aby spotkać tą planetę i móc zacząć wykonywać manewr lądowania. To właśnie nazywane jest oknem startowym, które dla naszego przykładowego Marsa zdarza się co około 20 miesięcy.

Zupełnie osobnym zjawiskiem związanym z astronawigacją jest wspomniana już wcześniej asysta grawitacyjna (nazywana też procą grawitacyjną). Polega ona na tym, że statek przelatując w pobliżu jakiejś planety może zmienić tor oraz szybkość swojego lotu. Największy efekt uzyskamy po wykonaniu asysty grawitacyjnej (czyli np. największą zmianę prędkości) wykorzystując ciężką planetą o dużej prędkości ruchu. Na pierwszym miejscu takiej klasyfikacji jest oczywiście Jowisz, na drugim Saturn. Trzecia co ciekawe, jest Ziemia. Nasza planeta jest dużo mniejsza od Urana, czy Neptuna, ale będąc na bliższej Słońcu orbicie porusza się o wiele szybciej. Efekt asysty grawitacyjnej po raz pierwszy był wykorzystany podczas misji sondy Mariner 10, która lecąc na Merkurego wykorzystała pole grawitacyjne Wenus. Asystę wykorzystywały też sondy badające planety zewnętrzne układu: Voyager i Cassini. Asysta grawitacyjna daje tym większy efekt im odległość planety od sondy będzie mniejsza. Jednak na tych niewielkich odległościach istotna staje się atmosfera, która taką sondę będzie hamowała. Przeloty na większych odległościach nie przeszkadzają jednak temu, aby asysta grawitacyjna była bardzo efektywną metodą poruszania się w Układzie Słonecznym.

NAPĘD PRZYSZŁOŚCI

Silnik rakietowy, niewielki, sprawny, ekologiczny, czerpiący zapasy z nieograniczonego zbiornika, oto cel podstawowy, przed którym stoją konstruktorzy. Bez takich silników podróże kosmiczne stają się jedynie marzeniami. Jaki jest stan badań na dzisiaj i w jakim kierunku będą podążać w najbliższej przyszłości?

Silnik nuklearny. Nad silnikiem nuklearnym NASA pracowała już w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych, ale zrezygnowano z niego z powodów politycznych i finansowych. Obecnie głównymi przeciwnikami tego sposobu napędzania rakiet są organizacje ekologów. Prowadzone są natomiast prace w programie Prometeusz. Przy użyciu współczesnej technologii, przy użyciu typowych silników rakietowych, podróż na Marsa trwałaby sześć miesięcy w jedną stronę. Z nowym napędem podróż w obie strony zajmie tylko sześć tygodni! Nuklearne reaktory wytwarzające energię elektryczną byłyby wygodniejsze i bardziej niezawodne od baterii słonecznych, a wręcz niezastąpione w dużej odległości od Słońca.

Silnik plazmowy. Silnik plazmowy jest cichy, ekologiczny i bardzo wydajny. Niewielki zapas paliwa wystarcza, by silnik działał nawet i kilkadziesiąt lat. W tym czasie, choć powoli, może rozpędzić sondę do prędkości bliskich prędkości światła. Pozwoli to sondzie przemierzać odległości mierzone w latach świetlnych. Najbliższe gwiazdy, odległe o 4 lata świetlne, znajdowały by się więc w zasięgu człowieka. Pierwszą sondą napędzaną silnikiem jonowym, była Deep Space 1, wystrzelona 24 października 1998 roku. Atomy ksenonu poddawane są w niej jonizacji, a następnie przyspieszane w polu elektrycznym i osiągają prędkość 35 kilometrów na sekundę.

Radioizotopowy generator termoelektryczny. Radioizotopowy generator termoelektryczny, jest to generator prądu elektrycznego, w którym źródłem energii jest rozpad izotopu promieniotwórczego, a wydzielone w ten sposób ciepło zamieniane jest na energię elektryczną. Baterie tego typu są używane głównie jako źródła zasilania w satelitach. Podstawowym elementem generatora jest termopara, która jest źródłem prądu elektrycznego. Rozpad radioaktywny uwalnia energię, która w wyniku zderzeń zmienia się w energię termiczną ogrzewającą jeden koniec termopary. Różnica temperatur między złączami wywołuje siłę elektromotoryczną i przepływ prądu. Stany Zjednoczone użyły po raz pierwszy tego źródła w satelicie nawigacyjnym Transit 4A, w 1961 roku. RTG są używane przede wszystkim na statkach kosmicznych, szczególnie tych, które podróżują na tyle daleko od Słońca, że baterie słoneczne nie spełniają swego zadania, m.in. w sondach Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini-Huygens, New Horizons, Viking i misjach Program Apollo 12-17.

Silnik Stirlinga. Silnik Stirlinga, to silnik cieplny, który przetwarza energię cieplną w energię mechaniczną, jednak bez procesu wewnętrznego spalania paliwa, a w skutek dostarczania ciepła z zewnątrz, dzięki czemu możliwe jest zasilanie go ciepłem z dowolnego źródła. Źródłem ciepła może być w szczególności energia pochodząca z rozpadu promieniotwórczego. Ponieważ rozszerzanie gazu w wysokiej temperaturze daje więcej energii, niż wymaga sprężenie gazu w niskiej temperaturze, silnik wykorzystuje tę różnicę i zamienia energię cieplną na mechaniczną. W roku 2008 firma Lockheed Martin przetestowała napęd składający się z dwóch silników Stirlinga. Taki silnik ma niecały metr długości. Ma on masę dwa razy mniejszą od radioizotopowego generatora termoelektrycznego i zużywa cztery razy mniej paliwa. Układ ma posłużyć do zasilania sond kosmicznych dalekiego zasięgu. Pierwsze wykorzystanie silnika Stirlinga nastąpi najprawdopodobniej w latach 2012 -2013.

Wiatr słoneczny. Sonda powinna rozwinąć na orbicie gigantyczny żagiel, zbudowany z superlekkiego materiału, który będzie łapał powiewy wiatru słonecznego, czyli naładowanych cząsteczek (elektronów i protonów) wyrzucanych ze Słońca. Wiatr słoneczny będzie odpychał sondę od Słońca, kierując ją w odległe rejony Układu Słonecznego. Po opuszczeniu naszego układu słonecznego, sonda będzie musiała oczywiście ustawić tak swój żagiel, by złapać wiatr innych gwiazd i pomknąć dalej. Inna wersja tego pomysłu mówi, że żagle sondy będą popychane przez wiązki potężnych laserów, umieszczonych na ziemskiej orbicie. Niezwykle słaby wiatr słoneczny nie zdoła jednak popchnąć zbyt ciężkich sond. W tej chwili realizuje się konstrukcje miniaturowych sond, małych, lekkich, ale bardzo tanich, które badać będą Układ Słoneczny.

Plazma. W 2004 roku opracowano projekt silnika opartego na pomyśle wiązki namagnetyzowanej plazmy. Napędzanie statku polega na wysłaniu w przestrzeń stacji kosmicznej, której zadaniem będzie generowanie wąskiej wiązki jonów i „strzelanie” nią w magnetyczny żagiel kosmicznej sondy. Projekt ten przewiduje, że średniej wielkości stacja będzie w stanie wyprodukować wiązkę, która rozpędzi statek do drugiej prędkości kosmicznej. Żeby statek z żaglem magnetycznym mógł wrócić z powrotem na Ziemię należało będzie rozmieścić w różnych miejscach Układu Słonecznego stacje produkujące magnetyczne wiązki.

Lewitacja. Lewitacja magnetyczna, to jeden z najskuteczniejszych sposobów na pokonanie siły tarcia powierzchniowego, która uniemożliwia pojazdom naziemnym osiąganie dużych prędkości. Dziś wykorzystuje się ją przede wszystkim w superszybkich pociągach. Dzięki działaniu potężnych elektromagnesów, ważące setki ton składy unoszą się podczas jazdy w powietrze i przemieszczają tuż nad powierzchnią. Specjaliści z NASA chcą wykorzystać oddziaływanie magnetyczne do wynoszenia na orbitę pojazdów kosmicznych. Ostatnie próby pokazały, że dzięki lewitacji magnetycznej możliwe jest nadanie rakiecie ogromnego przyspieszenia w bardzo krótkim czasie.

Silnik fotonowy. Silnik fotonowy wykorzystuje wielokrotne odbicie fotonów pomiędzy układem luster. Pierwszy działający silnik fotonowy skonstruowano w 2007 roku. Zanim urządzenie posłuży do napędzania rakiet, planuje się wykorzystać je do produkcji małych silników manewrowych, zdolnych do utrzymania pozycji satelitów w kosmosie z precyzją 100000 razy większą od możliwej do uzyskania obecnie.

Anihilacja. Prędkość pojazdu kosmicznego zbliżona do prędkości światła będzie mogła być osiągnięta za pomocą energii uzyskanej przy anihilacji materii i antymaterii. Gdy elektron anihiluje z pozytonem, energia wyzwala się w postaci dwóch kwantów gamma, które rozbiegają się w przeciwne strony, tak więc nie można ich wykorzystać do nadania siły nośnej. Anihilacja protonów i antyprotonów prowadzi do powstania krótkożyjących cząstek o wielkiej energii zwanych pionami. Cząstek tych można użyć do rozgrzania wolframowego rdzenia, wokół którego przepływałby wodór. Gorący wodór wypływałby pod dużym ciśnieniem z dyszy, dając ciąg silnikowi rakiety. Trzeba jednak umieć wyprodukować duże ilości antycząstek i umieć ją magazynować, co dziś jest poza naszymi możliwościami.

Zakrzywienie czasoprzestrzenne. Innym pomysłem na rozwiązanie problemu odległości jest zakrzywienie przestrzeni. Według niektórych fizyków możliwe jest podróżowanie „na skróty”. Wychodzą oni z założenia, że jeśli nie można pokonać czasu podróży, należy zmienić odległość dzielącą Ziemię od innych obiektów kosmicznych. Do tego celu wykorzystano by zjawisko zakrzywienia czasoprzestrzeni. Powstałby rodzaj „tunelu” łączącego nas z np. drugim krańcem galaktyki. Czy można tak ukształtować przestrzeń, aby rozszerzała się za statkiem, a kurczyła przed nim? Część fizyków sądzi, że tak. Dzięki takiemu napędowi można by szybciej niż światło przemierzać bezmiar kosmosu. Jednak, żeby było to możliwe potrzebne jest olbrzymie pole grawitacyjne, którego oczywiście, na razie nie jesteśmy w stanie wyprodukować.

mgr inż. Wacław Libront