V letectví je přistání považováno za nejobtížnější manévr. V případě kosmonautiky je ještě o několik řádů obtížnější. Ne nadarmo piloti říkají, že „každé přistání, ze kterého odejdeme po vlastních nohách, je dobré přistání“.
Hlavní potíží je palivo
Proč je ale vlastně návrat z vesmírné výpravy tak složitý? Odpověď hledejme v samotné podstatě kosmického letu. Abychom se mohli pohybovat po oběžné dráze, musíme totiž dosáhnout první kosmické rychlosti, což je necelých osm kilometrů za sekundu (28 800 km/h). V Brně bychom tak byli z Prahy za necelou půlminutu a do Paříže by nám to trvalo něco přes dvě minuty.
Už samo dosažení této rychlosti ale vyžaduje velké množství pohonných látek. Například startující raketoplán váží 2000 tun (což je hmotnost více než tří Eiffelových věží v Paříži) , ale oběžné dráhy dosáhne jen s dvacetinou této hmotnosti. U ostatních raket je tento poměr ještě horší.
Pokud se pak máme vrátit zpátky na Zemi, musíme rychlost snížit na nulu nebo na hodnotu nule velmi blízkou. Kdybychom toho ale měli dosáhnout opět pomocí raketových motorů, znamenalo by to, že zhruba 95 procent nákladu dopraveného do vesmíru bude připadat právě na brzdící systémy. To by ovšem bylo nehorázné plýtvání a navíc je to technicky nereálné, protože v okamžiku, kdy začneme snižovat rychlost, změní se dráha letu kosmické lodi, která se o to rychleji začne „nořit“ do atmosféry.
Brzdit se musí opatrně
Jinými slovy, pokud by se tedy rychlost podařilo, třeba skokově, snížit o jediný kilometr, pak by to znamenalo, že družice stejně skokově přejde z oběžné dráhy na dráhu mířící velmi prudce k Zemi. V několika příštích sekundách by pak shořela, protože bude vystavena okamžité ohromné teplotě. V tomto případě by totiž do atmosféry nevstupovala postupně, ale přliš rychle. Husté vrstvy atmosféry pak mají při několikakilometrové rychlosti zhruba stejné vlastnosti jako betonová stěna…
Naštěstí právě atmosféry můžeme využít k tomu, abychom postupně snížili rychlost družice. První impuls jí dodá krátký zážeh raketových motorů, kterým se sníží výška oběžné dráhy tak, že nejnižší bod už leží v zemské atmosféře. Družice se pak začne postupně „nořit“ do atmosféry a tím pozvolna brzdí, nejprve o řídké vrstvy atmosféry, posléze o stále hustší. Těch už ale dosahuje při nižších rychlostech, takže namáhání je technicky únosné.
Jenomže ani tento koncept není bez chybičky. Navzdory tomu, že sestup probíhá velmi pomalu, tření o atmosféru stejně rozžhaví plášť kosmické lodi až na několik tisíc stupňů Celsia!
Řešení našla armáda
Jak už to tak bývá, jako první potřebovala problém návratu z vesmíru řešit armáda, a to už v nacistickém Německu. Nechvalně proslulé rakety V-2 dosahovaly při cestě za smrtonosným posláním výšek až 200 kilometrů (letadla v té době dosahovala maximálně výšky 5000 metrů), přičemž při rychlosti zhruba jeden kilometr za sekundu se už povrch raket při vstupu do atmosféry výrazně ohříval. A to tak výrazně, že mnoho raket V-2 explodovalo ještě dříve, než dosáhly cíle. Roztrhly je zbytky paliva a okysličovadla v nádržích, které se prudce ohřály. Problém se podařilo vyřešit až poté, co nacističtí konstruktéři tepelně odizolovali nádrže.
Stejný problém později řešily obě supervelmoci, Sovětský svaz i Spojené státy, se svými nosiči jaderných hlavic. Zvolili ale jiné řešení, oddělitelné hlavice. Jednak by bylo obtížné chránit celou podstatně větší raketu, jednak byla její rychlost (a tudíž i potřeba tepelné ochrany) výrazně vyšší než v případě V-2. Oddělením nákladu se pak dosáhlo ještě jedné výhody, vyšší přesnosti zásahu, protože s relativně malou hlavicí se manévrovalo snadněji než s celým mohutným nosičem.
Právě armády tak byly jediné, kdo měl s příchodem kosmického věku technologicky zvládnutý proces návratu z vesmíru. I když ne tak docela. Zatímco útočící bojová hlavice se pohybuje po přesně dané dráze letu, družici letící z vesmíru je potřeba na tuto sestupnou dráhu nasměrovat. A to samo o sobě představuje nelehký úkol…
Aby družice neshořela…
Zásadní otázkou každopádně zůstává, jak ochránit těleso prolétající atmosférou před působením vysokých teplot. Stačí se jen podívat na to, jak rychle a spolehlivě shoří meteorit vstupující do hustých vrstev atmosféry. Při příliš kolmém úhlu průletu na něj působí takový tlak a teplota, že i pevné těleso doslova exploduje.
V kosmonautice jsou používány dva základní přístupy, jak otázku tzv. tepelných štítů řešit. Jednak jsou to štíty ablativní, které se působením vysokých teplot postupně odpařují a odpařený materiál pak obalí loď tenkou vrstvičku, která teplo odvádí. Takový štít ale musí být dostatečně silný, aby se celý neodpařil ještě dříve, než družice stihne prolétnout atmosférou. V praxi jej používají třeba ruské kosmické lodě Sojuz, přičemž na nejexponovanějších místech je štít silný 10 centimetrů a po průletu atmosférou se jeho tloušťka zmenší na zhruba polovinu.
Výhodou ablativního štítu je poměrně vysoká spolehlivost, nevýhodou nemožnost jeho druhého použití. A pak je tu i jedno technické omezení, kdy tento typ ochrany při nižších teplotách paradoxně ztrácí svoji účinnost. Aby tedy taková ochrana fungovala, potřebuje vysoké teploty, které zajišťují odpařování materiálu. Nízké teploty jej nezajišťují, ale ochranný štít přesto zahřívají. Teplota se pak předává chráněnému zařízení, což je nežádoucí a nebezpečné.
Především spolehlivost
Druhou možností je použití vysoce odolných materiálů. Jako tepelná ochrana přistávajícího zařízení se zkrátka použije materiál, který je schopen extrémně vysoké teploty vydržet. Přitom nesmí teplo předávat dále, protože jinak by se jím chráněná loď mohla rozpustit jako by byla z másla. Výhodou takovéhoto typu ochrany je možnost vícenásobného použití, nevýhodou nutnost nákladné údržby a snadná zranitelnost. V praxi principu odolných materiálů používají například americké raketoplány.
Objevily se rovněž projekty na využití systému tzv. aktivního chlazení. Tepelný štít by nemusel být tak mohutný a chránit loď by pomáhalo nějaké médium (např. plyn), které by fungovalo podobně jako ablativní štít. Vytvořilo by kolem lodi tenkou vrstvičku odvádějící teplo. Tento systém ale nebyl v praxi nikdy použit.
Zatímco předchozí dva systémy jsou ryze pasivní (využívají fyzikálních vlastností materiálů), tento je odkázán na pracovní médium, na správné dávkování, na přesnou činnost čerpadel a počítačů… Roste tak pravděpodobnost selhání vinou technické závady. V už tak riskantní kosmonautice je spolehlivost na prvním místě.
Proč byli Sověti úspěšnější?
Dostat se do vesmíru bylo v počátcích kosmonautiky samo o sobě obtížné. Statistiky ukazují, že až dvě ze tří tehdy vypuštěných raket havarovaly. Dostat se zpět na Zemi bylo ještě obtížnější, ale nezbytné, protože bez možnosti návratu nebylo možné začít s pilotovanými lety a šlo by o sebevražedné mise.
První úspěšný návrat družice z vesmíru proběhl až v srpnu 1960, přičemž toto prvenství si připsala americká družice Discoverer-13. Ani tento pokus ale nebyl stoprocentně úspěšný, neboť družice Discoverer byly navrhovány k zachytávání „ve vzduchu“ pomocí letadel, a toto pouzdro dosedlo do vln oceánu. Nicméně úspěšně absolvovalo kosmický let. Jen o několik dní později uskutečnila družice s pořadovým číslem 14 misi podle zadaného scénáře. Vzápětí poté se podařil první úspěšný návrat z vesmíru také Sovětskému svazu.
Zatímco v USA úspěchu předcházel tucet nezdarů, u Sovětů šlo o teprve druhý pokus. Paradoxní je že SSSR získal určitou výhodu v kosmonautice svým zaostáváním v elektronice a dalších oborech. Zatímco totiž sovětské jaderné hlavice měly hmotnost kolem pěti tun, americké vážily zhruba třetinu. Tomu odpovídala i kapacita nosných raket. Když se pak tyto rakety přeměnily na kosmické nosiče, mohli být Sověti velkorysejší v konstrukci a robustnosti družic.
Američané vybavovali své družice relativně malým tepelným štítem, takže bylo nutné je stabilizovat. SSSR prostě obalil celou svoji družici (měla tvar koule) do destiček tepelné ochrany, takže mohla proletět atmosférou prakticky libovolným způsobem.
Není cesty zpět!
Možná by se mohlo zdát, že po desítkách let cest do vesmíru budou mít vědci otázku návratu z oběžné dráhy zvládnutu na výbornou, opak je ale pravdou. Průlet atmosférou stále patří k nejriskantnějším částem kosmických letů!
Názorně je to vidět při pilotovaných letech. Když selže startující raketa, existují různé možnosti záchrany kosmonautů, od vyskákání na padácích až po vystřelení celé kabiny do bezpečné vzdálenosti od selhávající rakety (blíže jsme se těmto systémům věnovali ve 21. STOLETÍ číslo 3/2007). Ale v případě selhání při návratovém manévru není úniku, neexistuje totiž možnost spolehnout se na nějaký záchranný systém. Ze žhavého pekla prostě nevede cesta zpět…
Achillova pata raketoplánu
Svět se o tom přesvědčil relativně nedávno, 1. února 2003. Raketoplán Columbia, vracející se se sedmičlennou posádkou z víceméně rutinní vědecké mise, se ve výšce 63 kilometrů kvůli problému s tepelnou ochranou doslova rozsypal. Důvodem bylo porušení celistvosti ochranného pláště raketoplánu.
Při startu zasáhl jeho „Achillovu patu“, tedy náběžnou hranu křídla, kus tepelné izolace, který odpadl z hlavní palivové nádrže. Když pak raketoplán začal vstupovat do atmosféry, dostala se žhavá plazma, která jej za normálních okolností hladce obtéká, do levého křídla. A zde započala dílo zkázy!
Ničila jeho interiér (křídlo je tlusté až 1,5 m, přičemž kromě nosných příček a omezeného přístrojového vybavení je zcela prázdné) až do okamžiku, kdy se křídlo zbortilo. Raketoplán následně přišel o svou aerodynamickou celistvost a při rychlosti přes šest kilometrů za sekundu se během několika desítek sekund zcela rozsypal.
Tento černý den v historii kosmonautiky opět ukázal, že cesta do vesmíru je náročná, ale nejobtížnější je návrat domů. Ten vede přes ohnivé peklo.
S družicí do sběru
Při pomýšlení na teplotu až několika tisíc stupňů Celsia, které jsou vystaveny vracející se aparatury z vesmíru, se může myšlenka nafukovacího tepelného štítu zdát úsměvná. Ale ona je funkční. Je to dáno vývojem nových materiálů s vlastnostmi, o kterých se nám dříve ani nesnilo.
Evropská kosmická agentura (ESA) provádí testy nafukovacího tepelného štítu IRDT (Inflatable Re-entry Demonstrator Technology), který by měl oproti stávajícím materiálům několik výhod: menší hmotnost, nižší náklady na výrobu a navíc by vracející se těleso mohlo být prakticky jakéhokoliv tvaru.
Testy proběhly v letech 2000 až 2005, leč s trochu rozpačitými výsledky. V jednom případě ze tří se podařilo vynášený náklad zachránit, ve zbývajících dvou ale nebyl nalezen. Příčinu selhání se nepodařilo objasnit. Objevily se dokonce spekulace, že v cílové oblasti na ruské Kamčatce byli u zařízení jako první domorodci, kteří je ukryli před vyhledávacími jednotkami a následně prodali do sběru. Každopádně před praktickým nasazením bude potřeba provést ještě další série testů.
Nejobtížnější průlet v historii
Zcela nejobtížnější průlet atmosférou potkal výsadkový modul americké meziplanetární sondy Galileo, který v prosinci 1995 pronikl do hustých vrstev atmosféry planety Jupiter. Modul totiž přilétal rychlostí 47,4 km/sekundu, čili 2844 km/hod! Díky tomu se jednak nesmírně rychle ohříval a navíc se rychle dostával do hustších vrstev atmosféry, kde teplota ještě narůstala. V tu chvíli na něj působilo přetížení 230 G. Při návratu kosmonautů je to zpravidla 4 až 8 G (váží čtyři- až osmkrát tolik, co na Zemi), při návratu od Měsíce 11 G.
Z výsadkového modulu u Jupiteru se během 70 sekund odpařilo 25 % hmotnosti (celkem 340 kg)! Energie, kterou bylo třeba absorbovat, byla 15000 W/cm2 – pro představu, když brzdila sonda Mars Pathfinder v roce 1997 u rudé planety, bylo to něco přes 100 W/cm2 a když se vraceli kosmonauti od Měsíce, jejich mateřská loď Apollo musela vydržet zhruba 500 W/cm2. Teplota na špici výsadkového modulu sondy Galileo přesáhla 16 000 stupňů Celsia (pro srovnání, teplota sluneční fotosféry je cca 5500 stupňů Celsia).
Proč družice „hoří“?
Návratový modul vstupuje do atmosféry vysokou rychlostí mnoha kilometrů za sekundu. Byť je v takových výškách (zhruba 100 až 120 km nad zemským povrchem) velmi řídká, přesto při této rychlosti dokáže modul „tlačit“ molekuly atmosféry před sebou. Ty se stlačují a ionizují, čímž vzniká teplota až několika tisíc stupňů Celsia – záleží na rychlosti vstupu do atmosféry, na úhlu vstupu i na jeho tvaru.
S podobným efektem se ostatně potýkají třeba i letouny pohybující se v atmosféře. Třeba dnes již penzionovaný nadzvukový Concorde měl při maximální rychlosti povrchovou teplotu přídě až 130 stupňů Celsia, přičemž okolní prostředí má teplotu padesát stupňů Celsia pod nulou…
Průzkum tepelného štítu na Marsu
Automatické sondy dokázaly proniknout pod roušku tajemství různých planet, ovšem jen jednou měli vědci možnost zkoumat z bezprostřední blízkosti tepelný štít sondy použité mimo planetu Zemi. Stalo se tak v roce 2004, kdy americký šestikolový robot Opportunity zamířil k místu, kde dopadl jeho tepelný štít. Ten jej chránil při průletu hustými vrstvami atmosféry Marsu s tím, že krátce před přistáním byl, jako již nepotřebný, odhozen.
Specialisté NASA byli nadšeni, protože studium štítu přineslo mnoho nových informací o průletu atmosférou Marsu. Že těchto údajů nejvíce využijí budoucí sondy, asi není třeba dvakráte zdůrazňovat.
Krokodýlí kůže raketoplánu
Pokud se podíváme na americký kosmický raketoplán trochu podrobněji, zjistíme, že jeho povrch se skládá z destiček různé barvy a velikosti. To je dáno ryze praktickou potřebou, některé jeho části jsou při přistávání namáhané více než jiné.
Každý raketoplán má jiný počet ochranných destiček. Záleží na jejich velikosti. Zatímco nejstarší Columbia jich měla 39 000, nejnovější Endeavour jich má zhruba 32 000. Cílem takové tepelné ochrany je zajistit, aby teplota vlastního povrchu stroje nepřekročila 350 °C. Přitom při průletu atmosférou mají špice a náběžné hrany křídel teplotu až 1750 °C, horní plochy křídel či vrchní část trupu nepřekračují 400 °C.
Příď raketoplánu (nemá podobu destiček, je z jednolitého dílu) a náběžné hrany křídel (22 prefabrikátů) jsou pokryty kompozitním materiálem na bázi uhlík-uhlík RCC (Reinforced Carbon-Carbon), potaženým tenkou vrstvou taveného křemene, která zabraňuje oxidaci.
Na další částí tepelného štítu (např. spodní část raketoplánu), kde působí teploty 650 až 1260 °C, jsou destičky z křemenných vláken. Jsou překvapivě lehké, dokonce lehčí než polystyrén.
Speciálním způsobem jsou chráněné dveře nákladového prostoru, kde teplota nepřekračuje 370 °C. Tyto jsou obloženy polyamidovou nomexovou plstí FRSI (Flexible Reusable Surface Insulation).
I drobný výstupek může být problémem
Na spodní část raketoplánu působí při přistávacím manévru teplota až 1250 stupňů Celsia – přitom zde umístěné destičky tepelné ochrany začínají hořet při teplotě zhruba o sto stupňů vyšší! Čili není zde kdovíjaká rezerva. Přitom teplota 1250 stupňů Celsia je podmíněna dokonalým obtékáním plazmy kolem raketoplánu, kdy dochází k tzv. lineárnímu proudění. Jakmile by se zde ale objevil nějaký výstupek nebo aerodynamická nerovnost, lineární proudění by se změnilo na turbulentní a teplota v jeho okolí by prudce narostla. Destičky tepelné ochrany by následně začaly hořet – což by vedlo ke zkáze celého stroje.
NASA proto byla velmi opatrná, když se uvolnily vycpávky mezi destičkami tepelného štítu raketoplánu Discovery v roce 2005 – šlo totiž o první misi kosmického letounu po zkáze Columbie v únoru 2003. Nařídila proto jejich odstranění v průběhu kosmické vycházky (viz snímek). V minulosti se už mnohokráte stalo, že se tyto vycpávky uvolnily a vždy spolehlivě shořely dříve, než stihly způsobit nějaké problémy. Ale jistota je jistota…
Země, které zvládly návraty z vesmíru
• Spojené státy – zvládly návratový manévr jako první v roce 1960, od té doby vypustily stovky družic a kosmických lodí, které se bezpečně vrátily. Několik sond pak vyslala k průletu atmosférou dalších planet: Marsu, Venuše, Jupitera…
• Sovětský svaz – jen několik dní po USA předvedl techniku pro bezpečný průlet atmosférou. Také SSSR dokázal vyrobil automaty, které odolaly žáru při přistávání na jiných planetách.
• Čína – třetí zemí světa, která dokázala zvládnout návrat z vesmíru, se stala Čína. Důvod byl prozaický: potřebovala z oběžné dráhy dopravit na Zemi pouzdro se špionážními fotografiemi. Poprvé se manévr vydařil v roce 1975. Dnes Čína disponuje i vlastní pilotovanou kosmickou lodí Shen Zhou (zhruba lze přeložit jako Božská loď).
• Japonsko – Země vycházejícího Slunce zvládla techniku návratu z vesmíru v roce 1994.
• Evropa – starý kontinent reprezentovaný Evropskou kosmickou agenturou ESA také technologii návratu z vesmíru zvládl. Poprvé v roce 1998 při testu družice ARD, posléze např. u Saturnova měsíce Titan při misi Huygens.
• Indie – je nejnovějším členem společenství několika málo zemí, které dopravily náklad z vesmíru na zemi vlastními silami. Družici SRE-1 vypustila a o několik dní později bezpečně zachránila v lednu 2007 (z její záchrany po přistání je i doprovodný snímek).
