Vesmírní náfukové

Martin Tůma  |  Vesmír
Vesmírní náfukové

Ne, nebojte se, tento článek nebude o pyšných kosmonautech, ale o zajímavých projektech využívajících nafukovací struktury v kosmu. Právě zde se nesmiřitelně střetávají protichůdné požadavky – aby vše, co se tam používá, bylo lehké a přitom odolné. Nesmí se zapomínat, že dostat zařízení a lidi nahoru na orbit je pouze jedna polovina problému, ta druhá spočívá v tom dostat je v pořádku a bezpečí zpátky na Zemi. Zatímco cesta nahoru je na plameni raketových motorů, cesta dolů potom vede ohnivým peklem atmosféry.

Fyzikální zákony se nedají obejít, minimálně ne snadno. Obrovská energie, kterou do družice napumpujeme pomocí chemických motorů několikastupňové rakety, se promění v tzv. potenciální a kinetickou energii tělesa. Při návratu z oběžné dráhy Země je ale třeba zabrzdit loď, která letí rychlostí 8 km/s ve výšce 180 km nad Zemí, na nulovou rychlost v nulové výšce. Už samotné trefení se do vhodného úhlu k sestupu není vůbec snadné, pokud je to moc ploché, loď se od atmosféry odrazí do vesmíru, příliš strmý sestup zase znamená vysoké teploty, přetížení a případně výbuch. Cestou zpátky na Zemi potřebujeme každý kilogram zařízení zbavit energie, jakou získáte spálením 1 kubického metru zemního plynu.

A protože nejde brzdit jinak než třením o okolní vzduch, dojde k rozžhavení sestupového modulu na teploty, za kterých se odpařuje železo. Jako obvykle to byli vojáci, kteří potřebovali vyřešit tento problém jako první. Německé rakety V-2 dosahovaly při cestě za svým smrtonosným posláním výšek 200 km, což bylo dostatečné k tomu, aby jejich nádrže při sestupu vybuchovaly žárem. Řešením byla tepelná izolace. Potom přišly mezikontinentální střely. Protože chránit před žárem celý nosič bylo neúnosné, systém se zúžil ryze na ochranu bojové hlavice. První americké střely se chránily pomocí absorpce. Na špičce hlavice nesly speciální překryt z materiálu, který měl dostatečně velkou schopnost nasávat do sebe teplo, aniž by se poškodil. Ale takový se nehodí pro kosmické lodě.

Schéma zařízení IRVE – Inflatable Re-entry Vehicle Experiment (Experiment s nafukovacím návratovým zařízením)

Radiační nebo ablativní

V současnosti se používají dva různé přístupy. Ten vývojově starší ochlazuje sestupující loď odpařováním materiálu tepelného štítu a jmenuje se ablativní. Američanům se díky tomuto štítu jako prvním podařilo dostat z kosmu zařízení, kapsli se špionážními fotografiemi. Rusové to zopakovali až pár dnů po nich. Hlavní nevýhodou ablativního tepelného štítu je jeho váha a pouze jednorázové použití, je ale konstrukčně nenáročný a velmi spolehlivý. Druhý způsob, kterým lze ochránit sestupující loď, je vyzařování tepla do okolí díky dokonalé tepelné izolaci. Takto se před ohnivým peklem při návratu do atmosféry chrání americké raketoplány. Jedná se ale o velmi konstrukčně i materiálově náročné zařízení a o to, jak fatální může být i drobné poškození, jsme se mohli přesvědčit při havárii raketoplánu Columbia.

Nafukovací štít

Od samotného počátku pilotovaných letů se řešilo, jak v případě nehody dostat kosmonauty nebo astronauty bezpečně zpět na Zemi. V průběhu času vznikla řada zajímavých projektů, jako třeba vesmírné rogalo FIRST (Fabrication of Inflatable Re-entry Structures for Test), ale žádný z nich neopustil rýsovací prkna konstruktérů. Asi nejdále se dostal program EGRESS, záchranná kapsle odvozená z vystřelovacího křesla nadzvukového bombardéru B-58. Přesto se myšlenky konstruktéru točily především kolem nafukovacích zařízení, protože ta by se mohla složit do velmi malého prostoru a aktivovat je až v okamžiku potřeby. Ale kosmický padák nepotřebujeme jenom na Zemi.

I při prvních cestách kosmických sond na Mars a Venuši se řešilo, jakým způsobem je ochránit před žárem při vstupu do atmosféry planety. A právě zde vznikl koncept nafukovacího tepelného štítu, který se od té doby dále vyvíjí, ale až v letošním srpnu se dočkal prvních úspěšných testů. Duchovním otcem návrhu je ruská konstrukční kancelář Lavočkin, která vyvinula Inflatable Re- entry and Descent Technology, zkráceně IRDT, neboli nafukovací návratovou a sestupovou technologii. Původní model byl určen pro sondu Mars 96, ovšem její cesta kvůli selhání nosné rakety skončila v moři poblíž Velikonočních ostrovů.

Posléze díky spolupráci s Evropskou kosmickou agenturou došlo k výrobě dalších prototypů a k letovým testům. Od roku 2000 do roku 2005 byly podniknuty celkem čtyři testy, ale ani jeden z nich nebyl úspěšný. Jednalo se hlavně o problémy s oddělením štítu s nákladem od nosné rakety Volna.

Průřez ruským experimentálním přístrojem IRDT se složeným nafukovacím štítem

Štafetu přebírá NASA

Tu štafetu od Rusů a ESA přebrala NASA pomyslně v srpnu tohoto roku. V rámci přípravy přistání lidí na Marsu se vyvíjí řada různých technologií a právě nafukovací štít má být řešením, jak minimalizovat váhu tepelné ochrany lodě při vstupu do marsovské atmosféry. Vzhledem k její hustotě a také nižší marsovské gravitaci se to na první pohled může zdát jednodušší než v případě přistání na Zemi, ale rychlost, s jakou loď přilétá, je zase vyšší. Ve hře je samozřejmě i finanční hledisko, zatímco dopravit 1 kilogram nákladu na oběžnou dráhu Země stojí řádově deset tisíc dolarů, u dopravy na oběžnou dráhu Marsu jde už o miliony. Odpovědí na tyto požadavky má být IRVE – Inflatable Re-entry Vehicle Experiment (Experiment s nafukovacím návratovým zařízením) – provedený 10.

srpna tohoto roku na letecké základně NASA Wallops ve Virginii. Raketa Black Brant 9 vynesla do výšky okolo 100 km pokusný nafukovací štít o celkové váze 126 kg. Celé zařízení (štít s nafukovacím systémem a měřicí přístroje pro monitorování pokusu) bylo sbaleno do 158 cm vysokého a 42 cm širokého válce na špičce rakety. Minutu a půl po startu se uvolnil ze špičky rakety válec se štítem a ten vystoupal setrvačností až do výšky přes 200 km. Zde se štít úspěšně nafoukl inertním dusíkem do podoby 3 m širokého deštníku a zahájil svůj sestup. Zhruba ve 100 km začal štít brzdit o atmosféru a těsně nad 50 km bylo dosaženo teplotní maximum. Tou dobou zařízení klesalo rychlostí už jenom pětkrát vyšší, než je rychlost zvuku. O 20 km níže potom čelilo návratové zařízení maximálnímu tlaku.

Nakonec úspěšně zbrzdilo na rychlost nižší rychlosti zvuku a po úspěšné skoro dvacetiminutové misi dopadlo na hladinu Atlantského oceánu. Konstrukce tepelného štítu se tak osvědčila v ostrém testu. Za svoji mechanickou odolnost vděčí silikonové tkanině vyztužené kevlarovými vlákny a potažené Kaptonem. Na povrchu zařízení je třívrstvý potah z Nextelu, speciální keramické tkaniny od firmy 3M. Tato tkanina tak ukazuje víceúčelovost svého použití, původně totiž byla vyvíjena jako prostředek ochrany kosmických lodí před kosmickým smetím. Pomalu se tak rýsuje budoucnost, v níž budou mít kosmické lodě a orbitální stanice ve své výbavě nafukovací padáky.

Nafukovací hotel na oběžné dráze – Genesis

„Vítejte v prvním hotelu na oběžné dráze Země, pod námi je právě rozhraní dne a noci probíhající Evropou. Až se ubytujete, bude se večeře podávat v hlavní jídelně nad noční Saharou.“ Tohoto uvítání se možná už brzo dočkají první hosté vesmírného hotelu firmy Bigelow Aerospace nazvaného CSS Skywalker, a to za kulatou sumu na jednu noc – rovný milion dolarů. Tato firma není první, kdo ve vesmírné turistice větří dobrý byznys, ale její koncept nafukovacích hotelů je zdaleka nejdále. Svou technologii odkoupila od NASA, která vyvinula systém mnohovrstevných nafukovacích modulů Transhab z kevlarové tkaniny.

Nafukovací hotel na oběžné dráze – Genesis

Základním modulem hotelu má být šestimetrový nafukovací válec Nautilus s objemem 330 m3. Prozatím ale na oběžnou dráhu dokázali umístit pouze mnohem menší technologické demonstrátory Genesis I a Genesis II. Genesis II krouží kolem Země na stabilní dráze už od 28. června 2007 a v letošním roce dovršil 10 000. oběh. Jedná se o 4,4 m dlouhý válec o průměru 2,54 m, nadupaný kamerami a testovacími zařízeními. Podle inženýrů z Bigelow Aerospace je Genesis II pravým rohem hojnosti dat a obrazového materiálu z orbitu. I po více než dvou letech na oběžné dráze si tento modul drží svoji strukturu a vnitřní prostředí je nezasaženo radiací.

Nejčtenější