Žhavé návraty z oběžné dráhy

Michal Polák  |  Vesmír
Foto: NASA

Návrat z kosmu je nejrizikovější částí každého kosmického letu. Přistávací kabina nebo raketoplán musí zpomalit z rychlosti 7,8 kilometrů za sekundu a to z velké části při průletu zemskou atmosférou.

S problematikou návratu tělesa z kosmu vysokou rychlostí se lidé poprvé setkali za druhé světové války. Nacistická raketa V-2 při svých běžných letech dosahovala výšky až devadesát kilometrů a maximální rychlosti 1,6 kilometru za sekundu.

Pro tehdy značně předimenzovanou raketu se však nejednalo o žádný problém, i když se zejména při prvních startech několikrát rozpadla.

Problém s destrukcí bojových hlavic při sestupu museli reálně řešit až v Sovětském svazu. Při vývoji balistické rakety R-5 s dosahem 1 200 kilometrů již bylo nutné opatřit bojovou hlavici kompozitně-keramickou ochranou. K vývoji ablativních štítů se přikročilo v souvislosti s mezikontinentálními raketami, jejichž jaderné nebo jiné bojové hlavice se vracely do atmosféry téměř kosmickou rychlostí.

Příklad bojové hlavice se špičatou přední částí, která zaručuje vyšší rychlost při sestupu. Nevýhodou je naopak vysoká teplota, která vzniká přímo ve špičce. Foto: Wikipedia
Příklad bojové hlavice se špičatou přední částí, která zaručuje vyšší rychlost při sestupu. Nevýhodou je naopak vysoká teplota, která vzniká přímo ve špičce. Foto: Wikipedia

Kvůli nedostatečně řešené ochraně byl neúspěšný například jeden z prvních startů mezikontinentální rakety R-7. Maketě bojové hlavice sice udělila dostatečnou rychlost, následně však shořela v hustých vrstvách atmosféry.

Jak dostat na zem špionážní snímky

V Sovětském svazu pracovali na návratových kabinách už v padesátých letech, kdy na balistické raketové lety posílali pokusné psíky. Na konci padesátých let začali pro špionážní družice řady Zenit vyvíjet pouzdro schopné odolat návratu první kosmickou rychlostí. Hlavní konstruktér Sergej Koroljov v tom uviděl šanci a předem počítal s jeho využitím pro první kosmické lety s lidskou posádkou.

K ochraně 2,5 tuny těžké kabiny při návratu sloužil jednoduchý ablativní štít, který se při zahřívání vypařoval. Stabilizace zajištující správnou polohu při sestupu byla řešená vhodně umístěným těžištěm a ve výšce 2,5 kilometru se otevřela trojice padáků. Při pilotovaných letech se kosmonauti se následně katapultovali ve výšce sedmi kilometrů, jelikož dosednutí bylo příliš rychlé a hrozilo by poškození zdraví až smrt.

Přistávací modul kosmické lodi Sojuz, která používá ablativní tepelnou ochranu, se snáší na padáku. Těsně před samotným přistáním se zažehnou raketové motory na tuhé pohonné látky, které sníží rychlost před dosednutím. Foto: NASA
Přistávací modul kosmické lodi Sojuz, která používá ablativní tepelnou ochranu, se snáší na padáku. Těsně před samotným přistáním se zažehnou raketové motory na tuhé pohonné látky, které sníží rychlost před dosednutím. Kosmonauti přitom sedí v sedačkách vytvarovaných přesně na jejich postavu. To všechno pomáhá zmírnit účinky přetížení při startu i přistání. Foto: NASA

Také Američané mají první zkušenost s návratem kabiny z oběžné dráhy spojenou se špionáží. Družice řady Corona začali vynášet už v roce 1959. Sloužily zejména k fotografování území Sovětského svazu a Číny. Na rozdíl od Zenitu se v tomto případě vracelo jen malé návratové pouzdro s filmem.

Co zažívá kosmonaut při návratu

Návrat z oběžné dráhy je tou nejrizikovější částí kosmického letu a to si uvědomuje i každý kosmonaut. Na posádku při něm působí přetížení, jehož hodnota se odvíjí od způsobu sestupu.

Před zahájením musí kosmická loď nejdříve snížit svou rychlost. Otočí se proti směru svého letu a zažehne na předem vypočtenou dobu raketové motory. Moderní kosmické lodě využívají řízeného aerodynamického přestupu, u něhož přetížení dosahuje krátkodobě až 5,5 násobku běžné hodnoty (například u kosmických lodí Sojuz).

Tepelný štít na kosmické lodi Dragon určené pro zásobování Mezinárodní kosmické stanice je výhledově dimenzován pro návrat druhou kosmickou rychlostí od Měsíce. Předpokládá se vícenásobné použití. Foto: SpaceX
Tepelný štít na kosmické lodi Dragon určené pro zásobování Mezinárodní kosmické stanice je výhledově dimenzován pro návrat druhou kosmickou rychlostí od Měsíce. Předpokládá se vícenásobné použití, i když program COTS vyhlášený NASA zakazuje použít jeden prostředek vícekrát. Foto: SpaceX

Někdy se však objeví porucha a kosmická loď přechází na neřízený balistický sestup. S tímto problémem se v nedávné době setkala řada posádek Sojuzů-TMA, která musela vydržet více než osminásobné přetížení. Následky jsou pak různé: od naraženin až po zlomeniny a otřesy mozku, výjimkou není bezvědomí. Při dlouhodobém působení vysokého přetížení může docházet k trvalým následkům až ke smrti.

Jedinou možností, jak si na přetížení zvyknout, je trénink na letounech nebo na centrifuze. To je také jeden z důvodů, proč byla většina prvních kosmonautů vybírána z řad vojenských letců, kteří jsou na přetížení zvyklí a dobře jej snášejí. Ostatně také piloti akrobatických speciálů musí na začátku sezóny usilovně cvičit a ty nejlepší kousky mohou předvádět až po několika měsících.

Radiační tepelná ochrana u raketoplánů

Úkolem tepelného štítu je ochrana kosmické lodě před tepelným tokem o vysoké teplotě. Při návratu je potřeba zbavit se velkého množství energie (zhruba 32 MJ). Jenže ze zákona zachování energie víme, že ta se nemůže jen tak ztratit. Kvůli tomu se tepelný štít zahřívá na teplotu několik stovek až tisíc stupňů Celsia. Původně se u kosmických lodí používal takřka výhradně ablativní materiál. Jeho výhodou je jednoduchost, na druhou stranu není použitelný vícekrát.

Ablativní materiály mají malou tepelnou vodivost. Svrchní část se postupně odstraňuje (taví, sublimuje), teplo z povrchu se ale nedostane dovnitř do návratového modulu.

V sedmdesátých letech, kdy se pracovalo na konceptu raketoplánu, byla jedním z hlavních argumentů vícepoužitelnost a schopnost letět znovu krátce po návratu. Volba proto padla teplo vyzařující tepelnou ochranu a materiály na bázi uhlíku a křemíku schopné odolat teplotám převyšujících 1 500 °C.

Raketoplán však není pokryt jedním druhem tepelné ochrany, ale hned pěticí základních ochran, jejichž umístění a tvar odpovídá místům s větším a menším tepelným namáháním. Problémem u tepelné ochrany raketoplánu je její křehkost. Svědčí o tom havárie raketoplánu Columbia. Při osudné misi narazil při startu kus odpadlé tepelné izolace z externí nádrže do náběžné hrany levého křídla. Ta později při návratu nevydržela tepelné zatížení a raketoplán se rozpadl.

Posádka raketoplánu zažívá při přistání přetížení maximálně kolem 3 G. Může za to zejména vhodně navržená konstrukce, kdy raketoplán velkou plochou brzdí mnohem více a dříve, než jiné kosmické lodě. Foto: NASA
Posádka raketoplánu zažívá při přistání přetížení maximálně kolem 3 G. Může za to zejména vhodně navržená konstrukce, kdy raketoplán velkou plochou brzdí mnohem více a dříve, než jiné kosmické lodě. Foto: NASA

Hledání ideální tepelné ochrany

Návrat z oběžné dráhy nebo je závislý především na tvaru tělesa, vstupní rychlosti, úhlu a použitém materiálu. Návratové kabiny proto mají většinou zvonovitý tvar s největším průměrem ve spodní části, na které se nachází tepelná ochrana. Podobný musí být i tvar raketoplánů, nelze proto říct, že Sověti u svého Buranu jen zkopírovali americký raketoplán. Fyzikální zákony platí ve všech zemích a výpočty musí při stejných parametrech dojít ke stejnému řešení. V tomto ohledu tak asi jen tak na nic převratného nepřijdeme.

Velký prostor pro další vývoj je ale v oblasti mnoha typů tepelných ochran. Jednou z perspektivních je PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator). Tento materiál vyvinula NASA a byl použit při nejrychlejším návratu do atmosféry rychlostí 12,4 kilometrů za sekundu. Dosáhlo jí pouzdro sondy Stardust se vzorky z komety.

Mezi hlavní výhody materiálu PICA patří nízká hmotnost, vícenásobná použitelnost a výborná tepelná kapacita. Použitý je také u vyvíjené kosmické lodě Dragon společnosti SpaceX a na konci tohoto roku se jako tepelný štít kosmické sondy MSL (Mars Science Laboratory) vydá k Marsu.

Jedním z řešení, jak při přistání snížit hodnotu přetížení, je vytvořit maximální vztlak. Na videu si můžete prohlédnout, jak se bude vracet ze stakilometrové výšky chystaný raketoplán SpaceShipTwo. Zatím jde ale jen o testovací zkušební let.

Tip: Podívejte se na obsáhlé heslo anglické Wikipedie věnované problematice návratů z vesmíru do atmosféry

Nejčtenější