Rakieta kosmiczna

Ostatni 28 start promu kosmicznego Columbia

Silniki rakietowe działają na zasadzie zjawiska odrzutu. Gazy spalane w silniku wyrzucane są do tyłu, a wtedy rakieta nabywa pęd do przodu zgodnie z zasadą zachowania pędu. Główną częścią silnika stanowi komora spalania. doprowadzone są do niej substancje łączące się chemicznie np. nafta i tlen. Komora spalania kończy się dyszą, przez którą wypływają gazy. Po spaleniu się zmieszanych substancji, w komorze spalania wytwarza się wysoka temperatura i duże ciśnienie działające we wszystkich kierunkach. W rezultacie na gazy spalinowe działa siła powodująca ich przepływ przez dyszę z prędkością ponad 3000 m/s. Ciśnienie na przednią ścianę komory spalania daję siłę reakcji zwaną siłą ciągu (wynika to z trzeciej zasady dynamiki), powodującą ruch rakiety w stronę przeciwną do wypływających gazów. Siła ciągu rakiety zależy od masy wyrzucanych gazów w ciągu jednej sekundy i ich wartości prędkości. Masa spalonego w jednej sekundzie paliwa wynosi we współczesnych rakietach setki kilogramów. Przyspieszenie chwilowe rakiety zależy w górę 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. Aby zwiększyć zmniejszanie się masy rakiety stosuje się rakiety wieloczłonowe (na ogół trójczłonowe). Po zużyciu paliwa w pierwszym członie zostaje on odczepiany, masa rakiety jest wtedy mniejsza i dalsze stopnie uzyskują większe przyspieszenia. W amerykańskich promach kosmicznych pierwszy człon rakiety jest wodowany w oceanie i po wyłowieniu stosuje się go ponownie.
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. Loty sond kosmicznych przypominają więc kamień wyrzucony z procy. Dalej sonda leci siłą bezwładu. Ma jedynie niewielki zapas paliwa, żeby co jakiś czas korygować kierunek lotu, a u celu np. wejść na orbitę planety lub na niej wylądować. Silniki nie mogą działać non stop, gdyż szybko zabrakłoby paliwa. A nie można brać zbyt wiele paliwa w podróż, bo wyniesienie na orbitę każdego dodatkowego kilograma słono kosztuje. W zamian sondy sprytnie rozpędzają się po drodze, korzystając z siły grawitacji mijanych planet lub ich księżycy.
Ten sposób napędu zwany jest metodą wspomagania grawitacyjnego lub inaczej asysty grawitacyjnej. Przelatując tuż obok planety lub jej księżyca sonda jest chwytana w jej pole grawitacyjne, zatacza wokół niej łuk i potem jest wyrzucana z większą prędkością. Następuje tutaj przekazanie części energii kinetycznej dużego ciała kosmicznego (praktycznie planety) podróżującemu statkowi kosmicznemu. Programy komputerowe wyszukują taką trasę lotów, aby łączyła punkty, gdzie równoważą się siły oddziaływania ciał grawitacyjnych. Tor lotu sondy zwykle przypomina spiralę, która zatacza kręgi

Artystyczna wizja trajektorii rakiet kosmicznych w wyniku stosowania asysty graitacyjnej

wokół Słońca, zbliżając się do planet, zanim skieruje się w kierunku ostatecznego celu lotu. Taka technika lotu zaoszczędza paliwa i pieniędzy, ale zabiera czas.


NASA pracowała już nad nuklearnym napędem w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych. Z badań zrezygnowano. Częściowo z powodów politycznych (po wejściu w życie traktatu o zakazie prób jądrowych), a częściowo - finansowych. Dziś wszelkim pracom nad rakietami jądrowymi sprzeciwiają się organizacje ekologów, które boją się "skażenia" przestrzeni wokółziemskiej promieniotwórczymi odpadami. Z protestami spotkał się m.in. w 1997 roku start sondy Cassini, która ma na pokładzie pluton do generowania elektryczności.
Po katastrofie promu kosmicznego Calumbia w lutym 2003 roku szef amerykańskiej agencji kosmicznej Sean O'Keefe zapowiedział, że NASA przyspieszy prace nad jądrowym napędem rakiet i statków kosmicznych. Ambitny program nosi nazwę Prometeusz. Agencja ma przeznaczyć na niego miliard dolarów w ciągu najbliższych pięciu lat.
Przy użyciu współczesnej technologii podróż na Marsa trwałaby sześć miesięcy w jedną stronę. Z nowym napędem podróż w obie strony zajmie tylko sześć tygodni! Zaoszczędzi się czas i pieniądze, bo można wziąć ze sobą mniejszą ilość paliwa, tlenu do oddychania i żywności. Z kolei nuklearne reaktory wytwarzające energię elektryczną byłyby wygodniejsze i bardziej niezawodne od baterii słonecznych, a wręcz niezastąpione w dużej odległości od Słońca, np. w pobliżu Plutona.


Napęd jonowy (plazmowy)
Substancją roboczą tego silnika jest plazma czyli silnie zjonizowany gaz. Jony plazmy są rozpędzane w polu elektrycznym silnika sondy i wyrzucane z niego z wielką prędkością. Siła odrzutu pcha sondę w przeciwną stronę. Jest to napęd cichy, ekologiczny i bardzo wydajny. Niewielki zapas paliwa wystarcza, by silnik działał nawet i kilkadziesiąt lat. W tym czasie, choć powoli i z mozołem, może rozpędzić sondę do prędkości bliskich prędkości światła. Taka szybkość pozwoli sondzie przemierzać odległości mierzone w latach świetlnych. Najbliższe gwiazdy, odległe o 4 lata świetlne, znajdą się więc w zasięgu ludzkich pojazdów.

Artystyczna wizja sondy Deep Space 1 w kosmosie

Pierwszą sondą napędzaną silnikiem jonowym, była Deep Space 1, wystrzelona 24 października 1998 roku. Misja ta miała trwać 11 miesięcy, jednak została znacznie przedłużona i rozszerzona. 22 września 2001 Deep Space 1 przeleciała w odległości 2158 kilometrów od jądra komety Borrelliego, wykonując zdjęcia i pomiary poszerzające naszą wiedzę o kometach. Paliwem Deep Space 1 był płynny gaz - ksenon. Atomy ksenonu poddaje się jonizacji i następnie przyspiesza się je polem elektrycznym wytworzonym między dwoma metalowymi siatkami. Jony osiągają prędkość 35000 metrów na sekundę.
W trzy silniki jonowe wyposażona została również sonda Dawn.
Radioizotopowy generator termoelektryczny
Radioizotopowy generator termoelektryczny (ang. Radioisotope thermoelectric generator, RTG) -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 i nienadzorowanych urządzeniach pracujących zdalnie (boje, latarnie morskie itp.) Podstawowym elementem generatora jest termopara. Składa się ona z pary dwóch różnych metali zwykle w postaci przewodów, spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu o niskiej temperaturze, a drugie w wyższej. Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur. Termopara może być więc źródłem prądu elektrycznego.
W radioizotopowym generatorze termoelektrycznym materiał radioaktywny (paliwo) jest umieszczony w pojemniku do którego wprowadzony jest jedno złącze termopary . Drugie złącze termopary wprowadzone jest do czynnika chłodzącego (np. przyłączony do radiatora). 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. Większe różnice temperatur powodują wytworzenie większej mocy.

Jeden z wielu modeli silnika Stirlinga

Stany Zjednoczone użyły po raz pierwszy RTG 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. Stąd zostały użyte 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 na 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. W podstawowej konfiguracji silnik Stirlinga składa się z dwóch cylindrów (ciepłego i zimnego), pomiędzy którymi (przy ich podstawach) znajduje się połączenie. W cylindrach znajduje się stała ilość gazu. Ponadto w każdym cylindrze jest tłok, a tłoki te są połączone wałem korbowym, tak aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok w cylindrze zimnym o 1/4 cyklu ruchu. Najpierw gaz ogrzewany w cylindrze ciepłym powiększa swoją objętość, potem jest przepompowywany do cylindra zimnego, gdzie zmniejsza objętość i w minimum objętości jest przepompowywany do cylindra ciepłego. Ponieważ rozszerzanie gazu w wysokiej temperaturze daje więcej energii, niż wymaga sprężenie gazu w niskiej temperaturze, silnik wykorzystuje różnicę i zamienia energię cieplną na mechaniczną.
W roku 2008 firma Lockheed Martin testuje egzemplarz radioizotopowego (źródłem ciepła jest 2,25 kg izotopu promieniotwórczego plutonu 238) generatora Stirlinga. Znajdujące się w nim dwa silniki Stirlinga napędzają liniowy alternator o mocy około 100 watów. Taki silnik ma niecały metr długości i około 30 cm szerokości. 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.

Zdjęcie żagla sondy IKAROS wykonane przez maleńką kamerę, która została z niej wyrzucona

Napęd żaglowy
Sonda taka rozwija na orbicie gigantyczny żagiel, zbudowany z superlekkiego materiału. Wykorzystuje ona ciśnienie światła słonecznego oraz w mniejszym stopniu ciśnienie wywierane przez cząsteczki wiatru słonecznego, czyli naładowanych cząsteczek (elektronów i protonów) wyrzucanych ze Słońca. Wywierana siła odpychałby sondę od Słońca, kierując ją w odległe rejony Układu Słonecznego. Powstała siła ciągu takiego "silnika" jest mała, ale za to działa długotrwała.
Inna przyszłościowa wersja tego pomysłu mówi, że żagle sondy będą popychane przez wiązki potężnych laserów, umieszczonych na ziemskiej orbicie. Niezwykle słaby wiatr słoneczny nie zdoła popchnąć zbyt ciężkich sond. Ale w tej chwili realizuje się konstrukcje miniaturowych sond, małych, lekkich, ale bardzo tanich, które badać będą Układ Słoneczny.
Pierwszym takim pojazdem miała być sonda Cosmos 1, którą próbowano wysłać w kosmos 21 czerwca 2005 roku. Żagiel składający się z ośmiu 15-metrowych paneli miał zostać wyniesiony na wysokość około 800 kilometrów za pomocą zmodyfikowanej wojskowej rakiety balistycznej Wołna, która wystartowała z pokładu łodzi podwodnej. Niestety nastąpiła awaria rakiety. Przyczyną nieudanego wyniesienia na orbitę sondy Cosmos 1 było przypadkowe wyłączenie się centralnego bloku silnika pierwszego stopnia rakiety nośnej. Misja miała mieć wyłącznie charakter testowy i trwać krótko.
Pierwszą wysłaną udanie w kosmos sondą wyposażoną w taki napęd była japońska misja IKAROS, umieszczona na orbicie w maju 2010 roku. Całkowita powierzchnia żagla wynosiła około 170 m². Podstawowa misja trwała sześć miesięcy, ale kontakt z sondą podtrzymywany jest nadal. Wywierana przez ciśnienie promieniowania słonecznego siła ciągu wynosi zaledwie 1,12 mN, co jest wartością zgodną z przewidywaniami. Do żagla zostały też przymocowane cienkie i superlekkie baterie słoneczne. Jeśli się sprawdzą, to w przyszłości kosmiczne żaglowce będą mogły mieć także dodatkowy, zasilany elektrycznie napęd jonowy.
Drugim satelitą testującym żagiel słoneczny był NanoSail-D2, należący do NASA, wyniesiony na orbitę 20 listopada 2010 o powierzchni żagla 10m². NanoSail-D2 spędził na orbicie 240 dni. Planowane są dalsze misje z użyciem tego napędu.
Magnetyczny żagiel
Grupa Roberta Winglee'a z University of Washington w 2004 roku zaproponowała projekt silnika opartego na pomyśle wiązki namagnetyzowanej plazmy, tzw. mag-beam. Napędzanie statku polega tu 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 prędkości 11,7 kilometra na sekundę. Żeby statek z żaglem magnetycznym mógł wrócić z powrotem na Ziemię należy rozmieścić w różnych miejscach Układu Słonecznego stacje produkujące magnetyczne wiązki.
Lewitacja magnetyczna
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 nie po powierzchni toru, lecz tuż nad nim.
Specjaliści z NASA chcą wykorzystać oddziaływanie magnetyczne do wynoszenia na orbitę pojazdów kosmicznych. Zbudowano już elektryczny tor o długości 15 metrów oraz model magnetycznego pojazdu kosmicznego o długości 1,5 metra i wadze 15 kilogramów. Podczas pierwszych prób, które przeprowadzono we wrześniu i październiku 2005 roku, prototyp osiągał prędkość 100 km/h w ciągu pół sekundy, unosząc się mniej więcej półtora centymetra nad torem. Dzięki zastosowaniu magnetycznej lewitacji i elektrycznych silników można znacznie zmniejszyć masę startową pojazdu, nadając mu zarazem znaczną prędkość. Po osiągnięciu prędkości 900 km/h w magnetycznej rakiecie włączałyby się silniki rakietowe, które następnie wyniosłyby ją na orbitę.
W 2006 roku rozpocznie się budowa toru demonstracyjnego o długości 120 metrów. Prototypowe pojazdy będą na nim rozpędzane w ciągu paru sekund do planowanej prędkości. Ostatnie próby pokazały, że dzięki lewitacji magnetycznej możliwe jest nadanie rakiecie ogromnego przyspieszenia w bardzo krótkim czasie. Teraz należy sprawdzić, czy potrafimy zapanować nad pojazdem pędzącym z tak ogromną prędkością.
Napęd fotonowy
Silnik fotonowy wykorzystuje wielokrotne odbicie fotonów pomiędzy układem luster. Pierwszy działający silnik fotonowy skonstruowano w 2007 roku. Jego rozmiary są niewiele większe od zwykłego jajka. Odpowiednio zaprojektowany układ ma siłę ciągu 35 mikroniutonów. Zanim urządzenie posłuży do napędzania rakiet, to planuje się wykorzystać je do utrzymania pozycji satelitów w kosmosie z precyzją 100 000 razy większą od możliwej do uzyskania obecnie.
Silniki na antymaterię
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,

Fantastyczna wizja obcej cywilizacji

dając ciąg. Znacznie efektywny byłby silnik, w którym pole magnetyczne odchylałoby piony w odpowiednim kierunku. Trzeba jednak umieć wyprodukować duże ilości antycząstek i umieć ją magazynować, co dziś jest poza naszymi możliwościami. Wynika z tego, że budowa silników na antymaterię jest sprawą odległej przyszłości.
Napęd czasoprzestrzenny
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 Ziemian od innych obiektów kosmicznych.
Do tego celu wykorzystano by zjawisko zakrzywienia czasoprzestrzeni. Powstałby rodzaj "tunelu" łączącego nas z np. drugim krańcem galaktyki. Mimo, że fizyka nie wyklucza istnienia takiego zjawiska, to taki hipotetyczny "tunel" jest prawdopodobnie wyjątkowo niestabilny i krótkotrwały.
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 - do jego wytworzenia potrzebowalibyśmy znacznie większej energii niż ta, jaką dysponuje nasze Słońce! Teraz jest to niemożliwe. Ale w przyszłości, ... kto wie.

---

« Poprzednia  Następna »