Nejkritičtějšími okamžiky kosmického letu jsou start a přistání. Zajistit bezpečný návrat kosmonautů či užitečného nákladu z kosmu na Zem je nelehké, avšak nezbytné. Dodnes to může být nebezpečné.
Při sestupu se nejdříve pomocí trysek upraví dráha letu a loď klesne do horních vrstev atmosféry. Vlivem aerodynamického odporu se snižuje rychlost lodi a její pohybová energie se postupně mění v teplo. Proto je nutné vybavit přistávající těleso systémem tepelné ochrany - tepelným štítem.
Přetížení a tepelné zatížení při zpomalování lze snížit vhodným tvarem tělesa (návratové kapsle mívají tvar kapky) a aktivním řízením, aby teploty nepřerostly únosnou mez. Rychlost se sníží na několik set metrů za sekundu a let pokračuje buď klouzavě až po přistání na letišti (raketoplán), nebo na padáku (všechny ostatní pilotované lodě, resp. jejich návratové moduly, tzv. kapsle). Těsně před dotykem se zemí se někdy zapalují motory měkkého přistání, které utlumí poslední náraz (Rusko - lodi Sojuz), nebo přistání končí na mořské hladině (USA - lodi Apollo).
Tepelný štít - otázka života a smrti
Návratové těleso naráží na hustší vrstvy vzduchu, stlačuje plyn, což vede k jeho silnému ohřívání a následně se ohřívá i plášť lodi. Teplota plynu dosahuje až několika tisíc stupňů Celsia, teploty povrchu lodi až 1700 °C. Kabina kosmické lodi při návratu připomíná rozžhavený meteor, proto potřebujeme tepelný štít, aby vysoké teploty nepronikly dovnitř.
Tepelné štíty - 3 druhy
Tepelné štíty jsou trojího druhu, podle toho, jak se vypořádávají s přítokem tepla. Jeden typ se jmenuje radiativní - většina tepla se z něj rychle vyzařuje do okolí. Příkladem jsou vyměnitelné dlaždice amerického raketoplánu. Druhý je založen na velké tepelné kapacitě materiálu, který potřebuje velké množství tepla k ohřevu.
Zpravidla je masivní a příliš se nepoužívá. Třetí typ tepelného štítu se jmenuje ablativní a jeho princip spočívá v tom, že se kousky materiálu postupně odpařují, odlétají pryč a hromadící se teplo tak "berou s sebou". Příkladem je štít jednorázové návratové kapsle (Sojuz). Mezi tepelným štítem a vnitřní kabinou musí být ještě bytelná izolační vrstva.
Namáhání tepelných štítů
Na různých místech tepelného štítu lze zaznamenat různé teploty - od několika set stupňů na místech odvrácených od směru letu či po stranách až po maximální teploty 1500 a více na tzv. straně náběžné, tj. té, která jako první rozráží rozžhavený vzduch.
Orbitální X suborbitální lety
Pro charakter kosmického letu i návratu lodi je klíčové, jestli loď dosáhne oběžné dráhy (orbity), nebo ne. Tím se rozumí, že loď je schopna obíhat Zemi bez další spotřeby paliva jako její umělá družice. Z principů mechaniky plyne, že taková družice musí mít rychlost nejméně 8 km/sekundu (asi 25násobek rychlosti zvuku, tzv. 1. kosmická rychlost) a její dráha musí ležet ve výšce nad 100 km nad povrchem Země, aby ji nebrzdila atmosféra (pomyslné rozhraní atmosféry a kosmu).
Naproti tomu pro výškové suborbitální lety (soukromý raketový letoun SpaceShipOne) jsou typické výšky do 100 km a maximální rychlosti "jen" 1-2,5 km/sekundu. Z toho plyne, proč je návrat z oběžné dráhy tak obtížný - kosmické lodi je potřeba odebrat třením o vzduch asi 10-70x více energie než suborbitálnímu stroji.
Návrat samotného kosmonauta, záchrana životů, či sport pro vyvolené?
Už od roku 1960 se objevovala zejména u amerických inženýrů koncepce jednočlenného záchranného člunu, minikapsle, ve které se choulil člověk ve skafandru. Koncem 60. let se objevovaly i návrhy polootevřených člunů, kdy kosmonaut ležel z vnitřní strany na kuželovém tepelném štítu.
Nejnovější zajímavost
přišla od zástupců amerického soukromého kosmického programu Orbital Outfitters - Ricka Tumlinsona a Jonathana Clarka (bývalý chirurg NASA), jimž asistuje i odborník českého původu, Ing. Tomáš Svítek, konzultant NASA. V jejich představách půjde o těžký skafandr ze speciálních materiálů, který by umožňoval průzkumníkovi bezpečně "seskočit" z výšky až 100 km, a to bez dodatečného těžkého tepelného štítu!
Z kontextu ale plyne, že nepůjde o seskok z oběžné dráhy s rychlostí 8 km/s, ale spíše o návrat ze suborbitálního letu, kdy maximální rychlost bude kolem 1,5-2 km/s a na vrcholu dráhy ve výši 100 km bude rychlost nulová. 4-5x menší rychlost značí 16-25x menší objem energie, který bude nutno "tělesu" kosmonauta odebrat třením o atmosféru, což vysvětluje, proč konstruktéři nepředpokládají ze začátku nutnost posadit kosmonauta na tepelný štít.
Pokus se bude pohybovat někde mezi výškovými seskoky v atmosféře a návraty z kosmického prostoru. (Výškový rekord v seskoku s padákem drží dodnes Joseph Kittinger, který v r. 1960 seskočil z balonu letícího ve výšce 31 330 metrů.)
Seskok z kosmu jako sport
Konstruktéři předpokládají, že pokusný seskok z výšky 40 km bude možno uskutečnit v roce 2009 a "skok z hranice vesmíru", tj. z výšky 100 km, bude následovat v roce 2011. Lze předpokládat, že stejně jako komerční suborbitální lety budou nabízeny movitým turistům, i seskoky z hranice kosmu by po etapě nutných zkoušek zajímaly extravagantní milionáře se vztahem k extrémním adrenalinovým sportům (do patřičné výšky je třeba se nechat vynést buď speciálním balonem - tj. do výšky cca 40 km, nebo suborbitálním raketovým strojem - dostup cca 100 km).
Později by na plnohodnotné seskoky z orbity (výška nad 150 km) a za plné orbitální rychlosti kolem 8 km/s mohlo dojít - avšak s tepelným štítem a také s plnohodnotným raketovým nosičem, který dosáhne 1. kosmické rychlosti. Konstruktéři se budou muset kromě silného ohřevu padajícího tělesa vyrovnat i s přetížením při zpomalování a s problematikou nadzvukových třesků.
Hi-tech skafandr
Skafandr vypadá extrémně až fantasticky - má hledí přilby z tepelně odolného polymeru či z průhledné křemičité slídy (ta se používá u průhledů do vysokých pecí). Skafandr je projektován jako tlakovaný (kolem bude většinou vakuum a už ve výškách nad 20 km by se člověku při nízkém tlaku vařila krev), má obsahovat i chladicí systém, samozřejmě přívod kyslíku a manévrovací trysky.
Většina skafandru bude vyrobena z ohnivzdorného materiálu Nomex (používají ho např. požárníci a vojenští piloti, používá se i u přistávacích airbagů planetárních kosmických sond). Na zádech bude umístěn stabilizační padáček a velký padák pro konečnou fázi seskoku.
Dalším motivem tvorby tohoto skafandru je i nutnost mít k dispozici individuální záchranný prostředek pro kosmonauty, kteří musejí nouzově "vyskočit" z kosmické lodi. Zde je příznačné, že manželka v projektu zúčastněného Jonathana Clarka byla jedním ze sedmi astronautů, kteří zahynuli v raketoplánu Columbia.
Návrat na nafukovacím "polštáři"
Za spolupráce německých a ruských konstruktérů se v rámci Evropské kosmické agentury (ESA) připravuje koncepčně převratný návratový modul pod názvem Inflatable re-entry and descent technology (IRDT, nafukovací návratová a sestupová technologie). Jde o polootevřený komolý kužel, který se teprve před sestupem rozloží a nafoukne. Má sloužit hlavně k automatické dopravě několikatunových nákladů z oběžné dráhy na Zemi, ale dá se uvažovat i o návratu jednotlivých osob.
Jak jsou s tím daleko
První letové testy se konaly v letech 2000-2005, avšak byly úspěšné jen částečně. Špička nafukovacího modulu obsahuje ablativní tepelný štít. Modul se skládá ze dvou propojených nafukovacích kuželů: když rychlost klesne pod rychlost zvuku, první kužel se odpojí a začne "pracovat" druhý. K přistání není nezbytný padák, v konečné fázi zpomalí dopad brzdicí trysky. IRDT může také sloužit i k přistání na Marsu.
Seskok z hranice kosmu
Výška
320-350 km
- zde létá Mezinárodní kosmická stanice - International Space Station (ISS) - na celkem stabilní, tzv. nízké oběžné dráze
100 km
- skokan začíná svůj desetiminutový výlet směrem k Zemi
90 km
- typická výška, kde se vyskytuje polární záře
85 km
- meteory se rozžhavují při vstupu do atmosféry
50 km
- typická výška, kde létají meteorologické balony
33 km
- skokan nabírá maximální rychlost 4000 km/hod.
- 2 minuty od začátku skoku
31,7 km
- skokanův skafandr se zahřívá z -40 stupňů Celsia na 240 stupňů Celsia
31 km
- skokan prudce aerodynamicky brzdí
- zakouší záporné přetížení 4,4 G po dobu 30 sekund
- 2 minuty a 3 sekundy od začátku skoku
29,5 km
- nejvýše kdy letící letadlo, Sluncem poháněný experimentální Helios (13. 8. 2001)
20 km
- maximální služební výška pro tryskovou stíhačku F-22
10,7 km
- maximální cestovní výška pro dopravní Boeing 747
10 km
- skokan zpomalil na konečných cca 200 km/h
- 3 minuty a 20 sekund od začátku skoku
8848 m
- výška Mount Everestu
3500 m
- dostup lehkého sportovního vrtulového letadla Piper Cub
900-1000 m
- skokan uvolňuje padák a plachtí k zemi
- 7 minut a 20 sekund od začátku skoku
0 m
- skokan přistává
- 10 minut od začátku skoku
Návrat z oběžné dráhy do atmosféry
3. 11. 1957
první "kosmonaut", pes rasy lajka, se z kosmu vrátit nemohl, jeho loď (Sputnik 2 - SSSR) neobsahovala návratový modul
11. 8. 1960
první návrat umělého tělesa z orbity - špionážní Discoverer 13 (USA)
20. 8. 1960
první úspěšný návrat živých tvorů z vesmíru (psi Bělka a Strelka, SSSR)
12. 4. 1961
Jurij Gagarin (SSSR), první lidský kosmonaut světa, se před tvrdým dopadem nechal katapultovat z kabiny a přistál vedle na padáku
19. 3. 1965
Voschod 2 (SSSR) - první nouzové manuální přistání daleko od původně plánovaného místa
24. 4. 1967
první smrt člověka při návratu z vesmíru - V. Komarov (SSSR); lodi Sojuz 1 se zamotaly padákové šňůry, dnes jsou však lodě Sojuz nejspolehlivější součástí pilotované kosmonautiky
12. 4. 1981
Columbia (USA) - startuje 1. raketoplán s tepelným štítem z vyměnitelných keramických destiček
1. 3. 2003
zánik raketoplánu během přistání kvůli porušení tepelného štítu – Columbia, let STS-107 (USA); zahynulo všech 7 astronautů
21. 10. 2007
kosmická loď Sojuz TMA-10 přistála kvůli chybě počítače 340 kilometrů od plánovaného místa přistání;
Sojuzy od r. 2001 slouží jako záchranné čluny u Mezinárodní vesmírné stanice ISS (počítá se s nimi zde ještě asi do r. 2015, než bude k dispozici nová loď)
Weby
- Rick Tumlinson, kosmický vizionář
(http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_reentry)
návrat do atmosféry - Wikipedia(www.astronautix.com/craftfam/rescue.htm)
- záchranné moduly- IRDT - Nafukovací štít
