Lot kosmiczny – zastosowanietechniki kosmicznej, w celu wyniesieniastatku kosmicznego w i poprzezprzestrzeń kosmiczną. Umowna granica pomiędzy atmosferą Ziemi i przestrzenią kosmiczną przebiega na wysokości 100 km n.p.m., tzw.linia Kármána. Powyższa definicja została przyjęta przez Międzynarodową Federację Lotniczą (FAI).
12 marca 2015 r.,Sojuz TMA-14M na tle wschodu słońca nad Azją Środkową
Lot typowo zaczyna się odpaleniemrakiety nośnej, która dostarcza wstępnegociągu do pokonaniasiły ciężkości i odrywa pojazd od powierzchni Ziemi. Ruch pojazdu w przestrzeni kosmicznej – zarówno bez zastosowania napędu, jak i z nim – jest przedmiotem badań dyscypliny zwanejastrodynamiką. Niektóre pojazdy pozostają w przestrzeni kosmicznej na zawsze, niektóre spalają się w czasieponownego wejścia w atmosferę, a inne docierają na powierzchnie planetarne lub księżycowe poprzez lądowanie lub zderzenie.
Pierwsze realne propozycje podróży kosmicznych przypisywane sąKonstantinowi Ciołkowskiemu. Jego najsłynniejsze dzieło, „Исследование мировых пространств реактивными приборами” (Eksploracja przestrzeni kosmicznej dzięki urządzeniom odrzutowym), zostało opublikowane w roku 1903, ale ta teoretycznarozprawa nie była szeroko znana pozaRosją.
Loty kosmiczne stały się możliwe z inżynierskiego punktu widzenia po publikacjiRoberta GoddardaMetoda osiągania ekstremalnych wysokości, w której zaproponował szereg konkretnych rozwiązań pozwalających na zasadnicze ulepszenie rakiet, m.in. przez zastosowaniedyszy de Lavala dosilników rakietowych. Dysza pozwala na osiągnięcie naddźwiękowego wypływu gazu. Co najważniejsze, R. Goddard zbudował rakiety na paliwo ciekłe i rozwiązał szereg związanych z nimi problemów (m.in. sterowanie rakietą). Prace jego miały wielki wpływ naHermanna Obertha iWernhera von Brauna, później kluczowe postaci z dziedziny lotów kosmicznych.
Rakiety pozostają jedynymi praktycznymi środkami dotarcia do przestrzeni kosmicznej. Inne techniki jakscramjet, w dalszym ciągu nie pozwalają na osiągnięcie prędkości orbitalnej.
Abypocisk rakietowy mógł polecieć w kosmos, potrzebuje on minimalnegodelta-v. Ta prędkość jest o wiele mniejsza niżprędkość ucieczki, pozwalająca na wyrwanie się z zasięgu działania przyciągania Ziemi.
Jest możliwe, aby pojazd kosmiczny opuścił ciało niebieskie bez osiągania prędkości ucieczkowej z powierzchni danego ciała poprzez wytwarzanie ciągu po wyniesieniu. Jest jednak bardziej wydajne paliwowo, aby pojazd spalił swoje paliwo tak blisko powierzchni jak to możliwe, zachowując możliwość osiągnięcia prędkości ucieczki w późniejszym czasie[1].
W czasielotu suborbitalnego pojazd dociera do przestrzeni kosmicznej, ale nie zostaje umieszczony na orbicie. Jego trajektoria prowadzi z powrotem na powierzchnię Ziemi. Loty suborbitalne mogą trwać wiele godzin.Pioneer 1, pierwszysztuczny satelitaNASA, na skutek usterki, zamiast polecieć w kierunkuKsiężyca, znalazł się na trajektorii suborbitalnej o wysokości 113 854 m, a w atmosferę Ziemi ponownie wszedł 43 godziny po starcie.
Minimalnylot orbitalny wymaga znacznie większych prędkości, niż minimalny lot suborbitalny, a więc jest ontechnicznie trudniejszy do osiągnięcia. Dla uzyskania lotu orbitalnego,prędkość kątowa wokół Ziemi jest tak samo istotna jakpułap lotu. Aby możliwy był stabilny, długotrwały lot kosmiczny, pojazd musi osiągnąć minimalnąprędkość orbitalną wymaganą dlazamkniętej orbity.
Uzyskanie zamkniętej orbity nie jest konieczne do podróży międzyplanetarnych, dla których pojazd musi osiągnąćprędkość ucieczki. Wczesneradzieckie pojazdy pomyślnie osiągały bardzo wysokie pułapy bez wchodzenia na orbitę. W czasie wstępnego planowania misjiApolloNASA rozważała zastosowaniebezpośredniego wyniesienia na Księżyc, jednak pomysł ten został porzucony ze względu na masę pojazdu. Wiele automatycznych sond kosmicznych badających zewnętrzne planetyUkładu Słonecznego stosuje metodę bezpośredniego wyniesienia – nie orbitują one wokół Ziemi przed odlotem.
Inne sposoby docierania do przestrzeni kosmicznej
Zostało zaproponowanych wiele sposobów docierania do przestrzeni kosmicznej, niewykorzystujących rakiet. Pomysłwindy kosmicznej, pomimo elegancji rozwiązania, obecnie (2023 r.) nie jest wykonalny. Z kolei nie ma znanych problemów konstrukcyjnych blokujących wykonanieprocy elektromagnetycznej takiej jakpętla startowa. Inne pomysły wykorzystują wspomagane rakietowo odrzutowce jakSkylon lub trudniejszy w realizacji silnik scramjet. Dla ładunków towarowych zaproponowano wystrzeliwanie pojazdu ze specjalnego działa.
Platforma startowa to stała instalacja zaprojektowana do wysyłania pojazdów powietrznych. W najprostszej wersji składa się ona z wieży startowej i tunelu odprowadzającego płomienie. Jest ona otoczona przez wyposażenie niezbędne do ustawienia pojazdu w pozycji startowej, zatankowania go i dokonywania innych operacji.Kosmodrom z kolei jest zaprojektowany także do obsługi pojazdów skrzydłowych, wymagających długiego pasa startowego. Zarówno platformy startowe, jak i kosmodromy są sytuowane daleko od siedzib ludzkich ze względu na hałas oraz w celu zapewnienia bezpieczeństwa.
Start jest często ograniczony do konkretnegookna startowego. Okna te zależą od położenia ciał niebieskich i orbit względem miejsca startu. Największy wpływ ma często sam ruch obrotowy Ziemi. Po wystrzeleniu pojazdu, orbity są położone na względnie stałych płaszczyznach, pod stałym kątem do osi Ziemi, a Ziemia obraca się w wewnątrz tej orbity.
Powrotne wejście w atmosferę i lądowanie/wodowanie
Pojazdy na orbicie mają bardzo dużą energię kinetyczną. Energia ta musi być wytracona, aby pojazd mógł wylądować bezpiecznie, bez wyparowania w atmosferze. Zazwyczaj ten proces wymaga specjalnych metod ochrony przednagrzewaniem aerodynamicznym. Teoria powrotu do atmosfery została stworzona przezHarry’ego Allena. Na podstawie tej teorii, pojazdy powrotne mają kształty tępe. Zastosowanie tępych kształtów powoduje, że mniej niż 1% energii kinetycznej wraca do pojazdu w postaci energii cieplnej. Zamiast tego energia ta oddawana jest do atmosfery.
Kapsuły Mercury, Gemini i Apollo lądowały w morzu. Zostały zaprojektowane tak, aby zderzenie z powierzchnią morza następowało przy względnie niewielkich prędkościach. W rosyjskich kapsułachSojuz stosuje się rakiety hamujące pozwalające na lądowanie na twardym gruncie.Promy kosmiczne szybują do pasa startowego, na którym lądują z dużą prędkością.
Odzyskanie kapsuły
Po pomyślnym lądowaniu pojazdu, załoga i ładunek mogą zostać odzyskane. W niektórych przypadkach odzyskanie następuje przed lądowaniem – w czasie, kiedy pojazd opada na spadochronie, może być złapany przez specjalnie przystosowanysamolot lubhelikopter. Technika była stosowana do odzyskiwania zasobników zfilmem z satelitów szpiegowskichCorona, np.Corona 109.
Prom kosmiczny Columbia kilka sekund po zapłonie silników
Pierwszy pojazd, który mógł być używany wielokrotnie,X-15, był wystrzeliwany z powietrza na trajektorię suborbitalną. Pierwszy lot odbył się 19 lipca 1963 r. Pierwszy pojazd orbitalny, który można było częściowo użyć ponownie, prom kosmiczny, został wystrzelony w 20. rocznicę lotuJurija Gagarina, 12 kwietnia 1981 r. W czasie trwaniaprogramu lotów wahadłowców, zbudowano sześć orbiterów, z których wszystkie latały w atmosferze, a pięć znalazło się w kosmosie. PromEnterprise używany był tylko do testów podejścia i lądowania – pojazd startował z grzbietu samolotuBoeing 747 i szybował do momentu lądowania wbazie Edwards wKalifornii. Pierwszym wahadłowcem, który poleciał w kosmos, byłaColumbia, późniejChallenger,Discovery,Atlantis iEndeavour.Endeavour został zbudowany z części zamiennych, aby zastąpić promChallengerstracony w katastrofie w styczniu 1986. PromColumbiarozpadł się w czasie powrotu z orbity w lutym 2003.
Pierwszym i do tej pory jedynym automatycznym pojazdem wielokrotnego użytku był promBuran wystrzelony przezZSRR 15 listopada 1988, jednakże wykonał on tylko jeden lot. Ten samolot kosmiczny był zaprojektowany do lotów załogowych i z wyglądu bardzo przypominał amerykańskie promy. Różnica polegała na tym, że był wynoszony na orbitę za pomocą rakiety nośnejEnergia, a nie przy użyciu własnych silników, jak w przypadku amerykańskich promów. Ze względu na brak funduszy i skomplikowaną sytuację po rozpadzie ZSRR,program Buran został anulowany.
Amerykańskiepromy kosmiczne zakończyły loty w 2011 roku, głównie ze względu na zużycie sprzętu i wysoki koszt programu, osiągający miliard dolarów za lot. Rolę pojazdu transportującego załogi naMiędzynarodową Stację Kosmiczną przejmą statki opracowywane przez przedsiębiorstwa prywatne w ramach finansowanego przez NASA programuCommercial Crew Program. Loty poza orbitę Ziemi będą się odbywać budowanym przez NASA statkiem kosmicznymOrion (pierwotnie nosił nazwę Crew Exploration Vehicle (CEV)), którego pierwszy lot z załogą ma się odbyć w 2019. Do wynoszenia na orbitę ciężkich ładunków będą używane jednorazowe rakietySpace Launch System (SLS).
Wszystkie pojazdy startowe zawierają olbrzymie zasoby energii, która jest niezbędna, aby dotrzeć na orbitę. W związku z tym istnieje pewne ryzyko, że ta energia zostanie wyzwolona przedwcześnie i gwałtownie, z drastycznymi skutkami. Kiedy 17 stycznia 1997 eksplodowała w czasie startu rakietaDelta II, szyby wypadały z okien nawet 16 km dalej[2].
Dodatkowo, kiedy pojazd znajdzie się już wkosmosie, pomimo że kosmos jest dosyć przewidywalnym środowiskiem, istnieje ryzyko przypadkowej utraty hermetyczności lub wystąpienia potencjalnych problemów z nowo stworzonym wyposażeniem.
Pogoda kosmiczna to idea zmieniających się warunków środowiskowych w przestrzeni kosmicznej. To pojęcie różne odpogody wewnątrzatmosfery planetarnej. Elementami pogody kosmicznej są takie zjawiska, jakplazma, pola magnetyczne,promieniowanie imateria kosmiczna (blisko Ziemi, ale też w przestrzeni między planetarnej, czasem też w przestrzeni międzygwiezdnej).„Pogoda kosmiczna opisuje warunki w kosmosie, które wpływają na Ziemię i ziemskie systemy techniczne. Nasza pogoda kosmiczna jest konsekwencją zachowania Słońca, natury ziemskiego pola magnetycznego, i naszego położenia w systemie słonecznym”[3].
Pogoda kosmiczna wywiera znaczny wpływ w wielu sferach związanych z eksploracją kosmosu i rozwojem technik kosmicznych. Zmieniające się warunki geomagnetyczne mogą spowodować zmiany w gęstości atmosferycznej powodujące znaczną degradację orbity pojazdu kosmicznego poruszającego się poniskiej orbicie okołoziemskiej.Burze geomagnetyczne, wywołane przez zwiększoną aktywność słoneczną, mogą potencjalnie „oślepić” czujniki pojazdu czy wpłynąć na działanie pokładowej elektroniki. Zrozumienie warunków środowiska kosmicznego jest także ważne przy projektowaniu osłon i systemów podtrzymywania życia na załogowych pojazdach kosmicznych.
Rakiety jako ogół nie dokonują znacznego zanieczyszczenia środowiska choć wydzielają jednostkowo dużo spalin. Pośród nich: napędzane toksycznymi mieszaninami (tetratlenek diazotu i1,1-dimetylohydrazyna), węglowodorowo-tlenowe używające np.RP-1 iLOX (nieobojętne węglowo, wydzielajądwutlenek węgla), na paliwo stałe zawierające m.in.: chlor, glin, żelazo, azot, wodór, węgiel organiczny; jako mieszanina polimeru, dodatków inadchloranu amonu.
Loty kosmiczne mają wpływ na środowisko okołoziemskie. Istnieje prawdopodobieństwo, że orbita może stać się niedostępna przez wiele pokoleń ze względu na wykładniczo rosnącą ilośćkosmicznych śmieci wytworzonych m.in. przezspalling rakiet i pojazdów (Syndrom Kesslera). W związku z tym obecnie (2023 r.) wiele pojazdów kosmicznych jest projektowanych tak,aby ponownie wchodziły w atmosferę po ich użyciu i przez to spalały się w atmosferze Ziemi.
Statki kosmiczne to pojazdy zdolne do kontrolowania swojej trajektorii w czasie lotu w przestrzeni kosmicznej.
Czasem za pierwszy „prawdziwy” pojazd kosmiczny uznaje sięmoduł księżycowy Apollo[4], ponieważ był to jedyny pojazd załogowy, który został zaprojektowany i wykorzystany wyłącznie do lotów w przestrzeni kosmicznej, na co wskazuje brak aerodynamicznego kształtu.
Pierwszym załogowym lotem kosmicznym byłWostok 1 12 kwietnia 1961, w czasie któregokosmonautaJurij Gagarin z ZSRR dokonał pełnej orbity wokół Ziemi. W oficjalnej dokumentacji nie ma jednak wzmianki, że J.Gagarin ostatnie 7 km lotu opadał na spadochronie, poza statkiem kosmicznym[5]. Międzynarodowe zasady dotyczące rekordów lotniczych jasno stanowią, że „pilot pozostaje w pojeździe od momentu startu do lądowania”. Ta zasada zastosowana do lotu kosmicznego, „dyskwalifikuje” lot Gagarina.
Stan nieważkości nie polega na nieobecności przyciągania ziemskiego, ale na jego zrównoważeniu przezsiłę bezwładności (odśrodkową) w ruchu okrężnym dookoła Ziemi.
Większość ludzi uważa brak ciążenia za przyjemne doświadczenie. Jednak długotrwałe przebywanie w stanie nieważkości powoduje wiele problemów ze zdrowiem, z których najistotniejszym jest utrata kośćca, w niektórych przypadkach trwała. Innym skutkiem, także bardzo istotnym, jestodwarunkowanie tkanki mięśniowej i układu krwionośnego. To jest spowodowane brakiemciężaru ciała, który na powierzchni Ziemi musi być podtrzymywany przez układy kostny i mięśniowy, i brakiem konieczności pompowania krwi w krwiobiegu w górę ciała, przeciwko przyciąganiu ziemskiemu.
Krótkotrwałym efektem nieważkości jestchoroba kosmiczna, mdłości spowodowane przez zaburzeniabłędnika wywołane brakiem ciążenia. Odczuwanie tej choroby to rzecz indywidualna. Najgorszą zaobserwowaną reakcją była chorobasenatora z USAJake’a Garna, przez co stworzona zostałaSkala Garna, stopniująca reakcje na chorobę kosmiczną.
Wzałogowych lotach kosmicznychsystem podtrzymywania życia to grupa urządzeń, która pozwala człowiekowi na przetrwanie w ciężkich warunkach przestrzeni kosmicznej.NASA stosuje nazwęSystem Kontroli Środowiskowej i Podtrzymywania Życia (ang.Environmental Control and Life Support System –ECLSS) opisując systemy w swoich misjach załogowych[6].
System podtrzymywania życia zapewnia powietrze, wodę ijedzenie, utrzymuje odpowiednią temperaturę, akceptowalne przez człowieka ciśnienie, zajmuje się pozbywaniem wydalin organizmu. System osłania przed szkodliwymi wpływami zewnętrznymi, jak promieniowanie imikrometeoroidy. Komponenty systemu są kluczowe dla życia, i konstruowane z zastosowanieminżynierii bezpieczeństwa.
Na chwilę obecną (2023 r.) pięć pojazdów jest na trajektorii ucieczkowej zUkładu Słonecznego. Najdalej znajduje się sondaVoyager 1, która jest w odległości (23.846 Tm; 159.4AU odZiemi, styczeń 2023), i oddala się o 3.6 AU rocznie[7]. Dla porównania,Proxima Centauri, gwiazda najbliższa Słońcu, znajduje się od niego w odległości 4.22 lat świetlnych, czyli około 270 tys. AU. Voyager 1 z prędkością 17 km/s pokonałby taką odległość w 74 tys. lat.
Podróż międzygalaktyczna dotyczy lotu kosmicznego pomiędzygalaktykami. Ze względu na bardzo duże odległości między nimi, np.Wielki Obłok Magellana znajduje się ok. 160 tysięcy lat świetlnych od Ziemi, nawet lot z prędkością podświetlną byłby nadzwyczaj długi. Podróże międzygalaktyczne pojawiają się wfantastyce naukowej.
Astrodynamika to dziedzina zajmująca się trajektoriami pojazdów kosmicznych, a w szczególności ich związkami z efektami grawitacyjnymi i napędowymi. Dzięki astrodynamice pojazdy docierają do swoich miejsc docelowych w odpowiednim czasie i bez nadmiernego zużycia paliwa.
W statkach kosmicznych w dzisiejszych czasach jakonapęd stosuje się głównierakiety, ale powszechne staje się stosowanie alternatywnych technik, głównie do pojazdów bezzałogowych. Napędy takie jaksilnik jonowy pozwalają na znaczne zmniejszenie masy statku i zwiększenie jegodelta-v.
Loty kosmiczne są często, ale nie wyłącznie, finansowane przez państwo. Istnieje również rynek startów w celachtelekomunikacji –telewizja satelitarna, który jest komercyjny, jednak starty bywają przynajmniej częściowo sponsorowane przez rządy.
Powstaje większe zainteresowanie kwestiami statków kosmicznych iturystycznymi lotami. Poza tym wysokie koszty dostępu do przestrzeni kosmicznej są spowodowane nieefektywnością instytucji rządowych – koszty biurokracji wNASA. Gdy przedsiębiorstwa niepaństwowe prowadzą działalność to pracują z większą efektywnością. Koszty lotów są pozbawione obsługi biurokracji.Rakiety nośne opracowane dzięki udziałowi prywatnego kapitału, takie jakFalcon 1, posiadają mniejsze nominalne koszty startu.
.jpg)
