6

Przestrzeń kosmiczna

Rakiety

Prom kosmiczny: lot

Prom kosmiczny: wykonywane zadania

Spacer w przestrzeni kosmicznej

Żyć w kosmosie

Satelity: orbity

Satelity: obserwacja Ziemi

Satelity: astronomia w kosmosie

Sondy planetarne Loty kosmiczne: nowe rozwiązania

162

Rakiety

Jak rakiety wymykają się sile przyciągania ziemskiego

57-metrowej wysokości rakieta Ariane 4, ustawiona na wyrzutni znajdującej się nieco na północ od równika w Gujanie Francuskiej, przygotowywana jest do wystrzelenia. Jej silniki główne na paliwo ciekłe w połączeniu z czterema silnikami pomocniczymi dają wystarczającą siłą ciągu, aby wynieść 4-tonowy ładunek na 400-kilometrową orbitą. Ale ta europejska rakieta jest karzełkiem w porównaniu z olbrzymią rosyjską rakietą Energia, która może wynosić na niską orbitą okołoziemską 90-tonowe satelity. Mimo iż koszt pojedynczego wystrzelenia rakiety wynosi 100 000 000 dolarów, wiąksza cząść rakiety wykorzystywana jest tylko raz, gdyż spala sią ona przy powrocie do atmosfery.

Start rakiety jest prostym przykładem działania trze­ciej zasady dynamiki Newtona: każdemu działaniu (sile) towarzyszy równe, lecz przeciwnie skierowane przeciwdziałanie. Wewnątrz rakiety paliwo wchodzi w gwałtowną reakcję z utleniaczem i wytwarza bardzo gorące gazy spalinowe. Gazy te wyrzucane są z ogro­mną prędkością przez dyszę w dół, co powoduje poja­wienie się siły odrzutu pchającej rakietę w górę.

Wydostanie się z atmosfery ziemskiej pochłania ogromne ilości energii. Dlatego przy starcie większą część masy rakiety do wynoszenia satelitów na orbitę stanowi paliwo - rosyjska rakieta Energia waży przy starcie ponad 2000 t, choć maksymalna masa ładun­ku, jaki może wynieść, wynosi zaledwie 90 t.

Silniki główne i pomocnicze

Paliwo spalane przez rakiety jest dwóch rodzajów. Ra­kiety na paliwo ciekłe wymagają skomplikowanego sy­stemu rur i pomp turbinowych do wtłaczania ogromnych ilości płynnego paliwa (często jest mm wodór) i utlenia­cza (czystego tlenu) razem do komory spalania. Tu nastę­puje ich wybuchowe spalanie. Wydzielają się przy tym takie ilości ciepła, że dysza musi być chłodzona ciekłym paliwem. Wodór i tlen znane sąjakopa/wa kńogenicz-ne, gdyż ich przechowywanie wymaga bardzo niskich temperatur (-253 °C w przypadku wodoru). Możliwe jest stosowanie paliw łatwiejszych do przechowywania, ta­kich jak na przykład hydrazyna, ale nie dają one takiej siły ciągu z kilograma masy.

Silniki rakietowe na paliwo stałe są prostsze w konstrukcji. W silnikach tych, w znacznym stopniu podobnych w działaniu do sztucznych ogni, paliwo i utleniacz zmieszane są razem z gumowym spoi­wem, tworząc cylindryczny nabój, czyli wsad. Wsad ten zapalany jest na jednym końcu iskrą, a reakcja wybuchowa powoduje wyrzucanie gazowych pro­duktów spalania przez dyszę. Wielkość siły ciągu, wytwarzanej przez silnik na paliwo stałe, zależy od powierzchni wsadu, jaka jest w każdym momencie wystawiona na spalanie. Większość wsadów ma otwór biegnący przez całą ich długość. Jeśli otwór jest okrągły, stopniowo wzrasta powierzchnia spala­nia we wsadzie, a więc wartość siły ciągu wzrasta w trakcie lotu. Jeśli otwór ma przekrój gwiaździsty, siła ciągu utrzymuje stałą wartość. Można tworzyć skomplikowane kombinacje wsadów o różnych prze­krojach, dzięki czemu siła ciągu wytwarzana przez silnik rakiety może się zmieniać w trakcie wyprawy.

Silniki te, o ogromnej mocy w stosunku do swej masy, mają jedną zasadniczą wadę, polegającą na tym, że raz odpalone, nie mogą zostać wygaszone, dopóki nie wypali się paliwo. W przeciwieństwie do tego ciąg silników na paliwo ciekłe można regulować oraz włą­czać i wyłączać je na różnych etapach wyprawy kos­micznej w zależności od zmieniających się potrzeb. Dużo łatwiejsze jest również sterowanie tymi bardziej skomplikowanymi urządzeniami przez obracanie sto­sunkowo małego silnika dookoła głównego elementu nośnego.

Rakietowa dostawa

Ariane 5 [A] jest najnowszą rakietą Europejskiej Agencji Kosmicznej, służącą do wynoszenia satelitów na orbitę okołoziemską Głównym źródłem mocy, koniecznej w tej rakiecie do startu, są dwa silniki pomocnicze na paliwo stałe każdy daje siłą ciągu równą 540 t Każdy z tych silników jest 30 metrowym „fajerwerkiem ", wypełnionym wsadem z paliwa stałego Przy starcie urządzenie zapłonowe zapala paliwo, a reakcja spalania zachodzi w silnikach pomocniczych dopóty, dopóki nie wyczerpie się paliwo U góry każdego silnika pomocniczego znajduje się metalowy pojemnik ze spadochronem, który pozwala na odzyskanie silnika pomocniczego po zakończeniu wyprawy W środku jest centralny silnik rakiety, w którym spala się tlen i wodór Pozwala on na regulowanie siły ciągu w najważniejszych momentach lotu Gdy paliwo w silnikach wypali się, funkcję napędową przejmuje górny człon rakiety, który wynosi prawie 7-tonowe ładunki na wysoką orbitę geostacjonarną lub 20-tonowe ładunki na niską orbitę okołoziemską

Podzielna opływowa osłona może mieć rożne rozmiary, tak aby rakieta mogła zabierać różnorakie ładunki - jeden lub dwa rożne satelity czy nawet wyprawy załogowe

urządzenie zapłonów zbiornik w

zbiornik tlenu

wsad paliwa stałeg

pomocniczy silnik rakiet na paliwo stałe

silnik rakiety.

zbiornik

— użyteczny ładunek

metalowy pojemnik ze spadochronem

dysza

Zobacz także Prom kosmiczny 164 166 Loty kosmiczne: nowe rozwiązania 180 Materiały zaawansowane 194 Prawa przyrody 220 224 234 238 240 242

Rakiety 163

i paliwo ciekłe

[D] przedstawia silnik na paliwo ciekłe,

spalany jest ciekły (paliwo) i ciekły tlen

) Obie ciecze są ' ze zbiorników za pary pomp

a następnie się w komorze Tu zachodzi reakcja u a której produkty i e są przez dyszę \zę tę chłodzą ją rury, którymi do a lania doprowadzany \odor Niewielkie a i utleniacza są w napędzania pomp h Paliwo i utleniacz u generatorze gazu, spalania napędzają ra jest połączona mpami turbinowymi rowy na paliwo < wielką przewagę, m na paliwo stale, mm regulować u a a więc można i\\ ac siłę ciągu Do < ilości spalanego eniacza śluzą kładach rur iiących paliwo e zbiorników do , ulania

pompa turbinowa tłocząca wodór

generator gazu

Rakiety świata

Koszty wyniesienia satelity na orbitę okołoziemską za pomocą rakiety Ariane 5 [1] czy tez japońskiej rakiety H-II [2] stanowią zaledwie ulamek kosztów załogowej wyprawy amerykańskim wahadłowcem [3] [C] H-I (powyżej z prawej), kolejna japońska rakieta do wynoszenia satelitów na orbitę, startuje z japońskiej wyspy Tanega

utleniacz (tlen) paliwo (wodór)

gaz napędzający turbinę produkty spalania

Etapy wyprawy kosmicznej

Podczas startu główny silnik na paliwo ciekłe rakiety Ariane 5 odpalany jest pierwszy [B], a następnie odpalane są silniki pomocnicze na paliwo stale Po dn ummutowym locie, 60 km u górze [1], zapas paliwa silników pomocniczych \\-\czerpuje się Następuje odpalenie polączen i oddzielenie wykorzystanych już rakiet, które

opadają na Ziemię [2] Na wysokości 110 km opływowa osłona oddziela się i odpada [3] Reakcja spalania w silniku głównym trwa przez 615 s, dzięki czemu rakieta zostaje wyniesiona na wysokość 145 km Tu silnik oddziela się od górnego członu [4] i spala się w atmosferze Górny człon, napędzany własnym silnikiem rakietowym, umieszcza ładunek na orbicie [5]

dysza

Etapy w drodze na orbitę

W typowej rakiecie, służącej do wynoszenia satelitów na orbitę, stosuje się kilka różnych silników. Zwykle w ich skład wchodzi silnik członu głównego na pali­wo ciekłe, odpalany równocześnie z kilkoma silnika­mi pomocniczymi na paliwo stałe. Wszystkie te silniki odłączają się od głównej części pojazdu kosmicznego po wyczerpaniu się ich paliwa i opadają na Ziemię na spadochronach. Spalanie paliwa w silnikach głów­nych trwa przez kilka minut, dopóki rakieta nie osiąg­nie stabilnej niskiej orbity okołoziemskiej. Następnie odpalane są silniki drugiego członu, które umożliwia­ją umieszczenie wynoszonego ładunku na właściwej orbicie, jeszcze dalej od powierzchni Ziemi.

Samo położenie bazy startowej może mieć zasadniczy wpływ na to, jaką ilość paliwa rakieta musi zabrać Ra­kiety Europejskiej Agencji Kosmicznej startują z Kourou w Gujanie Francuskiej, z miejsca, które znajduje się prawie na równiku. Oznacza to, ze startujące pojazdy kosmiczne mogą maksymalnie wykorzystać prędkość ruchu obrotowego Ziemi i dlatego, aby dotrzeć do wy­sokich orbit, potrzebuj ą mniej paliwa mz rakiety startują­ce z baz położonych dalej na północ lub południe.

164

Prom kosmiczny: lot

Jak prom kosmiczny NASA wynoszony jest na orbitą

9 kwietnia 1981 roku pierwszy lot wahadłowca NASA o nazwie Columbia rozpoczął nową erę w dziedzinie lotów kosmicznych. Prom kosmiczny o rozmiarach porównywalnych z rozmiarami niedużego samolotu pasażerskiego może wynieść na orbitę 13 razy więcej ładunku niż konwencjonalna rakieta Delta przy zaledwie półtora rażą większych kosztach. Wahadłowiec wynoszony jest na orbitę połączoną siłą ciągu rakiet na paliwa ciekłe i stałe; dwa dalsze systemy rakietowe służą manewrowaniu. Po zakończeniu misji ląduje on lotem ślizgowym na pasie do lądowania i po 100 dniach pracy jest gotowy do następnego startu.

Przez cały okres prac nad powstaniem promu kos­micznego, w końcu lat sześćdziesiątych i na początku lat siedemdziesiątych, statek kosmiczny tego rodzaju uważano za najistotniejszy element ambitnego amery­kańskiego programu kosmicznego. Planowano regu­larne loty promowe, które dowoziłyby obsługę i za­opatrzenie do stałych stacji kosmicznych, a stacje te stanowiłyby przyczółki do dalszego podboju i wyko­rzystywania Układu Słonecznego. Choć cięcia budże­towe i problemy techniczne przerwały to ambitne przedsięwzięcie, prom kosmiczny, w skromniejszej postaci, przetrwał.

Dziś używa się go głównie do wynoszenia na orbitę ładunków ważnych ze względów państwowych li naukowych. Do chwili obecnej wybudowano wahadłowców: prototypowy prom Enterprise, Columbia, Discovery i Atlantis, prom ChallengeF? którego lot zakończył się katastrofą, oraz jego następ­cę, prom Endecwor. W przewidywalnej przyszłości planuje się od 6 do 8 lotów rocznie.

Baza startowa

Wahadłowiec może startować z jednej z dwóch baz, w zależności od rodzaju misji, jaką ma wypełnić. Pro­my startujące z przylądka Canaveral na Florydzie kie­rują się na wschód nad Atlantykiem, zyskują dodatko­wą porcję energii wynikającą z obrotów Ziemi i wcho­dzą na orbitę nad równikiem. Ten tor lotu wykorzysty­wany jest do wynoszenia na orbitę satelitów komuni­kacyjnych i sond kosmicznych. Druga możliwość to start promu z bazy amerykańskich sił powietrznych Yandenberg w Kalifornii, lot na południe i wejście na orbitę biegunową, gdzie prom wypełnia zadania zwią­zane z monitorowaniem zanieczyszczeń środowiska lub umieszcza na orbicie satelity teledetekcyjne.

Odliczanie w drodze na orbitę

Główne silniki promu kosmicznego - trzy nowoczesne rakiety na paliwo ciekłe, umieszczone z tyłu wahadłow­ca - odpalane są na 3,8 s przed startem. Rakietowe silniki na paliwo stałe odpala się niemal równocześnie, a do­pływ paliwa do silników głównych jest zmniejszany, tak aby utrzymać przyspieszenie poniżej łatwej do zniesienia wartości 3 g. Po 50 s od startu prom przekracza barierę dźwięku. W ciągu 2 min osiąga prędkość 4,5 Ma i wyso­kość 45 km. W tym momencie kończy się paliwo stałe w silnikach pomocniczych, które odpadają od promu i spadają do morza. Po wodowaniu obudowy tych silni­ków można je odzyskać i ponownie wykorzystać.

Dopływ paliwa do silników głównych zwiększa się, dzięki czemu prom osiąga prędkość 15 Ma i wy­sokość 130 km, a następnie rozpoczyna 10-kilometro-wy lot nurkowy, zakończony wyłączeniem głównych silników i wyrzuceniem zbiornika zewnętrznego. Po­tem następuje odpalenie orbitalnego systemu manew­rowego, czyli zespołu rakiet napędzanych materiałem pędnym, znajdującym się w wahadłowcu, dzięki cze­mu prom wchodzi na niską orbitę eliptyczną. Po prze­byciu połowy jej obwodu, 45 min po starcie, silniki

gondola orbitalnego systemu

manewrowego i odrzutowego.

systemu sterowania

stery strumieniowe

odrzutowego systemu

sterowania

Statek kosmiczny zbudowany z modułów

Gotowy do startu prom kosmiczny [A] składa się z czterech zespołów Statek orbitalny (38-metrowy samolot kosmiczny) umieszczony jest na szczycie ogromnego zbiornika ciekłego paliwa, na którego bokach znajdują się dwa rakietowe silniki pomocnicze na paliwo stale Cały zespół ma 56 m wysokości i wazy ponad 2000 t, z czego 75 t stanowi masa samego statku orbital­nego Rakietowe silniki pomocnicze na paliwo stale, wykorzystywane w wahadłowcach, to największe jak dotąd silniki na paliwo stale w pojazdach latających i pierwsze silniki tak skonstruowane, ze można je wykorzystać ponownie Każdy Z nich jest wypełniony proszkiem glinu zmieszanym z silnym środkiem utleniającym i z tlenkiem żelaza jako katalizatorem Po zapłonie tej mieszaniny silnik pomocniczy na paliwo stałe zachowuje się jak gigantyczny fajerwerk, spalając się od góry do dołu Z określoną szybkością Po uruchomieniu nie jest możliwe

regulowanie siły ciągu wytwarzanej przez taki silnik. Trzy główne silniki wahadłowca napędzane są paliwem ciekłym Ponieważ w silnikach takich możliwe jest regulowanie dopływu paliwa przez zamykanie lub otwieranie przepustnic, można tez regulować siłę ciągu W każdym z głównych silników ciekły tlen i wodór są pobierane z ogromnego zbiornika zewnętrznego, mieszane i zapalane

W zbiorniku zewnętrznym mieści się 540 000 l ciekłego tlenu w zbiorniku dziobowym

pomocniczy silnik

rakietowy

na paliwo stałe

i l 500 000 l ciekłego we w zbiorniku rufowym Te zbiorniki paliwowe oddzi siebie zbiornik pośredni, w którym znajduje się wi elementów elektrycznych shizących do sterowania przepływem paliwa Zbić zewnętrzny ma izolację termiczną, ale mimo to p odłączeniu spala się w atmosferze Zebra i dz skrzydeł i statecznika og( zostały wykonane z alum Sterolotki na każdym skr i ster kierunkowy na stal umożliwiają sterowanie promem podczas lodowa

Zobacz także Samoloty: aerodynamika 26 Rakiety 162 Prom kosmiczny: wykonywane zadania 166 Spacer w przestrzeni kosmicznej 168 Żyć w kosmosie 170

Prom kosmiczny: lot 165

jjńomik paliwa

odrzutowy rem kontroli

zbiornik ciekłego tlenu

przewód zasilania ciekłym tlenem

przegrody zapobiegające ruchom cieczy w zbiorniku

Katastrofa promu kosmicznego

(poniżej)

Tragiczna eksplozja promu kosmicznego Challenger nastąpiła 28 stycznia 1986 roku zaledwie w 73 s po starcie Dochodzenie w sprawie przyczyn katastrofy oraz wynikłe z niego zmiany konstrukcyjne w wahadłowcu zablokowały przedsięwzięcie prawie na trzy lata

pakiety spadochronowe

zbiornik ciekłego wodoru

gęste paliwo stałe wsad paliwa stałego

rc ^sokotemperaturowe i-c niskotemperaturowe

mlecznej do saa z niej

t°o

<lach z tyłu

B] Gazowy

tlemacz

eatyt mieszają jotanowi Kiedy tomu aę na orbicie,

za precyzyjne sterowanie trajektorią odpowiedzialny jest odrzutowy system kontroli, czyli 44 małe silniki rakietowe usytuowane w trzech grupach jedna na dziobie statku orbitalnego i po jednej na każdej gondoli orbitalnego systemu manewrowego W silnikach odrzutowego systemu kontroli wykorzystuje się takie same materiały pędne jak w silnikach orbitalnego systemu manewrowego

Chłodzenie

Wahadłowiec pokryty jest tysiącami płytek izolacji termicznej, które mają za zadanie chronić statek przed gwałtownym nagrzewaniem, towarzyszącym wejściu w atmosferę ziemską [C] Jego najbardziej podatne na uszkodzenia części - krawędzie natarcia skrzydeł i stożek dziobu - pokryte są związkiem węgla, który wytrzymuje temperaturę do 1650°C Spod statku, gdzie temperatura może dochodzić do 1275°C, pokryty jest płytkami ze związków krzemu, a górne i środkowe powierzchnie osłonięte są lżejszymi płytkami, które wytrzymuj^ temperaturą do 650°C Część góry promu, gdzie temperatura nie przekracza 370°C, pokryta jest matą termoizolacyjną

orbitalnego systemu manewrowego zostają ponownie odpalone, aby wynieść prom na standardową orbitę kołową 400 km nad Ziemią, na której jedno okrążenie Ziemi trwa 92 min.

Kontrolowane schodzenie w dół

Loty promami kosmicznymi zwykle trwają 7 dni, po których upływie lot wchodzi w fazę opadania. Uru­chomione zostają 44 małe rakiety odrzutowego sy­stemu sterowania, w wyniku czego wahadłowiec zo­staje obrócony o 180° i od tej chwili leci ogonem do przodu z prędkością około 27 000 km/h. Następnie uruchomione zostają silniki orbitalnego systemu ma­newrowego, które wyhamowują prom, gdy zaczyna opadać. Prom zostaje ponownie obrócony, a jego dziób unosi się tak, aby wystawić na działanie naj­bardziej niekorzystnych czynników spód o dobrej izolacji cieplnej.

Na wysokości około 122 km tarcie o górną war­stwę atmosfery ziemskiej powoduje wydzielanie się ogromnych ilości ciepła, a temperatura na zewnątrz promu może przekraczać 1500°C. Powietrze dookoła niego jest pozbawiane elektronów, w wyniku czego powstaje obszar zjonizowany, blokujący łączność radiową na 12 min. W miarę jak atmosfera ziemska staje się coraz gęstsza, prom zmienia się ze statku kosmicznego w samolot, a powierzchnie jego płatów zaczynają służyć do sterowania przy opadaniu

Podejście do lądowania i lądowanie przypominają podejście i lądowanie zwykłego samolotu Prom podchodzi do lądowania lotem ślizgowym z prędko­ścią 340 km/h, a jego system hamowania może być wspomagany przez otwarcie spadochronu w części ogonowej, stanowiącego hamulec aerodynamiczny.

Materiały zaawansowane 194 Prawa przyrody 224 234 236 238

166

Prom kosmiczny: wykonywane zadania

Jakie zadania spełnia prom kosmiczny

10 kwietnia 1984 roku prom kosmiczny Challenger przyciągnął do siebie uszkodzonego satelitę Solar Max znajdującego się na orbicie 463 km nad Ziemią. 15-metrowe ramię robota wahadłowca wyciągnęło się, chwyciło satelitę i wciągnęło go do ogromnej komory ładunkowej. Po naprawie, przeprowadzonej przez ubranych w skafandry kosmiczne astronautów, satelita Solar Max został ponownie umieszczony na orbicie. Przeprowadzanie na miejscu napraw kosztownych satelitów jest tylko jednym spośród wielu zadań, jakie mogą wykonywać promy kosmiczne. Mogą one także wynosić pojazdy kosmiczne na orbitę czy przeprowadzać eksperymenty naukowe w przestrzeni kosmicznej; w latach dziewięćdziesiątych będą odgrywały zasadniczą rolę w budowie międzynarodowej stacji kosmicznej.

Kluczem do sukcesu promu kosmicznego jest jego ogromna elastyczność, jeśli chodzi o możliwości wy­korzystania. Komora ładunkowa promu ma 18 m dłu­gości i 4,5 m średnicy (jest więc wystarczająco duża, aby zmieścił się w niej autobus), dzięki czemu prom może zabrać na pokład różnorodne ładunki komercyj­ne, naukowe i militarne. Może on także pomieścić do siedmiu astronautów - czterech członków załogi i trzech naukowców - którzy mogą wykonywać wiele różnych zadań w czasie jednej wyprawy, w pełni wy­korzystując cenny czas na orbicie.

Prom w kosmos

Często podstawowym celem misji promu kosmicznego jest wyniesienie na orbitę sondy kosmicznej lub satelity. Podczas startu wahadłowca jego cenny ładunek (satelita komunikacyjny może kosztować 500 000 000 dolarów, a kosmiczny teleskop Hubble'a kosztował ponad 1,5 mi­liarda dolarów) jest bezpiecznie zamocowany w podpo­rach. Kiedy już prom znajdzie się na orbicie, wrota ko­mory ładunkowej otwierają się, a ponad ładunkiem roz­wijana jest osłona termiczna, chroniąca go przed promie­niowaniem słonecznym. Następnie prom ustawia się we właściwym położeniu, sterując swoim ruchem za pomo­cą silników rakietowych odrzutowego systemu sterowa­nia, a ładunek jest albo wyrzucany z ładowni za pomocą sprężyn, albo wyjmowany z niej ramieniem robota. Po­nieważ prom kosmiczny został tak skonstruowany, że może docierać tylko na niską orbitę okołoziemską (na wysokość 480 km), to ładunki przeznaczo­ne do umieszczenia na orbicie geostacjonarnej (na wysokości 35 800 km) lub wyżej, wypo­sażone są w dodatkowe rakiety, które są od­palane, kiedy satelita znajdzie się poza pro­mem.

Pokład nawigacyjny (zdjęcie

z prawe])

Załoga i pasażerowie wahadłowca zajmują kabiną z przodu statku orbitalnego Kabina ta ma dwa poziomy pokład nawigacyjny, skąd steruje się statkiem i jego ładunkiem, oraz niższy pokład środkowy, gdzie załoga mieszka i odpoczywa

W przednich przedziałach sterowniczych pokładu nawigacyjnego umieszczono systemy nawigacji promem, obsługiwane przez dowódcę i pilota Resztę pokładu nawigacyjnego zajmują systemy odpowiedzialne za wykonywanie zadań na orbicie Urządzenia sterujące manipulowaniem ładunku zamontowano z tyłu pokładu, podobnie jak układy sterujące promem podczas zajmowania pozycji do przechwycenia orbitującego satelity

Z powrotem na pokład Kiedy promem przewożone jest laboratorium kosmiczne, jego podsystemy sterowane są z miejsca położonego z lewej strony rufowego pokładu nawigacyjnego, Z prawej strony tego pokładu prze­prowadzane są doświadczenia naukowe

otwarta j

z urząd& pomwnn

drzwi ładowni

Prom kosmiczny: wykonywane zadania 167

^atelity

<osmiczny me jest w stanie K satelity bezpośrednio na

* oeostacjonarną Aby

--^ na wyższą orbitę, sam

-* L musi być wyposażony "c~m napędowy, czyli członową rakietę [B]

•^j ta składa się z dwóch

i '« rakietowych na paliwo

przedzielonych członem

*-im Kiedy prom dotrze na t okołoziemską, układ e // ta jest wysuwany i pod kątem 58 stopni 7 zespól zostaje ' \ za pomocą sprężyn

• L lą około O, l m/s

'mej, kiedy już prom i bezpieczną dpalanyjest silnik (.złonu rakiety KZ\na oddalać się od t-L godzin później, gdy ^ trze już na orbitę narną, odpalany jest

silnik drugiego członu, który umożliwia umieszczenie satelity na orbicie kołowej

Naprawy na orbicie

Prom może być wykorzystywany do obsługi satelitów na orbicie, a nawet do sprowadzania ich z powrotem na Ziemię w celu naprawy Operacje na zewnątrz promu mogą przeprowadzać ubrani w skafandry kosmiczne astronauci lub zdalnie sterowane urządzenia, takie jak 15-metrowej długości przegubowy wysięgnik [C] Ten system manipulacyjny stosuje się do przyciągania satelitów do wahadłowca Znormalizowana tarcza do łączenia statków na orbicie, czyli uchwyt, znajdująca się na wszystkich ładunkach wynoszonych na orbitę promem, łapana jest przez chwytak, umieszczony w „dłoni" wysięgnika Gdy uchwyt

znajdzie sięjuz w tej „dłoni", trójkąt złożony z trzech przewodów zamyka się, łapiąc uchwyt ładunku Zdalnie sterowany system manipulacyjny stosuje się także do wyjmowania z komory ładunkowej bardzo dużych satelitów, takich jak teleskop kosmiczny Hubble'a (z lewej), po to, aby wysłać je na dalszą orbitę

zdalnie sterowane ramię manipulatora

uchwyt — ładunku

zaciskające się przewody

i laboratorium

i atonum pozostaje i r zez cały m } [A] * rego źródła ~~ ^ta z ciepła

-anego przez _.. ^01 atonum v adzame wzni :nej, na

otwartych paletach lub w modułach hermetycznych, które stwarzają komfortowe warunki pracy dla trzech naukowców Różne połączenia modułów i palet umożliwiają przeprowadzanie wielu różnorodnych eksperymentów Cylindryczny moduł hermetyczny składa się z segmentu „rdzeniowego" , w którym znajdują się urządzenia regulujące skład powietrza i przetwarzające dane, a także pewna przestrzeń robocza Do tego można dodać drugi segment hermetyczny, jeśli do przeprowadzania eksperymentów konieczna jest większa przestrzeń Naukowcy w normalnych ubraniach przechodzą z pokładu środkowego wahadłowca do modułu hermetycznego przez śluzę Wśród eksperymentów przeprowadzanych w modułach

są eksper\ment\ dohczące wzrostu kryształów w warunkach

„mikrograwitacji", w których to warunkach powstają kryształy bez defektów Laboratorium kosmiczne wykorzystywano także do badania skutków pozostawania żywych organizmów w stanie nieważkości Często sami astronauci stają się obiektami badań, choć na orbitę zabiera się także zwierzęta i rośliny Palety mają kształt litery U, aby mogły podtrzymywać i ochraniać sprzęt, którym zwykle są przyrządy astronomiczne i/lub monitory teledetekcji Ziemi System nakierowywama przyrządów, umieszczony na paletach, pozwala na precyzyjne ustawianie przyrządów względem wahadłowca

silniki rakietowe na paliwo stale

Zamiast stacji orbitalnej

Ponieważ Stany Zjednoczone nie dysponują stałą sta­cją kosmiczną, wahadłowiec przejął rolę laboratorium orbitalnego. Kosmiczne eksperymenty naukowe na niewielką skalę można przeprowadzać w dwupozio­mowej kabinie promu. Większe eksperymenty prze­prowadza się na pokładzie specjalnie wybudowanego europejskiego laboratorium kosmicznego Spacelab, znajdującego się w komorze ładunkowej promu. Prom może także wynieść w przestrzeń kosmiczną swobod­nie orbitującą paletę eksperymentalną, która jest w stanie przeprowadzać na orbicie liczne ekspery­menty naukowe ponad rok, dopóki wahadłowiec nie zdejmie jej z orbity podczas kolejnej misji.

W czasie wykonywania zadań na orbicie prom utrzymuje łączność z Ziemią za pośrednictwem ze­społu 5 satelitów komunikacyjnych, znanego jako sa­telitarny system śledzenia i przekazywania danych. Z dogodnego punktu na orbicie geostacjonarnej sateli­ty te przekazują sygnały rozkazów i dane, przepływa­jące pomiędzy wahadłowcem a terminalem naziem­nym w White Sands w stanie Nowy Meksyk.

llidety 162 Prom kosmiczny: lot 164 Spacer w przestrzeni kosmicznej 168 Żyć w kosmosie 170 Satelity 172 174 176 Prawa przyrody 236 242 262

168

Spacer w przestrzeni kosmicznej

Jak skafander kosmiczny zapewnia astronaucie niezbędną ochronę

Jednym z najbardziej pamiętnych obrazów, związanych z początkami zdobywania kosmosu, jest obraz człowieka spacerującego po Księżycu. Wraz ze wzrastającym wyko­rzystywaniem przestrzeni kosmicznej wzrasta także znaczenie wychodzenia w przestrzeń kosmiczną, czyli działalności astronautów poza statkiem kosmicznym. Astronauci często muszą opuszczać statek kosmiczny, aby dokonywać napraw, przeprowadzać eksperymenty naukowe czy też pracować nad rozwojem nowych technik wykonawczych - na przykład technik, które będą konieczne przy budowie międzynarodowej stacji kosmicznej pod koniec lat dziewięćdziesiątych. Astronauci, którzy znajdą się poza bezpiecznym wnętrzem statku kosmicznego, muszą całkowicie polegać na ochronie przed wrogim środowiskiem przestrzeni kosmicznej, jaką daje im skafander kosmiczny.

Nad 100-kilometrową warstwą atmosfery naszej planety nie ma powietrza do oddychania, a brak ciśnienia wy­wieranego przez atmosferę powoduje, że krew w ludz­kich żyłach i tętnicach gotuje się. Atmosfera ziemska odfiltrowuje większą część szkodliwego promieniowa­nia wysyłanego przez Słońce i rozprasza emitowane przez nie ciepło. W przestrzeni kosmicznej ciało ludzkie wystawione jest na działanie pełnej gamy promieniowa­nia słonecznego, to znaczy promieniowania nadfioleto­wego, rentgenowskiego i gamma, które mogą poparzyć skórę, a także powodować raka skóry i ślepotę. Ta strona ciała ludzkiego, która jest wystawiona na działanie Słoń­ca, nagrzewa się do temperatury ponad 100°C, natomiast strona ocieniona nie otrzymuje w ogóle ciepła; nie mając żadnej izolacji termicznej, wypromieniowuje swoje cie­pło w przestrzeń kosmiczną i zamarza.

Uderzenia mikrometeoroidów są kolejnym niebezpie­czeństwem, na które wystawieni są astronauci. Wiele milionów małych okruchów - większość z nich jest mniejsza niż ziarno piasku - przelatuje w pobliżu naszej planety z prędkościami dochodzącymi do 18 000 km/h. Skafandry kosmiczne muszą chronić astronautów przed mikrometeoroidami i promieniowaniem, a także utrzy­mywać odpowiednią temperaturę oraz dostarczać powie­trza do oddychania - jednocześnie pozostawiając mu swobodę ruchów.

Pierwsze skafandry kosmiczne nie były przeznaczone do wychodzenia w przestrzeń kosmiczną, ale miały sta­nowić dodatkową ochronę na wypadek roz-hermetyzowania się kabiny. Po nadmucha­niu stawały się sztywne jak balon: każdy ruch astronauty zmniejszał objętość ska­fandra, a tym samym zwiększał ciśnienie | w jego wnętrzu i czynił następne ruchy jeszcze trudniejsze. Kombinezon używany na wahadłowcach, czyli skafander umożli­wiający poruszanie się poza statkiem kos­micznym, jest pierwszym skafandrem spe­cjalnie przeznaczonym do opuszczania w mm statku i poruszania się w przestrzeni kosmicznej.

Samodzielny lot

Jednoosobowy statek kosmiczny [B] zwany załogową jednostką manewrową pozwala astronaucie swobodnie przemieszczać się w przestrzeni kosmicznej bez podłączenia do wahadłowca Załogowa jednostka manewrowa napędzana jest za pomocą 24 rakietowych silników sterujących na azot, zgrupowanych po trzy

w każdym z ośmiu naroz\ jednostki Gazowy azot przechowywany jest pod dicwi ciśnieniem w dwóch dobrze osłoniętych zbiornikach aluminiowych Kiedy astronauta posługuje się urządzeniami sterownicza mt, umieszczonymi na końcach ramion z obu stron, gaz podawany jest do jednego silnika lub do ich większej liczby Gaz wyrzucany

Warstwy ochronne

Skafander kosmiczna to me jeden, ale trz\ kombinezony [A] Najbliżej ciała jest miękka podszewka z nylonowego szyfonu [1], pokryta układem cienkich rurek o łącznej długości 90 m Woda tłoczona mmi może być ogrzewana lub chłodzona za pomocą oprzyrządowania skafandra umieszczonego na plecach, co zapewnia regulację temperatury Druga warstwa, powloką ciśnieniowa [2] wykonana z nylonu powlekanego poliuretanem, odgradza skafander i astronautę od próżni

panującej w przestrzeni kosmicznej Sześć najbardziej zewnętrznych uars/H skafandra tworzy powłokę chroniącą przed zmianami temperatur i rrukrometeoroidami [3] Pien\sza warsfaa (c nylonu pokntego neoprenemi chroni przed uderzeniami mikrometeoroidów \astepne cztery (aluminiowane) osłaniają astronautę przed ciepłem emito­wanym przez Słonce Szósta warstwa (z mocnej tkaniny kompozytowej) jest odporna na rozdarcia i działanie ognia

Zobacz takie Żyć w kosmosie 170 Satelity 172 174 176 Polimery 192

Prawa przyrody 224 242 262

kierunku odpycha

-.:nostkę w kierunku :. Ster z prawej

- -ala na obracanie manewrową, a ster

-'".y służy do

-: :u prędkości.

:u automatycznego

u lotem można

.:.;" jednostkę w jednym

'•-.' wyniku czego .; ma ręce wolne do ~s:ia innych czynności.

^^wwliWP

zbiornik

odprowadzający

mocz

zbiornik na napoje, wmontowany wewnątrz, ;; skafandra

zespół przewodów jednostki manewrowej

.*

Skafander ciężki (z prawej) Prototypowy „skafander ciężki" NASA, oznaczony symbolem AX5, jest przystosowany do dłuższego i częstszego przebywania astronautów w przestrzeni kosmicznej, co będzie konieczne w przyszłości. Skafander ten, wykonany w całości z metalu i przy użyciu technologii stosowanych ;/ w przemyśle lotniczym, jest dużo wytrzymalszy niż obecny skafander stosowany w wahadłowcach. Skafandra AX5 można używać przez cały rok i dopiero po takim czasie wymaga przeglądu i konserwacji na Ziemi. Objętość tego skafandra jest stała, a więc można w nim uzyskać ciśnienie równe ciśnieniu w kabinie.

Budowa skafandra kosmicznego

Skafander stosowany w wahadłowcach [C] jest na stałe połączony z „plecakiem" [1] zawierającym urządzenia regulujące skład powietrza. W dwóch zbiornikach [2] mieści się 0,5 kg ciekłego tlenu - co wystarcza na 7 godzin przebywania w przestrzeni kosmicznej poza wahadłowcem. Tlen podaw-any jest do wnętrza skafandra pod ciśnieniem około 0,3 atmosfery, co stanowi jedną trzecią ciśnienia panującego w kabinie. Dzięki niższemu ciśnieniu skafander pozostaje elastyczniejszy, ale astronauci muszą przyzwyczajać się do oddychania tlenem o niższym ciśnieniu, aby uchronić się przed bolesną i niebezpieczną chorobą kesonową. W plecaku jest także woda, zasilająca wewnętrzną warstwę chłodzącą [3]. Zainstalowany na piersiach moduł sterujący [4] pozwala astronaucie regulować doprowa­dzaną wodę i tlen, a wbudowany komputer stale sprawdza, czy nie nastąpiło uszkodzenie plecaka. Hełm [5] jest konstrukcją wielowarstwową. Hełm ciśnieniowy z przezroczystego plastiku przykryty jest osłoną chroniącą przed nagłymi zmianami temperatury i uderzeniami mikrometeoroidów. Na niej umieszczona jest pokryta złotem osłona, która chroni astronautę przed oślepiającym światłem Słońca. Hełm i rękawice [6] (ich końce palców wykonane są z gumy silikonowej, aby pozostawić astronaucie choć ograniczone wrażenia dotykowe) połączone są ze skafandrem za pomocą hermetycznych łączników.

170 Żyć w kosmosie

Jak stacje kosmiczne stają się bazami badań naukowych i zdobywania kosmosu

W1988 roku Musa Manarow i Władimir Titow stali się pierwszymi kosmonautami, którzy spędzili cały rok, bez przerwy, poza Ziemią. Tak długie przebywanie na pokładzie stacji Mir było czymś więcej niż tylko demonstracją zdobywania przestrzeni kosmicznej przez Związek Radziecki. Stacje orbitalne stanowią unikalne środowisko do prowadzenia badań w zakresie nauk teoretycznych i stosowanych, a także pozwalają agencjom kosmicznym na prowadzenie prac nad urządzeniami i metodami koniecznymi w przyszłych długich wyprawach na Księżyc i inne planety. Na początku następnego tysiąclecia nastąpi połączenie rosyjskiego doświadczenia i amerykańskich osiągnięć technicznych w budowie nowej międzynarodowej stacji kosmicznej.

Po początkowych sukcesach radzieckich i amerykań­skich programów kosmicznych utworzenie stałych zało­gowych stacji orbitalnych wydawało się logiczną konty­nuacją dotychczasowego podboju kosmosu przez czło­wieka. Pierwsza radziecka stacja kosmiczna - Salut l, została wyniesiona na orbitę w 1971 roku, a po niej wy­słano kolejnych sześć. Ostatnia stacja Salut została „za­mrożona" na orbicie w 1986 roku. Na stacji Salut 6 kosmonauci przebywali przez dwa lata, co pozwoliło naukowcom przeprowadzać badania nad nowymi urzą­dzeniami, pomagającymi ludziom przetrwać długie okresy przebywania na orbicie.

W 1973 roku została wyniesiona na orbitę stacja kosmiczna NASA o nazwie Skylab, przerobiona ze zbiornika wodoru w rakiecie Saturn V, wysyłanej przedtem na Księżyc. Łącznie na orbitę wyniesiono cztery stacje Skylab, a najdłuższy pobyt jednej załogi na tych stacjach trwał 84 dni. Zarówno stacje Salut, jak i Skylab miały stosunkowo prostą konstrukcję, a pomieszczenia mieszkalne i przeznaczone do ekspe­rymentów naukowych były w nich połączone.

W przeciwieństwie do tego radziecka stacja Mir, wy­słana na orbitę w 1986 roku, miała bardziej skompliko­waną konstrukcję, była dużo przestronniej sza i zawierała wiele oddzielnych modułów ciśnieniowych, przeznaczo­nych do różnych celów. Stacja ta ma konstrukcję modu­łową, wyposażona jest w sześć portów służących do przyłączania na orbicie statków z zaopatrzeniem i może mieć do pięciu modułów laboratoryjnych. Pierwszym modułem do eksperymentów naukowych, przyłączonym do stacji Mir, było laboratorium astrofizyczne Kwant, wyposażone w wystawioną na działanie próżni kosmicz­nej aparaturę pomiarową promieniowania nadfioletowe­go, rentgenowskiego i gamma.

Ograniczona wolność

5 stycznia 1984 roku prezydent Ronald Reagan ogłosił początek najambitniejszego amerykańskiego przedsię­wzięcia w kosmosie od czasu lądowań na Księżycu. Ko­sztem 8 miliardów dolarów do połowy lat dziewięćdzie­siątych miano zbudować na orbicie ogromną stację kos­miczną o nazwie Freedom. Od czasu wystąpienia Reaga-na plany dotyczące stacji zmieniano wiele razy, co od­zwierciedlało kolejne cięcia w budżecie. Nowo budowa­na stacja kosmiczna będzie przedsięwzięciem między­narodowym, w którym pierwotny amerykański projekt zostanie połączony z elementami rosyjskiej stacji kos­micznej Mir oraz z modułami laboratoryjnymi wybudo­wanymi przez agencje kosmiczne europejską i japońską. Stacja ta będzie krążyć po orbicie nachylonej pod kątem 52 stopni do równika, dzięki czemu będzie dobrym punktem do obserwacji Ziemi, jak również do przepro­wadzania obserwacji astronomicznych. Jej moduły labo­ratoryjne zostaną wyposażone w 33 standardowe stano­wiska, więc możliwe będzie przeprowadzanie wielu eks­perymentów jednocześnie.

Warunki słabej grawitacji (mikrograwitacji) na orbicie okołoziemskiej otwierają nowe drogi badań naukowych. Pozwalają na obserwowanie przebiegu najważniejszych

Ćwiczenia fizyczne (z prawej) Przyrząd do wiosłowania na pokładzie wahadłowca Atlantis wykorzystywany jest przez astronautow zarówno do codziennych ćwiczeń, jak i do badania wpływu stanu nieważkości Prowadzi się eksperymenty, których celem jest zbadanie, jak układ krążenia, kości i mięśnie przystosowują się do stanu nieważkości Jednym Z głównych problemów medycznych, które trzeba rozwiązać, jeśli długie przebywanie w przestrzeni kosmicznej ma stać się codziennością, jest demmerahzacja kości Polega to na tym, ze w warunkach braku ciążenia kości utrzymujące ciężar ciała ludzkiego tracą wapń i fosfor, co powoduje niebezpieczne osłabienie szkieletu

Wspólne przedsięwzięcie

(poniżej z prawej) Koszty największych przesięwzięć kosmicznych stały się tak wielkie, ze nawet najbogatszych państw nie stać samodzielnie na ich finansowanie Prace nad następcą rosyjskiej stacji Mir napotkały trudności finansowe, podobnie jak ambitne przedsięwzięcie NASA, dotyczące budowy stacji Freedom Dlatego stacja kosmiczna przyszłości

prawdopodobnie będzie wspólnym przedsięwzięciem, które połączy najlepsze elementy dwóch projektów W tej artystycznej wizji podstawowa stacja amerykańskiej konstrukcji współpracuje z rosyjskimi pojazdami zaopatrzeniowymi, z systemami cumowniczymi i naprowadzania oraz z elementami stacji Mir

procesów, nie zakłócanych wpływem grawitacji: moż­na na przykład sprawdzać działanie zasad dynamiki w warunkach bez tarcia. Można stworzyć mieszaniny dwóch związków chemicznych, w których składnik o większej gęstości nie będzie osiadał na dnie: jest to przydatne w technice, gdyż pozwala na równomierne domieszkowanie półprzewodników, co z kolei umożli­wia tworzenie sprawniejszych mikroprocesorów. W ta­kich warunkach można hodować pojedyncze kryształy, tak aby rosły z większą szybkością i do większych* roz­miarów, niż jest to możliwe na Ziemi, co ma istotne znaczenie dla badań farmaceutycznych.

Astronauci na pokładzie stacji kosmicznych często wykorzystują własne organizmy jako obiekty badań. Do badań tych zalicza się śledzenie zmian fizjologicz­nych, dzięki czemu oszacować można niekorzystny wpływ długotrwałego przebywania w przestrzeni kos­micznej na ludzki organizm, taki jak demineralizacja kości czy osłabianie systemu odpornościowego. Ko­nieczne jest zrozumienie zjawisk i uzyskanie nad ni­mi kontroli, jeśli mają być realizowane dalekosiężne plany zdobywania kosmosu, czyli kolonizacja Księży­ca i wyprawa na Marsa.

Zobacz także Produkcja układów scalonych 126 Prom kosmiczny 164 166 Loty kosmiczne: nowe rozwiązania 180 Obróbka metali 190

statek kosmiczny SOJUZ TM

Żyć w kosmosie 171

zbiorniki materiałów pędnych główny moduł stacji Mir

30-metrowa płyta ogniw słonecznych

lądowanie na Ziemi

Modularna stacja kosmiczna

Stacja Mir [A] pozwoliła Związkowi Radzieckiemu i jego następcom utrzymać niemal stalą obecność na orbicie od 1986 roku. Mir (z roś. „pokój") jest modułową stacją kosmiczną. W jej rdzeniu, który ma zaledwie nieco ponad 13 m długości i 4 m średnicy, znajdują się pomieszczenia mieszkalne i główne urządzenia sterownicze stacji. Doświadczenia naukowe można prowadzić w dodatkowych modułach, które są dołączone do włazów cumowniczych: pięć z nich znajduje się w części przejściowej, a jeden z tylu. Stacja napędzana jest 2 silnikami głównymi i 32 mniejszymi odrzutowymi silnikami sterującymi, które pozwalają na kierowanie stacją Z dokładnością do 15 min kątowych. Na rysunku pokazana jest stacja z dołączonym do niej statkiem załogowym Sojuz TM oraz modułem Kwant.

lądowanie na Ziemi

Kierunek Mars

Teoretycznie lot załogowy na Marsa mógłby się odbyć przy wykorzystaniu już istniejących osiągnięć techniki. Ale odległość pomiędzy Marsem a Ziemią (55 000 000 km przy najkrótszym podejściu) oraz prawa mechaniki orbitalnej sprawiają, że taka wyprawa stanowi ogromny problem: najkrótszy lot tam i z powrotem - czyli wyprawa zrealizowana w momencie opozycji planet [B] - trwałby 519 dni, z 20-dniowym pobytem na Marsie. Wyprawa zrealizowana w momencie koniunkcji planet [C] trwałaby

693 dni, a pobyt na Marsie -60 dni. Wyprawa wykorzystująca zmianę trajektorii obiektu przelatującego w pobliżu Wenus [D], czyli wyprawa wykorzystująca siły grawitacji planety Wenus w locie na odcinku powrotnym, trwałaby 1009 dni, z czego pobyt na Marsie zająłby 530 dni. W każdym \v\padku \\ypra\\-a taka stanowiłaby dla astronautów ogromne obciążenie fizyczne i psychiczne.

194 Prawa przyrody 224 226 232 242 252

172

Satelity: orbity

Jak satelity pozostają na orbicie

Od czasu wyprawy Sputnika l w roku 1957 na orbitą okołoziemską zostało wyniesionych ponad 3000 satelitów.

Dziś nasza planeta jest otoczona aureolą latającego w przestrzeni kosmicznej sprzętu. W dzień i w nocy setki sztucznych satelitów, przemieszczających się z prędkością dochodzącą do 8 km/s, okrążają Ziemię, przesyłając pomiędzy kontynentami sygnały telefoniczne i telewizyjne oraz śledząc uważnie naszą planetę i wszechświat. Orbita każdego satelity jest dokładnie dopasowana do zadań, które ma wypełniać, a jej stałemu korygowaniu służą pokładowe silniki napędowe.

Satelita łącznościowy pędzi dookoła Ziemi z prędkością 3 km/s, czyli dziesięć razy szybciej niż samolot odrzuto­wy. Tak jak każdy obiekt latający, ma on tendencję do poruszania się po linii prostej, po torze, po którym odda­lałby się coraz bardziej od Ziemi. Tendencji tej przeciw­działa siła grawitacji, która ze stałym przyspieszeniem przyciąga satelitę ku Ziemi. Dlatego tor ruchu satelity jest stale „zaginany" przez siłę przyciągania ziemskiego w okrąg (lub raczej elipsę), opasujący naszą planetę.

kuli ziemskiej, jakość sygnałów docierających z takich satelitów do obszarów o dużych szerokościach geograficznych jest slaba. Obszary takie jak Syberia są przez 24 godziny na dobę obsługiwane przez satelity Mołnia [8] umieszczone na pochylonej, eliptycznej orbicie. Satelity teledetekcyjne okrążają Ziemię w kierunku od bieguna do bieguna, jednocześnie zaś w dole obraca się Ziemia.

Czas okrążania Ziemi

Pole grawitacyjne Ziemi jest najsilniejsze przy jej po­wierzchni, a wraz ze wzrostem odległości od niej słabnie, tak że na wysokości miliona kilometrów maleje prawie do zera. Im większe siły grawitacyjne działają na satelitę, tym szybciej musi on się poruszać, aby uniknąć spadania na Ziemię po torze spiralnym. Satelity poruszające się po niskich orbitach (na wysokości około 400 km) przemie­szczają się z prędkością około 8 km/s i dokonuj ą pełnego okrążenia Ziemi w ciągu mniej więcej 2 godz. Satelity na wyższych orbitach poruszają się z mniejszą prędkością i mają dłuższy okres orbitalny. Tylko niewielka liczba satelitów krąży po orbitach niższych niż 300 km, gdyż na takich wysokościach znaczne jest tarcie o górne warstwy atmosfery. Ponieważ siły tarcia spowalniają ich ruch, satelity takie stopniowo tracą wysokość i dlatego ich czas funkcjonowania jest krótki.

Rodzaje orbit

Satelita poruszający się po orbicie 35 900 km nad równikiem potrzebuje jednej doby na wykonanie peł­nego okrążenia. W tym czasie znajdująca się poniżej Ziemia również wykonuje jeden pełny obrót dookoła swej osi: tak więc satelita porusza się w całkowitej zgodności z Ziemią, pozostając na niebie zawsze do­kładnie nad tym samym punktem naszej planety. Pierwszym, który zasugerował możliwość praktycz­nego zastosowania orbity geostacjonarnej, był autor powieści fantastycznonaukowych Arthur C. Clarke: trzy satelity usytuowane na okręgu na tej wysokości mogą pełnić rolę przekaźników fal radiowych pomię­dzy dowolnymi dwoma punktami na Ziemi. Dziś sate­lity na orbicie geostacjonarnej stosuje się do przesyła­nia najrozmaitszych rodzajów sygnałów, od sygnałów telefonicznych do nawigacyjnych, a orbita ta stopnio­wo staje się tak zatłoczona, że możliwości korzystania z niej muszą być ograniczane przepisami międzynaro­dowymi.

Aby wynieść satelitę na wysoką orbitę geostacjo-narną, konieczne jest użycie dużej i kosztownej rakie­ty, ale przy dużo mniejszych kosztach pojazdy kosmi­czne o mniejszej mocy (takie jak prom kosmiczny NASA) mogą wynosić satelity na niższe orbity. „Naj­tańszą" orbitą, na którą można wynieść satelitę, jest niska orbita okołoziemską. Na orbicie tej satelita okrą­ża Ziemię nad równikiem na wysokości około 400 km. Koszty wyniesienia satelity na orbitę można jesz­cze zmniejszyć przez wystrzelenie go w kierunku wschodnim, dzięki czemu może przy wynoszeniu

Wiele księżyców

Spośród wszystkich orbit satelitarnych [A] orbita geostacjonarna - znajdująca się 35 900 km nad równikiem -jest chyba najużyteczniejsza. Na niej umieszczone są satelity meteorologiczne, takie jak Meteosat [1], prowadzące stałą obserwację całej pólkuli naszej planety, a także satelity telekomunikacyjne, takie jak Intelsat [2]. Do każdego z satelitów Intelsat można z Ziemi wysyłać komunikaty, a tam sygnał jest wzmacniany i przesyłany za pośrednictwem drugiego, a nawet trzeciego satelity [3] do dowolnego punktu na kuli ziemskiej. Satelita TDRS [4] to wyspecjalizowany satelita telekomunikacyjny, który przekazuje komunikaty Z różnych statków kosmicznych do kontroli naziemnej. Wyniesienie ciężkiego satelity, takiego jak TDRS, na wysoką orbitę geostacjonarna odbywa się w kilku etapach. Najpierw wynosi się go na niską orbitę „parkingową", na wysokość 400 km [5]. Następnie odpalane są silniki pomocnicze, których zadaniem jest wyniesienie satelity na eliptyczną orbitę przejściową [6]. Na wysokości orbity geostacjonarnej silniki odpalane są ponownie po to, aby zaokrąglić orbitę eliptyczną [7]. Choć satelity telekomunikacyjne na orbitach geostacjonamych pokrywają swym zasięgiem większą część

na orbitę „ukraść" trochę energii obrotów Ziemi. Ni­ska orbita okołoziemską wykorzystywana jest do „parkowania" satelitów przed wyniesieniem ich na wyższe, użyteczniejsze orbity; również niektóre sate­lity astronomiczne i monitorujące Ziemię są na tej niższej orbicie.

Orbita biegunowa

Na orbicie biegunowej satelita obiega Ziemię z dużą prędkością i na stosunkowo małej wysokości po okrę­gu przebiegającym nad obydwoma biegunami. Zwy­kle w ciągu jednego dnia satelita dokonuje 14 pełnych okrążeń Ziemi. Gdy satelita okrąża Ziemię w kierunku z północy na południe (z grubsza po torze równoleg­łym do południków), Ziemia poniżej obraca się w kie­runku z zachodu na wschód. Oznacza to, że satelita „widzi" każdy fragment Ziemi z niewielkiej odległo­ści, ale za to przelatuje nad tym samym punktem stosunkowo rzadko. Orbity biegunowe szczególnie nadają się dla satelitów teledetekcyjnych, które wyko­rzystywane są do obserwowania Ziemi, monitorowa-

Satelita Landsat 3 [9], znajdujący się na orbicie 900 km ponad Ziemią ją 14 razy w ciągu dmą i „ widzi" każdy fragment ba ziemskiej raz na 18 dni. Satelity astronomiczne, takii jak Gamma Ray Obsen atnr. („ obserwatorium promieniowania gamma " > r" '<[ zwykle umieszcza się na niskich, „tanich" orbitach :ac nad atmosferą ziemską.

Przekazać sygnał (z pranejt Satelity wyposażone są w nowoczesne systemy telekomunikacyjne. Satelita TDRS, który przekazuje sygnały z Ziemi do wielu statków kosmicznych, ma na swym pokładzie 7 systemów antenowych. Dwie wielkie czasze o wyglądzie parasola przekazują dane z dużą szybkością (300 megabitó* n sekundę) do jednego statku kosmicznego i z niego jednocześnie. Główna antettm wielodostępna może jednoczą nie wysyłać komunikaty do 20 satelitów, choć dane przesyłane są z mniejszą szybkością (.50 kilobitón na sekundę). Satelita telekomunikacyjny może jednocześnie przesyłać okc*i: 1200 rozmów telefonicznych J jeden sygnał telewizyjna

Zobacz także: Rakiety 162 Prom kosmiczny 164 166 Satelity 172 174 176 Sondy planetarne 178 Prawa przyrody 236 238 240 242

Satelity: orbity 173

Kosmiczne śmieci

Prawdziwym zagrożeniem dla każdego satelity jest stale wzrastająca liczba szczątków pojazdów i urządzeń poruszających się z dużą prędkością po orbitach [B] Większe elementy - zużyte człony rakiet porzucone narzędzia - są śledzone z Ziemi, jak pokazuje ilustracja poniżej, ale nawet element\ u idoczne na obrazku jako drobne kolorowe punkciki

n

mogą być przyczyną poważnych uszkodzeń

Satelita niezależny odpór roku

Satelita teledetekcyjny, poruszający się po orbicie biegunowej, będzie przechodził nad tym samym punktem na Ziemi dokładnie o tej samej porze dnia Dzięki temu przy każdym przejściu dany fragment Ziemi będzie stale oświetlany Słońcem Ponieważ jednak Ziemia przemieszcza się względem Słońca, kąt padania promieni słonecznych normalnie zmieniałby się wraz z porami roku Aby temu zapobiec, satelity obserwujące Ziemię umieszcza się na orbicie zsynchronizowanej ze Słońcem [C] Chybotame się" orbity, po której porusza się satelita, spraw m ze płaszczyzna orbity jest ustań wna zawsze tak samo względem Słońca, niezależnie od por\ roku

lato

nią zanieczyszczeń środowiska, a także przeprowa­dzania obserwacji militarnych - wywiadowczych.

Choć większość orbit ma kształt kołowy lub pra­wie kołowy, niektóre orbity są wyraźnie wydłużone, czyli mają kształt eliptyczny. Satelity na orbitach elip­tycznych przelatują z dużą prędkością blisko Ziemi (punkt na orbicie położony najbliżej Ziemi zwany jest perigeum), a następnie oddalają się od Ziemi w kierunku wyznaczanym przez dłuższą oś ich orbity do apogeum (czyli do punktu najbardziej oddalonego od Ziemi).

Energia dwóch satelitów na dwóch dowolnych orbi­tach kołowych lub eliptycznych jest taka sama, pod wa­runkiem że orbity te mają takie same wielkie półosie (w wypadku elipsy jest to długa oś, w wypadku okręgu -średnica), a więc zmiana orbity wymaga tylko krótkiego uruchomienia silnika w odpowiednim punkcie na orbi­cie. Dlatego orbity eliptyczne są wykorzystywane jako „tani" sposób na wynoszenie satelitów daleko od Ziemi, na przykład po to, aby badać pola magnetyczne i pasy promieniowania wokół naszej planety

174

Satelity: obserwacja Ziemi

Jak i kosmosu można obserwować Ziemię i jej atmosferę

Umieszczone w dogodnych punktach obserwacyjnych setki kilometrów ponad Ziemią, satelity idealnie nadają się do obserwowania naszego środowiska. Dzięki temu, że są najeżone nowoczesnymi czujnikami, przekazują nam coraz dokładniejszy obraz naszej planety i tego, co z nią robimy. Przyrządy umieszczone na pokładach satelitów mogą rozróżniać różne rodzaje roślinności, śledzić zmiany pogody, a także tworzyć szczegółowe mapy dotychczas nie zbadanych obszarów. W ostatnich latach ich stale czujne „oczy" zdołały zauważyć dziurę ozonową nad Antarktyką oraz wyśledzić pożary lasów i rozprzestrzenianie się zanieczyszczenia środowiska.

Znaczenie obserwowania Ziemi z kosmosu (czyli te­ledetekcji) po raz pierwszy doceniono w 1960 roku (zaledwie 30 miesięcy po pionierskiej wyprawie Sputnika), kiedy Stany Zjednoczone umieściły na or­bicie okołoziemskiej swego satelitę meteorologiczne­go Tiros L Jednakże ze wszystkich możliwości tele­detekcji zdano sobie sprawę dopiero kilka lat później, kiedy pierwsi astronauci donieśli, że z orbity widzieli drogi, pojedyncze budynki czy dymiące kominy. Dzięki takiej zachęcie agencje kosmiczne zaczęły ze wzmożonym wysiłkiem pracować nad rozwojem sprzętu i metod koniecznych do obserwowania Ziemi z kosmosu.

Zobaczyć w innym świetle

Przyrządy do teledetekcji mogą być aktywne lub pa­sywne. Czujniki bierne rejestrują promieniowanie od­bijane od Ziemi lub przez nią emitowane; czujniki aktywne sondują Ziemię za pomocą impulsów fal ra­diowych. Do czujników pasywnych zalicza się kame­ry telewizyjne i aparaty fotograficzne, które rejestrują światło widzialne, oraz detektory podczerwieni, reje­strujące ciepło emitowane z powierzchni Ziemi.

Całe zespoły czujników pasywnych można łączyć w jeden przyrząd teledetekcyjny: jest nim na przykład znajdujące się na pokładzie amerykańskich satelitów Landsat urządzenie, które można by nazwać kartogra­fem tematycznym. Urządzenie to działa w ten sposób, że ogniskuje promieniowanie na 7 czujnikach, z któ­rych każdy dostrojony jest do innego pasma długości fali, poczynając od światła widzialnego, a kończąc na podczerwieni. Każde pasmo niesie ze sobą jaka.ś szczególną informację o badanym terenie na Ziemi. Na przykład dzięki pasmu l (światło widzialne) możli­we jest rozróżnienie obszarów gołej ziemi i obszarów roślinności. W paśmie 3 mierzy się ilość światła zielo­nego odbitego przez rośliny, dzięki czemu możliwe jest zidentyfikowanie obszarów, na których roślinność jest chora. Dzięki falom o większej długości, czyli falom podczerwieni (pasmo 6 i 7), możliwe jest osza­cowanie wilgotności gleby i roślin, co może stanowić ostrzeżenie o nadchodzącym zagrożeniu suszą. Fale rejestrowane przez czujniki wykorzystywane są rów­nież w geologii.

Główną wadą obserwowania Ziemi za pomocą przyrządów pasywnych jest to, że badane obszary są często zasłonięte chmurami. Dodatkowo funkcjono­wanie przyrządów pasywnych jest uzależnione od oświetlenia Ziemi przez Słońce, a to się zmienia, jeśli chodzi o kierunek i natężenie świała w zależności od miejsca obserwacji. Oznacza to, że bezpośrednie po­równanie pomiarów wykonanych za pomocą przyrzą­dów pasywnych w różnych obszarach nie jest możli­we. Przyrządy aktywne nie podlegają takim ograni­czeniom: wysyłają one impulsy radiowe o ustalonym natężeniu i częstotliwościach, zdolne przebić się przez warstwę chmur. Dlatego dzięki takim instrumentom powstają obrazy, które są bezpośrednio porównywal­ne i które uzyskuje się niezależnie od pogody.

Widok mórz (poniżej) Teledetekcja pasywna w zakresie światła widzialnego i podczer­wieni prowadzona jest często za pomocą radiometru skanującego. W urządzeniu tym promieniowa­nie odbite od Ziemi lub wyemito­wane przez nią jest ogniskowane na czujniku przez oscylujące zwierciadło, które „przeczesuje", czyli skanuje powierzchnią pod satelitą. Obrazy budowane są z szeregu sąsiadujących ze sobą

linii skanowania. Obraz pan został wykonany przez kolan skaner obszarów nadmorski umieszczony na pokładzie są telity NASA o nazwie Nimbu Sztuczne podkolorowame przedstawia rozmieszczenie planktonu: kolor pomarańczowy wskazuje na występowanie dużej ilości planktonu, a kolor fioletowy oznacza, że w danym miejsc, ilość planktonu jest niewielk

Europejskie oko

W1991 roku na orbitą biegunową wyniesiony został pierwszy europejski satelita teledetekcyjny ERS-1 (od ang. European Remote Sensing Satellite - „europejski satelita teledetekcyjny") [A]. Satelita ten, wyposażony w cały szereg aktywnych czujników radiolokacyjnych, stał sią źródłem wielu cennych informacji o lądach i morzach.

Sygnały radiolokacyjne wysyłane w kierunku Ziemi przez satelitą ERS-1 z jego orbity na wysokości 780 km powinny być silne, aby wytworzyć wykrywalne odbicia, a więc satelita musi mieć duże anteny. Z tego względu satelita jest ciężki, gdyż waży 2,4 t. Pobiera on l kW mocy, której Źródłem jest bateria słoneczna o długości 12 m. Aby dane z satelity miały

Dalekowzroczne satelity

Satelity obserwujące Ziemię zwykle umieszcza się na orbicie biegunowej na wysokości od 250 do 1000 km. Ziemia obraca się pod ich torem ruchu, gdy przemieszcza­ją się po orbicie od bieguna do bieguna, w wyniku czego przechodzą one nad tym samym miejscem na Ziemi tylko raz na 16 dni. Dzięki niewielkiej wysokości, na której się znajdują, obraz tego miejsca może mieć wysoką rozdziel­czość (do 30 m). Łaczej rzecz się ma z satelitami meteo­rologicznymi, które zwykle są umieszczane na znacznie wyższych orbitach geostacjonamych, skąd mają stały, ale o niskiej rozdzielczości (około l km), widok tego same­go, dość dużego obszaru. Ten rodzaj obrazu jest bardziej użyteczny przy śledzeniu frontów atmosferycznych, któ­re zmieniają kierunek z godziny na godzinę.

Dane teledetekcyjne są zapisywane cyfrowo i zapa­miętywane na nośnikach magnetycznych na pokładzie satelity. Kiedy satelita przemieszcza się nad stacją na­ziemną, dane przesyłane są do niej w postaci sygnału radiowego. Inną możliwością jest przesyłanie danych na bieżąco za pośrednictwem geostacjonamych sateli­tów łącznościowych.

jakąkolwiek wartość, komet, jest znajomość jego dokładi położenia względem Ziemi, śledzenia satelity używa się dwóch systemów: mikrofale go systemu pomiaru odlegli (PRARE) i odbłyśnika pasywnego, który odbija impulsy światła laserowego kierowanego na satelitę z 2 Na pokładzie satelity znajd się radiometr promieniom a podczerwonego, który umożliwia precyzyjne pomi temperatury morza oraz zawartości pary wodnej w atmosferze. Największy n czujnikiem na pokładzie El jest aktywne urządzenie mikrofalowe. Składa się ono z dwóch systemów radiolokacyjnych: miernika rozchodzenia się wiatru, kto pozwala na mierzenie prędK wiatru i jego kierunku, ora-urządzenia radiolokacyjne^ badającego mniejsze wycinl terenu i opracowującego łn w celu stworzenia całościo^ map. Przy użyciu radioloka urządzenie to sporządza bardzo szczegółowe mapy pasów powierzchni Ziemi o szerokości 100 km. Ogromne ilości danych naukowych, dostarczanych przez te przyrządy, przesył są za pośrednictwem syste opracowania i przesyłania danych z przyrządów.

Zobacz także: Ropa naftowa: poszukiwania 102 Spektrografy 140 Prom kosmiczny 164 166 Satelity 172 176 Sondy planetarne 178 Prawa przyrody 236 238 240 242

r

antena urządzenia radiolokacyjnego badającego w\cmki terenu antena wysokosciomierza radiolokac\]nego antena radiometru podczem leni

antena s\stemu opracowania

i przesz łania danych z przyrządów

bateria słoneczna

Wyraźny obraz

Urządzenie radiolokacyjne znajdujące się na pokład je satehr\ ERS l badające wycinki terenu i s\nter\~zujące \\-\niki M całościom e map^ daje obraza o \\-\sohej rojijelczosci nienależnie od pogod\ Os t n obra^. H-\ brzęka irlandjaego (^djęcw - M staw ka tt głodnej ilustracji) jest \\-\ raźnie lepszy od obrazu tego samego obszaru, u \skanego pra\\ie u n m samym czasie satelir\ Landsat ( lenej) na ktor\m to obrazie ląd jest całkowicie zakryty chmurami

Mapy oceanów (powyżej) Na pokładzie satelity ERS l jest wysokosciomierz radiolokacyjny który wysyła krótkie impulsy mikrofalowe w kierunku powierzchni morza a następnie mierzy czas potrzebny na powrót odbitego impulsu oraz natężenie tego mikrofalowego echa Po przetworzeniu danych tworzy obraz ukształtowania powierzchni morza

Ponieważ ukształto\\ ame powierzchni morza ^.ale^ od topografii dna morskiego to wysokosciomierz radiolokacyjny pozwala uz\skac obra morskich głębin Przedstawiam na ilustracji obra^, pokazuje uksjałtow ame powier-chm północnego Atlant\ku \V\rajne widocji\ jest na mm Gr~biet Środkom oatlant\cki i s^elf\ kontynentalne

176

Satelity: astronomia w kosmosie

Jak satelity badawcze przyczyniają się do wzrostu naszej wiedzy o wszechświecie

Astronomię naziemną porównano kiedyś do spoglądania w niebo z dna mrocznego stawu. Atmosfera naszej planety jest potężną barierą dla obserwowania nieba, barierą, która zaciemnia i zniekształca promieniowanie wysyłane przez odległe gwiazdy. Obecnie jednak astronomowie mogą bez przeszkód i zniekształceń obserwować wszechświat z obserwatoriów umieszczonych na orbicie poza tą burzliwą warstwą. Na przykład kosmiczny teleskop Hubble'a przewyższa rozdzielczością najlepsze teleskopy naziemne w takim samym stopniu, w jakim teleskop Galileusza przewyższał rozdzielczością gołe oko.

antena wysokiego wzmocnienia

klapa przesłony

przegrody świetlne

przyrządy —\ badawcze

czujniki precyzyjnego __ kierowania

Teleskop kosmiczny

13-metrowej długości teleskop kosmiczny Hubble a [A] rejestruje promieniowanie widzialne i nadfioletowe Światlo pada na jego wklęsłe zwierciadło pierwotne o śred­nicy 2,4 m, gdzie zostaje odbite Z powrotem w górę do zwier ciadta wtórnego Po odbiciu światło jest kierowane przez otwór w środku zwierciadła pierwotnego i ogniskowane w sekcji aparatury badawczej

układ ogniw słonecznych

Tu wiązka jest analizowana za pomocą kilku czujników Dwa spektrografy rozszczepiają światło na wchodzące w jego skład fale o rożnych długościach, w wyniku czego uzyskuje się dane dotyczące składu obserwowanych ciał niebieskich Aparat fotograficzny rejestrujący słabo widoczne obiekty dostarcza obrazów o wysokiej rozdzielczości obiektów emitujących bardzo słabe

światło, a dzieją kamerze szerokokątnej uzyskuje się obraz większego obszaru Zebrane dane są zapisywane w postaci cyfrowej i przesyłane do stacji naziemnej Nachylone pod kątem przegrody w „lufie" teleskopu zapobiegają dostawaniu się w jego pole obserwacji światła rozproszonego, klapa przesłony zamyka się, kiedy teleskop Hubble 'a jest zwrócony w kierunku bliskim Słońca, aby chronić jego układy optyczne i przyrządy pomiarowe Pokazany tu obraz (powyżej z prawej), wykonany za pomocą kamery szerokokątnej teleskopu Hubble'a po jego naprawie w 1993 roku, przedstawia spiralną galaktykę M100, o której sądzi się, ze jest oddalona o 50 000 000 lat świetlnych od Ziemi

Obserwatoria astronomiczne zwykle buduje się wy na szczytach gór, ponad warstwą chmur i z dala od a zanieczyszczeń środowiska. Odpowiednie usytuov obserwatorium nie może jednak takich wpływów c, wicie wyeliminować. Obszary powietrza o różnej g ści działają jak soczewki, załamując promienie świ( zanim dotrą one do teleskopu. Ponadto cząsteczki mosferze rozpraszają światło, co bardzo utrudnia o wację słabo świecących obiektów, nawet przy a największych przyrządów naziemnych. Co więcej, 2 sfera działa jak potężny filtr, który przepuszcza lul chlania fale świetlne o określonych częstotliwość Filtr ten pochłania promieniowanie o najwyższej ei kwantów (rentgenowskie, gamma i nadfiolet), pod jak znaczną część promieniowania podczerwonegc więc z Ziemi nie można obserwować obiektów em cych głównie promieniowanie o takich częstotliwość Wyrazistość obrazu

Astronomowie pokonali ograniczenia związane serwacją naziemną, umieszczając teleskopy na cię. Do chwili obecnej najpoważniejszym są astronomicznym jest teleskop kosmiczny Hubl wyniesiony na orbitę przez NASA w 1990 roku tem ponad 2 miliardów dolarów. Początkowo tel< Hubble'a nie pracował zadowalająco ze wzglę< wadę zwierciadła pierwotnego o średnicy 2,4 m piero po zainstalowaniu korekcyjnych układó\ tycznych mógł być w pełni przydatny.

Teleskop Hubble'a pozwala na obserwowanie c tów 100 razy słabiej widocznych niż-te, które r oglądać dzięki największym teleskopom nazien Może on skupiać światło na dowolnym spośród czujników, w wyniku czego astronomowie uzyski ne dotyczące struktury i składu wszechświata.

Zobacz także Teleskopy 138 Spektrografy 140 Prom kosmiczny 164 166 Żyć w kosmosie 170 Prawa przyrody 224 262 264 266

Satelity: astronomia w kosmosie 177

Burzliwy wszechświat (powyżej) Dzięki przyrządom znajdującym się na pokładzie Obserwatorium Comptona powstała mapa promieniowania gamma, obejmująca całe niebo Miejsca białe odpowiadają obszarom najsilniejszej emisji promieniowania gamma, a miejsce niebieskie - obszarom o najsłabszej emisji Białe pasmo poniżej środka mapy

przedstawia emisję, promieniowania gamma naszej Galaktyki, czyli Drogi Mlecznej Inne jaskrawe źródła promieniowania to pulsary -wirujące gwiazdy neutronowe -oraz odległe kwazary Czujniki comptonowskie zawierają w sobie substancje., która emituje błysk światła, kiedy bombarduje się je promieniami gamma Błysk jest rejestrowany elektronicznie w taki sposób, ze powstaje sygnał cyfrowy

Powrót na Księżyc

Choć obserwatoria orbitalne znacznie zwiększyły możliwości obserwowania wszechświata, są one nadal ograniczane przez pył i gaz w górnej warstwie atmosfery, same zaś obserwatoria są spowalniane w s\jym ruchu przez opór atmosfery i zagrożone rożnego rodzaju szczątkami, krążącymi z dużą prędkością wokół naszej planety Co więcej, przyrządy badawcze na ich pokładach kurczą się i rozszerzają, gdy satelita wchodzi w cień rzucany przez Ziemię i z niego wychodzi, co znacznie utrudnia dokładne pomiary Jest więc bardzo prawdopodobne, ze pierwsze bazy księżycowe, które powstaną, być może, już na początku następnego

Zobaczyć to, co niewidzialne

Gorące obszary w przestrzeni kosmicznej - atmosfery ogromnych gwiazd i obłoki, w których gwiazdy powsta­ją - emitują energię w postaci promieniowania nadfio­letowego. Gdy promieniowanie to dociera do atmosfery ziemskiej, znaczną jego część pochłania warstwa ozono­wa i dlatego nie może go zarejestrować obserwator na Ziemi Promieniowanie z tej części widma elektro­magnetycznego badano od lat sześćdziesiątych za pomo­cą seni kolejno wysyłanych satelitów. Największe sukce­sy przyniosły badania prowadzone przy użyciu satelity IUE (od ang International Ultra-violetExplorer- „mię­dzynarodowy badacz nadfioletu"), wyniesionego na or­bitę \v 1978 roku

Podczas gdy w satelicie IUE do tworzenia obrazu \\Akorzvstuje się tradycyjne zwierciadło paraboloidalne o średnic) 45 cm. teleskopy służące do rejestrowania fal o wyższych częstotliwościach mają zupełnie inną kon­strukcję. Promieniowanie rentgenowskie i promieniowa­nie gamma ma tak wysoką energię, ze po prostu prze­szłoby przez tradycyjne zwierciadło odbijające. Dlatego w teleskopach tego rodzaju promienie są tak kierowane, że tylko muskają powierzchnię powleczonego złotem zwierciadła, ustawionego prawie równolegle do wcho­dzącej wiązki, a następnie padają na zespół czujników. Teleskopy takie wykorz\ sty\\ ane są do badania wyso­koenergetycznych obiektów, takich jak białe karły, czar­ne dziury czy gwiazdy neutronów e \V > niesione na orbitę w 1991 roku przez NASA Obserwatorium Comptona (ang. Compton Gamma Ray Observaior\} rejestruje pro­mieniowanie gamma - promieniowanie elektromagne­tyczne o kwantach o najwyższej energii. Promienie gam­ma są emitowane podczas niektórych spośród najgwał-towniejszych wydarzeń w przestrzeni kosmicznej, takich jak wybuchy supernowych.

Teleskopy kosmiczne mogą być również dostrojone do promieniowania podczerwonego: jest to promienio­wanie mniej energetyczne niż światło widzialne i ma większą długość fali. Promieniowanie podczerwone jest pochłaniane przez parę wodną w atmosferze ziemskiej, ale może być rejestrowane przez obserwatoria orbitalne, co umożliwia astronomom obserwowanie małych gwiazd i innych zimniej szych obiektów.

tysiąclecia, będą obserwatoriami Usytuowane na stronie Księżyca przeciwnej do Ziemi, miałyby niczym nie zakłócony widok na wszechświat Co więcej, słaba grawitacja na Księżycu pozwoliłaby na zmniejszenie ograniczeń rozmiarów i masy teleskopów optycznych Ten obrazek, będący wizją artysty [B], przedstawia jedną z możliwych konfiguracji obserwatorium księżycowego

romieniowanie rentgenowskie

podczerwień

dlugoscfah

mikrometry

milimetr}

kilometry

Zakryte przestworza

Atmosfera ziemska całkowicie pochłania fale o pewnych długościach To sprawia, ze całe klasy obiektów i zjawisk, takich jak radio galaktyki i wybuchy promieniowania gamma (emitujących promieniowanie wyłącznie o takich długościach fal), są niewidzialne dla astronomów obserwujących wszechświat z Ziemi Wykres [C] przedstawia pełny zakres fal elektromagnetycznych i zdolność poszczegoln\ch rodzajów fal do przenikania przez atmosferę ziemską, czyli to, jaki procent promieniowania przedostaje się przez atmosferę Uwagę zwracają „okna" obsen\acji -obszan znacznego przenikania H częściach widma, stanowiących promieniowanie widzialne i mikrofalowe

178

Sondy planetarne

Jak statki kosmiczne badają Układ Słoneczny

Poruszający się z prędkością ponad 30 km/s statek kosmiczny Ulysses to najszybszy pojazd, jaki kiedykolwiek zbudowano. Ulysses jest sondą hezzałogową, a jego zadanie to obserwowanie północnego i południowego bieguna Słońca. Normalnie nie są one widoczne z naszej planety. Sondy kosmiczne badają Układ Słoneczny od lat sześćdziesiątych; dotarły do wszystkich jego planet, z wyjątkiem Plutona. Dane zbierane przez sondy stale rozszerzają naszą wiedzą o tym, jak^powstał Układ Słoneczny, oraz są cennym źródłem informacji na temat tego, co czeka naszą planetę.

Badania Układu Słonecznego rozpoczęły się w 1959 ro­ku wraz z przelotem radzieckiego statku bezzałogowego Łuna w pobliżu Księżyca. Po Łunie na Księżyc poleciała cała seria sond, których celem było przetestowanie urzą­dzeń technicznych, koniecznych do przeprowadzenia pod koniec lat sześćdziesiątych i w latach siedemdzie­siątych lotu załogowego na Księżyc. Te pierwsze lory umożliwiły zebranie cennych informacji o wietrze sło­necznym, czyli o strumieniu naładowanych cząstek, któ­ry płynie od Słońca, a także o warunkach panujących na powierzchni Księżyca. Powierzchnia Księżyca, przez miliardy lat w zasadzie nie zmieniona, stanowi zapis dawnej aktywności Słońca, a więc badania te przyniosły wiele informacji, które pogłębiły naszą wiedzę na temat historii Ziemi. Najbliżsi sąsiedzi

Pierwsza sonda kosmiczna, której misja była udana, Ma-ńner 2, została wystrzelona przez Stany Zjednoczone w 1962 roku i przeleciała w odległości 35 000 km od Wenus. Jej przyrządy zdołały zmierzyć temperaturę (425 °C) i ciśnienie (90 ziemskich atmosfer) na po­wierzchni tej planety, a także zarejestrować brak pola magnetycznego. Od tego czasu na Wenus było ponad 20 sond - niektóre przelatywały obok tej planety, inne zaś zapuszczały się w głąb jej gęstej atmosfery, złożonej z dwutlenku węgla. Dane zebrane w czasie tych wypraw pokazały, że nieprzychylny klimat Wenus jest rezultatem nie kontrolowanego efektu cieplarnianego, zasadniczo podobnego do zjawiska, które grozi zmianą klimatu na naszej planecie.

Drugiego „sąsiada" Ziemi, Marsa, także odwiedziła seria statków kosmicznych Mariner. Wyprawy te przyniosły w rezultacie efektowne obrazy czerwonej planety, na których widać było krajobraz pełen krate­rów, pocięty gigantycznymi dolinami i usiany wygas­łymi wulkanami. Mierząc natężenie sygnałów radio­wych napływających z sond przelatujących za Mar­sem, naukowcy zdołali oszacować efekt rozpraszania wywoływany przez atmosferę tej planety i w ten spo­sób zdobyć cenne dane o jej gęstości.

Nasza wiedza o Marsie znacznie wzrosła dzięki wy­prawom sond Viking w 1976 roku. Na planetę tę wysłano dwa statki kosmiczne. Każdy z nich składał się ze statku orbitalnego, rejestrującego obrazy planety z przestrzeni kosmicznej, oraz z ładownika, który został spuszczony na spadochronie, aby dokonywać pomiarów na po­wierzchni Marsa Ładowniki przekazywały informacje o składzie atmosfery (jest tam przede wszystkim dwutle­nek węgla, ale także śladowe ilości azotu, tlenu i gazów szlachetnych) i wilgotności. Każdy ładownik był wypo­sażony w mechaniczne ramię, służące do pobierania pró­bek gleby. W bogato wyposażonych laboratoriach ła­downika próbki te zostały poddane analizie, której celem było poznanie składu chemicznego gleby na Marsie oraz poszukiwanie śladów życia na tej planecie (zakończone w tym wypadku porażką). Ostatnie wyprawy badawcze na Marsa nie miały szczęścia, gdyż sondy, takie jak sonda NASA o nazwie Mars Observer (obserwator Marsa), ulegały awarii przed dotarciem na miejsce. Dotarła nato­miast w 1997 r. sonda Pathfinder. Wykonane przez nią

czujnik

promieniowania

kosmicznego

Odległe cele

Planety zewnętrzne Układu Słonecznego badano za poi dwóch sond Yoyager [A], wysłanych w przestrzeń kosmiczną w 1977 roku Ki z nich zaopatrzona była M zespól czujników dwie kań telewizyjne rejestrować ob wizualne, spektrometry ust skład chemiczny, temper^ i ciśnienie atmosfer tych pl anteny biczowe wyłap} waf radiowe, emitowane przez badane planety oraz przez obiekty w przestrzeni kosm na 13-metrowym wysięgnik zamocowany był magneton którego zadaniem było zba pól magnetycznych wokół j Źródłem zasilania sond byi „prądnica " atomowa, -gdr. okazalo się, ze w pobliżu p zewnętrznych światło słone jest zbyt słabe, aby mogło,

Zobacz także Rakiety 162 Żyć w kosmosie 170 Satelity: orbity 172 Loty kosmiczne: nowe rozwiązania 180 Prawa przyrody 238 240 242

Jowisz

Ulysses

tor ruchu Ulyssesa

Kosmiczna katapulta

Statek kosmiczny Ulysses, wystrzelony w przestrzeń kosmiczną w 1990 roku, wykorzystał przyciąganie ogromnej planety, Jow isza ab\ unieść się ponad biegum Słońca [B] Sonda ta nie została wystrzelona w kierunku Słońca, lecz w kierunku Jowisza, który odchylił tor jej ruchu poza eklipr\kę (cz^h płaszczyznę, w której Ziemia i inne planef\ krążą w okol Słońca) „Katapulta' grawitacyna spowodowała także zwiększenie prędkości sond^ do 30 km/s W latach 1994 i 1995 Uhsses przeleciał najpierw nad południowym, a następnie nad połnocn\m biegunem Słońca przeprowadzając szczegółowe badania n latru słonecznego i dostarczając pierwszych obrazów biegunów Słońca

Sondy planetarne 179

pomiary są w trakcie analizowania. W wyprawach na­stępnych próbki z powierzchni Marsa i inne dane będą zbierane za pomocą automatycznych pojazdów wę­drujących zdolnych do przebycia l km dziennie, za pomocą wgłębników, czyli sond wstrzeliwanych w głąb gruntu marsjańskiego, oraz za pomocą czujników uno­szonych przez balony. Planuje się, że każdy balon będzie pęczniał w cieple dnia i dzięki temu uniesie sondę w atmosferę, kiedy zaś schłodzi się w nocy, będzie opa­dał na powierzchnię planety i w ten sposób umieści czuj­niki na powierzchni Marsa.

Wyprawa do olbrzymów Układu Słonecznego

Sondy kosmiczne lecące na Wenus potrzebują około 145 dni. aby dotrzeć do miejsca przeznaczenia, a wyprawy na Marsa trwają około 260 dni. Jednakże wyprawy skiero­wane do najbardzej zewnętrznych planet Układu Sło­necznego trwałyby wiele dziesięcioleci, nawet gdyby wykorzystano do nich najpotężniejsze rakiety. Czas ten znacznie się skraca, jeśli zastosuje się tak zwanąkatapul-tę gra\\ itac\jną. polegającą na tym, ze statek kosmiczny, przelatując blisko jednej planety, wykorzystuje jej pole grawitacyjne do przyspieszenia swego lotu w kierunku kolejnej planety. Możliwość zastosowania tej metody jest uzależniona od tego. cz> planeta znajduje się na właściwym miejscu we właściwym czasie Takie więc momenty, kiedy można wystrzelić: rakietę w kierunku odległej planety, są bardzo rzadkie. Na przykład moż­liwość przeprowadzenia wyprawy Vo^agera 2 w kierun­ku Saturna, Urana i Neptuna uzależniona była od wystą­pienia takiej konfiguracji planet, która poprzednio poja­wiła się 180 lat przed startem tej sondy.

Przelot obok Saturna (z lewej) Ten wzmocniony komputerowo obraz Saturna został wykonany przez Yoyagera 2 12 lipca 1981 roku, czyli 4 lata po starcie tego statku Obraz telewizyjny, składający się z 800 linii (i 800 pikseli w każdej linii), wyraźnie pokazuje zróżnicowanie w składzie 7 pierścieni Saturna

Sondy na spadochronach

Statek kosmiczny Cassmi [C], w czasie planowanej czteroletniej wyprawy ma badać układ Saturna Podczas gdy główna część statku [1] będzie krążyć po orbicie wokół samego Saturna, sonda Huygens [2] wyląduje na Tytanie, czyli głównym księżycu tej planety [D] Gdy sonda Huygens będzie zbliżać się do Tytana, jej prędkość zmaleje z 7 km/s do 270 m/s To zmniejszenie prędkości zostanie osiągnięte dzięki uruchomieniu talerza opóźniającego o średnicy 3, l m, który musi wytrzymać tarcie o gazy w atmosferze tego księżyca Na wysokości około 175 km opóźniacz zostanie odrzucony i rozwiną się spadochrony sondy W ten sposób nastąpi odsłonięcie głównych czujników sondy, które podczas jej trwającego od dwóch do trzech godzin opadania będą tworz\ł\ mapę powierzchni księżyca i analizowały jego gęstą azotową atmosferę Naukowa nie spodziewają się, ze sonda Huygens przetn\a zderzenie Z pow lerzchmą księz\ ca, ale mają nadzieję, ze przetn\ a dostatecznie długo, ab\ zebrać dane, a może nawet zanalizować glebę, zanim jej kontakt ze statkiem orb\taln\m zostanie przern an\

180

Loty kosmiczne: nowe rozwiązania

Jak będą napędzane pojazdy kosmiczne w XXI wieku

Każdy lot promu kosmicznego NASA kosztuje ponad pół miliarda dolarów i wymaga połączonego wysiłku 40 000 naukowców i pracowników technicznych. Wykorzystywanie przestrzeni kosmicznej do celów praktycznych może wzrosnąć kilkakrotnie w XXI wieku. Nie da się tego osiągnąć przy użyciu dzisiejszej generacji kosztownych i „kapryśnych rakiet". Potrzeby przyszłości zaspokoją nowe pojazdy, z których wiele istnieje już na deskach kreślarskich. Dzięki wykorzystaniu nowych materiałów i technologii statki te będą mogły docierać na orbitę z częstotliwością, niezawodnością i za cenę współczesnych samolotów.

Budowanie rakiet to bardzo drogie przedsięwzięcie. Nic więc dziwnego, że ich konstruktorzy są raczej konserwa­tywni i kiedy projektują nowe pojazdy kosmiczne, stara­ją się korzystać ze sprawdzonych rozwiązań. W efekcie dzisiejsze rakiety są bardzo udoskonalonymi następcami pocisków balistycznych, które zaczęto konstruować w latach sześćdziesiątych. Ich skomplikowana konstruk­cja, mająca na celu zmniejszenie masy i zwiększenie sprawności, wymaga dokładności wykonania i stosowa­nia kosztownych materiałów. Silniki rakiet mają bardzo niewielką tolerancję parametrów pracy, a to oznacza, że nawet maleńki błąd w budowie może spowodować opóźnienie lub odwołanie lotu.

Tańsze, prostsze i bezpieczniejsze

W bliskiej przyszłości konstruowaniu rakiet będzie przy­świecać nowa myśl techniczna, której zasadą, będzie po­święcanie małej masy i wysokiej sprawności po to, aby osiągnąć niezawodność i prostotę pojazdu, a także obni­żyć koszty. Na przykład NASA myśli o stworzeniu Na­rodowego Systemu Statków Kosmicznych, czyli całej rodziny pojazdów bezzałogowych, które będą startowały z bardzo uproszczonych wyrzutni. Pojazdy te będą napę­dzane nowymi silnikami głównymi do transportu kos­micznego (STEM), zbudowanymi ze znacznie mniejszej liczby części niż obecne silniki na paliwo płynne.

Silniki te będą zasadniczo miały konstrukcję tego sa­mego rodzaju, co silniki ery przedkosmicznej, ale rozwa­ża się także możliwość zastosowania systemów napędo­wych, które radykalnie będą się różnić od tego tradycyj­nego rozwiązania. Rakiety hybrydowe, w których ciekły tlen jest utleniaczem dla wsadu paliwa stałego, mają wiele zalet. Są bezpieczniejsze niż tradycyjne silniki na paliwo stałe, gdyż pozwalają na łatwe regulowanie siły ciągu przez dozowanie dopływu tlenu, a także tańsze w produkcji i w użytkowaniu niż silniki na paliwo ciekłe, gdyż układy wtrysku i zasilania paliwem są w nich zde­cydowanie prostsze.

Łyk świeżego powietrza

W poddzwiękowych samolotach kosmicznych, takich jak zaprojektowany przez Brytyjczyków samolot HOTOL (odang HOnzontal Take-Off and Landing vehicle - „pojazd poziomego startu i lądowania") [A], stosuje się silnik, który przyspiesza pojazd i wynosi go do lotu na orbitę l konwencjonalnego pasa startowego HOTOL napędzany jest 4 silnikami spalającymi wodór Kiedy znajduje się w atmosferze, pobiera z zewnątrz tlen i wykorzystuje go do utleniania paliwa, dopiero na dużej wysokości (około 30 km) silnik przestawia się na korzystanie z ciekłego tlenu ze zbiornika na pokładzie samolotu Zmniejszenie masy, uzyskane dzięki zabieraniu na pokład tylko niewielkich ilości ciekłego tlenu, znacznie obniża koszty lotu

Powietrze jest pobierane przez kanał biegnący pod kadłubem, chłodzone (gdy przechodzi przez wymienniki ciepła) i sprężane, a następnie jest podawane do czterech silników Wlot powietrza ma zmienną geometrię, dzięki czemu może dostosować się do szerokiego zakresu zmian prędkości lotu Przy prędkościach naddzwiękowych [B] pobierana jest nadmierna ilość powietrza część tego powietrza (kolor zielony) kieruje się do silników, nadmiar zaś (kolor niebieski) jest „wylewam " z tyłu silnika Przy prędkościach poddzwiękowych całe powietrze kierowane jest do silników [C] Podczas ponownego wchodzenia w atmosferę i opadania w niej [D], gdy statek podchodzi lotem ślizgowym do pasa lądowania, klapy w lotu są zamknięte

wlot powietrza

do przewodu

rozgałęzionego

wlot powietrza do silników

wlot powietrza

do przewodu

rozgałęzionego

Zobacz także SUniki odrzutowe 24 Samoloty 26 32 Rakiety 162 Prom kosmiczny: lot 164 Prawa przyrody 220 230 236 238 240

Loty kosmiczne: nowe rozwiązania 181

Słoneczne żagle

(poniżej)

B\c może, w końcu uda się

zaprząc do napędzania statków

kosmicznych samo Słonce

Takie żagle, wykonane

z lekkiego polimeru, odbierają

pęd fotonom emitowanym przez

Sionce Choć pojazd napędzany

żaglem przyspiesza bardzo

pou oh (zaledw le 2 mm/s ),

przyspieszenie to jest stale tak

długo, jak długo Słonce jest dostatecznie blisko Ocenia się, ze przy zastosowaniu takiego żagla wyprawa na Marsa i z powrotem trwałaby 300 dni Pojazdami napędzanymi żaglami słonecznymi można sterować (nawet w kierunku Słońca), halsując w strumieniu słonecznych fotonów zupełnie tak samo, jak żeglarze halsują pod wiatr

silniki

"i£Tw[E] nad ru r^j pro\\a

-ą na

ą,

pnej

Testowanie pomysłu (u samej

góry)

Konstrukcję Delta Clipper

przetestowano na modelu w skali jeden do trzech o nazwie DC-X Podczas prób model wzniósł się na wysokość kilkuset metrów i wykonywał w powietrzu manewry boczne Do końca tego stulecia planuje się wybudowanie modelu w skali jeden do jednego

Lot rakietą jednoczłonową na orbitę

W dłuższej perspektywie rozwój komercyjnego wykorzystywania przestrzeni kosmicznej zależny bę­dzie od pojawienia się statków, w pełni nadających się do wielokrotnego użycia i wynoszonych na orbitę jed-noczłonowymi rakietami lub nawet nietypowymi wer­sjami silników odrzutowych. Wykorzystując do startu i lądowania obecnie istniejące lotniska, statki takie po powrocie z wyprawy kosmicznej będą gotowe do na­stępnego lotu w ciągu jednego dnia. Co istotne, będą one miały co najmniej 20-letnią żywotność, a general­nego remontu będą wymagały po każdych 2000 lo­tów - liczby te są porównywalne z liczbami charak­teryzującymi współczesne samoloty. Prace nad takimi wytrzymałymi i ekonomicznymi „autobusami kos­micznymi" są obecnie w toku; odbył się już nawet udany lot prototypu takiego samolotu, wykonanego w skali jeden do trzech, o nazwie Delta Clipper X (ang. słowo clipper oznacza szybki żaglowiec, a litera X, czytana eks, oznacza tutaj „eksperymentalny").

Delta Clipper w swych pełnych rozmiarach będzie mógł wynosić na orbitę 10-tonowe ładunki. Będzie

napędzany nowoczesnym silnikiem na ciekły wodór i tlen. Ale w statkach kosmicznych napędzanych taki­mi silnikami znaczną część masy pojazdu przy starcie stanowi utleniacz, a nie użyteczny ładunek. Tę wadę, być może, uda się przezwyciężyć wraz z pojawieniem się pojazdu naddźwiękowego. Taki statek kosmiczny, startujący poziomo z pasa startowego, mógłby przyspie­szać do prędkości 25 Ma i osiągać wysokość 50 000 m dzięki napędzającym go odrzutowym silnikom przelo­towym, które nazywamy silnikami strumieniowymi naddźwiękowymi. Następnie odpalałby zespół małych silników rakietowych, które by go wynosiły poza atmo­sferę i na orbitę.

Wyprawy atomowe

W dalszej przyszłości źródłem długotrwałej siły ciągu, koniecznej do przeprowadzania wypraw na Marsa i dalej, mogą być rakiety o napędzie atomowym. Na przykład rakieta atomowa cieplna jest konwencjonal­nie wystrzeliwana w przestrzeń kosmiczną i dopiero na bezpiecznej wysokości uruchamia się jej generator atomowy. Generator ten wykorzystany będzie do ogrzewania ciekłego paliwa wodorowego, którego wyrzucanie zapewni siłę ciągu.

W późniejszych konstrukcjach atomowych planuje się wykorzystanie napędu atomowego elektrycznego W rozwiązaniu tym mały reaktor ma wytwarzać prąd, który będzie wykorzystywany do zamiany obojętnego elektrycznie „paliwa" w strumień naładowan>ch jo­nów. W takich silnikach można uzyskiwać prędkości wyrzutu dochodzące do 70 km/s. ale prz\ spieszanie do dużych prędkości trwa długo, a vuęc napęd ten najlepiej będzie się nadawał do pojazdów używanych w długotrwałych wyprawach.

Modele związków biologicznych stworzone w komputerze takie jak ta cząsteczka insuliny wykorzystuje się w pracach nad syntezą nowych leków