Na marginesie kosmosu
W zasadzie powinien być to tekst o locie Polaka w kosmos. Niestety, nie mamy własnego korespondenta w USA, nie mówiąc już o akredytacji w NASA. Zatem nie ma większego sensu konkurować z wielkimi agencjami. Owszem, jest sens przypomnieć tu kilka rzeczy o kosmosie, hard SF i okolicach Ziemi.
Dlaczego wyróżniamy takie miejsce jak kosmos?
Jeśli prześledzimy historyczne doniesienia, to wiemy na przykład, że Gagarin niewątpliwie był w kosmosie. Alan Shepard był, ale tylko „w zasadzie”. Natomiast dopiero John Glenn odbył lot orbitalny.
Granica między kosmosem a atmosferą jest umowna. Jak możemy wyczytać, sensownie wyliczona linia (wysokość), nazwana od Theodore’a von Kármána, jest położona niżej. Umowna wysokość 100 km nad powierzchnią Ziemi jest wyraźnie „wyciągnięta z kapelusza”. Ale mamy „sztywną”, dobrze zdefiniowaną wielkość, tzw. pierwszą prędkość kosmiczną.
Można oczywiście toczyć ucieszne dyskusje w lesie na temat, czy osiągnięcie prędkości 7,91 km/s automatycznie zalicza nam lot w kosmos, lecz bez wątpienia, gdy osiągnie się tę zawrotną prędkość, możemy orbitować przez długi czas. Przy czym, nie dowolnie długi, bo słynna próżnia kosmiczna nie jest tak próżna, jak potrzebujemy. Ale właśnie od tej wielkości zaczynają się wielomiesięczne loty.
Dlaczego loty w kosmos są takie trudne?
Tak, jak opisał to Juliusz Verne, to się nie da. Pouczająca sprawa. Z zasadniczych fizycznych, lub – jak kto sobie nazwie – chemicznych powodów, a zatem wielkości tzw. ciepła spalania oraz prędkości gazów wylotowych w dziale czy w rakiecie, osiąga najwyżej okolice 2 km/s. Dla rakiety Saturn i mieszanki wodór-tlen jest trochę lepiej, ale mniej niż te 8 km/s, które praktycznie trzeba osiągnąć. Dlatego pocisk z armaty praktycznie wylatuje na wysokość kilkunastu kilometrów i nie wyżej. Z kolei współczesne pociski lecą dalej w górę dzięki napędowi rakietowemu.
Czemu rakieta pozwala na więcej? Bo działanie jej silnika nie zależy od prędkości, z jaką się sama porusza. Silnik wytwarza pewien ciąg, który rozpędza ją coraz bardziej, o ile wartość ciągu przekracza siły grawitacyjne i siły oporów ruchu.
Taki szczegół: o ile wartość ciągu jest stała, to przyspieszenie rakiety rośnie w czasie lotu, ponieważ maleje masa paliwa, jakie niesie ze sobą. Wzór Ciołkowskiego jest taki ważny, bo uwzględnia tę zmienną masę. To właśnie pozwala wynosić na orbitę spore ciężary, o ile oczywiście, jak w przypadku wahadłowców, potrafimy poradzić sobie z masą startową rzędu 2000 ton. Zrozumienie przez Ciołkowskiego zasad działania rakiet pozwoliło marzyć o lotach w kosmos i pisać opowiadanie hard Sci-Fi. Jednak, aby to się ziściło, potrzeba było opanować naprawdę wiele problemów.
Dlaczego rakieta kosmiczna startuje pionowo?
Bo inaczej by się połamała. Jeśli się zastanowić, to z punktu widzenia najmniejszych wydatków energetycznych najlepiej byłoby wystrzelić rakietę na równiku, poziomo do powierzchni Ziemi w kierunku obrotu naszej planety, tak żeby prędkości się posumowały. Trochę mądrzej wydaje się wybranie wariantu pośredniego: pod jakimś kątem w górę, jeśli uwzględnimy potrzebę możliwie najszybszego wydostania się z gęstej atmosfery. I tak startują niewielkie rakiety, których masa jest mała i wytrzymują działanie bocznych sił w locie. Niestety, rakieta kosmiczna czy raczej zestaw rakiet w startującym wahadłowcu, aby się nie połamał, musi stać pionowo. Automatyka silników po osiągnięciu odpowiedniej wysokości przechyla tę karkołomną konstrukcję, by zaczęła nabierać poziomej składowej prędkości, ale musi ona precyzyjnie utrzymać wypadkową wszystkich sił w osi rakiety czy zestawu, bo wytrzymałość na obciążenia nieosiowe jest, jak wyczytałem w niedawno wydanej książce, mniejsza niż stosu więcej niż 60 talerzy ustawionych jeden na drugim.
Loty rakiet w ogóle są cyrkową sztuczką. Aby nie skończyło się efektownymi fajerwerkami, trzeba opanować zagadnienie wahadła odwróconego. Niestety, w przypadku rakiet kosmicznych nie sprawdzi się prosta sztuczka, dzięki której latały fajerwerki, czyli stabilizacja za pomocą przymocowanego do cylindra z paliwem kija. Potrzebna jest automatyka, bo człowiek nie poradzi sobie ze sterowaniem nie tylko statecznikami, ale również dyszami rakiety. W trakcie majestatycznego startu rakiety Saturn V siły aerodynamiczne generowane przez malutkie w proporcji do rakiety stateczniki są niezauważalne.
W konsekwencji fakt, że rakiety latają, to suma wielu wynalazków: opanowania skrajnych warunków, w jakich pracują silniki, znalezienia odpowiednich materiałów, zastosowania żyroskopów i z pozoru banalnych wynalazków znanych konstruktorów, jak chłodzenie dysz paliwem, które jednocześnie znacznie poprawia sprawność silników.
O tych okolicach Ziemi, zwanych kosmosem, też warto sporo wiedzieć.
Akurat tzw. kosmiczna próżnia przez to, że nie jest tak dobra (próżna), sprawia kłopot z satelitami na niskich orbitach. Resztki gazów atmosfery spowalniają je i albo zamontowane silniki wyrzucają je na wyższe orbity, albo zlatują nam na głowy. Oczywiście, mamy problem z promieniowaniem kosmicznym, które nie dociera do powierzchni Ziemi, głównie z powodu gęstej atmosfery, ale faktycznie magnetosfera także je zatrzymuje i, niestety, koncentruje w okolicach biegunów magnetycznych. Mamy jeszcze burze słoneczne, które nie tylko wyrzucają wysokoenergetyczne zjonizowane cząstki, ale jeszcze modyfikują tę magnetosferę, tak że niebezpieczne miejsca się przesuwają. Dlatego, jeśli chcemy żyć w kosmosie, jest co badać.
A kiedy chcesz wrócić z kosmosu na Ziemię, to trzeba zacząć od tego, że to właściwie prawie niemożliwe. Dlaczego znakomity uczony Lavoisier, gdy 29 lipca 1790 r. w Juliac spadły meteory, uznał, że jeśli znalezione kamienie były gorące, to rozgrzano je w ogniu? Możemy tylko domniemywać. Lecz trochę paradoksalnie, gdy uznano już spadanie meteorów za fakt, nauka dostała mocne argumenty na to, że nigdy się to nie powinno zdarzyć. Powód jest taki, że energia kinetyczna odpowiadająca pierwszej prędkości kosmicznej jest większa od ciepła topnienia większości substancji. Warunki, jakie panują podczas przedzierania się ciał stałych przez atmosferę, powodują, że dzieje się to, co zwykle obserwujemy: odparowują one w górnych warstwach atmosfery, nie docierając nie tylko do powierzchni, ale nawet do troposfery.
Powrót z orbity jest trochę cyrkową sztuczką, polegającą na tym, by wydzielone ciepło ogrzało atmosferę, a nie lądujący statek. Osłony ablacyjne są tylko elementem tej sztuczki, która zasadza się na tym, że można rozgrzać fragmenty konstrukcji do bardzo wysokich temperatur bez jej zniszczenia. Temu zagadnieniu warto by poświęcić bardzo duży artykuł i to mimo tego, że już ich wiele napisano.
A skoro już jesteśmy na Ziemi, to skończę refleksją mojego kolegi z pracy, podobnie jak ja, wiekowego. Faktycznie, gdy byliśmy dziećmi, wszyscy marzyliśmy, że zostaniemy astronautami. W dostojnym wieku wszyscy jesteśmy internautami.
Moja refleksja – dziś z internetu wynika więcej niż z kosmosu. I to jest chyba wielkie zaniedbanie ludzkości.
Polak w kosmosie? Staramy się to przynajmniej ciut nadrobić.
Trzymamy kciuki!
Adam Cebula
Adam Cebula „Bardzo filozoficznie o energii”
Energia energii nierówna, czyli Adam Cebula dłubie palcem w dżulach, kaloriach i elektronach. Bełkot…
Adam Cebula „Szlachetnie ciepło”
Kolejny artykuł alarmistów klimatycznych owszem, wkurzył mnie, ale skłonił do napisania czegoś w rodzaju przytyku…
Adam Cebula „Prawie”
Zebranie większej liczby obserwacji w jednej dziedzinie często prowadzi do uogólnień, które dotyczą czegoś…
Brożek
07.07.2025 - 13.07.2025
