Svemirski letovi

Pod pojmom svemirski letovi označavaju se putovanja ili prijevoz u ili kroz svemir. Prijelaz između Zemlje i svemira određen je prema Međunarodnoj vazduhoplovnoj federaciji (Fédération Aéronautique Internationale, FAI) na visini od 100 kilometara (Kármánova linija), a istu definiciju koristi i NASA, dok Američke zračne snage (US Air Force) definiraju tu granicu na visini od 50 milja (80 km). Obje definirane granice nalaze se u visokim slojevima atmosfere (mezosfera). Iako su prve rakete na čvrsto gorivo bile poznate već nekoliko stotina godina (vatromet i slično), tek 1903. godine Konstantin Ciolkovski u svom radu je načinio prve izračune za let raketa na bazi trećeg Newtonovog zakona. Prve rakete na tečni pogon izradio je Robert Goddard 1920-ih, a dalje ih je tokom Drugog svjetskog rata usavršavao njemački naučnik Wernher von Braun. Razvojem svemirskih letjelica bavi se astronautika.

Space Shuttle

Prvi praktični svemirski letovi počeli su 1957. godine, lansiranjem sovjetskog satelita Sputnjik 1. Prvi svemirski let sa ljudskom posadom bio je Vostok 1 kada je Jurij Gagarin 1961. postao prvi čovjek u svemiru. Nakon njega, desilo se prvo slijetanje čovjeka na površinu Mjeseca 1969. s američkom letjelicom Apollo 11. Uslijedila je izgradnja prve svemirske stanice sa ljudskom posadom (Saljut 1) 1971. godine. U sklopu američkog svemirskog programa Space Shuttle od 1981. počele su se koristiti letjelice koje su bile višekratno upotrebljive. Do kraja 2017. preko 500 osoba bilo je u svemiru.

Svemirske letjelice bez ljudske posade (svemirske sonde) već su u velikoj mjeri istražile površine Mjeseca i Marsa. Veliki broj komunikacijskih satelita rade u geostacionarnim orbitama. Navigacijski sateliti kruže oko Zemlje, tako da se sa svakog mjesta planete može primiti signal što većeg broja tih satelita. Sateliti za istraživanje površine Zemlje vrše fotografiranje površine planete u komercijalne, istraživačke i vojne svrhe.

Historija

Iako su dugi niz vijekova postojale teorije o putovanju na Mjesec i druge planete i zvijezde, tek u 20. vijeku razvojem raketne tehnologije razvio se, do danas, mali broj praktičnih tehnika pomoću kojih se mogu dostići dovoljno velike brzine za takva postignuća. Da bi se tijelo postavilo u jednostavnu orbitu oko Zemlje potrebno je da dostigne prvu kosmičku brzinu (brzina oslobađanja; 7,91 km/s).

Teoretske postavke i prvi pokušaji

Ruski naučnik Konstantin Ciolkovski (1857–1935) među prvim je koji se detaljnije pozabavio teorijom svemirskih letova. Formulirao je osnovne matematičke principe raketnog pogona i sačinio osnovnu jednačinu za let rakete. Njemački naučnik Hermann Oberth (1894–1989) postavio je 1923. također jednu sličnu jednačinu te je konceptom višestepene rakete, poput Ciolkovskog, pokazao koliko je potrebno uložiti energije za slanje nekog korisnog tereta u željenu orbitu.

Među prvim inženjerima i eksperimentalnim naučnicima bili su, između ostalih, austrijski astronom i raketni pionir Max Valier (1895–1930) i Amerikanac R. H. Goddard (1882–1945). Valier se ubraja među prve evropske istraživače koji su eksperimentirali sa pogonom na tečno gorivo te je, između ostalog, konstruirao i raketni automobil (danas izložen u Njemačkoj). Tokom njegovih testova u laboratoriji u Berlinu, eksplodirao je raketni motor a Valier je tom prilikom poginuo. Oko 1910. Goddard je razvio neke manje raketne motore, pomoću kojih mu je 1926. uspjelo lansiranje prve rakete na tečno gorivo.

Drugi poznati pioniri raketnih pogona su:

• Sergej Pavlovič Koroljov, Sovjetski Savez
• Nikolaj Dmitrijevič Kuznjecov, Sovjetski Savez
• James Van Allen, SAD
• Wernher von Braun, Njemačka
• Helmut Gröttrup, Njemačka.

Vojna i industrijska upotreba

Proces razvoja raketne tehnologije nastavljen je u njemačkom Trećem rajhu, koji je u novim tehnologijama prepoznao mogućnost zaobilaženja uslova iz Versajskog mirovnog sporazuma. Tako je pod vodstvom von Brauna do početka Drugog svjetskog rata nastao vojni eksperimentalni poligon Peenemünde, na kojem su kasnije izrađivane rakete A4/V2. Raketa V-2 bila je koncipirana kao jednostepeni balistički projektil, te je postala prvi predmet kojeg je čovjek napravio, koji je prešao granicu svemira (dostigla je visinu od 174,6 km). Ova prva velika raketa na svijetu korištena je kao dalekometno oružje uglavnom protiv ciljeva u Londonu i Antwerpenu. Zbog relativno slabe tačnosti pogodaka i izuzetno lošeg odnosa između troškova i postignutih efekata na ciljeve, ova vrsta rakete bila je loš odabir u vojno-ekonomskim aspektima.

Vojni stratezi i političari Sovjetskog Saveza i SAD prepoznali su potencijal raketne tehnologije, koji se prvenstveno ogledao u tome da se rakete praktično nisu mogle presresti, te nakon rata iz okupirane Njemačke nisu pokušavali iznijeti samo rakete i skice za njihovu izradu, već su se pokušavali domoći njemačkih naučnika i njihovog znanja. Tako je već u posljednjim danima Drugog svjetskog rata otpočela utrka između SSSR-a i SAD-a koja se nastavila decenijama. Iz okupirane Njemačke obje sile su odnijele već napravljene rakete, cijela postrojenja gdje su one izrađivane, te odvele brojne naučnike i tehničare (američka tajna operacija "Paperclip" (spajalica)), te su u matičnim državama počele izgrađivati vlastite pogone i usavršavati tehnologiju.

Utrka tokom Hladnog rata

"Ham Astročimpanza", 3,5 godine stara čimpanza, koja je poslana u svemir u sklopu programa Mercury 1961. godine

U samim počecima Hladnog rata, svemirski letovi imali su prvenstveno propagandne svrhe. Pored svojih očiglednih vojnih vrijednosti, tadašnja javnost ih je smatrala za mjerilo progresivnosti dva konkurentna sistema.

Kao posljedica krize nastale nakon lansiranja Sputnjika u oktobru 1957. američka javnost je "preko noći" postala svjesna da su Sovjeti ranije tehnološko zaostajanje u trci gotovo u potpunosti nadoknadili. Od tog vremena, SAD su uložile mnogo veće resurse u istraživanje svemirskih letova, te se od tog momenta smatra da je svemirska trka uzela puni zamah. Sovjetima su u oblasti svemirskih letova uspjeli brojni važni poduhvati, od kojih su mnogi bili prve takve vrste. Već mjesec dana nakon starta Sputnjika 1, lansirali su letjelicu u kojoj se nalazio pas Lajka. Prvi čovjek u svemiru 12. aprila 1961. bio je Rus Jurij Gagarin, čiji let u orbiti je trajao 108 minuta. Sonde Lunik 2 i Luna 9 izvršile su probna slijetanja na Mjesec 1959. i 1966. godine, respektivno. Nasuprot toga, američka administracija na čelu sa predsjednikom Kennedyjem svoje napore je koncentrirala na slanje čovjeka na Mjesec. To su i uspjeli 20. jula 1969. godine, a televizijski prijenos slijetanja pratilo je preko pola milijarde ljudi.

Iako je civila svemirska agencija NASA stajala u središtu pažnje javnosti (a i dalje zauzima to mjesto), razvoj tehnologije svemirskih letova, pored prestižnih projekata koje je pratila javnost, isključivo je određivan u vojnim krugovima i njihovim interesima. Oko tri četvrtine svih lansiranja satelita služilo je i služi u vojne svrhe. Od 1959. SAD raspolaže sa brojnim špijunskim satelitima, a od 1960. lansirale su brojne satelite za navigaciju (GPS sateliti), za praćenje vremena i za sistem ranog upozorenja.

Sovjetski Savez već od 1960-ih počeo je provoditi svoja istraživanja u vezi dugotrajnog boravka u svemiru, načinima i manevrima spajanja dviju svemirskih letjelica (modula) i izlazaka astronauta izvan svemirske letjelice, te su napravili prvi svemirsku stanicu Saljut 1. Godine 1975. izveden je prvi zajednički manevar spajanja sa američkom svemirskom letjelicom, te napokon napravljena je i stalno naseljena svemirska stanica Mir.

Saradnja i globalizacija

Svemirska stanica Mir

Već tokom ere svemirske stanice Mir uočeno je značajno poboljšanje saradnje između SAD i Rusije. Tako naprimjer Space Shuttleovi su nekoliko puta pristajali na dotrajalu stanice, te time su značajno doprinjeli njenom održavanju.

Zajedničkim naporima, nakon obimnog planiranja 1998. godine je počela izgradnja Međunarodne svemirske stanice (ISS). Nakon pada Space shuttlea Columbia 2003. do ISS-a se moglo doći samo ruskim letjelicama Sojus, a isto se ponovilo nakon što je 2011. odlučeno da se flota Space Shuttleova prizemlji. Funkcioniranje ISS-a dogovoreno je do najmanje 2024, a moguće je produženje tog perioda sve do 2028. godine.

Osnove

Start rakete Sojuz TMA-5

Moderni pogon svemirskih letjelica funkcionira na principu akcije i reakcije (treći Newtonovom aksiom). Poput topa, koji se kreće unazad pri ispaljivanju projektila, tako se i raketa kreće naprijed kada iz sebe izbacuje masu nastalu sagorijevanjem goriva. Najvažnija osobina raketnog goriva iz pogonsko-tehničkog aspekta jeste njegov specifični impuls, koji predstavlja jedinicu efektivnosti motora i goriva. Što je taj impuls veći, to su bolji gorivo i motor. On označava koliko dugo masa goriva M može dati potiska njegove težine. Da bi se tijelo moglo podići sa površine nekog nebeskog tijela poput Zemlje, sila potiska mora biti veća od njegove težine. Do danas to je moguće postići samo raketnim pogonima na hemijski i nuklearni pogon.

Polijetanje

Razlikuju se orbitalni i suborbitalni svemirski letovi. Da bi neka svemirska letjelica dospjela u orbitu, ona pored minimalne visine mora dostići i prvu kosmičku brzinu od 7,9 km/s u horizontalnom pravcu, čime postaje vještački Zemljin satelit. Ako je brzina manja, onda putanja leta odgovara balističkom hicu (paraboli). Da bi se dostigla prva kosmička brzina, rakete su napravljene na višestepenom principu, pa se na njoj mogu razlikovati stepen goriva i motora, kao i paralelni i tandemski stepen.

U svemiru

Svaki objekat napravljen čovjekovom rukom, bilo da se radi o svemirskoj letjelici, stanici ili satelitu, mora sadržavati:

• sistem termalne kontrole, jer se toplota u vakuumu može prenositi samo toplotnim zračenjem
• sistem održavanja života, kada se planira da se u letjelici nalazi čovjek ili drugo živo biće
• komunikacijski sistem
• sistem opskrbe energijom
• sistem stabilizacije leta

Sateliti

Glavni članak: Vještački satelit

Pod pojmom satelit (lat. za pratilac) u aspektu svemirskih letova podrazumijeva se objekat u svemiru koji iz naučnih, komercijalnih ili vojnih razloga obilazi oko nekog nebeskog tijela, poput planete ili mjeseca, duž eliptične ili kružne putanje. Sateliti koji radi istraživanja obilaze oko nekog drugog nebeskog tijela (osim Zemlje) nazivaju se orbiteri.

Svemirske letjelice

Glavni članak: Svemirska letjelica

Općenito se smatra da se pod svemirskom letjelicom smatra svako vozilo koje je napravljeno u svrhu kretanja svemirom. Osnovni način pogona u vakuumu je pomoću konvencionalnih raketnih motora. Ako je letjelica sa ljudskom posadom, ona mora sadržavati i sisteme za održavanje života. Jednostepene rakete mogu dosegnuti samo ograničenu visinu orbite, te zbog toga ne mogu u potpunosti napustiti gravitacijsko polje Zemlje, radi čega je neophodno korištenje višestepenih raketa. Višestepena raketa sastoji se iz više pojedinačnih, međusobno povezanih raketa.

Svemirske stanice

Glavni članak: Svemirska stanica

ISS, mart 2009.

Svemirske stanice su takve svemirske letjelice koje ne posjeduju vlastiti pogon kojim se kreću niti su predviđene za spuštanje, te njihov rad zavisi od transportnih letjelica. Stanice u svom sastavu imaju laboratorije, module za život posade, vlastito napajanje energijom i zračne ustave (brane) koje služe za spajanje dolazećih ili odlazećih letjelica. Tehnički najzahtjevniji dio održavanja svemirske stanice je prije svega opskrba posade. Zbog vrlo visokih troškova transporta, morali su se razviti sistemi koji omogućavaju autarhični rad svemirske stanice, tj. da čitav proces održavaju u zatvorenom krugu. Naročito se to odnosi na regeneraciju vode i zraka, gdje je učinjen ogromni napredak. Za zamjenu posade koriste se svemirske letjelice (Shuttleovi), dok se za opskrbu hranom, gorivom i drugim potrebama koriste se teretne letjelice.

Sonde

Svemirska sonda je letjelica bez ljudske posade, koja se u svemir lansira u svrhu istraživanja. Za razliku od vještačkih Zemljinih satelita, one napuštaju Zemljinu orbitu te radi izučavanja putuju do udaljenih ciljeva u Sunčevom sistemu (pa i dalje). Pošto su misije svemirskih sondi obično dugoročne i traju duži niz godina, to inženjere i tehničare stavlja pred velike izazove. Komponente sondi moraju se vrlo često testirati i sastavljati u čistim, sterilnim prostorijama, što daje predstavu o visini troškova za pravljenje jedne takve sonde. Jedan od većih problema kod sondi za razliku od satelita koji kruže oko Zemlje je taj što sonde obično rade na ogromnim udaljenostima od Zemlje što utječe na način i trajanje izvršavanja komandi koje se šalju sa Zemlje ka sondi. Iz svih tih razloga, svemirske sonde moraju biti opremljene sistemima, pomoću kojih mogu biti na određeni način nezavisne od kontrolih stanica na Zemlji. Prema zadacima koje obavljaju, sonde se dijele na:

• Sonde koje obavljaju istraživanja prolaskom pokraj nekog nebeskog tijela,
• Orbiteri, koji su zapravo sonde koje se nalaze u orbiti nekog nebeskog tijela,
• Lenderi, sonde koje slijeću na površinu nekog nebeskog tijela. Oni se dalje dijele na:
  • hidrobotove, sonde koje samostalno mogu istraživati duboke nepoznate vode ili mora,
  • kriobotove, sonde koje se probijaju kroz led, kako bi ga istražili ili se probili do vode ili površine ispod leda,
  • penetratore, sonde koje pri spuštanju na površinu nebeskog tijela zabijaju do nekoliko metara u površinu kako bi je istražili ili bušili,
  • rovere, mobilna vozila i uređaji kojima se mogu istražiti veće površine nebeskog tijela, i
  • sonde koje na Zemlju vraćaju uzroke (eng. Sample Return).

Orijentacija u prostoru

Za dobro upravljanje polijetanja raketa, satelita i drugih sondi, neophodno je tačno i precizno orijentiranje u prostoru. Ono se najčešće postiže pomoću žiroskopa, od kojih su neki postavljeni u odnosu na astronomski koordinatni sistem dok se drugi orijentiraju na površinu Zemlje. Osim žiroskopa, svemirske letjelice posjeduju i brojne senzore zvijezda (eng. Star Tracker) koji također pomažu u snalaženju pri letu. Također postoji i gravitaciono stabiliziranje pomoću prirodnog gradijenta gravitacije.

Slijetanje

Pri ponovnom ulasku u Zemljinu atmosferu, svemirska letjelica ili sonda počinje usporavati. Istovremeno počinju rasti temperature zbog trenja zraka na preko 1000 °C. Na svemirske kapsule se prije leta postavljaju uklonjivi toplinski štitovi za jednokratnu upotrebu, dok se kod sistema koji su predviđeni za višekratnu upotrebu poput Space Shuttlea koriste specijalne pločice na bazi silikata za zaštitu od vreline. Tamo gdje nema atmosfere (Mjesec, asteroidi i sl.) u svemirsku letjelicu moraju biti ugrađeni raketni pogoni koji pri slijetanju služe za usporavanje i mehko prizemljenje, poput slijetanja na Mjesec 1969. godine. Na taj način se slijetanje obavlja bilo vertikalno sa motorima u pogonu, bilo horizontalno.

Države aktivne u svemirskim programima

U države, koje su provode aktivnosti u svemirskim letovima ili imaju posebne svemirske programe i agencije, odnosno učestvuju u svemirskim programima drugih država i grupacija, ubrajaju se sljedeće (stanje decembar 2012): Argentina, Brazil, Kina, Evropa (ESA), Indija, Iran, Izrael, Japan, Novi Zeland, Sjeverna Koreja, Rusija (odnosno bivši SSSR), Južna Koreja i SAD. Raketa koju razvijaju Argentina i Brazil još se nalazi u fazi razvoja.

Komercijalni i privatni letovi

Prva oblast svemirskih letova koja je se komercijalno počela koristiti bili su komunikacijski sateliti i sateliti za prijenos televizijskog signala. Prvi eksperimentalni satelit za komunikaciju bio je vojni SCORE. Prvi civilni komunikacijski satelit bio je pasivni satelit Echo 1 dok je prvi aktivni bio Telstar. Pasivni komunikacijski sateliti pokazali su se komercijalno neprihvatljivi. Kod satelita Telstar niska orbita se pokazala besmislenom. Stoga su zapadne zemlje sisteme u niskim orbitama zamijenile satelitima na geostacionarnoj poziciji. Kao prvi eksperimentalni a kasnije i funkcionalni satelit bio je Syncom 2.

Ubrzo nakon toga, telekomunikacijske kompanije i državni organi zapadnih zemalja osnovali su satelitskog operatera Intelsat za komercijalnu upotrebu obavještajnih satelita. Narednih godina u SAD su nastale brojne privatne kompanije koje su koristile satelitski prijenos signala. U nekim zemljama Evrope također su se pojavili satelitski sistemi za prijenos informacija kojima su upravljale državne telekomunikacione kompanije, a koje su kasnije ugašene ili su privatizirane. U slučaju satelita za prijenos televizijskog signala državni sistemi nisu nikad uspjeli potpuno zaživjeti, već je od samih početaka započela dominacija privatnog sistema Astra. Nakon što je Intelsat privatiziran, državne organizacije više ne upravljaju komunikacijskim satelitima, osim u rijetkim izuzecima, kao naprimjer sa vojnim obavještajnim i eksperimentalnim satelitima. Međutim, usluge lansiranja ovih satelita uglavnom nude privatne firme (naprimjer Arianespace). Nasuprot tome, lansirne rakete koje koriste privatne firme i dalje se razvijaju u svemirskim agencijama finansiranim iz državnih budžeta, ili njihov razvoj subvencioniraju države. U potpunosti privatni lansirni sistemi su vrlo rijetki. Uglavnom su svi još uvijek u fazi planiranja ili u razvoju.

Dana 21. juna 2004. SpaceShipOne je postao prva letjelica koju je u potpunosti privatna organizacija (Scaled Composites), koja nije finansirana niti subvencionirana iz budžeta, uspjela poslati iznad visine od 100 km, definirane kao granice svemira, iako nije ušao u Zemljinu orbitu. U julu 2005. investitor Burt Rutan osnovao je svoju privatnu svemirsku organizaciju. Iako je firma Virgin Galactic najavila da će 2009. početi nuditi usluge suborbitalnih letova po cijeni od oko 200 hiljada US$, do toga nije došlo zbog pada eksperimentalne letjelice VSS Enterprise u oktobru 2014. godine.

Dana 28. septembra 2008. raketa Falcon 1 uspješno je poslala teret težak 165 kg u orbitu visine 500 puta 700 kilometara. Time je postala prvi privatni satelitski transporter sa raketom na tečno gorivo. Raketu je razvijao SpaceX. Dana 30. novembra 2009. uslijedio je prvi uspješni start rakete Atea-1, koju je razvijala novozelandska kompanija Rocket Lab Ltd. Dosegnula je visinu od 120 km. Tokom misije u periodu od 22. maja do 31. maja 2012. svemirska letjelica Dragon firme SpaceX uspješno je dosegnula ISS. Letjelica je do svemirske stanice dopremila 520 kg tereta te je sa preko 600 kg opreme koja je bila nepotrebna na ISS-u sletjela nazad na Zemlju.

Literatura

Historija svemirskih letova

• Andrew Chaikin (autor): SPACE. Geschichte der Raumfahrt in Bildern, Motorbuch Vlg., Rüschlikon 2003, ISBN 978-3-613-02327-7
• David Darling: The complete book of spaceflight-from Apollo 1 to Zero gravity. Wiley, NJ 2003, ISBN 0-471-05649-9
• Günter Siefarth: Geschichte der Raumfahrt Verlag C.H. Beck, München 2002, ISBN 978-3-406-44753-2
• Frank White: Der Overview-Effekt. Die erste interdisziplinäre Auswertung von 20 Jahren Weltraumfahrt. Scherz, Bern 1989, ISBN 3-502-17770-8
• Igor J. Polianski, Matthias Schwartz (izd.): Die Spur des Sputnik - Kulturhistorische Expeditionen ins kosmische Zeitalter. Campus, Frankfurt/New York 2009, ISBN 978-3-593-39042-0

Budući razvoj

• Hans-Arthur Marsiske: Heimat Weltall – wohin soll die Raumfahrt führen?. Suhrkamp, Frankfurt 2005, ISBN 3-518-12396-3
• Ernst R. Sandvoss: Space philosophy – Philosophie im Zeitalter der Raumfahrt. Marixverlag, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-86539-151-3
• Jai Galliott et al.: Commercial space exploration – ethics, policy and governance. Ashgate, Farnham 2015, ISBN 978-1-4724-3611-5

Tehnika, sistemi i pogoni

• David Ashford: Spaceflight revolution. Imperial College Press, London 2002, ISBN 1-86094-325-X
• Paul A. Czysz: Future spacecraft propulsion systems. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-23161-7
• Wilfried Ley, Klaus Wittmann, Willi Hallmann: Handbuch der Raumfahrttechnik. Hanser, München 2008, ISBN 3-446-41185-2
• Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas: Raumfahrtsysteme – eine Einführung mit Übungen und Lösungen. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-21037-7
• Martin Tajmar: Advanced space propulsion systems. Springer, Wien 2003, ISBN 3-211-83862-7
• Malcolm Macdonald, Viorel Badescu: The International Handbook of Space Technology. Springer, Berlin 2014, ISBN 978-3-662-50608-0

Vanjski linkovi

• Osnove svemirskog leta, na stranici nasa.gov