kosmo.cz - Základy kosmonautiky - Kurz kosmonautiky

[ Proč kosmonautika | Teorie letu | Rakety a kosmodromy | Družice a sondy ]

3. Rakety a kosmodromy (Jak prakticky létat do kosmu a v kosmu?)

Když už teoreticky víme, jak létat do kosmu a v kosmu, musíme se naučit dokázat to i prakticky.

Je třeba vyřešit několik problémů. Hlavním problémem je udělit družici po startu ze Země alespoň 1. kosmickou rychlost (tedy přes 7900 m/s). Nesmíme však zapomenout ani na to, že přitom současně musíme družici vynést do výšky nejméně 200 km a pohonný systém přitom musí pracovat i mimo atmosféru.

V minulosti se ukázalo, že všechny tyto problémy jsme zatím schopni vyřešit jen pomocí reaktivního pohonu s chemickými raketovými motory. Reaktivní pohon umožňuje dosažení potřebné rychlosti a chemické raketové motory mohou fungovat i mimo atmosféru a mají dostatečný výkon pro start ze Země. Zařízení, zkonstruovaná na základě těchto principů nazýváme rakety. Rakety si palivo i okysličovadlo vezou sebou a postupně tyto látky spotřebovávají.

Z fyzikálního hlediska je tedy raketa těleso s proměnnou hmotností, využívající principu reaktivního pohonu.

Mechanikou těles s proměnnou hmotností se podrobně zabývali vědci koncem 19. století a v roce 1898 nakonec K.E.Ciolkovskij odvodil základní rovnici reaktivního raketového pohybu. Tato rovnice vyjadřuje závislost přírůstku rychlosti rakety na její počáteční hmotnosti m_s, na konečné hmotnosti m_k (úbytek hmotnosti vzniká spotřebováváním pohonných látek) a na rychlosti w spalných plynů, vytékajících tryskou motoru, nebo přesněji na tzv. specifickém impulsu I_sp motoru, což se dá chápat jako poměr tahu a sekundové spotřeby pohonných ĺátek. Specifický impuls je jedním z nejdůležitějších údajů o kvalitě raketového pohonu a u běžných chemických motorů bývá od 1500 do 4500 Ns/kg. Poměr startovní a konečné hmotnosti se nazývá Ciolkovského číslo C. Startovní hmotnost rakety se skládá ze suché hmotnosti konstrukce, hmotnosti pohonných látek a hmotnosti užitečného zatížení. Konečná hmotnost je pak již jen hmotnost konstrukce a užitečného zatížení. Ciolkovského rovnice má tedy tvar:

v_char=wln(m_s/m_k)=I_spln(C)

Skutečná konečná rychlost rakety je ale vždy menší než charakteristická rychlost. Způsobují to gravitační ztráty (překonávání zemské přitažlivosti) a aerodynamický odpor prostředí. Charakteristická rychlost, potřebná pro dosažení nízké oběžné dráhy Země (LEO), tak přesahuje hodnotu 9200 m/s (je tedy cca o 16% větší, než teoretické minimum, tedy 7900 m/s).

Ciolkovského rovnice však také ukazuje, že i jednostupňová raketa může dosáhnout vyšší rychlosti, než je rychlost spalných plynů z procesu hoření v raketovém motoru. To nastává při hodnotách poměru C větších než 2.72. Ověřit si to můžete v následujícím formuláři (měnit můžete I_sp, C i v_char).

Ciolkovského rovnice (charakteristická rychlost)
I_sp [Ns/kg]:	C [-]:	v_char [m/s]:

Zvýšení charakteristické rychlosti je možné pouze dvojím způsobem: buď zvýšením specifického impulsu I_sp, nebo zvětšením Ciolkovského čísla C. S růstem I_sp roste charakteristická rychlost lineárně, kdežto pouze s přirozeným logaritmem C. Pokud tedy zvýšíme I_sp dvojnásobně, vzroste i charakteristická rychlost dvojnásobně. Pokud však zvýšíme C dvojnásobně, vzroste charakteristická rychlost pouze o cca 0,7 své původní hodnoty. Snaha o zvyšování I_sp i C bohužel naráží na řadu technických, fyzikálních a energetických omezení. Proto se ukázalo výhodné zbavovat se během startu alespoň části "mrtvé hmotnosti" konstrukce, která už splnila svůj úkol a dále je jen přítěží (například vypotřebované palivové nádrže). Vznikla tak konstrukce několikastupňové rakety, kdy se vždy po vyprázdnění nádrží jednoho stupně, tento stupeň oddělí a pak se zapálí motory dalšího stupně, který už dále urychluje jen zbytek rakety.

Podobně jako pro jednostupňovou raketu, lze odvodit Ciolkovského rovnici i pro rakety vícestupňové. Stačí sečíst příspěvky jednotlivých stupňů k charakteristické rychlosti a přitom si uvědomit, že jak ke startovní, tak ke konečné hmotnosti určitého stupně, musíme vždy připočítat hmotnost všech vyšších stupňů. Přesto se lze snadno přesvědčit o tom, že vícestupňová raketa dosahuje (při jinak stejných konstrukčních parametrech) vyšší konečnou rychlost (nebo vyšší nosnost při stejné rychlosti), než raketa jednostupňová.

Parametry vícestupňové rakety (orientační výpočet nosnosti na LEO a GTO)
	1. stupeň	2. stupeň	3. stupeň	4. stupeň	celkem
zážeh T+ [s]
hoření [s]
tah [N]
Isp [Ns/kg]
konstrukce [kg]
palivo [kg]
hmotnost [kg]
C_k [-]
v_chark [m/s]
zrychlení [G]
dv [m/s]						GTO [kg]
nosnost [kg]
nosnost [%]

Raketové motory mohou mít různý základní princip a konstrukci, což se pak projeví ve výhodnosti jejich použití pro různé úkoly. Přehled motorů je na samostatné stránce Pohonné systémy.

Z chemických raketových motorů se nejčastěji používají motory na kapalné pohonné látky (KPL) a na tuhé pohonné látky (TPL). V těchto pohonných systémech se na kinetickou energii rakety přeměňuje výhradně chemická energie, uvolňovaná při hoření palivové směsi v tzv. spalovací komoře. Přitom prudce roste tlak v komoře a spaliny vylétají tryskou motoru vysokou rychlostí do okolí. Chemické pohony mají specifický impuls o velikosti 1500 až 4500 Ns/kg a jsou schopny krátkodobě (po dobu několika minut) vyvinout mimořádně velkou tahovou sílu (až 10 MN).

Typická současná nosná raketa se skládá ze dvou až čtyř stupňů. Každý stupeň obsahuje raketový motor, velké a lehké nádrže na pohonné látky, spojovací a nosnou konstrukci a elektronický řídicí systém. Konkrétní příklady konstrukce a parametry nosných raket naleznete ve speciální sekci Nosiče (kosmické rakety), která je rovněž součástí této encyklopedie.

Kosmické lety začínají vždy startem nosné rakety ze Země. Úspěšné vypouštění raket si vyžaduje řadu pozemních zařízení, jejichž souhrn se nazývá kosmodrom.

Základním zařízením kosmodromu je startovací rampa, která slouží k závěrečné přípravě a testování rakety před startem, k plnění nádrží pohonnými látkami a k přidržování rakety ve startovací poloze.

Důležitou částí kosmodromu jsou montážní budovy, kde se rakety kompletují z jednotlivých dílů (stupňů) a připravuje se zde i užitečné zatížení pro závěrečnou instalaci do nosné rakety a dopravu do kosmu.

Nedílnou součástí kosmodromu je i středisko řídící start. Odtud se řídí veškeré práce na kosmodromu, předstartovní přípravy (včetně závěrečného odpočítávání) a obvykle i první část letu rakety.

Po startu raketa letí nad tzv. střeleckým sektorem kosmodromu, jak se nazývá rozlehlé území, nad kterým startující rakety přelétávají a kam dopadají vyhořelé první stupně. Bývají zde rozmístěny i sledovací radiolokátory a radiotechnická zařízení pro předávání příkazů řídicímu systému rakety.

Start rakety končí navedením družice (užitečného zatížení) na základní oběžnou dráhu kolem Země. Družice se pak oddělí od posledního stupně nosné rakety a začne se pohybovat samostatně (setrvačností, bez netnosti dalšího pohonu). Pokud je třeba dráhu družice dále upravovat a měnit, používá se k tomu obvykle chemických pohonných systémů založených na stejných principech jako systémy nosných raket, ale mohou se zde již uplatnit i fyzikální druhy pohonu.

Z fyzikálních druhů pohonu jsou zatím nejpoužívanější iontové motory. Podobně jako ostatní fyzikální pohony mají i iontové motory velmi malý tah, který nestačí ke startu z povrchu Země, ale protože mají značně vysoký specifický impuls (až 30000 Ns/kg), jsou vhodné k udržování stabilní polohy družic, případně k pomalým změnám dráhy. O tom však už pojednává až další lekce tohoto kurzu.

Teď už totiž víme jak vynést nějaké zatížení do kosmu, ale musíme se naučit zkonstruovat umělé kosmické těleso tak, aby bylo schopno provést činnost, kterou potřebujeme. To je obsahem poslední lekce kurzu navané Družice a sondy.

Aleš Holub

Aktualizováno : 30.12.2001

[ Obsah | Základy | Kurz kosmonautiky | < Teorie letu | Družice a sondy > ]

Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.

(originál je na https://mek.kosmo.cz/zaklady/kurz/kurz3.htm)