Kozmický let

Kozmický let je let, pri ktorom sa umelé kozmické teleso dostane do horných vrstiev zemskej atmosféry alebo úplne mimo zemskú atmosféru. V súčasnosti je možné takýto let uskutočniť len prostredníctvom telesa poháňaným chemickým reaktívnym pohonom. Za kozmický let sa často považuje len taký let, pri ktorom umelé kozmické teleso dosiahne 1. kozmickú rýchlosť a súčasne vykoná zotrvačnosťou aspoň jeden oblet okolo Zeme, alebo nad hranicami atmosféry zotrvá aspoň 90 minút. Táto podmienka je uznávaná aj medzinárodnou komisiou pre vesmírne lety COSPAR.
Pojem kozmický let nemožno presne vymedziť, pretože zemská atmosféra prechádza do medziplanetárneho prostredia plynule a akákoľvek výška nad povrchom Zeme, ktorá sa v súvislosti s kozmickým letom spomína, bola zavedená len umelo. Niekedy sa za hornú hranicu atmosféry považuje už výška 100 km nad povrchom Zeme (Kármánova hranica). Aby však mohla byť splnená podmienka, že teleso vlastnou zotrvačnosťou vykoná aspoň jeden oblet Zeme, výška musí byť väčšia, pretože v 100 kilometroch ešte kladie zemská atmosféra priveľký odpor na to, aby to väčšina telies zvládla. Preto sa horná hranica zemskej atmosféry pri definícii kozmického letu kladie do výšok okolo 120 – 200 km.
Pokiaľ umelé kozmické teleso na palube nesie človeka, hovoríme o pilotovanom kozmickom lete bez ohľadu na to, či sa osoba podieľa na riadení kozmickej lode. Ak sa na palube nachádza iný alebo žiadny živočích, let je nepilotovaný. Špeciálnu kategóriu predstavujú tzv. suborbitálne kozmické lety, pri ktorých teleso nedosiahne obežnú dráhu a ani potrebný čas nad hranicou atmosféry, napriek tomu sa zaraďujú ku kozmickým letom.

Dôvody

Dôvody kozmického letu sú rôzne a súvisia s tým, či ide o pilotovaný alebo nepilotovaný let, či sa počíta s návratom telesa na Zem alebo nie, či je teleso vypúšťané na obežnú dráhu Zeme alebo nie, o aký typ dráhy ide a aká je dĺžka a prístrojové vybavenie misie. Vo všeobecnosti je cieľom kozmického letu dosiahnutie kozmického priestoru, ktorý má v porovnaní s priestorom v zemskej atmosfére množstvo odlišných vlastností. Využitie týchto vlastností môže byť pre človeka výhodné. Veľmi riedka zemská atmosféra vo veľkých výškach umožňuje, aby teleso bolo navedené na obežnú dráhu okolo Zeme a zotrvalo na nej pomerne dlho. Tým teleso dosiahne dynamický stav beztiaže, ktorý sa nikde na Zemi na takú dlhú dobu nedá simulovať. Stav beztiaže je predmetom mnohých technologických, materiálových, biologických, lekárskych, fyzikálnych a iných výskumov. Neprítomnosť atmosféry poskytuje ďalšiu výhodu, a to, že neskresľuje pohľad na nočnú oblohu, nedochádza tu k scintiácii hviezd, k poklesu ich jasnosti či refrakcii a tak z kozmického priestoru môžu byť uskutočňované veľmi presné a cenné astronomické merania. Prístroje umiestnené v kozmickom priestore navyše môžu skúmať nebeskú sféru v celom elektromagnetickom spektre, čo by na Zemi nebolo možné, pretože atmosféra väčšinu vlnových dĺžok pohlcuje. Užitočný pre vedu je tiež pohľad z kozmu späť na Zem, tzv. diaľkový prieskum Zeme.
Praktický úžitok kozmického letu spočíva ďalej v možnostiach telekomunikácie, navigácie, vojenstva, priameho prieskumu iných telies slnečnej sústavy (mesiacov, planét,...), budovanie orbitálnych staníc, zásobovanie orbitálnych staníc, výmena posádok, opravy umelých kozmických telies a znášaní umelých kozmických telies na Zem.

Teória letu

Zem priťahuje všetky telesá na svojom povrchu silou Fg. Aby sa teleso dostalo na približne kruhovú obežnú dráhu okolo Zeme (na ktorú sú telesá zvyčajne navedené aj v prvej fáze medziplanetárneho letu), musí sa gravitačné pôsobenie Zeme vyrovnať s odstredivou silou F ₒ pôsobiacou na obiehajúce teleso. Musí teda platiť
čiže
,
pričom µ je gravitačný parameter sústavy (pre Zem má hodnotu 398 600,3 km³/s²) a r je vzdialenosť od stredu Zeme.
Aby toto teleso dosiahlo, musí mať prvú únikovú rýchlosť, nazývanú tiež kruhová rýchlosť. Táto rýchlosť teda nie je závislá od hmotnosti vypúšťaného telesa, je teda pre všetky telesá rovnaká. Kruhovú rýchlosť obiehajúceho telesa možno vyjadriť vzorcom
Pre teleso obiehajúce vo výške okolo 200 km predstavuje 8 000 m/s, čo je desaťkrát viac ako rýchlosť bežných nadzvukových lietadiel. Na udelenie takejto obrovskej rýchlosti musí mať teleso pri štarte dostatočnú zásobu paliva a dostatočne výkonné raketové motory. Cieľové teleso vynáša na obežnú dráhu osobitné teleso, nosná raketa, ktorá väčšinou slúži len na jedno použitie. Nosná raketa je neporovnateľne väčšia a hmotnejšia než vynášané teleso. Väčšina jej hmotnosti pripadá na palivo a okysličovadlo. Okysličovadlo je látka reagujúca s palivom a umožňujúca jeho horenie. Na tento účel nemôže byť použitý kyslík zo zemskej atmosféry, pretože časť letu prebieha v takých veľkých výškach nad povrchom Zeme, kde už nie je dostatok atmosférického kyslíka na horenie paliva, a zároveň atmosféra ešte nie je dostatočne riedka na to, aby sa teleso mohlo pohybovať iba zotrvačnosťou.
Po vynesení na obežnú dráhu teleso letí len zotrvačnosťou. Obieha centrálne teleso stále v jednej rovine, ktorá prechádza ťažiskom sústavy Zem-teleso. Pre nízku hmotnosť kozmického telesa je toto ťažisko veľmi blízko stredu Zeme. Dráha obiehajúceho telesa sa dá popísať dráhovými elementmi. Ďalším zapnutím raketových motorov – pridávaním rýchlosti – bude najvzdialenejší bod telesa na dráhe (apogeum) stúpať a dráha sa stane eliptickou. Zážihom motorov vo vhodnej časti eliptickej dráhy sa eliptická dráha môže opäť zmeniť na kruhovú, ale vyššiu ako predchádzajúca dráha. Obežná rýchlosť telesa však bude menšia ako na nižšej dráhe (tretí Keplerov zákon). Ak umelé teleso zapne motory vo vektore kolmom na smer svojho letu a rovnobežnom s povrchom Zeme, mení sklon svojej dráhy.
Keď sa rýchlosť zvýši na 11 180 m/s (druhá úniková rýchlosť), apogeum sa stratí v nekonečne a teleso prejde na obežnú dráhu okolo Slnka – heliocentrickú. Najvzdialenejší bod jeho dráhy od Slnka sa nazýva afélium. Po ďalšom zvyšovaní rýchlosti sa bude afélium od Slnka vzďaľovať, až po dosiahnutí hraničnej rýchlosti 16 670 m/s sa stratí v nekonečne a dráha sa zmení na parabolickú. Teleso s takouto rýchlosťou navždy opúšťa slnečnú sústavu a stáva sa obežnicou jadra Galaxie. Ďalším zrýchľovaním by bolo schopné opustiť aj Galaxiu, čo sa však v praxi ešte nikdy nepodniklo.
Kozmické teleso sa môže stať obežnicou aj iného telesa ako je Zem. Ľudstvo už vytvorilo umelé družice Slnka, Mesiaca, Merkúra, Venuše, Marsu, Jupitera, Saturna a niekoľkých malých telies slnečnej sústavy. Len dve najvzdialenejšie planéty Slnečnej sústavy a takisto žiadny iný Mesiac než zemský zatiaľ neobiehalo nijaké kozmické teleso. Keď sa umelé kozmické teleso vyvinutím 2. kozmickej rýchlosti odpúta od gravitačného pôsobenia Zeme letí k telesu, ktorého obežnicou sa má stať, dočasne je umelou obežnicou Slnka. Pri cieľovom telese umelé teleso spomalí, aby ho gravitácia cieľového telesa pritiahla na obežnú dráhu.
Ak sa chce vypustené teleso stretnúť s nejakou inou družicou (na obežnej dráhe Zeme) alebo s nejakou planétou (na obežnej dráhe Slnka), musí mať rovnako vysokú obežnú dráhu, dráhu v rovnakej rovine a tiež musí na miesto stretnutia doletieť v rovnaký čas ako očakávané teleso, pretože všetko v Slnečnej sústave sa pohybuje. Pretože veľké zmeny dráhy vyžadujú obrovské množstvá energie, najvýhodnejšie je docieliť požadovanú dráhu tým, že teleso odštartuje zo Zeme v správny okamih. Tento okamih sa nazýva štartovacie okno.

Uskutočnenie letu

Aby sa kozmický let mohol konať, je potrebné vynášanému telesu udeliť aspoň 1. únikovú rýchlosť v horizontálnom smere vo výške približne 200 km nad Zemou. Toto sa v súčasnosti uskutočňuje prostredníctvom nosných rakiet. Nosná raketa je teleso s premennou hmotnosťou využívajúca princíp reaktívneho pohonu. Palivo (kvapalné alebo tuhé) sa spaľuje v tzv. spaľovacej komore. Pritom prudko rastie tlak v komore a spaliny vylietavajú tryskou motoru vysokou rýchlosťou do okolia. To tlačí raketu smerom nahor.
Úspešné vypustenie rakety si vyžaduje množstvo pozemných zariadení, ktoré dohromady vytvárajú kozmodróm. Jeho základom je štartovacia rampa nazývaná tiež štartovací komplex, kde sa raketa udržiava v štartovacej polohe a kde prebiehajú záverečné prípravy rakety na štart. V prípade rakiet na kvapalné pohonné hmoty tam dochádza tiež k plneniu rakety palivom a okysličovadlom. Raketa sa na kozmodróm prepraví od výrobcu a jej záverečné prípravy prebehnú v montážnej budove. Na kozmodróme prebehne aj spojenie rakety s jej užitočným zaťažením. Dôležitou súčasťou kozmodrómu je tiež stredisko riadiace štart, kde sa riadia predštartovné prípravy na rakete a obvykle aj prvá fáza štartu. Zo strediska riadenia vesmírnych letov, ktoré môže byť aj veľmi vzdialené od kozmodrómu, letoví kontrolóri kontrolujú telemetriu daného telesa. Po štarte raketa letí tzv. streleckým sektorom kozmodrómu.
Užitočné zaťaženie, ktoré raketa vynáša, môže byť družica, sonda alebo kozmická loď. Toto teleso musí mať vhodnú konštrukciu, aby odolávalo nepriaznivým kozmickým podmienkam. Musí mať stabilnú dodávku elektrickej energie, ktorú mu zabezpečujú buď batérie, rádioaktívny rozklad v izotopových batériách, alebo solárne panely. Ďalej musí byť zabezpečená jeho komunikácia so Zemou (podľa možností nepretržitá), musí mať systémy orientácie a stabilizácie, navigačný systém a riadiaci orientačný systém.

Návrat z kozmu

Nepilotované telesá sa vracajú z kozmu na Zem len zriedkavo. Veľa nepotrebných dielov, napríklad vyhorených stupňov nosných rakiet alebo nefunkčných družíc, cielene zhorí v zemskej atmosfére. Iné zostávajú po dlhú dobu na zemskej orbite (kozmický odpad), heliocentrickej dráhe, únikovej dráhe zo slnečnej sústavy alebo dopadnú na povrch telesa, ktoré skúmali (napríklad na povrch Mesiaca, planéty a pod.). K návratu sú projektované sondy so vzorkami, v minulosti sa vracali špionážne a testovacie družice.
Teleso sa na Zem môže vrátiť vlastnými silami alebo (veľmi zriedkavo) v nákladovom priestore raketoplánu. Pokiaľ sa vracia samo, je nevyhnutné, aby malo zachované schopnosti manévrovania a aby jeho povrch bol chránený tepelným štítom. Pri opätovnom vstupe do atmosféry, ktorý sa uskutoční vysokou rýchlosťou, sa začne silne trieť o častice atmosféry, ktoré jeho povrch zahrejú na vysokú teplotu. Okolo telesa sa vytvorí stĺpec ionizovaného plynu podobne ako pri meteoroch. V tejto fáze letu sú možnosti vysielania jeho údajov na Zem veľmi obmedzené a prerušované.
V záverečnej fáze letu, kedy teleso svojim pohybom už neionizuje vzduch okolo seba, sa na finálne zabrzdenie a mäkké dosadnutie telesa používa väčšinou padák. Ďalšou možnosťou (používanou popri padáku) sú brzdiace trysky. Jedine raketoplán bol schopný pristáť podobným spôsobom ako bezmotorové lietadlo vďaka vlastným aerodynamickým schopnostiam. Po väčšinu svojej prevádzky raketoplán tiež používal pri pristátí padák, ale len ako prostriedok na skrátenie dojazdu po dosadnutí hlavného podvozku na pristávaciu dráhu.

Zdravotné následky kozmických letov

Najdôležitejšie odlišnosť vesmírneho prostredia spočíva v odlišnej veľkosti tiažovej sily. Pri štarte a pristátí sú kozmonauti vystavení preťaženiu (t. j. sily pôsobiace na posádku sú niekoľkonásobne vyššie), pri vlastnom letu pôsobí na posádku beztiažový stav.
Hlavným problémom beztiažového stavu je adaptácia na nevnímanie gravitácie, keď sa u niektorých ľudí objavujú ťažkosti podobné morskej chorobe (nechutenstvo, zvracanie, bolesti hlavy a pod.). Problémy zvyčajne ustúpia v priebehu niekoľkých dní.
Dlhodobým problémom je presun tekutín v tele. Voda, na zemi svoju tiažou ťahaná nadol, sa presúva nahor. Výsledkom sú opuchy hornej polovice tela. Tieto efekty sa obmedzujú cvičením a používaním špeciálnych oblekov vyvolávajúcich podtlak na dolnej polovici tela.
Ďalším vážnym následkom pobytu v gravitácii sú zmeny v kostiach a svaloch. Výška kozmonautov vďaka odpadnutiu tiaže stúpne o 2 – 3 centimetre. Významné je ubúdania hmoty kostí tempom 1 – 1,5 % za mesiac a atrofia nenamáhaných svalov. Tieto efekty možno spomaliť pravidelným cvičením, ktoré pri dlhodobých letoch zaberá kozmonautom cca 2 až 2,5 hodiny denne. Pred návratom na Zem sa dávky ešte zvyšujú.