Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 8 (vyšlo 24. února, ročník 10 (2012) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

08/2012

Miniraketoplán IXV – předzvěst raketoplánu pro Evropu

Ondřej Penc

Po nedávném ukončení amerického programu vesmírných raketoplánů vznikla díra na poli kosmické dopravy. Výpravy do vesmíru už nejsou výsadou pouze velkých hráčů, jako jsou USA nebo Rusko. Vzniká množství firem, které chtějí dobýt vesmír po komerční stránce, jako je například Virgin Galactic. Blýská se na lepší časy, protože i Evropa by se v příštích letech mohla díky experimentálnímu miniraketoplánu IXV dočkat svého vlastního raketoplánu.

Umělecká představa experimentálního miniraketoplánu IXV. Zdroj ESA.

Trocha historie

Historie vesmírných raketoplánů začala postavením experimentálního raketového letadla X-15 z početné rodiny experimentálních X-letadel (nyní 55 kusů), které se roku 1963 dostalo za všeobecně uznávanou hranici zemské atmosféry, tzv. Kármánovu hranici ve výšce 100 km nad mořem. Zajímavostí je, že USA považují za astronauta člověka, jenž překročil hranici 50 mil (80 km) nad mořem. Meření a letová data z X-15 přispěla k návrhu známého raketoplánu Space Shuttle. První stroj se jmenoval Columbia a vynesl lidskou posádku při své premiéře v dubnu 1981. Během třicetiletého trvání vesmírného programu Space Shuttle bylo nasazeno 5 strojů, proběhlo 133 úspěšných misí a dvě tragické. Obě tragédie zastavily lety raketoplánů přibližně na dva roky, během nichž probíhala podrobná vyšetřování. Celý program byl ukončen poměrně nedávno, v létě 2011.

Americký raketoplán Enterprise uložený v Národním muzeu létání ve Washingtonu.

Poněkud krátká historie sovětských raketoplánů začala rokem 1985, kdy byl během studené války postaven raketoplán Buran jako odpověď SSSR na Space Shuttle. Koncepce Buranu vycházela s drobnými vylepšeními přímo z amerického raketoplánu. Tato vylepšení však nemohla být řádně doceněna, protože Buran odstartoval do kosmu pouze jednou, v roce 1988. Další starty nikdy neproběhly a raketoplán se rozpadl po pádu střechy hangáru, v němž byl uložen během devadesátých let.

 Sovětský raketoplán Buran v roce 2002 po pádu hangáru, v němž byl uskladněn.

Evropská kosmická agentura ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1973 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. se pokoušela vyvinout koncem osmdesátých let vlastní raketoplán pod názvem Hermes, který vycházel z návrhu nikdy nerealizovaného letadla X-20, mladšího bratra X-15. Vývoj tohoto předchůdce IXV však byl v roce 1992 zrušen z důvodu nedostatku peněz. Jediné, co Hermes ovlivnil, byly parametry tehdy vznikající rakety Ariane 5Ariane – nosná raketa využívaná Evropskou kosmickou agenturou. Její název pochází z francouzského přepisu jména mytologické postavy Ariadne. Nosič byl vyvíjen od 70. let dvacátého století. První úspěšný start Ariane 1 proběhl v roce 1979. Dnes je k dispozici nosič Ariane 5 ECA s výškou 59 metrů, průměrem 5,4 metru, celkovou hmotností 770 tun a užitečným nákladem 10 tun. Rakety startují ze základny Kourou ve Francouzské Guianě., která měla sloužit k jeho vynesení do vesmíru. Podobně bude sloužit k vynesení miniraketoplánu IXV raketa Vega.

Vega je čtyřstupňová vesmírná raketa určená pro vynášení menšího nákladu na oběžnou dráhu ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Dotváří trio spolu s raketami Ariane 5Ariane – nosná raketa využívaná Evropskou kosmickou agenturou. Její název pochází z francouzského přepisu jména mytologické postavy Ariadne. Nosič byl vyvíjen od 70. let dvacátého století. První úspěšný start Ariane 1 proběhl v roce 1979. Dnes je k dispozici nosič Ariane 5 ECA s výškou 59 metrů, průměrem 5,4 metru, celkovou hmotností 770 tun a užitečným nákladem 10 tun. Rakety startují ze základny Kourou ve Francouzské Guianě. pro těžký a Sojuzem pro střední náklad, které startují z kosmodromu v Kourou ve Francouzské Guyaně. Její maximální nosnost činí 2 500 kg, je vysoká 30 m a v průměru má 3 m, samostatná hmotnost je 137 tun. Raketa nese jméno nejjasnější hvězdy souhvězdí Lyry. Vývoj rakety dospěl k finálnímu stádiu a první zkušební start úspěšně proběhl 13. ledna tohoto roku, kdy raketa vynesla satelit LARES, mikrosatelit ALMASat-1 a sedm pikosatelitů CubeSat (1 dm³, 1 kg) na oběžnou dráhu Země. Raketu vyvinula ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1973 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. s podporou sdružení Elv (European Launch Vehicle), které je součástí italské kosmické agentury ASIASI – Agenzia Spaziale Italiana, Italská kosmická agentura. Byla založena v roce 1988, hlavním cílem je koordinování aktivit Itálie ve vesmíru. Agentura má zástupce v radě Evropské kosmické agentury..

Fotografie prvního startu rakety Vega z kosmodromu ESA v Kourou
ve Francouzské Guyaně, 13. ledna 2012. Zdroj ESA.

Miniraketoplán IXV

První písmeno zkratky IXV (Intermediate eXperimental Vehicle) znamená, že tento vesmírný experimentální miniraketoplán je pouze první významnější fází ve vývoji budoucích raketoplánů, které budou transportovat jak lidi, tak výzkumný materiál na oběžnou dráhu Země. Miniraketoplán IXV těží z projektů amerických X-letadel, z pohonných systémů rakety Ariane 5Ariane – nosná raketa využívaná Evropskou kosmickou agenturou. Její název pochází z francouzského přepisu jména mytologické postavy Ariadne. Nosič byl vyvíjen od 70. let dvacátého století. První úspěšný start Ariane 1 proběhl v roce 1979. Dnes je k dispozici nosič Ariane 5 ECA s výškou 59 metrů, průměrem 5,4 metru, celkovou hmotností 770 tun a užitečným nákladem 10 tun. Rakety startují ze základny Kourou ve Francouzské Guianě. a ze zkušeností nabytých během experimentu ARD (Advanced Reentry Demonstrator), který proběhnul v roce 1998. Jeho návratová kapsle byla tvarem podobná velitelskému modulu mise ApolloApollo – americký program pilotovaných vesmírných letů probíhající v letech 1961 až 1972. Vyvrcholením bylo přistání člověka na Měsíci (Neil Armstrong, 21. 7. 1969). K cestě na Měsíc byla používána dosud největší nosná raketa Saturn V. Kosmonauté posledních misí využívali k pohybu po povrchu Měsíce speciální pohyblivé vozítko..

Bezkřídlý trup IXV je navržen tak, aby se vešel do nákladového prostoru rakety Vega. Maximálně využívá vnitřní prostor pro potřebnou techniku k řízení letu, diagnostické přístroje a záznamové přístroje (včetně záložních). Přístroje budou sloužit pro pozdější analýzu průběhu celého letu, ovšem zejména zaznamenají data ze senzorů při fázi návratu do atmosféryAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru.. Tato fáze je kritická, protože tepelný štít bude vystaven velmi vysokým teplotám a bude přerušeno komunikační spojení se Zemí. Velkou roli hraje vzpomínka na tragédii raketoplánu Columbia. Stejný scénář zde ale nehrozí, protože miniraketoplán IXV bude během startu bezpečně uschován v kontejneru nosné rakety Vega. Navíc tepelný štít bude oproti uhlíkoUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších.-uhlíkovému laminátu (C/C) použitému u amerického raketoplánu postaven na bázi uhlíko-karbido-křemíkovéhoKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek, ale i jako základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). laminátu (C/SiC). Teploty, kterým bude tepelný štít IXV čelit, dosahují hodnot až 1 600 °C. Navíc musí vydržet tlakovou vlnu způsobenou dynamickým odporem vzduchu, která bude při nadzvukové rychlosti (nad 5 MachMach – jednotka rychlosti, udává kolikrát je rychlost tělesa vyšší než rychlost zvuku. Pojmenována byla na počest rakouského fyzika Ernesta Macha (1838-1916), který v 19. století studoval dynamiku plynů.) značná. Při takto vysokých rychlostech se molekuly kyslíkuKyslík – Oxygenium, plynný chemický prvek, tvoří druhou hlavní složku zemské atmosféry. Je biogenním prvkem a jeho přítomnost je nezbytná pro existenci většiny živých organizmů na naší planetě. V atmosféře tvoří plynný kyslík 21 objemových %. Kromě obvyklých dvouatomových molekul O₂ se kyslík vyskytuje i ve formě tříatomové molekuly jako ozon O₃. Produkty hoření se nazývají oxidy, dříve kysličníky. Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru. a dusíkuDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium. rozpadají a vyzařují další energii. Kolem IXV bude vznikat plazmatický oblak znemožňující rádiovou komunikaci. Extrémní podmínky, které budou působit na miniraketoplán dokazují, že stavba raketoplánu je nelehkým a velmi komplexním úkolem.

Umělecká představa o proudění vzduchu kolem trupu IXV při vstupu do atmosféry.

Mise miniraketoplánu začne startem rakety Vega z kosmodromu ESA v Kourou. Ve výšce asi 300 km se oddělí poslední část nosné rakety od IXV a ten vystoupá ještě do výšky přibližně 475 km představující vrchol trajektorie letu. Od této chvíle začne díky gravitaci postupně nabírat rychlost, která bude při vstupu do atmosféry přibližně 7 450 m/s (26 820 km/h). IXV vstoupí do atmosféry ve výšce přibližně 120 km pod úhlem −1,6°. Po vstupu do atmosféry stoupne tlak vzduchu, začnou fungovat klapky, miniraketoplán se začne zpomalovat a jeho kinetická energie se bude měnit na tepelnou. Přibližně ve výšce 26 km by měl miniraketoplán zpomalit na rychlost 440 m/s (1 600 km/h) a začít brzdit pomocí brzdících padáků. Těsně před dopadem do Tichého oceánu nafoukne vzduchové plováky a zůstane čekat na hladině do vyzvednutí. Většinu času letu bude ke své lokalizaci používat systém GPSGPS – globální polohovací systém, navigace pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Oficiální název je NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Systém je vyvíjen 30 let a v roce 2007 byla na oběžné dráze umístěna již čtvrtá generace polohovacích družic. a možná evropský navigační systém Galileo, pokud už bude během plánovaného letu v roce 2014 provozuschopný. Díky satelitní navigaci bude snadno nalezen a vyzvednut z vody.

Jak můžeme vidět z obrázků, IXV je bezkřídlý opakovatelně použitelný miniraketoplán využívající k letu v atmosféře hlavně tvar svého aerodynamického trupu s poměrem vztlakové síly ku síle aerodynamického odporu 0,7 v nadzvukovém režimu. IXV svými rozměry připomíná plně naložený rodinný automobil. Jeho délka činí 4 400 mm (s klapkami 5 058 mm), výška 1 540 mm a šířka 2 237 mm. Hmotnost byla zvolena 1 815 kg v souladu s kapacitou rakety Vega. Význačným rysem celého miniraketoplánu jsou dvě aerodynamické klapky umístěné na samém konci trupu. Jsou odvozeny od klapek letadla X-38 (opět z rodiny amerických X-letadel), které mělo fungovat jako záchranný únikový modul z Mezinárodní vesmírné stanice ISSISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. ISS je neustále ve stavbě a potýká se s finančními problémy na ruské i americké straně. V roce 2008 byl k ISS připojen Evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán.. Jeho vývoj byl bohužel z důvodu finančních škrtů zrušen. Klapky slouží k řízení letu v atmosféře a sekundují jim čtyři reaktivní trysky s tahem 400 N, umístěné taktéž na zádi vesmírného plavidla. Nicméně hlavní úkol reaktivního pohonu představuje polohování IXV při orbitální fázi letu. Nastavují správný kurz a podélný a příčný náklon. Konstrukce systému reaktivního pohonu včetně palivových nádrží byla inspirována raketou Ariane 5.

Fotografie makety IXV představená na leteckém veletrhu
Le Bourget ve Francii 21. června 2011.

Závěr

Miniraketoplán IXV znamená první krok k evropskému raketoplánu, ale výsledky tohoto experimentu mohou být použity i pro další vesmírné a příbuzné projekty. O šíři zájmu svědčí i množství více než padesáti hostujících experimentů na palubě miniraketoplánu z univerzit, výzkumných center a průmyslu. Původně byl start IXV naplánován na rok 2010, teď se podle posledních zpráv počítá se startem začátkem roku 2014. Doufejme, že miniraketoplán IXV ovlivní více než jen svou nosnou raketu, jak tomu bylo v případě plánovaného raketoplánu Hermes. To by se mohlo docela dobře stát, vzhledem k neklidné situaci v eurozóně a hrozícímu bankrotu Řecka.

Animace týdne: Evropský miniraketoplán IXV

Evropský miniraketoplán IXV. Evropská kosmická agentura ESA plánuje na rok 2014 start návratového pouzdra IXV (Intermediate eXperimental Vehicle), které by mělo být mezistupněm ve vývoji evropské náhrady amerického raketoplánu. Miniraketoplán IXV vynese nová nosná raketa Vega, jejíž první start se uskutečnil v roce 2012. Hlavním cílem je testovat nové technologie návratu atmosférou. Video je počítačovou animací mise miniraketoplánu. Při zpětném návratu bude loď brzděna aerodynamickými klapkami a tryskovými motory. Závěrečný sestup kabiny bude na padácích do Tichého oceánu, obdobně, jako tomu bylo u amerického projektu Apollo. Poté bude vratná kabina analyzována a připravena pro nový start. Zdroj: ESA. (mp4/H264/AVC, AAC, 57 MB)

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu