K. E. Ciolkovskij – průkopník cesty raketou do vesmíru: Myšlenku širokého využití raket vzkřísil a vědecky propracoval před sedmdesáti lety ruský učitel Konstantin Eduardovič Ciolkovskij. Navrhl sestrojení raket, kterými by člověk pronikl do Vesmíru. Tak založil nový vědecký obor, který nazýváme „astronautika“.
Ciolkovského raketa k cestě do Vesmíru: Na rozdíl od raket s prachovou náplní navrhl Ciolkovskij již v roce 1903 podstatně dokonalejší raketový motor s kapalinovým palivem. V trysce jeho rakety se mělo spalovat kapalné palivo tekutým kyslíkem, aby se zvýšila rychlost hoření. Vzniklé spaliny by mohly pohánět raketu i po několik minut, kdežto prachová náplň by za takovou dobu byla již dávno vyčerpána.
Ciolkovského myšlenka: Doba Ciolkovského nebyla ještě zralá ke stavbám technicky dokonalých raket. Prozkoumáním letu rakety a stanovením pouček o jejím pohybu však postavil Ciolkovskij předpověď, která se do písmene splnila sto let po jeho narození. Na obrázku je překlad citátu Ciolkovského, zdobící jeho hrob v Kaluze. Citát o tom, že raketa nemá teoreticky hranic letu, podložený Ciolkovského zákonem o pohybu rakety, ukazuje snad nejlépe velikost jeho průkopnického díla.
Raketový motor uskutečněn: V období druhé světové války byl kapalinový raketový motor zdokonalen. Stejný zůstal pouze jeho princip: výtryskem spalin ze spalovací komory vyvíjí raketa užitečný „tah“. Ve srovnání s jiným pohonem vyvíjí raketový motor po krátkou dobu obrovskou hnací sílu, tj. vyvíjí mocný „tah“. Ve vzduchoprázdnu, kde jiné motory selhávají, pracuje raketový motor dokonce s mnohem lepší účinností než ve vzdušném obalu Země. Tím je přímo předurčen k pohonu vesmírného dopravního prostředku.
Schéma dálkové rakety V-2: První dálkovou raketu vyvinuli Němci koncem druhé světové války. Raketa byla dlouhá 14 metrů a vážila 12 tun. Na alkoholové palivo a kyslík z toho připadlo 8,5 tuny. Obě látky byly v okamžiku startu rakety přečerpávány do spalovací komory pomocí turbopumpy. Ve spalovací komoře směs hořela při teplotě asi 2 700° C. Tím získávala raketa potřebný tah. K řízení rakety sloužila zpočátku soustava vnějších kormidel. Jakmile raketa pronikla do řídkého ovzduší, převzala jejich funkci malá grafitová vnitřní kormidla, zasahující do proudu spalin. Dále již pokračovala raketa v letu svou setrvačností.
Dálková balistická raketa při startu: Po vypuštění stoupá dálková raketa zpravidla svisle vzhůru. Za minutu vystoupí do výšky 30 až 50 km a nabude rychlosti téměř 2 km/vt. Dokud „hoří“ raketový motor, lze dráhu rakety řídit a naklonit ji na balistickou dráhu. Po vyčerpání paliva pokračuje raketa v letu jen svou setrvačností nebo pomocí přitažlivosti.
Řízené protiletadlové střely – rakety: Řízené protiletadlové střely – rakety jsou určeny k tomu, aby za války podporovaly dělostřelectvo a letectvo. Na snímku vidíte vypuštění švýcarské protiletecké raketové střely „Oerlikon“. Raketové střely mnohonásobně zvyšují palebnou mohutnost armády.
Sovětská bojová raketová technika: Sovětští technici nezůstali nic dlužni tradici Ciolkovského. U příležitosti 40-letého výročí Velké říjnové revoluce se pochlubili raketami takové mohutnosti, jaké nemají na Západě obdoby. Tím zaručuje Sovětský svaz plnou obranyschopnost své země. Vlevo nahoře: Raketa kratšího doletu s vlastní pojízdnou lafetou. Vpravo nahoře: Protiletadlové řízené střely na automobilové lafetě. Dole: Balistické střely středního doletu (do 500 kilometrů).
Raketové letadlo: Je v podstatě okřídlenou raketou. Jeho povrch je zrcadlově vyleštěn, aby se snížil odpor tření o vzduch. Raketová letadla řízená pilotem mohou dosáhnout rychlosti asi do 3 000 km za hodinu. Jejich let trvá jen krátkou chvíli a koná se za účelem zkoušky konstrukce letounů pro nejvyšší rychlosti a zjištění odolnosti materiálů.
Startovací rakety: Startovací rakety upevněné na trupu nebo na křídlech velkých letadel nebo letadel pro nejvyšší rychlosti usnadňují krátký start i na malém letišti. Startovací raketa o váze jen asi 100 kg vyvine po dobu asi 15 vteřin užitečný „tah“ nejméně pětkrát převyšující její váhu.
Rekordní sovětská jednostupňová raketa: Rakety určené k výzkumům a měření v nejvyšších vrstvách atmosféry Země s jediným kapalinovým motorem vystupují nejvýše do 200 kilometrů. Rekord sovětské výzkumné rakety, která v únoru 1958 vynesla do výšky 473 km užitečnou zátěž 1 520 kilogramů, ukazuje, že sovětští technici zvládli nové druhy vysoce kalorických paliv a dovedli si poradit i nejvhodnějším tvarem pláště rakety.
„Raketový vlak“ a stupňová raketa: Raketa dosahuje tím větší rychlosti, čím větší je výtoková rychlost plynů a čím větší je váha paliva v poměru k váze prázdné rakety. Kdyby vystačila váha paliva, mohla by raketa teoreticky dosáhnout jakékoliv rychlosti ... Kdybychom u rakety s dnes používanými palivy chtěli dosáhnout rychlosti 4 kilometrů za vteřinu, spotřebovali bychom k tomu na jednu tunu užitečné váhy rakety asi 20 tun paliva. Proto bylo třeba hledat jinou cestu, k níž položil základ Ciolkovského „raketový vlak“. Podle této myšlenky se zrodily vícestupňové rakety. Na rozdíl od Ciolkovského „raketového vlaku“ jsou na sebe napojeny tak, že raketa následujícího stupně je připojena do hlavice rakety předchozí, která shoří a odpadne dříve. Malá křídla na posledním (tj. nejvyšším) stupni rakety se uplatní při přistávání na Zemi.
Třístupňová raketa: Za dnešního stavu techniky kapalinového raketového motoru se nejlépe osvědčuje systém tří stupňů, tj. použití tří raketových motorů. Spodní nejmohutnější raketový stupeň vynese „raketový vlak“ do výšky asi 200 kilometrů a udělí mu rychlost asi 2 km za vteřinu. V bodě (A) odpadne po čárkované dráze k Zemi. Raketa pokračuje setrvačností v letu. Poté se uvede v činnost motor druhého stupně (hoří po silně vytažené dráze). Ten dopraví raketu do výšky 400 až 600 km a udělí jí rychlost téměř 7 kilometrů za vteřinu. I druhý stupeň v bodě (B) odpadne a setrvačností v letu pokračuje jen poslední stupeň. Jeho motor se zapálí o něco později. Tím může získat raketa rychlost 8 km za vteřinu nebo i více – v bodě (C), a v dalším letu pokračuje již jen setrvačností. Nepatrná změna v řízení letu nebo v dřívějším či pozdějším zapálení některého stupně má na výšku a tvar dráhy posledního stupně neobyčejně velký vliv.
Dosažené výšky: Obrovské síly zemské přitažlivosti poutají člověka jakoby ke dnu hluboké nesmírné jámy. Odpoutat se od Země vyžaduje neobyčejnou námahu a lidský důmysl. Člověk se naučil létat. Nejmodernější letadla však nemohou proniknout výše než do 30 kilometrů. Téměř stejně vysoko se vznesl rekordní balón s lidskou posádkou. Na jaře r. 1958 pronikla sovětská rekordní raketa o jediném stupni až do výšky 473 kilometrů. Rakety, které vynesly prvé umělé družice Země, přesáhly výšku 1 000 km: dráhy těchto raket jsou na obrázku promítnuty na rozdíl od skutečnosti do jedné roviny! Nad všemi raketami zvítězila sovětská raketa, vypuštěná 2. ledna 1959, jejíž poslední stupeň je již vzdálen milióny kilometrů od naší Země a stal se umělou planetou Slunce.
Úplné odpoutání od Země: Kdyby vícestupňová raketa nedosáhla při vypuštění do výšky nepřevyšující poloměr Země rychlosti 8 km za vteřinu, byla by přitažena po balistické dráze k Zemi podobně jako dělová střela. Dosáhne-li raketa rychlosti 8 km za vteřinu, mine Zemi a začne kolem ní obíhat po kruhové dráze (podle přesných podmínek může se v okolí této „čisté“ kruhové rychlosti vyskytnout ještě rychlost „podkruhová“ nebo „nadkruhová“). Zvýší-li se rychlost ještě více, změní se kruhová dráha na eliptickou. S přibývající rychlostí se elipsa postupně protahuje. Teprve při dosažení rychlosti 11,2 km za vteřinu se může raketa vymanit po parabolické dráze při něco vyšší rychlosti po hyperbolické dráze do Vesmíru. To je tzv. úniková rychlost. Únikové rychlosti poprvé dosáhla sovětská kosmická raketa vypuštěná dne 2. ledna 1959 na počest XXI. sjezdu KSSS. Hodnoty uvedených rychlostí platí jen v malé vzdálenosti od Země. S přibývající vzdáleností se snižují, takže např. Měsíc, vzdálený 380 000 km, dosahuje přibližně kruhové dráhy, ačkoliv má rychlost pouhých 0,5–1 km za vteřinu.
Kruhová rychlost: Ve vzdálenosti 8 kilometrů od bodu dotyku tečny se zeměkoulí již činí zakřivení rozdíl 5 metrů. Libovolné těleso vlivem zemské přitažlivosti při volném pádu urazí dráhu 5 metrů v prvé vteřině. Kdybychom proto vrhli těleso rychlostí 8 km za vteřinu ve směru tečny, nemohlo by již dopadnout na povrch Země a začalo by kolem ní obíhat po kruhové dráze. Rychlost 8 km za vteřinu byla proto nazvána kruhovitou rychlostí. Této rychlosti poprvé dosáhla sovětská umělá družice, která byla vypuštěna 4. října 1957.
První umělá družice Země: Dne 4. října 1957 byla vypuštěna v Sovětském svazu prvá umělá družice Země pod úhlem 65° k rovníku, do výše 900 km. Lidé celého světa po čtyři měsíce sledovali s neutuchajícím zájmem a sympatiemi její dráhu na okraji kosmické propasti. Prvý „SPUTNIK“ vážil 83,6 kg a byl na své dráze doprovázen posledním stupněm rakety, která jej vynesla.
SPUTNIK II.: SPUTNIK II. byl vypuštěn dne 3. listopadu 1957 pod stejným úhlem jako sputnik prvý. V posledním stupni rakety bylo vmontováno zařízení sputniku: měřicí aparatury pro výzkum slunečního záření, kosmického záření a jiných údajů o nejvyšších vrstvách atmosféry, dvě vysílačky a pokusná kabina s živým psíkem. Tlukotu jeho srdce mohli naslouchat vědci přes obrovskou vzdálenost 1 700 km, dělících nejvyšší bod dráhy rakety od Země, a mohli tak dobře sledovat účinky raketového letu i zvláštních podmínek na hranicích atmosféry. Tím učinili sovětští vědci významný krok k ovládnutí vesmíru!
SPUTNIK III.: Dne 15. května 1958 vypustili sovětští vědci třetí, dosud největší umělou družici Země – SPUTNIK III. Družice má kuželový tvar a váží 1 327 kg! Celková mechanická energie této družice je téměř 17krát větší než u prvního sputniku. Kdyby se podařilo rozřešit problém řízeného návratu družice k Zemi, mohla by vynést na kosmickou dráhu i prvého živého člověka!
Americký „Explorer“ – v pořadí teprve třetí!: Po mnoha nezdařených pokusech a odkladech vypustili dne 31. ledna 1958 i Američané svoji prvou umělou družici, nazvanou „Explorer“. Americká družice váží jen něco přes 13 kg a pohybuje se po eliptické dráze, skloněné k rovníku pod úhlem 33°. Čím je úhel vypuštění k rovníku menší, tím je vypuštění snazší neboť se využívá rychlosti otáčení naší Země. Zato pás k optickému pozorování družice je jen velmi malý. „Explorer“ je vybaven dvěma vysílači, přístrojem na měření teploty, kosmického záření a zařízením pro registraci nárazů mikrometeoritů (droboučkých prachových meteoritů).
Družice podávají zprávy: Každá z umělých družic je vybavována důmyslnými radiotelemetrickými přístroji, které sdělují na velmi krátkých vlnách naměřené údaje podle zvláštního klíče. Jiné vysílače vysílají jen pravidelné opakující se signály, které umožňují zaměřovat dráhu družic. Snímek ukazuje příjem signálů prvé umělé družice Země na vlnách 15 m a 7,5 m, a jejich záznam na magnetofonový pás a na film (vpravo).
Optické sledování dráhy družic: Družici je možno sledovat někdy i pouhým zrakem, avšak pouze za ranního nebo večerního šera. Schéma ukazuje, že právě v tuto dobu prochází osvětlená strana družice polostínem Země a na šedém pozadí dobře odráží sluneční světlo. V noci nebo ve dne nelze pro velkou vzdálenost a malý rozměr družici opticky pozorovat. Sledování dráhy umělých družic podává cenný obraz o hustotě nejvyšších vrstev atmosféry.
Před cestou ke hvězdám: Poznávání nejvyšších vrstev atmosféry Země pomocí výzkumných raket a umělých družic otevírá cestu do Vesmíru. Pro zcela odlišné podmínky kosmického prostoru i pro působení raketového letu nelze hned vyslat do Vesmíru živého člověka. Pokrok může jít jen podle programu uváděného postupně v soulad s vývojem raketové techniky a podle poznatků získaných o působení raketových letů a podmínek mimo atmosféru Země na živoucí organismus.
První kosmičtí pasažéři: Pokusy s chováním zvířat při raketovém letu mohou člověku podat nejlepší důkaz o tom, co ho bude čekat při opuštění naší Země na cestě raketou do Vesmíru. Zatím co Američané konali své pokusy pouze s uspanou opicí „Malpa“ (vlevo), vyslanou do výšky 50 km, vypustili sovětští vědci jen v roce 1957 mnoho raket s pokusnými psíky na „obhlídku“ vesmíru. Psíci Linda, Malyška a Kozjavka na snímku vpravo se po náležité přípravě snesli ve zdraví a bez obtíží až z výšky 212 kilometrů!
Rekord „Lajky“: Fenka „Limončik“ z odolného druhu psíků „Lajek“ žila celý týden v kosmickém prostoru uvnitř druhého sovětského sputniku. Tlukot jejího srdce a reakce organismů mohli vědci sledovat pomocí skvělé radiové techniky, a získali tak prvé cenné zkušenosti o možnostech života v raketě na cestě do vesmíru. Při zrychlování rakety např. rostl počet srdečních stahů a počet dechů nejvýše na trojnásobek normálu, ačkoliv zrychlení několikrát převyšovalo zrychlení Země. Ukázalo se, že i v podmínkách beztížnosti mohla Lajka dýchat a žít normálně, neboť její fyziologický stav se v krátké době přizpůsobil novým životním podmínkám.
Jak snáší člověk ohromná zrychlení: Při vypuštění rakety pro cestu na Měsíc s živou posádkou bude třeba volit vysoká zrychlení. Nesmí však být zase tak velká, aby ohrožovala konstrukci rakety a funkci jejích přístrojů nebo zdraví a život členů posádky. Kdyby podélná osa těla člověka směřovala do směru letu, vhrnula by se krev do spodních končetin těla. Odkrvení mozku by člověk nejprve pociťoval jako palčivé bolesti hlavy, vedoucí až ke ztrátě vědomí. Leží-li člověk na zádech ve směru kolmém na směr letu, snese po několik vteřin i zrychlení desetkrát převyšující zrychlení Země. V tomto případě člověk již váží téměř 1 000 kilogramů!
Člověk v beztížném prostoru: Jakmile raketa s cestovateli získá kruhovou rychlost, bude se posádka nacházet ve stavu tzv. beztížnosti. Člověk má pocit volného pádu, cítí slabost v končetinách, které ztratily váhu a nezbytná souhra ve všech pohybech orgánů bude zcela porušena. Na snímcích je dokumentární záběr působení stavu beztížnosti na pilota proudového letadla: po dobu asi 55 vteřin se člověk vznáší jako pták až ke stropu, aniž na to vynaložil sebemenší úsilí.
Ochranný oděv: V meziplanetárním prostoru není vzduch, kyslík k dýchání ani tlak. Jak ukazuje snímek člověka v tlakové komoře (vlevo), při sníženém tlaku odpovídajícím výšce 100 km vaří se voda ve sklence pouhým teplem jeho těla. Při náhlém porušení kabiny by se již asi ve výšce 20 kilometrů lidská krev v těle vařila. Proto musí být člověk opatřen kyslíkovým přístrojem a tlakovým oděvem (vpravo).
Působení záření na člověka: Jakmile se člověk ocitne za hranicemi atmosféry, bude jeho tělo vystaveno škodlivému záření. Zatím co před ultrafialovými, infračervenými a roentgenovými paprsky dovedeme člověka chránit stěnami kabiny, bude ochrana před pronikavým kosmickým zářením činit největší obtíže.
Stavba obydlené umělé družice Země: Tisíce kilometrů nad zemským povrchem budou vybudovány obydlené umělé družice Země. V nich budou zřízeny laboratoře pro výzkum slunečního a kosmického záření, meteorologická služba a vědeckotechnické zkušebny, které zpřesní znalosti o technice raketových letů ve Vesmíru. Materiál ke stavbě postupně vynesou nákladní rakety ze Země. Kovové díly, které zde vlastně nebudou nic vážit, svaří se pomocí slunečních paprsků soustředěných zrcadly. V kouli na spodní části umělé obydlené družice (na snímku uprostřed) je atomová elektrárna, která zásobuje laboratoře elektrickým proudem.
Meteorologická světová služba na umělé družici: Takto se bude jevit povrch naší Země z umělé družice pohybující se ve výši 6 400 km. Jediným pohledem obsáhne meteorolog na družici povětrnostní situaci na celé zemské polokouli. Tak na obrázku vlevo i vpravo nahoře jsou zřejmé dva cyklony: jeden vlevo nad Aljaškou, druhý vpravo od kanadského pobřeží. Řasnatě rozseté obláčky dole prozrazují proudění monzunových pasátů. Meteorologická služba na umělé družici zpřesní a zrychlí předpovědi počasí.
Stavba rakety k letu na Měsíc: Po získání potřebných informací o možnosti života se na umělé družici začne budovat velká raketa pro let na Měsíc s lidskou posádkou. Raketa nemá aerodynamický tvar. To však není na překážku jejímu letu, který probíhá v prostoru bez vzduchu.
Let na Měsíc: Oběžná rychlost družicové stanice činí 8 km za vteřinu. Zvýšíme-li ji na 10,6 km za vteřinu, unikne raketa až k Měsíci. Měsíc leží v přitažlivém poli Slunce i ostatních planet. Tyto přitažlivé síly zakřiví eliptickou dráhu (A) na dráhu (B). Kdyby se však rychlost stanovená přesně na 10 592 m za vteřinu snížila jen o pouhé 3 m za vteřinu, změnila by se dráha rakety v „osmičku“ (C). Cesta na Měsíc a zpět by nemusela trvat více než 10 dnů. První sovětská raketa se přiblížila k Měsíci dne 4. ledna 1959 na vzdálenost jen 6 000 km. Prolétla kolem a stala se umělou družicí Slunce.
Lidská noha vstupuje na Měsíc: Přes uvedené obtíže stane lidská noha na podivuhodném a vychladlém povrchu Měsíce již za několik let. Přitažlivost na Měsíci je šestkrát menší než na Zemi. Člověku nebude proto obtížné zvedat i větší kusy skály a bude se pohybovat s neobyčejnou lehkostí. Více než stostupňový mráz ve stínu, prostředí bez atmosféry a žádný život nebude lákadlem k „turistickým“ výletům na Měsíc. Zato věda bude obohacena novými poznatky o stavbě Vesmíru právě tak, jako ji nyní obohatila měření provedená první sovětskou kosmickou raketou.
Cesta na Mars: Cesta ze Země na Mars nepovede nejkratším směrem, neboť raketový motor by spotřeboval neúměrně velké množství paliva. Vyčká se proto na nejvhodnější konfiguraci Země a příslušné planety a dráha se povede po elipse tak, aby se využilo rychlosti oběhu Země kolem Slunce. Plán cesty na Mars ukazuje na horní kresbě počáteční polohu Země (Z₁) a Marsu (M₁) v okamžiku startu rakety. Doba letu po znázorněné eliptické dráze potrvá asi 260 dnů. Raketa přistane na Marsu (nebo výhodněji na některém z jeho dvou Měsíců) v poloze M₂. V té době již bude Země v poloze Z₂. Vyčkání vhodného okamžiku pro zpáteční cestu po půlelipse by si vyžádalo 445 až 449 dnů. V té době odstartuje raketa z Marsu (z polohy M₃), aby po cestě trvající opět 260 dnů přistála na Zemi, která proti okamžiku zpátečního startu (Z₃) bude v poloze (Z₄).
Jaký pohon k cestě do vesmíru?: Současná chemická paliva neposkytují větší výtokovou rychlost než 2,5 km za vteřinu. I ta nejlepší v budoucnosti nedají vyšší rychlosti než 4 km za vteřinu. To zabezpečuje cestu na Měsíc. Avšak k cestě na Mars a na Venuši bude zapotřebí atomového pohonu, který umožní hned zpočátku dosažení výtokových rychlostí 4 až 7 km za vteřinu. K cestě na vzdálenější planety musíme ovládnout iontový pohon (rychlost 100 km za vteřinu) nebo fotonový pohon, s nímž by raketa téměř dosáhla rychlosti světla.
Iontový motor: Kapalný prvek cesium se ve zvláštní spalovací komoře odpaří na platinových deskách. Jeho ionty jsou pak urychlovány urychlovačem nabitých částic napájených generátorem jaderné elektrárny. Proud „iontů“ vyvolává „tah“ rakety.
Do vzdálených končin vesmíru ...: Rozlišujeme let na Měsíc (dálka 385 000 km) a na nejbližší planety Venuši a Mars, vzdálené přibližně 50 miliónů kilometrů, od letu ke hvězdám a planetám jiných slunečních soustav. Tam platí pro vzdálenosti jiná měřítka. Astronomové je vyjadřují v počtu let, která uplynou při šíření jejich světla k nám. V těchto rozměrech je Měsíc od Země vzdálen jen 1,3 světelné vteřiny, Slunce 8 světelných minut, ale nejbližší hvězda jiné sluneční soustavy než naší, hvězda Proxima Centauri, je v těchto měřítkách vzdálena již 4,3 světelného roku! K jejímu dosažení by bylo možno použít jen fotonové rakety (na snímku). Dosavadní technika dobře vystačí pro let na Měsíc a na nejbližší planety, ale pro lety k planetám jiných slunečních soustav by musila být nalezena nová technika.
y
