Inżynieria kosmiczna: z ilu nauk korzysta

Określenie rocket science pochodzi z języka angielskiego i jest grą słów. Dosłownie oznacza „naukę o rakietach”, ale w przenośni – coś bardzo skomplikowanego, poza zdolnościami pojmowania przeciętnego człowieka, dziedzinę dostępną tylko dla specjalistów. Nie bez powodu – faktycznie w inżynierii kosmicznej jak w soczewce spotykają się fizyka, chemia, inżynieria materiałowa, mechanika, elektronika, informatyka – i pozwalają nam podziwiać potęgę ludzkiego umysłu.

Dziura oblana metalem

Historia każdego startu w kosmos zaczyna się wiele miesięcy wcześniej w zakładach produkujących rakiety. Technicznie rzecz biorąc, rakieta to przede wszystkim zbiornik na paliwo. W momencie startu 85–90% masy stanowi właśnie ono (dla porównania, w samochodzie paliwo to 4% masy, a w długodystansowym samolocie pasażerskim – ok. 40%). Nic dziwnego. Przy czym pierwsze zadanie rakiety to szczelne utrzymanie paliwa w bardzo zmiennych warunkach fizycznych. W nowoczesnych konstrukcjach, których pierwsze stopnie lądują i mogą być ponownie użyte, dodatkową funkcją rakiety jest powrót do atmosfery i bezpieczne opadnięcie na lądowisku.

Starsi inżynierowie mówią żartem, że rura to dziura oblana żelazem, i określenie to doskonale pasuje do rakiety, choć akurat w tym przypadku metalem jest nie żelazo, ale stop aluminium i litu. Długość owej „dziury” to kilkadziesiąt metrów (dla Falcon 9–70 m), a ściany są zaskakująco cienkie – mają 4–8 mm grubości. Choć to mniej niż szerokość palca, tyle wystarczy, aby utrzymać je w szczelności, jeśli tylko łączenia są prawidłowe. Do spawania tego ultralekkiego stopu używa się wynalezionej w 1991 r. metody tzw. tarciowego spawania z przemieszaniem (FSW). Nie ma spoiwa – tarcza cierna obracająca się z ogromną prędkością rozgrzewa brzegi dwóch blach, roztapia je, miesza ze sobą, a następnie pozwala ostygnąć. Uzyskany spaw staje się na tyle silny i jednolity, że ryzyko rozszczelnienia zbiornika (takiego jak to, które spowodowało katastrofę wahadłowca Challenger) jest ograniczone do minimum. Aby mieć stuprocentową pewność szczelności, bada się zresztą jakość spoiwa metodami krystalografii rentgenowskiej i pozytonowej.

W rakietach stosuje się dzisiaj przede wszystkim trzy paliwa – naftę (kerosen), metan oraz wodór. Utleniaczem jest tlen – bez niego paliwo nie będzie się spalać, a tlen atmosferyczny nie wystarczy – pojazd kosmiczny szybko opuszcza gęste warstwy atmosfery. Trzeba dlatego w rakiecie utrzymać w stanie ciekłości jeden gaz (tlen) albo dwa (w przypadku paliwa wodorowego i metanowego). Konstrukcja musi więc przetrwać ochłodzenie do ok. –180°C (tlen) i ok. –240°C (wodór) oraz różnicę temperatur – owa kilkumilimetrowa ścianka plus niewielka piankowa izolacja termiczna oddzielają ciekły gaz o ekstremalnie niskiej temperaturze od ciepłego ziemskiego powietrza. Jeśli ktoś obserwował rakietę czekającą na start, widział pewnie, że „dymi”. To dymienie to po prostu para wodna, kondensująca się w sąsiedztwie bardzo zimnego zbiornika.

Owa „dziura oblana metalem” ma dodatkowe elementy na obu końcach. Na dole – silnik lub grupę kilku silników; na górze – ładunek albo kapsułę załogową. Oto i cała konstrukcja rakiety.

Start i pierwsza faza wznoszenia

Zastanówmy się chwilę nad fizyką lotu orbitalnego. W teorii wszystko jest proste: chodzi o wywołanie wektora siły skierowanego ku górze, który przezwycięży ciążenie i wyniesie ładunek na orbitę okołoziemską, od kilkuset (orbita niska, tzw. LEO, gdzie krążą laboratoria kosmiczne, satelity meteorologiczne i wojskowe) do ponad 30 tys. km od powierzchni (orbita geostacjonarna, po której krążą satelity telekomunikacyjne). Jednak samo wyniesienie na tę wysokość nie wystarczy. Trzeba jeszcze sprawić, że ładunek nie wróci jak kamień rzucony do góry.

Większość paliwa rakiety nie idzie wcale na jej wyniesienie, ale zużywana jest do nadania jej ogromnej prędkości poziomej, która pozwala satelicie krążyć wokół Ziemi i nie spaść. Stąd też paraboliczny tor lotu: najpierw rakieta leci pionowo, aby przebić się przez gęste warstwy atmosfery, potem pochyla się i leci niemal poziomo. Oznacza to, że trzeba nadać jej bardzo dużą prędkość – rzędu ok. 8 km/s dla LEO. Osiągnięcie tej ogromnej prędkości musi być rozłożone w czasie. Pierwsze rakiety osiągały przyspieszenia rzędu 10 g, ale powodowało to znaczne naprężenia konstrukcji, a w lotach załogowych stanowiło zagrożenie zdrowia i życia ludzi. Dzisiaj typowe przyspieszenie w momencie startu to 3 g. Niech nikogo nie zmyli widok rakiety „wolno i majestatycznie” wznoszącej się ku górze. W rzeczywistości już kilkanaście sekund po wyjściu z wyrzutni przekracza prędkość dźwięku, a potem tylko przyspiesza. Tytułem ciekawostki warto dodać, że gdyby Ziemia miała tylko o połowę większy promień (przy takiej samej gęstości), jej masa byłaby na tyle duża, że nawet najbardziej energetyczna reakcja chemiczna (wodór–tlen) nie pozwoliłaby opuścić strefy przyciągania planety. Gdybyśmy więc byli mieszkańcami superziemi (większość planet skalistych odkrytych poza naszym układem to właśnie takie globy, o masie 5–10 mas Ziemi), patrzylibyśmy nadal tęsknie ku gwiazdom – niezdolni, by oderwać się od powierzchni globu.

Podczas startu na konstrukcję rakiety działają ogromne siły – z jednej strony ciąg silników, z drugiej grawitacja, siła bezwładności (masa startowa Falcon 9 to 549 t) i opór powietrza. Dolne warstwy atmosfery są stosunkowo gęste. I choć rakieta przebywa w nich krótko, musi pokonać wielki opór. Na wysokości 11–13 km następuje tzw. Max Q – moment, w którym siły działające na konstrukcję stają się maksymalne. Niżej prędkość jest zdecydowanie mniejsza, więc opory ruchu także; wyżej atmosfera robi się zdecydowanie rzadsza. To trudny moment – rakieta jest wtedy najbardziej narażona na uszkodzenie konstrukcji.

Spójrzmy w dół na silniki. Silnik rakiety to po prostu (do pewnego stopnia) kontrolowana eksplozja. Dozowniki paliwa (w silnikach Merlin, napędzających rakiety SpaceX, to nafta) podają je w ilościach 140 kg/s. Gazy wylatują z prędkością ok. 3 km/s – stąd ogromny huk podczas startu. Paliwo krążące w przewodach nie tylko się spala, ale także odprowadza nadmiarowe ciepło z silnika. Temperatura spalania paliwa sięga 3000°C. Przypomnijmy, że komora spalania znajduje się zaledwie kilka metrów od głównego zbiornika, którego temperatura to prawie –200°C, i centymetry od przewodów doprowadzających to paliwo do komory spalania. Silnik musi pracować tak samo niezawodnie na ziemi, przy ciśnieniu 1 atmosfery, temperaturze kilkunastu stopni Celsjusza i grawitacji 1 g, jak i w przestrzeni kosmicznej, w temperaturze bliskiej zera absolutnego oraz przy braku grawitacji i atmosfery. Te liczby obrazują skalę wyzwań, przed którymi stoją konstruktorzy – samo dobranie materiałów zapewniających niezawodne działanie przy takiej różnicy temperatur to wielki problem. Jeśli dodamy do tego konieczność kontrolowania natężenia i kierunku ciągu podczas spalania 140 kg paliwa na sekundę, mamy obraz tego, jak naprawdę złożone jest rocket science.

Po co rakietom stopnie?

Na wysokości 60–70 km przy prędkości ok. 8 tys. km/h (dane dla Falcon 9) następuje separacja pierwszego stopnia rakiety. Pewnie niejeden, słysząc o stopniach, zastanawiał się, po co się je stosuje. Sprawa jest prosta – każdy kilogram masy ma znaczenie. W miarę jak rakieta oddala się od powierzchni Ziemi, zużywa paliwo. Pozostaje więc pusty zbiornik, który trzeba ciągnąć za sobą. Odłączenie go natomiast pozwala lepiej wykorzystać pozostałe paliwo. Kiedyś pierwsze stopnie rakiety po prostu spadały do oceanu albo spalały się w atmosferze nad niezamieszkanymi terenami. Dzisiaj lądują na resztkach paliwa i nadają się do kolejnego wykorzystania. W SpaceX pierwszy stopień ląduje na Atlantyku na bezzałogowej barce o wdzięcznej nazwie „Oczywiście Nadal Cię Kocham”.

W niektórych lotach (np. startach wahadłowca oraz rakietach Falcon Heavy) stosuje się dopalacze boczne. Zwiększają one ciąg przez kilkadziesiąt pierwszych sekund lotu, nadając większą prędkość i zmniejszając zużycie paliwa z głównego zbiornika. Ich spektakularne, nieomal symetryczne lądowanie to jeden z najwspanialszych widoków całego spektaklu, jakim jest wystrzelenie misji kosmicznej – wygląda jak start, tyle że puszczony od tyłu. Współczesne dopalacze działają na to samo paliwo co rakiety podstawowe; wcześniej stosowano przede wszystkim paliwa stałe.

Oddzielenie kolejnych stopni odbywa się już de facto w przestrzeni kosmicznej. Odpowiednie rozłączenie segmentów aluminiowo-litowego walca bez stworzenia zagrożenia dla całej reszty oraz skierowanie go na bezpieczne wodowanie lub lądowanie to newralgiczny moment lotu. Niestety, nie znaleziono ciągle sposobu na odzyskanie drugiego stopnia – jego odłączenie odbywa się zbyt wysoko, aby mógł wrócić bezpiecznie na Ziemię. Spala się więc w atmosferze – czasami tworząc spektakularne widowisko, jak 25 marca 2021 r. nad Zachodnim Wybrzeżem USA. W przeszłości agencje kosmiczne nie zawracały sobie głowy bezpiecznym powrotem i spaleniem kolejnych stopni – dlatego wiele z nich krąży w przestrzeni na niskich orbitach, stanowiąc dość istotny problem z punktu widzenia bezpieczeństwa lotów.

Orbitowanie

Cały lot rakiety musi odbywać się w sposób niewyobrażalnie precyzyjny. Wszystko jest wyliczone bardzo dokładnie – moment odłączenia poszczególnych stopni, włączenia i wyłączenia silników, kierunek wylotu gazów, siła nośna… Nawet niewielkie różnice w prędkości lotu, kierunku i wysokości orbity oznaczają ryzyko dla całej misji, w tym życia astronautów. W locie wahadłowca STS 126 w 2008 r. silniki wyłączyły się przy prędkości 7825 m/s. Gdyby zamiast tego wyłączyły się przy 7806 m/s, czyli zaledwie o 18 m/s mniej, wahadłowiec nie spotkałby się z Międzynarodową Stacją Kosmiczną, a załoga musiałaby awaryjnie lądować na morzu w okolicach Hiszpanii.

Jeszcze większa precyzja wymagana jest przy lotach międzyplanetarnych – tam nawet 0,01% różnicy w długości pracy silników albo kierunku natarcia oznacza niemożność trafienia w cel misji. Odłączona od rakiety sonda po prostu nie ma dość paliwa, aby skorygować różnicę później. Dlatego za tak wielki sukces należy uznać misję New Horizons – precyzyjnie skierowała się na grupę Plutona i przelatując obok, zrobiła spektakularne zdjęcia samej planety karłowatej i jej księżyców, a jednocześnie z niczym się nie zderzyła. Dopisało też szczęście – układ jest na tyle złożony, że niektóre jego mniejsze księżyce poruszają się chaotycznie i nie sposób przewidzieć, gdzie dokładnie się znajdą w momencie przelotu.

Aby zobrazować precyzję wymaganą przy manewrach kosmicznych, zwłaszcza w misjach międzyplanetarnych, można użyć porównania do ziemskiej skali. W 2014 r. europejska agencja ESA wysłała sondę Rosetta i próbnik Philae, aby wylądował na orbicie 67P/Czuriumow-Gierasimienko. Wyobraźmy sobie ziarenko grochu wystrzelone w Gdańsku tak precyzyjnie, że leci do Elbląga, następnie trzykrotnie powraca w okolice Gdańska, za każdym razem szybciej (trzykrotna asysta grawitacyjna Ziemi), a potem dociera do Ustrzyk Dolnych. Tam odłącza się od niego ziarenko piasku (lądownik Philae), ląduje precyzyjnie na czymś wielkości piłki plażowej, po czym nawiązuje łączność i przekazuje do Gdańska dane.

Niewiele mniejsza, choć nadal ogromna precyzja konieczna jest przy połączeniu z Międzynarodową Stacją Kosmiczną. Kapsuła z ładunkiem lub załogą musi uzyskać odpowiednią odległość, ustawić się elementem dokującym naprzeciw śluzy stacji i bardzo wolno zbliżyć. Niegdyś zajmowali się tym ludzie – doskonale pokazuje to film „Apollo 13”; tam statek orbitalny musiał oblecieć i „przedokować” lądownik księżycowy. Dzisiaj robią to komputery. Szczelność połączenia to warunek konieczny bezpieczeństwa załogi – przypomnijmy, w kosmosie nie ma powietrza, panuje temperatura bliska zera bezwzględnego i jeśli zostałaby najmniejsza szczelina, powietrze zostałoby wyssane ze stacji. Na szczęście w rzeczywistości nigdy się to nie wydarzyło, ale bardzo wiarygodnie oddano taką katastrofę w filmie „Grawitacja”.

Jak wylądować cegłą, czyli powrót

I wreszcie powrót misji załogowej na Ziemię – oprócz startu najbardziej newralgiczny i niebezpieczny moment. Zaczyna się od uruchomienia na chwilę silników manewrowych i zmniejszenia prędkości poziomej. Fizyk powiedziałby, że siła odśrodkowa lotu orbitalnego przestaje równoważyć siłę przyciągania ziemskiego i kapsuła stopniowo kieruje się po trajektorii parabolicznej ku Ziemi.

Kluczowe są kąt wejścia i orientacja pojazdu. Chodzi o to, żeby wytracić prędkość kilku km/s i zacząć opadać swobodnie na spadochronach, a jednocześnie by nie została naruszona struktura kabiny, a jej temperatura nie przekroczyła wartości krytycznych. Dość powiedzieć, że zewnętrzna część statku kosmicznego, pokryta pianką izolacyjną lub (wcześniej) płytkami ceramicznymi, rozgrzewa się do ponad 1500°C. To bardzo niebezpieczny moment – w 2002 r. załoga wahadłowca Columbia zginęła podczas manewru wejścia w atmosferę, kiedy gorąca plazma wdarła się do skrzydła przez dziurę w warstwie izolacyjnej powstałą podczas startu. Z podobnych powodów zginęli trzej radzieccy kosmonauci. Podczas powrotu z misji Sojuz 11 kabina rozhermetyzowała się tuż po rozłączeniu części statku 170 km nad Ziemią. I choć statek wylądował prawidłowo, żaden z trzech pionierów kosmosu nie przeżył.

Ostatnia faza lotu, w gęstej atmosferze, odbywa się z pomocą spadochronów hamujących. Ich zadaniem staje się zmniejszenie prędkości kapsuły do takiej, przy której przyziemienie jest bezpieczne dla ludzi. W amerykańskich lotach załogowych dodatkowym zabezpieczeniem jest lądowanie na wodzie – pozwala na zamortyzowanie zbyt dużej prędkości w ostatniej fazie. W chińskich i radzieckich – na lądzie. Na szczęście nigdy nikt żywy nie rozbił się o ziemię podczas lądowania – choć takie twarde lądowania często zdarzają się przy misjach księżycowych i międzyplanetarnych.

Wahadłowce lądowały jak samoloty – ale był to bardzo niebezpieczny manewr, nawet przez doświadczonych pilotów porównywany do lądowania za sterami cegły. Wahadłowiec miał bardzo kiepskie parametry aerodynamiczne, w związku z tym niemal do ostatniej chwili schodził z bardzo dużą prędkością pionową. Nie posiadał własnego napędu, więc nie było możliwości powtórzenia próby. Podchodził do pasa z ogromną prędkością poziomą, bliską prędkości dźwięku – przy braku hamulców i silników hamujących potrzebował niezmiernie długiego pasa, aby bezpiecznie się zatrzymać. Pomagał wypuszczany na pasie spadochron hamujący. Ta kłopotliwa i niebezpieczna procedura była – obok dwóch katastrof – jednym z powodów wycofania wahadłowców z eksploatacji.

Sterowanie

Jak widać, powtarzający się składnik wszystkich faz lotu to precyzja w wyznaczaniu jego parametrów i sterowaniu samym pojazdem kosmicznym. Zaczyna się od określania pozycji. Pamiętajmy, w przestrzeni kosmicznej nie ma tego, co mamy na Ziemi – pola magnetycznego (kompasu), stron świata, punktów orientacyjnych, nawet satelitów GPS. Duże ciała niebieskie – Ziemia, Słońce, Księżyc – nawet jeśli są widoczne, to zmieniają pozycje i nie za bardzo nadają się do nawigacji. Dlatego współczesne pojazdy kosmiczne nawigują względem gwiazd – specjalne oprogramowanie odnajduje pewne wzorce gwiazd stałych i na tej podstawie ustala orientację i kierunek lotu. Akcelerometr, podobny do tego, z którego korzystamy w smartfonach, ustala przyspieszenie; najtrudniej jest z prędkością – choć tutaj z pomocą przychodzi efekt Dopplera oraz obserwacja bliskich obiektów, przede wszystkim naszej gwiazdy, planet oraz księżyców. Dzięki nim pojazd „wie”, gdzie się znajduje, w którym kierunku leci i z jaką prędkością. Jest też więc w stanie precyzyjnie skierować antenę nadawczo-odbiorczą i kontaktować się z Ziemią. W lotach międzyplanetarnych konieczna staje się znaczna autonomia pojazdu – często od miejsca przebywania do naziemnego centrum sterowania jest tak daleko, że sygnał potrzebuje wielu minut, a nawet godzin, aby dotrzeć do pojazdu i powrócić. A w kluczowych fazach lotu – np. lądowaniu na Marsie albo zbliżaniu do asteroidy – wszystko dzieje się dość szybko. Decyzje musi podejmować sam pojazd, a dokładniej – komputer nim sterujący.

Rozwój astronautyki jest więc ściśle sprzężony z rozwojem informatyki i programy kosmiczne – korzystające z hojnego finansowania rządowego – były długo istotnym źródłem innowacji w dziedzinie sprzętu i oprogramowania komputerowego. Główny komputer sterujący modułu głównego misji Apollo miał 36 kB pamięci stałej (ROM) i 4 kB pamięci operacyjnej (RAM). Łazik Perseverance ma, dla porównania, 2 GB ROM i 256 MB RAM. To nadal sporo mniej niż przy typowym smartfonie, który nosimy w kieszeni. Jednak to nie moc obliczeniowa przesądza o sukcesie misji. Głównym czynnikiem jest niezawodność – to dlatego np. wspomniany łazik marsjański ma dwa identyczne komputery oraz moduł, który „negocjuje”, jeśli podają one inne dane. Dron Ingenuity, który wykonał już kilkanaście spektakularnych lotów w atmosferze Czerwonej Planety, działa na bazie popularnego darmowego systemu operacyjnego Linux. Podczas kluczowej ostatniej fazy lądowania łazik korzystał z technologii FPGA, pozwalającej znany algorytm „wypalić w krzemie” – dzięki czemu działa tysiące razy szybciej, niż gdyby był wykonywany jako rozkazy procesora. Czynność, która w najszybszym systemie zajęłaby milisekundę, dzięki FPGA zajmuje ułamek mikrosekundy – a takie różnice mają znaczenie podczas bezpiecznego posadzenia łazika na powierzchni Marsa.

W okresie pokoju to loty kosmiczne stanowią awangardę postępu naukowego i technicznego. Choć stosowane w nich rozwiązania mają prototypowy i często jednostkowy charakter, to właśnie w tej dziedzinie przełamywane są istniejące ograniczenia i wytyczane nowe drogi ludzkiego rozumu.