Свемирски летови

Свемирски летови представљају боравак, путовања или превоз у или кроз свемир. Прелаз између планете Земље и свемира одређен је Кармановом линијом, или замишљеном висином (око 100 km) коју је Међународна ваздухопловна федерација (ФАИ) () прихватила као границу која се обично користи за дефинисање разграничења између Земљине атмосфере и свемира. Изнад ове линије може се говорити о боравку или лету у свемир.

Свемирски летови могу бити са људском посадом или без ње. Пример свемирских летова са људском посадом су руски Сојуз програм, и амерички Спејс шатл програм, као и Међународна свемирска станица. Примери свемирских летова без људске посаде су комуникациони сателити. Њима се управља телероботичком контролом или су у потпуности аутономне.

Свемирски летови се користе у циљу истраживања свемира и у комерцијалне активности попут свемирског туризма и за телекомуникације. Користе се и у некомерцијалне сврхе попут надгледања свемира или надгледања и праћења активности на Земљи.

Развојем свемирских летелица бави се астронаутика. Свемирски летови почињу лансирањем ракете, која омогућава почетно одвајање и превазилажење силе гравитације којим се свемирска летелица одваја од површине Земље. Када дође у свемир, кретање свемирске летелице проучава астродинамика.

Историја Први реалистичан предлог свемирског путовања дао је Константин Циолковски. Његов чувени рад, Истраживање космичког простора реактивним уређајем (), објављен 1903. године, био је веома утицајан изван Русије.

Свемирски летови постали су могући са инжењерске тачке гледишта када је Роберт Годард 1919. године објавио рад „Метода постизања екстремних висина“ (), у којем је решио проблем енергије применом де Лавалове млазнице коришћењем течног горива којима су омогућена интерпланетарна путовања. Такође је у својој лабораторији доказао да ракете могу да раде у вакууму свемира, што је тада била велика мистерија. Овај рад је био веома утицајан на Хермана Оберта и Вернера фон Брауна, који су касније били кључни играчи у свемирским летовима.

Прва ракета која је досегла свемир на висини од 189 km је била немачка V-2 ракета, током тестирања у јуну 1944. године. Први Спутњик је Совјетски Савез лансирао 4. октобра 1957. године, чиме је послат први вештачки сателит у орбиту Земље. Први свемирски лет са људском посадом је био Восток, 12. априла 1961. године, а први космонаут је био Јуриј Гагарин. Главне архитекте совјетског програма су били Сергеј Корољов и Керим Керимов.Peter Bond, Obituary: Lt-Gen Kerim Kerimov, The Independent, 7 April 2003.

Погон ракетним мотором је још увек стандардно присутан, за достављање терета у орбиту, мада се већ више деценија развијају алтернативни комбиновани рационалнији системи, који би могли да ускоро замене постојеће. У њих спадају комбинације ракетног погона са надзвучно набојномлазним мотором. Овај други, летелицу погони у простору великих висина у атмосфери, до хиперсоничних брзина (око М = 5). Ракетни погон се користи за почетно убрзавање и за лет изван атмосфере до уласка у орбиту. Једна од летелица са таквим погоном је Skylon. Њен први лет је планиран за 2019. годину.

Фазе Лансирање мини|десно|200п|Лансирање мисије Аполо 11. Сваки лет у свемир започиње лансирањем ракете (ракете-носача) из свемирске луке (космодрома). У склопу сваког већег космодрома обично се налази више комплекса за лансирање и лансирних рампи са којих ракете полећу из усправног положаја. Поред ових инсталација, већина њих поседује и дуге писте за полетање и слетање теретних авиона којима се транспортују компоненте свемирских летелица, а понекад и целе летелице, планетарне сонде или комерцијални сателити. Ове писте користе и авиони који превозе космонауте пред летове у свемир. У неколицини случајева користиле су се и за слетање летелица при повратку из свемира, као што је то случај код америчког спејс-шатла и совјетског програма Буран. Космодроми се обично налазе далеко од насељених области због буке, која при полетању ракете достиже преко 200 dB и може да проузрокује озбиљну штету, али пре свега из безбедоносних разлога. Понекад (зависно од ракете, у 0–5% случајева) могуће је да дође до квара на ракети током узлетања и да она скрене са курса. Тада се шаље команда за самоуништење, након које ракета експлодира, а велики делови конструкције ракете падају на земљу и могу да нанесу велику штету. Лансирања интерконтиненталних балистичких ракета (-{ICBM}-) спроводе се из посебних инсталација, најчешће војних база које поседују силосе или из великих нуклеарних подморница.

Полетање ракете је обично временски ограничено такозваним „прозорима за лансирање“, који износе од 0 секунди (тренутни) до пар сати или чак више недеља у случају лансирања истраживачких сонди ка планетама. Дужина прозора за лансирање зависи од позиције циљаних небеских тела или орбита у односу на место лансирања. Највећи утицај на дужину тог прозора обично има сама ротација Земље око своје осе. Након лансирања, летелице или сателити обично улазе у орбиту која је лоцирана на површи која заклапа одређени угао у односу на осу ротације Земље, и тај угао је у већини случајева фиксан, мада има и летелица које мењају инклинацију орбите (нпр. шпијунски сателити).

Лансирна рампа је фиксна структура која обезбеђује све неопходне услове за лансирање ракета. Основни делови ових конструкција су лансирни торањ и ров за каналисање издувних гасова ракете. Лансирни торањ обезбеђује стабилност ракете која је за њега причвршћена све до неколико секунди пред узлетање, али се кроз њега такође спроводе црева којим се допрема гориво до резервоара ракете, каблови за напајање батерија летелице док је унутар заштитног омотача ракете, а на њима су често и камере преко којих инжењери могу да прате да ли све протиче по плану. Висина лансирног торња и његови габарити зависе од ракете коју опслужује, и креће се од пар десетина метара за мање ракете до преко 110 m за највеће, попут ракета Сатурн V (САД) и Н–1 (СССР). Ров за каналисање издувних гасова у ствари има главни задатак да што брже одведе акустичну енергију и вибрације које при полетању стварају ракетни мотори. Поједини ровови се у тренутку узлетања пуне великим количинама воде која додатно пригушује акустичну енергију. У непосредној близини лансирне рампе налази се опрема помоћу које се ракета подиже у вертикалан положај, пумпе и резервоари за складиштење ракетног горива, а понегде и високи водоторњеви за акумулацију велике количине воде која се за само пар секунди под великим притиском упумпа у ров испод ракете која узлеће са лансирне рампе.

Досезање свемира мини|десно|380п|Зоне разграничења летења у атмосфери и космосу и врсте летења у космосу. Најчешће коришћена дефиниција границе од које почиње свемир јесте Карманова линија – 100 km изнад површине Земље. Поређења ради, путнички авиони лете на висинама од 10–13 -{km}-, војни ловачки авиони око 20 -{km}-, а шпијунски авиони попут Локид SR-71 око 26 -{km}-. Америчка летелица на ракетни погон X-15 је током експерименталних летова 1960-их достизала надморску висину и до 107 km, на самој ивици свемира, и притом се кретала брзином од око 7.200 -{km/h}-. Током тих експерименталних летова прикупљени су подаци који су касније коришћени приликом израде капсула за летове у свемир са људском посадом. Висински и брзински рекорди које је ова летелица поставила још нису одобрени.

Ракете-носачи су тренутно једина практична средства за достизање свемира. Конвенционални млазни мотори које данас користи већина авиона не могу се користити за лет у свемир, јер не могу радити без дотока велике количине кисеоника који је неопходан за сагоревање горива. Ракетни мотори сагоревају гориво великом брзином и тиме производе потисак који обезбеђује довољну промену брзине (ΔV) за достизање орбите. Погонски системи, зависно од области којој су намењени, могу бити: Потрошни лансирни системи мини|десно|200п|Норт Америкен X-15 Једностепени лансирни системи за директно лансирање у орбиту Једностепени лансирни системи за лансирање до „Небеске куке“ ()

Код ракета које превозе људску посаду уграђују се додатни ракетни системи који у случају нужде током полетања одвајају посаду од остатка ракете, након чега се капсула са космонаутима безбедно приземљује. Ови ракетни системи производе велики потисак, јер је потребно да у делићу секунде одвоје капсулу која тежи више тона далеко од ракете. На пример, овакав ракетни систем који је развијен за будући амерички свемирски брод Орион има већи потисак од ракете Атлас -{109-D}- којом је Џон Глен 1962. године лансиран у свемир.

Алтернативни концепти досезања свемира мини|десно|200п|Уметничко виђење свемирског елеватора (НАСА). Од када су летови у свемир престали да буду само тема научнофантастичних филмова и књига, односно од када је почело озбиљно да се ради на ракетама у првој половини 20. века, предложен је велики број начина за досезање свемира без употребе ракета-носача. У те начине се убраја идеја о употреби свемирског елеватора (лифта) и ротоватора, који би били направљени од нових материјала много чвршћих од било ког данас доступног. Један концепт орбиталног конопца (или ланца) који је могуће изградити користећи данас доступне материјале и технологију познат је под називом неротирајућа небеска кука ().Smitherman, D. V., "Space Elevators, An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium", NASA/CP-2000-210429 Sarmont, E., ”Affordable to the Individual Spaceflight”, accessed Feb. 6, 2014 Електромагнетски лансери попут лансирних петљи су такође оствариви коришћењем данашњих технологија. У остале идеје спадају летелице/свемирски авиони потпомогнути ракетама (попут концепта ), свемирски авиони погоњени набојномлазним моторима или погонским системом базираним на комбинованом циклусу (). Лансирање терета који је мање осетљив на велика убрзања (велике -{g}- силе) могао би да се обавља испаљивањем из великих хаубица, које би морале да буду далеко веће од највећих хаубица коришћених током ратова.

Напуштање орбите

мини|десно|200п|Сервисни/командни модул пројекта Аполо у орбити око Месеца. Да би се неки објекат лансирао ка Месецу или другим планетама није неопходно да он прво уђе у орбиту око Земље. Многе руске свемирске летелице успевале су да постигну веома велику орбиталну висину без уласка у кружну орбиту. НАСА је првобитно разматрала да капсулу Аполо лансира путањом која води право на Месец, али је касније ипак усвојена другачија стратегија – капсула је прво лансирана у привремену ниску орбиту око Земље, такозвану паркинг орбиту, а затим је поново паљен мотор трећег степена ракете Сатурн V након чега је летелица била на трајекторији ка Месецу. Одлука да се летелица прво стави у паркинг орбиту значила је да ће се потрошити већа количина горива јер је перигеј ове орбите морао бити довољно велики да летелица не уђе поново у атмосферу. С друге стране, у случају лансирања у директну трајекторију ка Месецу, мотор трећег степена ракете се пали само једном и по његовом гашењу овај степен ракете се одбацује а летелица наставља ка свом одредишту.

Свемирски летови

Źródło i licencja