Obsah > Základy kosmonautiky > Pohony > Fyzikální kosmické pohony

NOVÉ PRINCIPY FYZIKÁLNÍCH KOSMICKÝCH POHONŮ

Experimentální iontový motor využívající Hallova jevu v činnostiMinulé století přineslo velký rozmach raketové techniky využívající chemického pohonu. Z nových technologií pohonů byly realizovány iontové elektrické motory jako orientační či pohonné jednotky družic a sond (sonda Deep Space 1). Malých slunečních plachet se občas využilo jen jako stabilizační plochy zejména geostacionárních družic a termální jaderné raketové motory dospěly jen do stádia zkoušek několika prototypů.
Lze však očekávat, že toto století přinese do kosmických letů některé inovace a větší využití známých fyzikálních principů (zejména pro lety do blízkého kosmu). Lze si však představit, že vzdálenější lety již s klasickými chemickými raketovými motory uskutečnit nepůjde a tak bude potřeba hledat a zkoušet nové principy. Případná vyslání bezpilotních sond do vzdáleného vesmíru si bude žádat daleko hlubší poznání i našeho Vesmíru. Na příkladu tzv. tmavé či nezářivé hmoty, která podle odhadů zaplňuje 90 - 95 % vesmíru a o níž se vlastně nic neví, je vidět, že jsme náš Vesmír ještě příliš nepoznali (poznamenejme, že o existenci této skryté hmoty, která zatím nebyla přímo pozorována se spekuluje na základě pozorování galaxií. Zářící viditelné hmoty je tam málo a její gravitační působení prostě nestačí k tomu, aby udrželo galaxii pohromadě. Z toho, že galaxie jsou stabilními útvary tedy plyne, že je drží dohromady nějaká dodatečná gravitační síla a lze tak odhadnout odpovídající hmotu. Nedávná pozorování deformace obrazů vzdálených galaxií též svědčí o tom, že světlo bylo na své dráze ovlivněno nějakým gravitačním působením).
Zcela nové principy pohonu tedy budou záviset na stupni našeho poznání stále tajemného Vesmíru, který nás obklopuje a zatím nechává klidně žít v oáze na okraji galaxie, kterou nazýváme Mléčnou drahou.
Zde bychom tedy chtěli informovat o nových trendech v oblasti fyzikálních kosmických pohonů.


NOVÉ KONCEPCE LETŮ DO BLÍZKÉHO KOSMU

Magnetická levitace
Schéma urychlovacího systému MAGLEVPodle názoru pracovníků Marshallova střediska kosmických letů NASA, kteří se zabývají programem pokročilé kosmické dopravy, by technologie využívající magnetické levitace mohly v příštím století podstatně snížit náklady na kosmické lety. Nejnákladnější částí každé kosmické mise je prvních několik vteřin, kdy je třeba kosmické těleso uvést do pohybu. Kosmické těleso, levitující v magnetickém poli by bylo možné urychlit elektromagnetickým katapultem až na 900 km/hod a potom by došlo k zážehu raketového motoru. Tím by bylo možné ušetřit na pohonném systému prvního stupně, neboť urychlovací systém MAGLEV (MAGnetic LEVitation) na bázi magnetické levitace zůstává na Zemi a lze jej principiálně využívat řadu let. V Marshallově středisku se experimentuje v kryté laboratoři s urychlovací dráhou asi 12 m dlouhou. Ověřují se dvě koncepce: první využívá systému permanentních magnetů s novým lineárním motorem bez supravodivých magnetů podél urychlovací dráhy zatímco druhá koncepce předpokládá umístění supravodivých magnetů a lineárního motoru na podvozku, nesoucím kosmickou loď. Model dopravního prostředku o hmotnosti asi 5 kg je na dráze 6 m během 0,25 s urychlován na asi 90 km/hod. Poté je model na zbývajících 6 m experimentální dráhy zbržděn. V roce 2002 byla zkonstruována nová dráha o délce 15 m na volném prostranství. Zde probíhají experimenty zaměřené na studium dynamiky modelu, interakce modelu s dráhou a odpoutávání urychleného modelu od dráhy.

MHD efekty při obtékání těles ionizovaným plynem
Příprava experimentální dráhy MAGLEVV poslední době se objevují informace o magnetohydrodynamických (MHD) jevech při obtékání těles ionizovaným plynem - plazmatem. Při podzvukovém obtékání tělesa (koule) ionizovaným plynem bylo zjištěno snížení čelního odporu tělesa. Ukazuje se (viz Air et Cosmos č. 1812 (5. 10. 2001)), že těleso je obklopené nejprve mezní vrstvou, zodpovědnou za čelní odpor v proudění, dále vrstvou kationů, která má tak kladný objemový náboj a nakonec vrstvou elektronů a anionů se záporným nábojem (tato situace nastává při selektivním dopování vzduchu ionty tak, aby taková vrstevnatá struktura kolem obtékaného tělesa vznikala). V podzvukovém režimu je teplota a efektivní tlak vzduchu zhruba všude konstantní. V proudění vzduchem s kladnými ionty s k tlaku vzduchu připočítává i dodatečný elektrostatický tlak. Aby efektivní tlak vzduchu zůstal zachován, klesá hustota vzduchu v mezní vrstvě, což snižuje čelní odpor a zvyšuje Reynoldsovo číslo. Tento efekt by bylo možné využít i v klasické podzvukové letecké dopravě - snížení čelního odporu o 1% dovoluje zvýšení nákladu o 10% (nebo lze letět dále a rychleji).
Při nadzvukovém proudění teplota ani efektivní tlak nejsou konstantní a těleso je obklopeno rázovou vlnou. V případě ionizovaného plynu je rázová vlna dále od tělesa, než při proudění v neionizovaném plynu. Je to tím, že ionizované plazma je v nerovnováze a před tělesem je jeho lokální teplota až 6krát vyšší, než by se očekávalo z klasické hydrodynamiky. V horké nerovnovážné oblasti plazmatu, kde je energie elektronů značně vysoká, se rázová vlna pohybuje rychleji než v neionizovaném plynu a proto je dále od tělesa. (Rychlost zvuku v plasmatu je úměrná odmocnině z elektronové teploty, měřící jejich energii). Těleso, obklopené plazmatem má jakoby nový zdánlivý (virtuální) tvar, lépe přizpůsobený poměrům proudění. Nadto za rázovou vlnou je opět v důsledku elektrostatických sil snížená hustota vzduchu a tak čelní odpor tělesa klesá. Podle článku J. Mullinse: Plasma Magic (New Scientist, 28. 10. 2000) (viz též volný překlad článku pod názvem "Vyvolá plazma revoluci v letecké dopravě" v Hospodářských novinách z 9. 1. 2001) by použití ionizovaného plynu v aerodynamice by tedy přineslo jednak (a) již zmíněné snížení čelního odporu jak při podzvukovém tak nadzvukovém letu a dále (b) pohlcování elektromagnetických vln či deformace radarové signatury na tělesech, obklopených plazmatem - těchto efektů lze využívat k elektromagnetickému maskování letadel a družic (Air et Cosmos č. 1770) a tudíž i k technologii tzv. "kradmých" letounů. USAF od roku 1997 financuje výzkumný program APR (Air Plasma Ramparts). Jeho cílem je nalezení fyzikálních mechanizmů, které by dovolovaly vytvářet a udržovat v normálním volném vzduchu s průměrnou teplotou mezi 300 - 2000 K značný objem plazmatu s hustotou elektronů 1013/cm3 po dobu nad 10 ms. Další praktickou podmínkou je přirozeně nutnost vynaložit k vytvoření tohoto oblaku plazmatu co nejmenší energii. Toto tzv chladné plazma má velkou vodivost a tak je dopadající elektromagnetická vlna buď částečně nebo úplně pohlcená (část nebo veškerá energie dopadajícího elektromagnetického záření je totiž předána volným elektronům, které si tak zvýší kinetickou energii (tj. střední teplotu)). V každém případě část odražené elektromagnetické vlny je natolik zkreslená, že neobsahuje charakteristiky objektu, schovaného za takovým štítem.
Hlavním technickým problémem je přirozeně vytvoření takového oblaku chladného plazmatu. Klasický elektrický výboj by k vytvoření plazmatu se zmíněnou elektronovou hustotou vyžadoval příkon 25 kW/cm3. Nadto při klasickém výboji není plasma rovnoměrně rozložené v objemu, ale má tendenci vytvářet vláknitou strukturu. Na Standfordské universitě šli jinou cestou a klasický výboj nahradili kombinací elektronového děla, které vstřikuje do objemu vzduchu mrak elektronů a pak se s frekvencí 100 kHz aplikuje nanosekundový napěťový puls, který prodlužuje životnost volných elektronů v plazmatu (Air et Cosmos č. 1805 (20. 7. 2001). Touto technikou se v laboratoři podařilo vytvořit plazma s elektronovou hustotou vyšší než 1012/cm3, přičemž spotřeba energie nepřesáhla 12W/cm3. Jinou možností prodloužit životnost elektronů ve vzduchu je excitace molekul vzduchu infračerveným zářením CO2 kontinuálního laseru.
Volné elektrony, které se vstřikují do vzduchu, jsou vytvářeny ve vakuové komoře elektronového děla. Aby se dostaly do volného vzduchu, musí projít beryliovým krytem elektronového děla, přičemž ztratí asi 20 - 50% své energie a nadto září v rentgenovém spektru. Beryliové krycí destičky je tedy třeba chladit a také je třeba chránit se před rentgenovým zářením. Je tedy vidět, že současné elektronové generátory bude ještě třeba zdokonalit.
V případě družic by mohlo jít např. o virtuální ochranný štít tvořený takovým plazmatem v jejich okolí, schopný zabránit dopadu záření v mikrovlnné oblasti na družici buď pohlcením tohoto záření nebo jeho odrazem.

Experimentální dráha MAGLEVV literatuře se často zmiňuje i ruský projekt hypersonického letounu Ajax, o kterém se začalo hovořit již koncem 80. let a který má právě využívat magnetohydrodynamických efektů ionizovaného plazmatu v okolí letounu. Zde se zmíníme o koncepci letounu Ajax, jak je popisována v časopise Air et Cosmos č. 1777 (5.1. 2001), č.1815 (26. 10. 2001). Ionizované plazma v okolí letounu má vznikat díky vysokému napětí, indukovanému v jeho čelní části. I při rychlosti 14 M je teplota vzduchu díky odporu totiž jen asi 4000°C, což ale na ionizaci nestačí. Elektrickou indukcí se v čelní části letounu vytvoří kanál ionizovaného plynu, který pak lze dále elektromagneticky ovlivňovat (ovládání mezní vrstvy). Je tedy možné letoun ovládat elektromagneticky a nahradit tak klasické aerodynamické řídící prvky. Ionizované plazma proniká i do motoru, část kinetické energie nabitých částic (elektrický proud) se v magnetohydrodynamickém generátoru mění na elektrickou energii, potřebnou k napájení ionizačních prvků. Nadto při výstupu ze spalovací komory lze plyny prohnat dalším magnetohydrodynamickým generátorem, který ionizovaný výtokový plyn může dále urychlit. Jako palivo se spíše použije obvyklý kerosin. Ten se míchá s H2O2 a prochází silně zahřívanými partiemi letounu. Ty jsou tak ochlazovány a současně dochází k tzv. "krakování" paliva, které se mění na CO a H2.
Maketa letounu Ajax byla sice vystavena na aerosalónu v Le Bourget v roce 1999, ale k realizaci projektu tohoto typu bude ovšem nutný značný pokrok v technologiích. Ruští inženýři slibovali už v roce 1999, že během několika let budou mít k dispozici plazmové generátory druhé generace o hmotnosti kolem 100 kg. Pro chlazení silně zahřívaných partií letounu jako je nosová část a náběžné hrany se uvažuje o použití porézních materiálů, kterými by protékalo chladící médium - kerosin. Tyto materiály by ovšem měly mít i značnou pevnost, aby vydržely mechanická napětí v důsledku silných magnetických polí, potřebných pro modifikaci mezní vrstvy. K vytvoření silných magnetických polí je zase třeba pokroku ve výzkumu a vývoji nových vysokoteplotních supravodičů.
V USA se od roku 1996 zabývá firma Accurate Automation Corp. (AAC) aktivní modifikací fyzikálních vlastností vzduchu (složení, teplota, tlak, hustota) pomocí chladného plazmatu. Právě tato firma používá selektivní dopování vzduchu kolem obtékajícího tělesa kladnými i zápornými ionty. Při této technice již není zapotřebí dalšího elektrického či magnetického pole k modifikaci parametrů proudění vzduchu kolem tělesa. K separaci iontů zkouší firma různé techniky, například umístění do proudu iontů vysunutou kladnou elektrodu (vodivý drát), zatímco katoda (vodivá destička) je na náběžné hraně obtékaného tělesa. Vysoké napětí mezi těmito elektrodami vede rozvrstvení iontů. Další metodou je selektivní zahřívání iontů a elektronů mikrovlnami. Volné elektrony absorbují většinu energie mikrovln a jejich rychlost roste. Ionty jsou těžší a jejich rychlost roste pomaleji. Tím též dochází k rozvrstvení iontů a elektronů.
V experimentech s hypersonickými tělesy se k jejich pohonu používá jako paliva vodíku. Důvodem je rychlost reakce vodíku s kyslíkem při spalování vodíku v nadzvukovém proudění vzduchu náporovým motorem. Použití klasických paliv na bázi uhlovodíků by bylo z konstrukčního hlediska motoru snazší, ale jejich použití zatím bránilo to, že charakteristická doba zážehu a hoření uhlovodíkového paliva se počítá na desítky milisekund, což je příliš dlouho. Než stačí palivo shořet, je již mimo motor, což podstatně snižuje jeho účinnost. Ukazuje se však, že řešení tohoto problému existuje. Rychlost hoření uhlovodíků se zvyšuje, nachází-li se ve směsi se vzduchem aktivní radikály typu O, H, OH, NO a excitované molekuly, které vlastně působí jako katalyzátory hoření. Přidáním takových radikálů do směsi vzduchu s palivem typu C3H8 (propan) lze dosáhnout snížení charakteristické doby zážehu až na 30 - 50 mikrosekund a doby hoření na 100 - 150 mikrosekund. Zmíněné radikály lze vytvořit ionizací vzduchu například obloukovým výbojem případně jiným typem generátoru, vstřikujícího do vzduchu proudícím motorem oblaka elektronů (Air et Cosmos (2002) č. 1829, s. 16). Jde tedy o další využití plazmatu v oblasti hypersonických letů.
Zmíněné technologie jsou zajímavé nejen v oblasti kosmonautiky, ale v bližším horizontu zejména ve vojenském letectví či ve vojenství všeobecně. Některé informace (Air et Cosmos (2005) č. 1980, s. 27) naznačují využití plazmatu pro manévrování těles (projektilů, hlavic), na kterých nelze umístit aerodynamické manévrovací plochy. V tom případě lze použít miniaturizovaných generátorů vysokého napětí a ovládacích povrchových elektrod k řízené generaci plazmatu. Při nadzvukovém letu projektilu např. s kuželovým vrcholem se u vrcholu kužele vytváří rázová vlna, která je též kuželová. Pokud se v blízkosti vrcholu vytvoří výbojem plazma, dojde zde určitá nesymetrie v aerodynamice proudění, která lokálně poruší povrchovou mezní vrstvu. Jak naznačují počítačové simulace, taková lokální porucha již vede k vychýlení tělesa z původní trajektorie.

Pulsní výbušné raketové motory
Schéma pulzního detonačního raketového motoruJedním z dalších alternativních programů raketového pohonu, kterým se zabývá oddělení pro pokročilou kosmickou dopravu Marshallova střediska kosmických letů NASA je technologie pulsních výbušných raketových motorů. Jak již název napovídá, motor pracuje v cyklech, podobně jako automobilový motor. Nejprve je definované množství palivové směsi vstříknuto do dlouhého válce, otevřeného na jednom konci. Poté je směs zažehnuta například jiskrou ze zažehovací svíčky. Při zážehu palivové směsi dojde rychle k detonaci, jejíž rázová vlna se šíří válcem asi 10× rychleji než rychlost zvuku a tak směs shoří dříve, než plyn stačí expandovat ven z válce. Tlak, vznikající v plynu při detonaci, způsobuje expanzi plynu ven z válce a tak dochází i ke vzniku reaktivního tahu raketového motoru. Výhodou této konstrukce oproti klasickému raketovému motoru je skutečnost, že pulsní detonační motor nepotřebuje vysokotlaké turbočerpadlo, které u klasického motoru dopravuje kontinuálně pohonné látky do spalovací komory a musí je tam vstřikovat s vyšším tlakem, než je pracovní tlak ve spalovací komoře. V klasickém raketovém motoru dosahuje tlak vstřikované pohonné látky hodnot kolem 16 MPa. U pulsního raketového motoru stačí vstřikovat pohonné látky v pauzách mezi detonacemi s tlakem asi 10× nižším. Také vstřikovací ventily tohoto typu motoru značně připomínají vstřikovače u automobilových motorů.
V Marshallově středisku kosmických letů se v současné době vyvíjí tento typ pulsního raketového motoru pro pohon horních raketových stupňů pro dopravu družic na vyšší dráhy nebo pro dopravu sond k planetám. S vývojem tohoto motoru, pracujícím s kyslíkem a vodíkem, se započalo kolem roku 1998 a zatím se při laboratorních zkouškách prokázalo, že lze dosáhnout kolem 100 pulsů za vteřinu. Demonstrační motor by mohl být připraven kolem roku 2005 a operační motor před rokem 2010.

Lightcraft
Terenga Myrabo s modelem LighcraftMožnost využívání laserového svazku záření k zahřívání pracovní látky rakety byla studována již delší dobu dlouho (viz např. příspěvek A.N. Pirri, R. Weiss: "Laser Engine" (AIAA Paper No. 72-719), přednesený na 5. AIAA Fluid and Plasma Dynamics Conf., June 26-28, 1972), ale teprve nedávno se tohoto principu chopila soukromá firma Lightcraft Technologies Inc (LTI), která začala provádět pokusy s modelem takové rakety (lightcraft) o průměru od 10 do 15 cm a o hmotnostech kolem 50 g. Jak informuje Leik N. Myrabo z LTI (viz L. N. Myrabo: SCIENTIFIC AMERICAN (1999), č. 2, s. 68), zkouší se několik variant modelů s různými typy pracovní látky. Při letech v atmosféře je možné prostě využít vzduchu, který z přední části modelu vniká kanálky do prostoru pod parabolickým zrcadlem na spodní straně modelu. Parabolické zrcadlo jednak koncentruje infračervené záření laseru do prstencového ohniska, kde se vzduch zahřívá na vysokou teplotu. Dále parabolické zrcadlo pracuje jako tryska raketového motoru, ve které zahřátý vzduch expanduje a vytváří tah motoru. Model je za letu stabilizován rotací. L. Myrabo předpokládá, že model takové rakety o hmotnosti 1 kg by s použitím infračerveného laseru o výkonu 100 kW mohl dosáhnout rychlosti kolem 5 M a výšky kolem 30 km. Ve větších výškách již nelze k pohonu používat atmosférického vzduchu a laserové záření by muselo zahřívat pohonnou látku, kterou by si raketa nesla. Proto se zkouší i model s raketovým motorkem, kde tepelná energie zahřívá a vypařuje pracovní látku.
Zatím se první zkušební let modelu Lightcraft uskutečnil 2. října 2000 na základně americké armády ve White Sands. Bylo při tom použito pulsního CO2 laseru o výkonu 10 kW produkujícího záření v infračervené oblasti spektra s frekvencí 25-28 pulsů/s (uvažuje se i o použití mikrovlnného záření). Při letu trvajícím 12,7 s dosáhl model rakety o průměru 12,2 cm a hmotnosti 50 g výšky 71 m. Společnost LTI si do budoucna představuje využít této technologie k vypouštění mikrodružic či malých družic do hmotnosti 100 kg na oběžnou dráhu. K tomu se předpokládá využití několika pulzních laserů s celkovým výkonem do 100 MW. L. N. Myrabo uvažuje i o budoucím zdokonalování tohoto pohonného systému, kdy by se část energie laseru využila ke generování silného elektrického pole v nosové části modelu. Silné elektrické pole by okolní vzduch ionizovalo. Použití supravodivých magnetů by vytvořilo v této oblasti i silné magnetické pole, které by ovlivňovalo vytvořené plazma a tak by aktivně ovlivňovalo i obtékání ionizovaného vzduchu kolem rakety (viz informaci o MHD efektech a o magnetohydrodynamickém manipulování s mezní vrstvou ionizovaného plynu u povrchu obtékaného tělesa při podzvukovém či nadzvukovém proudění v předchozím odstavci).

"Kosmický výtah"
Schéma kosmického výtahuO kosmickém výtahu jako o dopravním prostředku na oběžnou dráhu kolem Země či Marsu uvažovali spisovatelé sci-fi románů A. C. Clarke (Rajské fontány, Odeon 1982) a K. S. Robinson (Red Mars, Bantam Spectra 1993). Kosmický výtah se pohybuje po kabelu, spuštěném z družice na geostacionární dráze, který zůstává ve stacionární poloze vůči danému bodu na zemském rovníku. Podmínkou toho, aby se celý systém kosmického výtahu nacházel ve stacionární poloze vůči zemskému povrchu je to, že se těžiště celé soustavy nachází na geostacionární dráze. Proto je nutné při spouštění kabelu k zemskému povrchu současně vysunovat nad geostacionární dráhu vhodnou protiváhu. Díky zemské přitažlivosti a odstředivé síle, působící na protiváhu na jeho horním konci zůstává lano napnuté. Při stoupání či klesání výtahu po kabelu je přirozeně nutné vhodně posunovat s protiváhou tak, aby se těžiště stále nacházelo na geostacionární dráze. Předpokládá se ale, že hmotnost "kabiny" kosmického výtahu bude vzhledem k celé konstrukci kosmického výtahu malá a tak i pohyby protiváhy by měly být malé. (Viz např. D. V. Smitherman, Jr.: Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium, NASA/CP-2000-210429, Marshall Space Flight Center, August 2000).
Schématické znázornění struktury uhlíkové nanotrubiceI když projekt kosmického výtahu bude ještě muset řešit další technické problémy, pro jeho případnou realizaci je největším problémem nalezení superpevného materiálu, ze kterého by bylo možné takový kabel vyrobit. Fyzik B. Edwards ze společnosti Eureka Scientific v Berkeley v Kalifornii se zabývá problematikou kosmického výtahu v rámci kontraktu, uděleného Institutem pro pokročilé koncepce (Institute for Advanced Concepts) organizace NASA. Edwards se domnívá, že takovým vysoce pevným materiálem bude kompozit, obsahující uhlíkové trubicové nanostruktury. Tyto nanostruktury jsou útvary válcovitého tvaru o nanometrových průměrech, tvořené atomy uhlíku v šestičetném (hexagonálním) uspořádání. Lze si je představit jako původně rovinu tvořenou atomy uhlíku v hexagonálním uspořádání, která se stočí do válcové plochy. Na koncích válcové plochy jsou vazby uhlíků uzavřeny dalšími uhlíky tak, že je válcová plocha uzavřena polokulovými plochami. První trubicové nanostruktury měly délku pouhý 1 mikrometr a průměr až několik desítek nanometrů. Stěny trubicových nanostruktur mohou být tvořeny 2 - 50 vrstvami. Trubicová nanostruktura se tak podobá ruské "matrjošce". Zmíněné nanostruktury mají vysokou pevnost v tahu, kolem 130 GPa. Lano, vytvořené z takového materiálu, by mělo asi 100x vyšší pevnost než ocelové lano nehledě na to, že by bylo asi 6x lehčí (La Recherche 307 (1998) č. 3, s. 50). Trubicové nanostruktury se tedy zdají natolik perspektivní a tak se vynakládá značné úsilí k vytvoření technologií pro přípravu nanotrubic větších délek.
Snímek experimentálně připravených nanotrubicPrvní výsledky tohoto úsilí se již dostavily. Výzkumní pracovníci z Rensselaerova Polytechnického Institutu v Troy (stát New York) oznámili, že se jim podařilo modifikovat technologii chemického nanášení materiálu z par (chemical vapor deposition) tak, že získali nanotrubice s jednovrstevnou stěnou délek až 20 cm (viz H. W. Zhu et al. Science 296, č. 5569 (3. 5. 2002) s. 884). Při řízeném nanášení dochází k dobrému uspořádávání uhlíku a tak jsou vnikající nanotrubice dobře orientované. Tato technologie je tedy dalším krokem k přípravě superpevných kabelů nebo naopak mikrokabelů pro elektrické přístroje či mechanicky robustních elektrochemických pohonných systémů pro umělé svaly.
Podle představy B. Edwardse by bylo nejprve třeba vypustit na nízkou oběžnou dráhu asi 20 000 kg kabelu s navijáky, které by pak byly dopraveny dalším stupněm na geostacionární dráhu. Odtud by lano bylo spuštěno na zemský povrch a připevněno na plošině, podobné jako používá společnost Sea Launch a zakotvené na rovníku v Tichém oceánu. Pak by pomocí kabelu šplhala na geostacionární dráhu další zařízení táhnoucí další a další kabely tak, aby nakonec vzniklo výsledné pevné lano, schopné unést vyšší užitečné zatížení určené pro dopravu na geostacionární dráhu.


MANÉVROVÁNÍ NA OBĚŽNÉ DRÁZE KOLEM ZEMĚ

Jedním z experimentů, umístěných na družici pro dálkový průzkum Země EO-1 (Earth Observing) na oběžné dráze byla zkouška plazmového orientačního motoru. Jde o motor nové koncepce, tzv. pulsní plazmový motor. Jako pohonné látky používá teflonové tyčinky, posunované k elektrodám pružinovým mechanizmem. Mezi elektrodami dochází k obloukovému výboj trvajícímu zlomky vteřiny, který vypaří a ionizuje část teflonu. Ionty jsou pak urychleny elektrickým polem. Při jednom pulsu je získaný tah malý, a tak lze celkem přesně určit celkovou dobu práce motorku k získání potřebného výsledného impulsu. Další výhodou motorku je použití tuhé pohonné hmoty, čímž odpadají problémy se skladováním KPL na palubě družice, jejich dopravou do motorů a případný únik KPL. Na družici EO-1 byl namontován experimentální orientační systém se dvěma motory, schopný ovládat družici v jedné ose (vybočení). Systém měl hmotnost 5 kg a měl zásobu teflonu na nominální činnost v délce 30 dnů. Původně se plánovala činnost tohoto orientačního systému v délce 3 dnů, ale s experimenty se pokračovalo i v roce 2002 při prodloužené misi družice.

Další technikou kosmického pohonu, tentokráte bez použití pohonných látek, je pohon využívající techniky vlečených družic. V rámci experimentu ProSEDS (Propulsive Small Expendable Deployer System) měl být z druhého stupně rakety Delta 2 na oběžné dráze rozvinut kabel o délce 15 km, s vodivou 5 km dlouhou částí. Nevodivý kabel měl sloužit pouze k napínání vodivé části kabelu. Vodivá část kabelu byla připojena k velkoplošné elektrodě. Za letu zemským magnetickým polem se měl do kabelu indukovat proud na úkor pohybové energie stupně. Tento proud měl být vybíjen do elektricky nabitého plazmatu v okolí stupně prostřednictvím zmíněné plošné elektrody. V budoucnu by tento pohonný princip mohl být využit ke změnám dráhy družic bez spotřeby pohonných látek. Experiment ProSEDS byl připravován Marshallovým letovým střediskem NASA a měl startovat v březnu 2003 na raketě Delta 2, nesoucí družici Navstar 57. Nakonec bylo rozhodnuto z 2. stupně experiment ProSEDS sejmout, protože panovala nejistota o úspěšnosti experimentu. Nové odhady elektrodynamické výkonnosti použitého kabelu ukázaly, že by kabel nebyl při experimentu dostatečně výkonný. Vypuštění experimentu bylo tedy odloženo na neurčito a nakonec v říjnu 2003 byl experiment ProSEDS zrušen.


CESTY K PLANETÁM

Magnetoplazmový raketový motor VASIMR
Schéma magnetoplasmového motoru VASIMRMagnetoplazmový raketový motor VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) je vyvíjen v Laboratoři pro pokročilý kosmický pohon Johnsonova kosmického střediska v Houstonu pod vedením bývalého astronauta NASA Dr. F. Changa Diaze. Na internetové adrese www.universetoday.com/html/special/plasmarocket.html (další podrobnosti lze nalézt v příspěvku AIAA 2000-3756 od F. Changa Diaze a spolupracovníků pro 36. AIAA Joint Propulsion Conferece, která se konala od 17 do 19. 7. 2000 v Houstonu) byly zveřejněny některé další podrobnosti konstrukce tohoto motoru. Pohonnou látkou je neutrální plyn, buď vodík nebo helium. Ten se vstřikuje do první magnetické komory, kde je plyn ionizován do stavu vysokoteplotního plazmatu vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem, vyzařovaným do plynu helikoidální anténou (helicon) umístěnou kolem komory. Magnetické pole udržuje plazma v definovaném objemu bez kontaktu se stěnami komory. V druhé magnetické komoře dochází dalšímu zahřívání plazmatu mikrovlnným elektromagnetickým zářením a tak plazma má dostatečnou energii, která se přeměňuje na kinetickou v elektromagnetické výtokové trysce. Vhodnou geometrií magnetického pole, tvořícího výtokovou trysku lze dosáhnout proměnného specifického impulsu a tím optimalizovat výkon motoru v různých fázích letu. Pokud se na výstupu z trysky magnetické siločáry prudce zakřiví, hmotnější kladně nabité ionty s vysokou kinetickou energií nemohou díky setrvačnosti již magnetické siločáry sledovat, odtrhnou se od magnetického pole a vytékají do prostoru s vysokým specifickým impulsem. Oblak lehčích elektronů je sice sleduje v důsledku coulombické interakce, ale k jejich úniku z magnetického pole dochází obtížněji a nadto mohou na výstupu z trysky způsobit deformaci magnetického pole. Tyto a další technické problémy bude třeba ještě detailněji řešit. Je též možné ochladit plazma vstřikem chladného neutrálního plynu, čímž dojde k jeho rekombinaci a z trysky pak proudí chladnější plyn s nižším specifickým impulsem.
Podle názoru konstruktérů by bylo možné s použitím motoru VASIMR zkrátit let k Marsu na 115 dní. K tomu bude zapotřebí zabezpečit příkon elektrické energie ve výši 10 MW: Při takových výkonech již panely se slunečními články jsou nepraktické, neboť by byly příliš velké. Zřejmě nejefektivnějším řešením by bylo použití nukleárních reaktorů používajících uranu místo nebezpečnějšího plutonia. Na oběžnou dráhu budou dopraveny odděleně a teprve tam by byl motor VASIMR kompletován.
První testy modelu motoru, napájeného elektrickou energií získanou konverzí slunečního záření pomocí slunečních článků, by se mohly uskutečnit v roce 2004. Prototyp motoru by mohl být též testován na Mezinárodní kosmické stanici ISS, která je ideální zkušební laboratoří díky téměř dokonalému vakuu, které ji obklopuje.

Nové výkonné iontové motory
Schéma iontového motoruV současnosti používané elektrické iontové motory zatím pracují při nižších elektrických příkonech. Například motor XIPS, použitý na sondě Deep Space - 1, pracoval s příkonem do 2,5 kW. Jeho tah byl kolem 90 mN, výstupní rychlost iontů xenonu 28 km/s. Motory tohoto typu jsou již řadu let využívány na stacionárních telekomunikačních družicích typů HS-601 HP a HS-702 (nyní Boeing) pro přesné udržování polohy družice na geostacionární dráze. Družice tak lze udržovat v pracovním místě na dráze s přesností až ±0,005°. To dovoluje, aby v daném místě na dráze mohlo být společně umístěno několik spojových družic, které odtud mohou současné vysílat.

Experimentální iontový motor využívající Hallova jevuPodobně motor PPS-1350-G měsíční sondy SMART - 1 organizace ESA, pracuje při příkonu do 1,358 kW. Motor, který vyrobila společnost SNECMA, na bázi Hallova jevu (nabité ionty se v motoru pohybují kolem magnetických siločar po spirálách) dává tah 68-75 mN.
Výkonnější iontové motory jsou v současné době vyvinuty v Rusku. Např. společnost OKB Fakel vyvinula sérii motorů SPT-140, 160 a 180, pracujících s příkony do 10 kW a maximálními tahy 280 mN, 350 mN a 565 mN. Výstupní rychlosti iontů se nacházejí v oblasti 26 km/s.
Pohled na výstupní mřížkovou elektrodu motoru HiPEPTaké NASA se snaží vyvíjet výkonné iontové motory, vhodné pro mise ke vzdáleným planetám. Jde jednak o iontový motor HiPEP (High Power Electric Propulsion), kde ionizace pracovní látky xenonu je zabezpečována mikrovlnným ohřevem o příkonu 12 kW. Tato metoda oproti ionizaci, používané v dosavadních iontových motorech dovoluje zvětšení ionizační komory a tudíž i zvětšení objemu ionizovaného plynu. Elektrony jsou z plazmatu odváděny a zbylé ionty proudí ke konci ionizační komory, kde jsou dvě kovové mřížky s rozdílem potenciálů 6 kV. Tímto potenciálem jsou kladné xenonové ionty urychleny na rychlost 60 000 - 80 000 m/s (což je i hodnota získaného specifického impulsu motoru). Nadto zvětšení objemu ionizovaného plynu dovolí i zvýšení tahu. Výpočty ukazují, že tah motoru HiPEP záleží na příkonu lineárně: motor o specifickém impulsu 80 000 m/s dává při příkonu ~25 kW tah 450 mN a při příkonu 30 kW na 550 mN.
Dalším typem xenonového iontového motoru, jehož prototyp je ve stádiu zkoušek, je tzv. NASA Evolutionary Xenon Thruster (zkráceně NEXT). Využívá zkušeností, získaných s motorem XIPS ze sondy Deep Space - 1. Pracovní příkon je 6 - 7 kW, tah 237 mN a výstupní rychlost iontů dosahuje až 40,5 km/s.
Oba typy motorů jsou zkoušeny v Glennově výzkumném středisku NASA.
Je zřejmé, že dlouhodobě lze příkony kolem 25 kW při kosmických misích zajišťovat například nukleárním energetickým zdrojem. Proto je iontový pohon v rámci projektu Prometheus součástí programu Nukleárního elektrického pohonu (NEP) organizace NASA.


CESTY KE HVĚZDÁM

Sluneční plachetnice
Starší návrh sluneční plachetnice skupiny U3PK vyslání sondy například k nejbližší hvězdě Proxima Centauri vzdálené od našeho Slunce 4,22 mil. světelných let (1 světelný rok = 9,5x1012 km) je nezbytný zcela nový typ pohonného systému. Je však třeba podotknout, že návrhem sondy ke hvězdám se zabývala již v 50tých letech Britská meziplanetární společnost BIS (British Interplanetary Society) a později se periodicky objevovaly další návrhy. Při diskusi o návrhu pohonu takové sondy se opět uvažuje jednak o sluneční plachetnici o průměru několika km, poháněné buď mikrovlnným zářením či zářením laserového systému ze zdrojů umístěných na dráze kolem Země. K tomu, aby vůbec bylo možné něco takového realizovat, je třeba dalšího pokroku v nových materiálech a technologiích pohonných systémů. Pokud by se skutečně podařilo vyvinout film z uhlíkových vláken o vysoké pevnosti a plošné hustotě 1 g/m2, bylo by možné navést sluneční plachetnici o průměru 400 m do vzdálenosti 0,2 AU Zkouška rozevírání jedné z osmi lopatek sluneční plachetnice Cosmos 1(1 AU = 1 astronomická jednotka = 149,5 mil. km), aniž by se poškodila a urychlit jí efektem gravitační trampolíny na rychlosti asi 4-5 krát větší než sondy Voyager. Pak by k cíli dorazila sonda asi za 15 000 let. U sluneční plachetnice jsou však problémy s jejím rozevřením a pak zpevněním pomocí krycí vrstvy, která ztuhne vlivem slunečního záření. Problematika pohonu pomocí sluneční plachetnice je v současné době již dostatečně známá a ohledně podrobnějších informací lze tedy odkázat na následující literaturu:
M. Grün: Kosmonautika - současnost a budoucnost (MME sv. 96, Horizont, Praha 1983)
H. M. Harris: Light Sails, SCIENTIFIC AMERICAN (1999), č. 2, s. 70.
Poznamenejme jen, že koncepce sluneční plachetnice využívá k pohonu tlaku slunečního záření, neboť působení slunečního větru, tj. nabitých částic, vyletujících ze Slunce rychlostí řádově 450 km/s bylo možné zanedbat. Skutečně při počtu asi 6 částic slunečního větru v 1 cm3 v okolí Země je dynamický tlak, způsobený těmito částicemi asi 2 nPa. To je skutečně asi tisíckrát méně, než tlak slunečního záření, který zde má hodnotu asi ~4,6 µPa.

Elektromagnetická sluneční plachta
Schéma zdroje plazmatu pro elektromagnetickou plachtu M2P2Jelikož částice slunečního větru jsou nabité, působí prostřednictvím elektromagnetické interakce na magnetosféru Země a deformují ji, dokud se tlak částic a protitlak magnetosféry nevyrovnají. Podobně mohou tyto částice působit i na elektromagnetické pole obklopující kosmickou loď. Je-li kosmická loď obklopena elektromagnetickým polem, dopadající částice slunečního větru jsou tímto polem odchylovány a předávají mu svůj impuls. To je základní idea tzv. mini-magnetosférického plazmového pohonu M2P2 (MiniMagnetospheric Plasma Propulsion), který navrhl R. M. Winglee [R. M. Winglee: Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion (M2P2), Final Report, May 1999 (viz http://www.geophys.washington.edu/Space/SpaceModel/M2P2/, kde jsou i další zprávy týkající se tohoto projektu)]. Ovšem běžná proudová smyčka generuje ve vakuu magnetické pole, které klesá se vzdáleností R od středu smyčky jako R-3 [např. J. D. Jackson: Classical Electrodynamics (J. Wiley, N.Y. 1962)]. Čili ve vzdálenosti asi 10 poloměrů proudové smyčky je intenzita magnetického pole zanedbatelně malá a tudíž vliv tlaku částic je nevýznamný. Ovšem vstříknutí ionizovaného plynu (plazmatu) do tohoto magnetického pole vytváří určitou lokální magnetosféru schopnou rozprostřít magnetické do větších vzdáleností. Např. pole o intenzitě 150 G stačí k tomu, aby lokální magnetosféra v okolí kosmické lodi zaplnila objem o poloměru 15 - 20 km. Takový objem má efektivní plochu ¶R2, tj. odpovídající síla slunečního větru urychlující kosmickou loď je přibližně 1,4-2,5 N. Řádově stejná síla by působila na plachetnici o ekvivalentní ploše 106 m2. To je značná plocha plachty, jejíž realizace by vedla k řadě technických problémů.
Wingleeho kosmický pohonný systém M2P2 by tedy měl principiálně dvě části: generátor silného magnetického pole (kolem 700 G) a zdroj vytvářející ionizované částice. Magnetické pole bude generováno indukční cívkou v jejíž ose je též umístěn induktivní zdroj plasmatu, zvaný helicon. Je tvořen křemennou trubicí kolem které je navinuta spirálová (helikoidální) anténa napájená vysokofrekvenčním příkonem kolem 1 kW. Do křemenné trubice vtéká plyn, argon nebo helium, a je vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem ionizován. Ionizované plazma je vstřikováno do okolního magnetického pole a rozpíná jej. Podle odhadů by pro udržení magnetosféry po dobu 3 měsíců činila spotřeba helia asi 3 kg. Podle numerických simulací by při konstantní působící síle 1 N bylo možné urychlit kosmickou loď o hmotnosti 100 kg (70 kg užitečného zatížení a 30 kg helia k udržení mini-magnetosféry) na rychlost až 50 km/s. Tento pohonný systém by tedy mohl být zejména vhodný pro lety ke vzdáleným planetám sluneční soustavy.
R. M. Winglee dostal nápad s roztažením magnetického pole do většího objemu zavedením ionizovaného plynu do tohoto pole při studiu slunečních protuberancí. Ve slunečních protuberancích jsou magnetická pole také unášena plazmatem do obrovských vzdáleností od povrchu Slunce.
Experimentální model zdroje plazmatu pro M2P2V průběhu roku 1999 dostal tým R. M. Wingleeho od NASA kontrakt ve výši 0,5 mil. USD na vývoj prototypu systému M2P2. S laboratorním modelem pohonného systému M2P2 byly již koncem roku 1999 činěny první zkoušky ve vakuové komoře, kde se podařilo roztáhnout magnetické pole do průměru přes 1 m. Jelikož v pozemních podmínkách není k dispozici taková vakuová komora, kde by bylo možné magnetické pole roztáhnout na kilometrové průměry, bude se muset přikročit k demonstračním zkouškám s prototypem systému M2P2 v kosmickém prostoru.
Kombinací sluneční plachetnice a elektromagnetické plachty je nápad J. Kareho využít k pohonu planetární sondy proudu mikroplachetnic urychlovaných zářením (tzv. SailBeam mission). Tyto mikroplachetnice by byly urychlovány paprskem multigigawatového laseru z oběžné dráhy kolem Země směrem k sondě. Zářením vlastního laseru, umístěného na sondě, by přilétající plachetnice byly roztaveny a ionizovány. Vzniklý proud iontů by pak předal svůj impuls magnetickému poli kolem sondy. Je zřejmé, že k podstatnému urychlení sondy by bylo potřeba vysílat takovou mikroplachetnici jednou za několik vteřin a to celá léta. Po řadě let takového urychlování by sonda mohla letět rychlostí až 0,1 rychlosti světla a za 30 až 40 let by mohla dorazit k cílové hvězdě. Zde využitím magnetického pole kolem sondy jako elektromagnetické plachetnice by bylo možné sondu zbrzdit využitím záření cílové hvězdy a začít v tomto hvězdném systému s výzkumem.
J. Kare získal pro výzkum laserového urychlování mikroplachetnic na vysoké rychlosti finanční podporu z programu NASA pro pokročilé koncepce. K výzkumu použil mikroplachetnic z umělého diamantu, které se dařilo urychlit zářením laseru na 0,1 rychlosti světla za 3,5 s.

Pohon s použitím antihmoty
Koncepce pohonů s použitím antihmoty dávají specifické impulsy mezi 500 - 2000 kNs/kg s hustotou energie 1014J/kg (asi 1010 krát více než u klasických chemických pohonných látek), což jsou zajímavé hodnoty (G. Vulpetti: Antimatter Propulsion for Space Exploration, 36th IAF Congress, Stockholm 1985, Paper No.: IAA-85-491).
Princip motoru, využívajícího energie antihmoty je celkem jednoduchý. Antičástice, například antiprotony je třeba vstříknout do středu pracovní komory, kudy proudí pracovní látka - kapalný vodík. Antiprotony anihilují s protony v jádrech vodíku v centru komory, ale uvolní se takové množství energie, že zbytek vodíku se změní na ionizovanou plazmu o vysoké energii, kterou musí izolovat od stěn komory magnetické pole. Z komory pak vytéká plazma podobně jako z trysky motoru VASIMR. Podle odhadů 10 mg antiprotonů dodá energii ekvivalentní spálení 120 000 kg klasického chemického paliva H2+O2.
Studie, týkající se pohonu s pomocí antihmoty a jejího skladování či přepravy se řeší na základě kontraktu JPL na Pensylvánské státní universitě. Jedním z problémů takového pohonu je ovšem metoda dlouhodobého skladování antihmoty. Současné tzv. Penningovy pasti jsou schopné uchovávat menší množství nabitých částic antihmoty v magnetickém poli jen asi několik týdnů (dochází ke ztrátám díky srážkám mezi částicemi a se stěnami nádoby).


HLEDÁNÍ NOVÝCH POHONNÝCH PRINCIPŮ K CESTÁM DO VESMÍRU

Průlom ve fyzice kosmických pohonů
Program NASA "Průlom ve fyzice kosmických pohonů" BPP (Breakthrough Propulsion Physics) měl za cíl kriticky posoudit některé nové fyzikální teorie z hlediska jejich možného využití k pohonu kosmických prostředků a tak někdy v budoucnosti realizovat mezihvězdné lety. Organizace NASA financovala tento program v období let 1996 - 2002. Tento program měl tři hlavní a velmi ambiciózní úkoly:

  1. objevit pohon, který by snížil spotřebu pohonných hmot. K realizaci takového pohonu by bylo potřebné objevit nové cesty k uvádění hmotných těles do pohybu, snad v oblasti interakce hmoty s prostoročasem s možností manipulace s gravitačními silami či silami setrvačnými.
  2. objevit metody dosažení vysokých rychlostí, což by dovolilo podstatně snížit doby letů. K tomu by bylo nutné objevit možnosti dosahování rychlostí blízkých limitní rychlosti světla nebo nějakým způsobem obejít podmínku konečné rychlosti světla.
  3. Objevit nové energetické zdroje pro pohon kosmických prostředků.


V rámci tohoto programu NASA finančně podporovala 8 vybraných projektů. Dalších 8 projektů, souvisejících s programem BPP bylo nakonec podporováno z jiných zdrojů. V rámci projektů podporovaných NASA budeme komentovat následující projekty:

Z dalších projektů, které souvisejí s programem BPP a byly sponzorovány jinými institucemi než NASA zmiňme ještě následující:

Anomální tepelný efekt je jiný název jevu, spíše ve veřejnosti známého jako "studená fúze". Výzkum tohoto jevu sponzorovaly po 10 let Laboratoře námořního výzkumu (Naval Research Labs). V rámci výzkumu byla prováděna řada experimentů, které přinesly zcela konfliktní výsledky. Jde tedy stále o kontroverzní výzkumné téma.

Biefeld-Brownův jev neboli "elektrogravitační efekt". Byl patentován v roce 1928. Obsahem patentu bylo vytváření tažné síly vlivem vysokonapěťového kondenzátoru. Na základě tohoto jevu byly zkonstruovány tzv. "liftery" či "asymetrické kondenzátory", jejichž vznášení v gravitačním poli je občas interpretováno jako důsledek vznikající "elektrostatické antigravitace". Přesné experimentální testy však prokázaly, že jde o tažnou sílu, která je důsledkem proudu iontů vzduchu ve vysokém napětí kondenzátoru. Experimenty s "liftery" ve vakuové komoře ukázaly, že se ve vakuu "lifter" nepohybuje. Nejde tedy o nový efekt, který by byl využitelný v rámci programu BPP. Současné zkoušky lifterů spíše vyhodnocují, zda by je bylo možné využívat při konvenčních atmosférických letech.

Vstup do "červí" díry podobný vstupu do metra velkoměsta asi zůstane navždy jen fantazií malíře.Program BPP je tedy v současnosti uzavřen, neboť NASA má v nejbližší budoucnosti jiné priority. Některé projekty ukázaly, že jsou zcela slepou cestou. Základní fyzikální problémy, kterých se program BPP dotkl, se však budou řešit jinými výzkumnými organizacemi, než je NASA. Detailnější přehled o programu BPP dává zpráva NASA TM-2004-213082 (viz http://www.grc.nasa.gov/WWW/bpp/TM-2004-213082.htm), kde je i seznam publikované literatury, obsahující výsledky, získané v rámci tohoto programu.

Na závěr lze tedy říci, že se v oblasti kosmických pohonů hledají nové využitelné koncepce na bázi fyzikálních principů. Některé z nich, které se zdají na první pohled velmi exotické, budou aktuální snad až ve vzdálené budoucnosti. Ovšem o budoucnosti se rozhoduje již v současnosti…..

Z odkazů zmíněných v textu vybral a přeložil (lek)
(červenec 2005)


Aktualizováno : 24.07.2005

[ Obsah | Základy | Pohony | JRM | Sluneční plachetnice ]

Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.