Družice a sondy
Když už umíme vynést nějaké zatížení do kosmu, musíme se naučit zkonstruovat ho tak, aby bylo schopno provést činnost, kterou potřebujeme.
Nebudeme se zde tedy zabývat konstrukcí zařízení, sloužících jako tzv. užitečné zatížení družice. Obvykle jde o speciální vědecké přístroje, radiové převaděče, nebo kamery, které mohou být u každé družice jiné.
Aby však užitečné zatížení mohlo spolehlivě fungovat, musí mu k tomu pomoci vhodná konstrukce družice. Obvykle je třeba zajistit dostatečnou dodávku elektrické energie, přesnou orientaci v prostoru, udržovat vhodnou teplotu a spolehlivou komunikaci se Zemí. Někdy je také třeba, aby systémy družice dokázaly zajistit i přistání zpět na Zemi, nebo i na jiném kosmickém tělese. U pilotovaných letů musí spolehlivě fungovat i systém zabezpečení životních podmínek pro člověka.
Systémy dodávky elektrické energie dnes nejčastěji využívají solární články, které zachycují sluneční záření a přímo jej mění na elektrickou energii. Ve vzdálenosti Země od Slunce dopadá na každý metr čtvereční záření o výkonu 1360 W. Současné solární články o účinnosti 10 - 20 % jsou z 1 m2 solárních panelů schopny získat 100 - 200 W. Protože to není mnoho a navíc se družice často dostává do zemského stínu, kombinují se solární články obvykle ještě s akumulátory, které překlenou dobu, kdy na solární články nedopadá dostatek záření. V pilotovaných kosmických lodí (např. u amerického raketoplánu), kde jsou značné energetické nároky, se používají palivové články. V těchto článcích se slučuje kyslík a vodík za vzniku vody a elektrického proudu (opak elektrolýzy). Reakce probíhá za zvýšených teplot (cca 200° C) a proto obvykle není možné články dočasně vypojovat. U kosmických sond ve velkých vzdálenostech od Slunce, kde by už příkon se solárních článků byl nedostačující, se používají radioizotopové baterie. Tepelná energie, uvolněná při radioaktivním rozpadu prvků ohřívá termočlánky, které produkují elektrický proud s účinností kolem 10 %.
Systémy orientace a stabilizace musí nejen přesně zjistit okamžitou polohu družice v prostoru, ale obvykle se musí i postarat o změny polohy a dráhy družice podle potřeby. Navigační systém nejprve sám, nebo s pomocí řidicího střediska na Zemi zjistí polohu družice a řidicí orientační systém pak zajistí potřebnou korekci tak, aby poloha odpovídala požadavkům.
K autonomnímu zjišťování polohy družice se obvykle používá inerciální plošina, založená na principu setrvačníků. Dále se používají optické detektory pro sledování Slunce, jasných hvězd, nebo horizontu Země. Vzdálenost a rychlost se nejlépe určuje pomocí radiolokátoru a měření tzv. Dopplerova jevu, tedy změn frekvence radiových vln podle rychlosti a směru pohybu vysílače a přijímače.
K vlastnímu udržování přesné polohy družice, případně k jejím změnám se používají malé klasické raketové motorky, nebo fyzikální druhy pohonu (např. tahu iontových motorků nebo i tlaku slunečního záření). Je také možno přímo použít setrvačníkových gyroskopů, které mohou změnou rychlosti otáčení pootočit družici do požadovaného směru a udržovat ho. Někdy stačí udržovat polohu družice jen pasivně v předem nastavené orientaci. K tomu se při pohybu v magnetickém poli Země používají permanentní magnety. Dá se také využít tzv. gravitačního gradientu, který způsobuje samovolné natočení podlouhlých těles delší osou ke středu Země.
Pro spolehlivou funkci přístrojů musí být jejich teplota udržována v určitém rozmezí. To je úkolem termoregulačního systému družice. Obvykle stačí jen pasivní regulace založená na zajištění dobré tepelné vodivosti konstrukce družice a její povrchové tepelné izolaci tak, aby teplo, vydávané elektronickými přístroji na palubě, udržovalo přijatelnou teplotu užitečného zatížení (vědeckých přístrojů). Pokud to nestačí, doplňuje se tento systém ještě aktivním systémem s radiátory, které přebytečné teplo vyzařují do prostoru.
Abychom mohli zjišťovat celkový stav družice, předávat na Zemi naměřené informace a naopak na družici posílat instrukce pro její řízení, potřebujeme k tomu vhodný telekomunikační systém. V současné době se používají běžná zařízení, jaká se používají i na Zemi, jsou jen přizpůsobena nepřáznivým vlivům kosmického prostoru, jako je vakuum, zvýšená radiace a nestálá teplota.
Pro přistání zpět na Zemi je (kromě přesné orientace a změny oběžné dráhy) třeba ochránit návratovou část před účinky aerodynamického ohřevu, který vzniká průletem hustými vrstvami atmosféry a přitom se znižuje původní vysoká oběžná rychlost až téměř k nule. K tomu jsou v první fázi potřebné tepelné štíty, chránící na kapacitním, ablativním, nebo radiačním principu přistávací část před vysokými teplotami a které sníží podstatnou část oběžné rychlosti. Ve druhé fázi se rychlost dále snižuje pomocí padáků a v poslední fázi se pro jemné dosednutí může ještě použít krátkodobého působení raketového motoru.
U pilotovaných letů je nezbytné vybavit družici (v tomto případě hovoříme o pilotované kosmické lodi nebo stanici) spolehlivým systémem zabezpečení životních podmínek pro posádku. Pro tyto systémy se vžila z angličtiny vycházející zkratka LSS (Life Support System).
Nejdůležitější funkcí LSS je asi udržování vhodného chemického složení a tlaku atmosféry. V současných kosmických lodích a stanicích (raketoplán, Sojuz, ISS) se používá atmosféra o normálním složení (76 % dusíku, 23 % kyslíku) za tlaku zhruba 100 kPa. Američané používali v lodích Mercury, Gemini a Apollo čistý kyslík pod tlakem 35 kPa. Na Skylabu byla směs 74 % kyslíku a 26 % dusíku pod tlakem 33 až 35 kPa. Výhodou atmosféry bohaté na kyslík je nižší tlak a tedy lehčí konstrukce stěn kosmické lodi. Nevýhodou je to, že dlouhodobý pobyt v takovém ovzduší může působit fyziologické obtíže a je zde také velké nebezpečí požáru. Posádka také vydechuje oxid uhličitý (CO2), který je třeba odstraňovat. Nejčastěji se k tomuto účelu užívá hydroxid lithný (LiOH), který váže CO2 ve formě uhličitanu. Někdy se používá i peroxid barnatý (BaO2), který navíc uvolňuje kyslík.
Klimatizace má za úkol udržovat v lodi předepsanou teplotu a relativní vlhkost vzduchu. Z obytných prostor jde vzduch do výměníku tepla, kde se ochlazuje. Přebytečná vlhkost kondezuje a odsává se. Část ochlazeného vzduchu se ohřívá průchodem kolem vnitřního elektronického vybavení lodi a potom se mísí s chladným vzduchem na požadovanou teplotu (kolem 20 °C).
Zásoby potravin (v dehydratovaném, mraženém, nebo konzervovaném stavu) a pitné vody se vozí ze Země. Voda vyrobená v palivových článcích a voda zkondenzovaná z ovzduší se používá jako užitková (hygiena, chlazení, ...).
Dlohodobá přítomnost člověka na palubě vyžaduje ještě další vybavení, jako například toaleta nebo sprcha. Jejich konstrukce musí být přizpůsobena stavu beztíže, takže gravitace je zde nahrazena prouděním vzduchu. U toalety je to odsávání a u sprchy ventilace, která zajistí správný směr pohybu exkrementů a proudu vody.
Je třeba konstatovat, že akce, realizované pilotovanými lety jsou nejméně řádově finančně (a hmotnostně) náročnější, než podobné akce realizované automatickými přístroji. Je proto potřeba využívat pilotované lety především pro akce, které je nevhodné, nebo nemožné realizovat automaticky.
