Rakety
V minulosti se ukázalo, že všechny problémy startu do kosmu jsme zatím schopni vyřešit jen pomocí reaktivního pohonu s chemickými raketovými motory. Reaktivní pohon umožňuje dosažení potřebné rychlosti a chemické raketové motory mohou fungovat i mimo atmosféru a mají dostatečný výkon pro start ze Země. Zařízení, zkonstruovaná na základě těchto principů nazýváme rakety. Rakety si palivo i okysličovadlo vezou sebou a postupně tyto látky spotřebovávají.
Mechanikou těles s proměnnou hmotností se podrobně zabývali vědci koncem 19. století a v roce 1898 nakonec K.E.Ciolkovskij odvodil základní rovnici reaktivního raketového pohybu. Tato rovnice vyjadřuje závislost přírůstku rychlosti rakety na její počáteční hmotnosti ms, na konečné hmotnosti mk (úbytek hmotnosti vzniká spotřebováváním pohonných látek) a na rychlosti w spalných plynů, vytékajících tryskou motoru, nebo přesněji na tzv. specifickém impulsu Isp motoru, což se dá chápat jako poměr tahu a sekundové spotřeby pohonných ĺátek. Specifický impuls je jedním z nejdůležitějších údajů o kvalitě raketového pohonu a u běžných chemických motorů bývá od 1500 do 4500 Ns/kg. Poměr startovní a konečné hmotnosti se nazývá Ciolkovského číslo C. Startovní hmotnost rakety se skládá ze suché hmotnosti konstrukce, hmotnosti pohonných látek a hmotnosti užitečného zatížení. Konečná hmotnost je pak již jen hmotnost konstrukce a užitečného zatížení. Ciolkovského rovnice má tedy tvar:
vchar=wln(ms/mk)=Ispln(C)
Skutečná konečná rychlost rakety je ale vždy menší než charakteristická rychlost. Způsobují to gravitační ztráty (překonávání zemské přitažlivosti) a aerodynamický odpor prostředí. Charakteristická rychlost, potřebná pro dosažení nízké oběžné dráhy Země (LEO), tak přesahuje hodnotu 9200 m/s (je tedy cca o 16% větší, než teoretické minimum, tedy 7900 m/s).
Ukázalo se jako výhodné zbavovat se během startu alespoň části "mrtvé hmotnosti" konstrukce, která už splnila svůj úkol a dále je jen přítěží (například vypotřebované palivové nádrže). Vznikla tak konstrukce několikastupňové rakety, kdy se vždy po vyprázdnění nádrží jednoho stupně, tento stupeň oddělí a pak se zapálí motory dalšího stupně, který už dále urychluje jen zbytek rakety.
Podobně jako pro jednostupňovou raketu, lze odvodit Ciolkovského rovnici i pro rakety vícestupňové. Stačí sečíst příspěvky jednotlivých stupňů k charakteristické rychlosti a přitom si uvědomit, že jak ke startovní, tak ke konečné hmotnosti určitého stupně, musíme vždy připočítat hmotnost všech vyšších stupňů. Přesto se lze snadno přesvědčit o tom, že vícestupňová raketa dosahuje (při jinak stejných konstrukčních parametrech) vyšší konečnou rychlost (nebo vyšší nosnost při stejné rychlosti), než raketa jednostupňová.
Raketové motory mohou mít různý základní princip a konstrukci, což se pak projeví ve výhodnosti jejich použití pro různé úkoly.
Z chemických raketových motorů se nejčastěji používají motory na kapalné pohonné látky (KPL) a na tuhé pohonné látky (TPL). V těchto pohonných systémech se na kinetickou energii rakety přeměňuje výhradně chemická energie, uvolňovaná při hoření palivové směsi v tzv. spalovací komoře. Přitom prudce roste tlak v komoře a spaliny vylétají tryskou motoru vysokou rychlostí do okolí. Chemické pohony mají specifický impuls o velikosti 1500 až 4500 Ns/kg a jsou schopny krátkodobě (po dobu několika minut) vyvinout mimořádně velkou tahovou sílu (až 10 MN).
Typická současná nosná raketa se skládá ze dvou až čtyř stupňů. Každý stupeň obsahuje raketový motor, velké a lehké nádrže na pohonné látky, spojovací a nosnou konstrukci a elektronický řídicí systém.
Kosmické lety začínají vždy startem nosné rakety ze Země. Úspěšné vypouštění raket si vyžaduje řadu pozemních zařízení, jejichž souhrn se nazývá kosmodrom.
Start rakety končí navedením družice (užitečného zatížení) na základní oběžnou dráhu kolem Země. Družice se pak oddělí od posledního stupně nosné rakety a začne se pohybovat samostatně (setrvačností, bez netnosti dalšího pohonu). Pokud je třeba dráhu družice dále upravovat a měnit, používá se k tomu obvykle chemických pohonných systémů založených na stejných principech jako systémy nosných raket, ale mohou se zde již uplatnit i fyzikální druhy pohonu.
Z fyzikálních druhů pohonu jsou zatím nejpoužívanější iontové motory. Podobně jako ostatní fyzikální pohony mají i iontové motory velmi malý tah, který nestačí ke startu z povrchu Země, ale protože mají značně vysoký specifický impuls (až 30000 Ns/kg), jsou vhodné k udržování stabilní polohy družic, případně k pomalým změnám dráhy.
Teď už víme jak vynést nějaké zatížení do kosmu, ale musíme se ještě naučit zkonstruovat umělé kosmické těleso tak, aby bylo schopno provést činnost, kterou potřebujeme. To je obsahem stránky Družice a sondy.
