One small step - refleksje po 40 latach (2)

Przypomnienie podstawowych wiadomości o lotach kosmicznych zaczynamy od specyfiki przestrzeni kosmicznej oraz przeglądu zagadnień związanych z osiąganiem wielkich prędkości...

Istnieją rozbieżności dotyczące samej definicji przestrzeni kosmicznej oraz lotu kosmicznego, które jednak nie będą tu szczegółowo roztrząsane. Warto natomiast uświadomić sobie, iż Kosmos w pewnym sensie jest dość blisko (choć nader trudno tam się dostać). Przeciętna średnica i obwód Ziemi to odpowiednio 12,7 tys. km i 40 tys. km (dla porównania: Księżyc – 3,5 i 10,9; Mars – 6,8 i 12,1; Wenus – 12,1 i 38). Ziemia jest nieznacznie spłaszczona i dość gładka – w odniesieniu do poziomu morza średnia wysokość lądów wynosi 0,5 km (max ok. 9 km), a średnia głębokość oceanów 4,5 km (max ok. 11 km). Trzy czwarte powietrza znajduje się w troposferze – dolnej warstwie atmosfery do ok. 15 km. W tej warstwie występują chmury i zachodzi obieg wody w przyrodzie. Wraz z wysokością spada temperatura i ciśnienie – atmosfera staje się bardzo nieprzyjazna. Nad troposferą do 50 km jest stratosfera. Już w dolnej warstwie stratosfery temperatura ustala się na −60°C. Na wysokości 15-18 km niskie ciśnienie powoduje hipoksję – utratę tlenu i w konsekwencji utratę przytomności w ciągu ok. 10 s (aparaty tlenowe stosowane w samolotach w przypadku dehermetyzacji kabiny ratują życie do wysokości 10-13 km). Ciśnienie na wysokości ok. 19 km osiąga wartość, przy której w temperaturze ludzkiego ciała następuje wrzenie wody, ten efekt nazywamy ebulizmem, powoduje on puchnięcie, ale nie powoduje rozerwania tkanek i natychmiastowej śmierci. Powyżej stratosfery w miarę wzrostu wysokości kolor nieba przechodzi przez granatowy do czarnego, pojawiają się gwiazdy. Atmosfera pozostaje widoczna w formie niebieskiej wstążki nad horyzontem. Cząstki bardzo rozrzedzonego powietrza znajdują się jeszcze na wysokościach od 85 km do 2000 km. Temperatura staje się wartością umowną, gdyż w rozrzedzonym powietrzu nie zachodzi wymiana ciepła; nie rozchodzą się także fale dźwiękowe.

Orientacyjne osiągi statków powietrznych pod względem pułapu to: helikoptery – 6 km, samoloty śmigłowe – 7,5 km, samoloty odrzutowe – 15 km, niektóre myśliwce i samoloty bezzałogowe – 20 km, SR-71 – 26 km, niektóre systemy przeciwlotnicze – 30 km, balony meteorologiczne – 40 km. Atmosferę powyżej pułapu balonów bada się za pomocą rakiet badawczych (tzw. rakiety sondażowe, rakiety meteorologiczne). Rakiety sondażowe rutynowo stosowane przez NASA osiągają pułap 100-200 km.

Umowną granicą między atmosferą Ziemi a przestrzenią kosmiczną jest tzw. linia Kármána na wysokości 100 km (definicja FAI; NASA przyjmuje wysokość 50 mil, czyli 80 km). Na wysokości 100 km ciśnienie atmosferyczne wyonosi 1 Pa (na poziomie morza ok. 1000 hPa, czyli 100 000 Pa), powyżej tej granicy pojęcie ciśnienia atmosferycznego traci zastosowanie. Efekty związane z wejściem do atmosfery z przestrzeni kosmicznej zaczynają się od 120 km i jest to minimalna wysokość dla sztucznych satelitów.

Z przebywaniem w przestrzeni kosmicznej wiąże się szereg fenomenów, spośród których kilka zostanie omówionych. W Kosmosie występuje próżnia związana z brakiem atmosfery. Nie jest to próżnia doskonała (taka nie istnieje), ale jej jakość wielokrotnie przewyższa próżnię możliwą do uzyskania na Ziemi w warunkach laboratoryjnych przy obecnej technice. Ponadto w Kosmosie występuje stan nieważkości (weightlessness, zero gravity, zero-g). Warto zwrócić uwagę, że w istocie w niewielkiej odległości od Ziemi oddziaływanie grawitacyjne Ziemi nie jest znacząco mniejsze niż na jej powierzchni (nieważkość nie jest równoznaczna z brakiem grawitacji). Istnieją specyficzne miejsca, w których w wyniku znoszenia się pól grawitacyjnych nie ma żadnych oddziaływań grawitacyjnych (w pewnym sensie), ale takich miejsc jest w Układzie Słonecznym niewiele. Fizycznie stan nieważkości można rozumieć jako efekt spadku swobodnego. Obiekt na orbicie porusza się ruchem będącym złożeniem spadku swobodnego i ruchu poziomego. Olbrzymia prędkość pozioma jaką otrzymał obiekt znajdujący się na orbicie powoduje, że jego swobodne spadanie w kierunku Ziemi następuje w tym samym tempie, co „cofanie się” powierzchni Ziemi wynikające z jej krzywizny. Ruch orbitalny jest niekończącym się spadaniem.

Interesująca jest kwestia wpływu próżni na organizmy żywe. Nie występują efekty znane z filmów sf takie jak eksplozja czy zamarznięcie ciała astronauty albo zagotowanie krwi. W przypadku nagłej dekompresji (explosive decompression), która jest najgroźniejsza, następuje wyssanie powietrza z płuc oraz gwałtowna hipoksja. Jeszcze gorsze jest pozostanie na wdechu – nim powietrze ujdzie przez tchawicę następuje rozerwanie delikatnej tkanki płuc. W tym czasie można doznać uczucia silnego wysysania powietrza z płuc (ze świstem), uczucia gotowania się płynów na języku oraz uczucia mrozu, szczególnie na ustach i w miejscach wydzielania potu. Utrata przytomności następuje po ok. 10 s, gdy pozbawiona tlenu krew dotrze do mózgu. Ebulizm powoduje puchnięcie, jednak w przypadku przywrócenia ciśnienia w czasie do ok. 30 s objawy ustępują i możliwy jest pełny powrót do zdrowia. Ustanie akcji serca następuje po 1,5 min, a śmierć mózgu po ok. 2 min. Jeśli oddychanie nie jest zakłócone, kończyny mogą być wystawione na próżnię przez dłuższy czas. Występuje ebulizm powodujący ból i puchnięcie, ale po przywróceniu ciśnienia wracają do normy. W 1971 r. w końcowej fazie misji Sojuz 11 na wysokości 170 km nastąpiła dehermetyzacja, po czym w ciągu 112 s nastąpiła całkowita dekompresja i śmierć 3 kosmonautów. W 1991 r. w czasie misji STS-37 miał miejsce przypadek przebicia rękawicy astronauty przebywającego w przestrzeni kosmicznej. Na skutek uderzenia powstała dziura na ok. 3 mm oraz krwawienie. Dłoń astronauty oraz krzepnąca krew zatkały dziurę, tak że nie nastąpiła dekompresja kombinezonu. Co ciekawe, będący pod wpływem adrenaliny astronauta nie zauważył wypadku i wykonał zadanie do końca. Wypadek odkryto dopiero po powrocie do pojazdu. Nie wystąpiły żadne poważne konsekwencje zdrowotne.

Astronautów od próżni oddziela hermetyczna kabina. Podobne rozwiązanie stosuje się w samolotach pasażerskich latających na dużych wysokościach – w kabinie jest utrzymywane właściwe ciśnienie (dehermetyzacja w pierwszym rzędzie prowadzi do uduszenia pasażerów). Przy obecnej technice nie da się natomiast uniknąć stanu nieważkości w Kosmosie. Efektem stanu nieważkości u osoby nieprzyzwyczajonej jest ciągłe wrażenie spadania lub przebywania w pozie do góry nogami, dezorientacja i niepokój. U połowy osób w trakcie adaptacji do nieważkości podczas pierwszego lotu kosmicznego pojawia się zespół objawów podobnych do choroby lokomocyjnej (np. mdłości itp.) nazywany chorobą kosmiczną (SMS, space motion sickness, SAS, space adaptation syndrome), który zwykle mija po 1-3 dniach. U 10% osób SMS ma ciężki przebieg. SMS po raz pierwszy wystąpił u Giermana Titowa w misji Wostok 2 – pierwszym całodobowym locie kosmicznym. Dopiero pod koniec misji zjadł posiłek, gdyż 2 wcześniejsze próby kończyły się nudnościami lub wymiotami.

Przy długotrwałym przebywaniu w stanie nieważkości następują takie efekty jak atrofia mięśni, demineralizacja kości w dolnej części ciała, co czyni je podatnymi na złamania. Szczególnie niebezpieczne jest zmniejszenie się mięśnia sercowego spowodowane tym, że serce przy zmniejszonym wysiłku pompuje mniej krwi. Konieczne są ćwiczenia 2-3 godziny dziennie, czasem wykorzystując zmyślne urządzenia. Z domowych przyrządów do ćwiczeń na stacji kosmicznej przydałby się ekspander, natomiast hantle byłyby oczywiście nieprzydatne. Ćwiczenia jednak pomagają tylko w pewnym stopniu i nie zapobiegają demineralizacji kości oraz innym zmianom fizjologicznym. Nie dopuszcza się do przebywania w Kosmosie kobiet w ciąży ani do poczęcia w Kosmosie, gdyż stan nieważkości zaburzyłby rozwój płodu. Po powrocie z długotrwałej misji na stacji kosmicznej astronauci nie mogą stać, gdyż na skutek zmniejszonej objętości krwi zemdleliby po kilku minutach. Wszystkie zmiany cofają się całkowicie po kilku tygodniach od powrotu na Ziemię. Nie wiadomo jaki jest krytyczny czas pobytu w stanie nieważkości, który spowodowałby nieodwracalne zmiany. Można jednak zakładać, że pobyt w stanie nieważkości trwający kilka lat jest przy obecnej technice niemożliwy.

Kolejnym problemem jest promieniowanie kosmiczne – naładowane cząstki, których głównym źródłem jest wiatr słoneczny. Promieniowanie kosmiczne jest zjawiskiem naturalnym na Ziemi – w każdej sekundzie przez ludzkie ciało przelatuje kilkadziesiąt naładowanych cząstek (powodując miliony jonizacji). Większość cząstek wiatru słonecznego jest odchylana od Ziemi przez magnetosferę, ich natężenie zmniejsza się też wskutek przejścia przez atmosferę. Poza atmosferą w czasie krótkiej misji orbitalnej astronauta otrzymuje zwiększoną dawkę promieniowania porównywalną z typowym badaniem rentgenowskim. Przy dłuższych misjach ta dawka odpowiednio zwielokrotnia się. Natężenie promieniowania kosmicznego jest jeszcze większe poza magnetosferą oraz zabójczo wysokie w Pasach Van Allena – otaczającej Ziemię pułapce magnetycznej na naładowane cząstki. Jak dotychczas na zagrożenia wynikające z przejścia przez Pasy Van Allena oraz wyjścia poza magnetosferę byli narażeni tylko członkowie księżycowych misji Apollo.

W medycynie kosmicznej rozważa się także psychiczne konsekwencje długotrwałej misji kosmicznej związane z długotrwałym przebywaniem kilku osób w małej przestrzeni przy ograniczonej liczbie zajęć. Problem ten rozważa się szczególnie w kontekście przyszłej misji na Marsa. Dotychczas tego typu problemy nie pojawiły się na dużą skalę, co wynika z tego, że astronauci są selekcjonowani nie tylko pod kątem predyspozycji fizycznych i intelektualnych, ale także pod kątem stabilności emocjonalnej i wysokiej motywacji. Ponadto programy misji zawierają tyle zadań, że są oni prawie cały czas zajęci. Jednak powstawanie napięć podczas długotrwałych misji zostało potwierdzone. Walentin Lebiediew, który w 1982 r. uczestniczył w długotrwałej misji na stacji Salut 7, ujawnił w wydanych wspomnieniach napięcia między nim a jego towarzyszem – w miarę upływu czasu rozmowy między nimi stały się krótkie i wrogie, na stacji zapanował terytorializm. Ogólne trendy w długotrwałych misjach kosmicznych są podobne jak w misjach polarnych i na okrętach podwodnych – po dłuższym czasie poziom interakcji między ludźmi zmniejsza się. Zapewne wszyscy zainteresowani misją na Marsa będą obserwować przebieg ambitnego eksperymentu Mars-500 zorganizowanego przez Rosję, w którym 6 mężczyzn ma przetrwać w kompleksie odizolowanych pomieszczeń o powierzchni ok. 200 m kw. (nie licząc „lądownika”) 500 dni hipotetycznej wyprawy na Marsa. Główna część eksperymentu ma zacząć się w marcu 2010 r.

Zacznijmy od jednostek. Prędkości dostępne codziennemu doświadczeniu mierzymy w kilometrach na godzinę (km/h), natomiast w lotach kosmicznych mamy raczej do czynienia z prędkościami rzędu kilometrów na sekundę (km/s). Dla lotów kosmicznych w fazie wynoszenia na orbitę oraz powrotu do atmosfery istotne są zjawiska z dziedziny aerodynamiki. W aerodynamice do określania prędkości wykorzystuje się tzw. liczbę Macha, która jest wielkością bezwymiarową określającą stosunek prędkości obiektu do prędkości dźwięku. Ma to praktyczne zastosowanie w lotnictwie, gdyż odniesienie do prędkości dźwięku jest tu często bardziej istotne od bezwzględnej wartości prędkości. W miarę zbliżania do prędkości dźwięku zachowanie powietrza otaczającego samolot podlega zakłóceniom, np. gwałtownie rośnie współczynnik oporu Cx i w pobliżu prędkości dźwięku osiąga maksimum (czasem mówi się o tzw. barierze dźwięku). Pojawia się fala uderzeniowa, która zawsze towarzyszy lotom naddźwiękowym i jest tym silniejsza im szybszy przelot. Z punktu widzenia obserwatora fala uderzeniowa jest głośnym dźwiękiem określanym jako podwójny bang. W wilgotnej atmosferze przy przekraczaniu bariery dźwięku wokół samolotu pojawia się obłok Prandtla-Glauerta (Prandtl–Glauert singularity, osobliwość Prandtla-Glauerta). Stosowanie liczby Macha może prowadzić do nieporozumień przy przeliczaniu prędkości na tradycyjne jednostki.

Tradycyjnie jako prędkość rozchodzenia się dźwięku podaje się wartość zmierzoną na poziomie morza w temperaturze 15°C, która wynosi 1225 km/h (340 m/s). Jednak prędkość dźwięku zmienia się zależnie od temperatury i ciśnienia, a zatem zmienia się wraz z wysokością – mianowicie ze wzrostem wysokości do pewnego momentu zmniejsza się. Jeśli osiągi samolotów odrzutowych pod względem prędkości podawane są w liczbach Macha, to zwykle bierze się pod uwagę prędkość dźwięku na wysokościach 11-25 km, która w tym zakresie wynosi 1062 km/h (295 m/s).

Poruszaniu się z wielkimi prędkościami w atmosferze towarzyszą określone zjawiska. Stąd podział tych prędkości (wg klasyfikacji NASA): poddźwiękowe (subsonic) – od 400 km/h, M<1; okołodźwiękowe (transonic) – 0,8<M<1,2; naddźwiękowe (supersonic) – 1<M<3; wysokie naddźwiękowe (high supersonic) – 3<M<5; hiperdźwiękowe (hipersonic) – 5<M<10; wysokie hiperdźwiękowe (high-hipersonic) – 10<M<25.

Samoloty śmigłowe latają z prędkościami poddźwiękowymi do 750 km/h. Cywilne samoloty odrzutowe zwykle latają z prędkościami okołodźwiękowymi do Ma 0,85 (900 km/h); najszybszy cywilny odrzutowiec Cessna Citation X osiąga Ma 0,92 (wycofane już Concorde i Tu-144 latały z prędkością Ma 2).

Z prędkościami naddźwiękowymi latają obecnie generalnie tylko myśliwce i samoloty eksperymentalne. Orientacyjne osiągi myśliwców pod względem prędkości wynoszą do Ma 1,5 bez dopalania i do Ma 2 z dopalaniem, przy czym dopalanie wykorzystuje się tylko w krótkich fragmentach misji takich jak start z lotniskowca, sytuacja bojowa. Pociski z ręcznej broni palnej wylatują zwykle z prędkościami okołodźwiękowymi i naddźwiękowymi – 300-900 m/s, czyli do Ma 2,6.

Z prędkościami wysokimi naddźwiękowymi latał samolot zwiadowczy SR-71 z silnikami strumieniowymi. Prędkości rakiet powietrze-powietrze, ziemia-powietrze leżą w zakresie Ma 2-5. Przy prędkościach od ok. Ma 2,5 staje się znaczące zjawisko nagrzewania aerodynamicznego (aerodynamic heating) – pojawiają się temperatury, przy których aluminium staje się plastyczne. Np. w SR-71 lecącym z prędkością Ma 3,1 niektóre części nagrzewały się do 315°C. Powoduje to konieczność stosowania specjalnych materiałów, np. tytanu. Zjawisko nagrzewania aerodynamicznego nasila się ze wzrostem prędkości.

W latach 60. odbywały się loty eksperymentalnego samolotu X-15 z napędem rakietowym z prędkościami hiperdźwiękowymi, maksymalnie Ma 6 w 1967 r. W sumie w ramach programu odbyło się ok. 200 lotów, a w kilku z nich pilotem był Neil Armstrong. Oprócz rekordowych prędkości osiągano także rekordowe pułapy, a w 2 lotach przekroczono granicę kosmosu. Obecnie jest w fazie testów silnik scramjet przeznaczony do lotów z predkościami hiperdźwiękowymi a w przyszłości wysokimi hiperdźwiękowymi. W latach 00. odbyło się kilka testów eksperymentalnych bezzałogowych samolotów z silnikiem scramjet, które osiągały prędkości do Ma 9. Spekuluje się, że na wyposażeniu CIA są załogowe samoloty Aurora z silnikami scramjet o pułapie 40 km i maksymalnej prędkości Ma 8. Spekuluje się także, że Rosja opanowała technologię głowic ICMB oraz pocisków manewrujących wyposażonych w silniki scramjet, które mogą manewrować z prędkością Ma 10-15 i są zdolne do uniknięcia ewentualnego przechwycenia. Przy prędkościach hiperdźwiękowych, czyli od Ma 5, zaczyna się zjawisko jonizacji cząsteczek powietrza, a lecący obiekt nagrzewa się miejscami do 1000°C.

Z prędkościami wysokimi hiperdźwiękowymi latają pojazdy kosmiczne oraz ICBM w trakcie powrotu do atmosfery (reentry). Pojazd zdolny do wykonania takiego manewru nazywamy pojazdem powrotnym (reentry vehicle), a prędkość, z którą wchodzi on do atmosfery – prędkością powrotną (reentry speed). Przykłady pojazdów powrotnych: wahadłowiec, który w końcowej fazie lotu jest szybowcem, kapsuły powrotne innych pojazdów kosmicznych (obecnie głównie Sojuz), głowice bojowe oddzielone od ICBM. Główne zjawiska aerodynamiczne przy tych prędkościach to nagrzewanie aerodynamiczne i kompresja powietrza przed pojazdem, które wskutek tego zmienia stan skupienia na plazmę. Zjawiska te powodują, że na powierzchni zwykłych obiektów wchodzących w atmosferę zachodzi ablacja powodująca, że lecący obiekt ulega zniszczeniu, a mniejsze obiekty całkowicie wyparowują i rozpraszają się w atmosferze. Pojazdy muszą być wyposażone w osłony termiczne. Maksymalna temperatura występuje na wysokości ok. 50 km, a jej wartość zależy od prędkości powrotnej, kształtu pojazdu powrotnego i rodzaju osłony termicznej. Orientacyjne wartości maksymalnej temperatury to 3000°C dla kapsuły powrotnej Apollo, 6000°C dla wahadłowca, 11000°C dla głowic bojowych. Przyjęta w zestawieniu prędkości liczba Ma 25 określająca górną granicę prędkości wysokich hiperdźwiękowych odpowiada typowym sytuacjom powrotu do atmosfery z lotu orbitalnego, czyli 8 km/s. Dla precyzyjnej informacji lepiej jednak w tym zakresie prędkości posługiwać się wartościami bezwzględnymi niż liczbą Macha. W lotach suborbitalnych prędkości powrotne nie przekraczają 8 km/s. Najważniejszym przykładem są tu głowice bojowe, które nie zwalniają całkowicie tylko osiągają cel z prędkością maksymalnie 4 km/s (Ma 12). Typowa prędkość powrotna z niskiej orbity wynosi ok. 8 km/s. W przypadku bezpośredniego powrotu z lotów międzyplanetarnych prędkość powrotna jest jeszcze wyższa. Najwyższa prędkość pojazdu załogowego wystąpiła podczas powrotu kapsuły Apollo 10 – 11 km/s (załoga znalazła się w Księdze rekordów Guinnessa), natomiast najwyższa prędkość powrotna kapsuły bezzałogowej wystąpiła podczas powrotu kapsuły Stardust – 13 km/s. Meteory wchodzą w atmosferę z prędkościami od 12 km/s do 72 km/s, przy czym prędkości rzędu kilkudziesięciu km/s charakteryzują obiekty docierające do Ziemi z przestrzeni międzygwiezdnej.

Orientacyjne zestawienie prędkości w różnych jednostkach:

• samolot śmigłowy Cessna 172, prędkość przelotowa – 226 km/h
• lepsze helikoptery, prędkość maksymalna – 300 km/h
• samolot pasażerski śmigłowy ATR 72, prędkość przelotowa – 500 km/h
• samolot pasażerski odrzutowy Boeing 747 (Jumbo Jet), prędkość przelotowa – 900 km/h – Ma 0,85 (11 km)
• dźwięk na wysokościach 11-25 km – 1062 km/h – 295 m/s – 1 Ma (11 km)
• dźwięk na poziomie morza – 1225 km/h – 340 m/s – 1 Ma (0 km)
• pocisk z pistoletu CZ 75, prędkość początkowa – 1440 km/h – 400 m/s – Ma 1,18 (0 km)
• samolot myśliwski F-22, prędkość maksymalna bez dopalania – 1900 km/h – 550 m/s – Ma 1,82 (11 km)
• samoloty myśliwskie F-16, F-22, Su-35, prędkość maksymalna – 2400 km/h – 650 m/s – Ma 2,25 (11 km)
• samolot zwiadowczy SR-71, prędkość maksymalna – 3700 km/h – 1 km/s – Ma 3,5 (24 km)
• rakiety systemu PAC-1 – 5300 km/h – 1,5 km/s – Ma 5 (11 km)
• lot eksperymentalnego samolotu X-15 w 1967 r., prędkość – 7273 km/h – 2 km/s – Ma 6,25 (58 km)
• lot eksperymentalnego bezzałogowego pojazdu X-43A w 2004 r., prędkość – 10300 km/h – 3 km/s – Ma 9,7 (11 km)
• ICBM, prędkość głowicy w chwili osiągnięcia celu (maksymalnie) – 14400 km/h – 4 km/s – Ma 12 (0 km)
• prędkości wahadłowca wracającego do atmosfery z niskiej orbity
  • 120 km (0 min)– 28400 km/h – 7,9 km/s
  • 90 km (5 min) – 28800 km/h – 8 km/s
  • 61 km (15 min) – 19800 km/h – 5,5 km/s
  • 55 km (18 min) – 13000 km/h – 3,6 km/s
  • 30 km (23 min) – 4400 km/h – 1,2 km/s
• prędkość powrotna kapsuły Apollo 10 wracającej z orbity Księżyca – 39900 km/h – 11 km/s
• prędkość powrotna kapsuły Stardust wracającej ze spotkania z kometą Wild 2 – 46500 km/h – 13 km/s
• prędkość obiektu z przestrzeni międzygwiezdnej wchodzącego w atmosferę Ziemi – 260000 km/h – 72 km/s