Zadania wahadłowców

Promy kosmiczne, zwane też wahadłowcami lub samolotami kosmicznymi, są pierwszymi pojazdami wielokrotnego użytku przeznaczonymi do podróży poza naszą planetę. Startują z powierzchni Ziemi na podobieństwo rakiety kosmicznej, po wejściu na orbitę stają się sztucznymi satelitami, a gdy kończą zadanie, lądują z powrotem na ziemskim globie niczym gigantyczny szybowiec. Już sama liczba tych przeobrażeń wahadłowca świadczy o tym, jaka to skomplikowana konstrukcja.

Dokąd lata wahadłowiec i co robi?

Jak sugeruje sama nazwa, prom kosmiczny został zaprojektowany jako statek kosmiczny wielokrotnego użycia, mający służyć do przewożenia ludzi, sprzętów i satelitów na orbitę, oraz do obsługi, na przykład naprawy Teleskopu Hubble’a lub zabierania satelitów już będących na orbicie. Wahadłowce nigdy nie miały latać na Księżyc, na Marsa, czy też pełnić funkcję kosmicznego laboratorium, były podstawowym środkiem transportu do przewożenia sprzętu i załóg potrzebnych przy budowie Stacji Kosmicznej. Po zakończeniu budowy wspomagają działanie stacji przez transportowanie sprzętu i astronautów do stacji i z powrotem. Oprócz tego nadal będą służyły do wynoszenia, napraw i sprowadzania na Ziemię satelitów, a także do realizacji krótkoterminowych programów badawczych. Wahadłowce mogą wznosić się na orbity o wysokości od 160 do 650 km oraz o inklinacji pomiędzy 28,50 a 620.
Wahadłowców używa się nie tylko do transportu satelitów, ale wysyła się je w misjach naukowych. Dobre warunki bytowe w kabinie oraz stosunkowo niewielkie przeciążenia startowe pozwalają na loty w kosmos zarówno specjalnie wytrenowanym pilotom, jak i zwykłym ludziom. Dzięki temu promy kosmiczne gościły już wielu naukowców, którzy przeprowadzali w warunkach nieważkości bardzo skomplikowane badania. Podczas tego typu misji w ładowni wahadłowca znajdują się nie satelity, a supernowoczesne laboratorium Spacelab. Można w nim przeprowadzić eksperymenty z różnych dziedzin nauki, na przykład chemii, fizyki, medycyny. Wahadłowce nierzadko zabierają na orbitę nie tylko ludzi, ale i zwierzęta doświadczalne. W kosmos latały już między innymi ślimaki i ryby. Astronauci zabierają też w kosmos zabawki: serpentyny, piłeczki, bąki, chorągiewki i wiele innych po to, by w ten oryginalny sposób rozbudzić u dzieci zainteresowanie kosmosem. Kasety wideo demonstrujące, jak zachowują się różne zabawki w stanie nieważkości, są następnie rozprowadzane przez wydział edukacji NASA.

Przeciążenia

W czasie startu.

W czasie startu wahadłowca poza ciągle wzmagającym się hałasem i wibracjami czuje się wciskające astronautę w fotel przeciążenie o wartości 1,6 g (chodzi tu o siłę związaną ze stałym przyspieszeniem, z jakim wznosi się rakieta. To przyspieszenie rakiety jest stałe i równe 1,6 przyspieszenia ziemskiego). Dla porównania, w typowym odrzutowcu pasażerskim podczas przyspieszenia na pasie startowym jesteś wpychany w fotel z siłą 0,33 g. Przeciążenie w startującym wahadłowcu jest około 5 razy większe i ciężko tego nie odczuć. To, co wtedy przeżywa się w kabinie, zupełnie nie koresponduje z obrazem powolnie, dostojnie odrywającego się od ziemi wahadłowca, jaki można zobaczyć w telewizji. Wahadłowiec o masie milionów kilogramów w czasie 4 sekund osiąga prędkość 160 km/h, a w ciągu 40 sekund przekracza barierę dźwięku (w powietrzu o temperaturze 20oC dźwięk rozchodzi się z prędkością 1238,4 km/h). Przeciążenie zmienia się od 1,6 g w momencie startu, do 2,5 g na chwilę przed odłączeniem silników na paliwo stałe, gdy ciąg wynosi jeszcze 2 800 000 kN. Po odrzuceniu rakiet wspomagających przeciążenie spada gwałtownie do około 0,9 g. Odtąd lot jest spokojny i ogólnie rzecz biorąc – cichy. Miarowej pracy silników na paliwo ciekłe, dającej prawie 600 000 kN ciągu, towarzyszy niemal niezauważalny szum. W miarę wypalania się paliwa ciekłego, pojazd staje się coraz lżejszy. Przeciążenie znów zaczyna wzrastać i po około 7,5 minutach lotu osiąga wartość 3 g, czyli jest prawie 10 razy większe niż w samolocie pasażerskim przyspieszającym na pasie startowym. Od tej chwili komputery zmniejszają przepływ przepustnicy, aby nie dopuścić do przekroczenia tej wartości. Mimo wszystkich wstrząsów i wibracji, jakie musi wytrzymać wahadłowiec, jest on pojazdem dość kruchym i przy przeciążeniach znacznie przekraczających 3 g mógłby się rozlecieć. Jedną z procedur związanych z takim zagrożeniem jest wyłączenie przez załogę jednego z silników, o ile wszystkie nie zostaną zdławione automatycznie. Wyłączenie głównego silnika (MECO–Main Engine Cutoff) następuje w 8,5 minuty po starcie. W mgnieniu oka przeciążenie spada wtedy z 3 g do zera. Jesteśmy od tej chwili w stanie nieważkości!

Lądowanie.

W czasie schodzenia do lądowania przeciążenia nie są zbyt duże – maksymalnie wynoszą około 1,5 g (przy końcowym skręcie na lądowisko mogą na krótko osiągnąć 2,5 g). Astronautom, którzy przebywali w stanie nieważkości przez tydzień lub dwa, wydają się większe. Mają oni uczucie, że są wgniatani w fotele. Przy wznoszeniu się siły przeciążenia działają prostopadle do kręgosłupa, co jest odczuwane, jakby niewidzialna dłoń naciskała na pierś. Przy powrocie przeciążenie działa wzdłuż kręgosłupa i czujesz, jakby ta sama dłoń wywierała nacisk na twoje ramiona.
Aby zwiększyć swe szanse przed omdleniem podczas lądowania, które jest związane z odpływem krwi z górnej części ciała (również mózgu) i przepływem w dół, astronauci zakładają ubrania antyprzeciążeniowe. Są one podobne do tych, jakie noszą piloci i wyglądają jak kowbojskie ochraniacze. Otaczają nogi i brzuch wypełnionymi powietrzem pęcherzami. Przed pojawieniem się przeciążeń w czasie schodzenia do lądowania ubrania naciskają na nogi i brzuch jak wielki gorset. Powstrzymuje ruch krwi w dół ciała. Z większą ilością krwi w górnej jego części astronauta ma większe szanse na uniknięcie omdlenia.

Nieważkość

Co to jest nieważkość?

Można powiedzieć, że nieważkość jest swobodnym lotem. Niektórzy astronauci odczuwają coś w rodzaju spadania, inni przyrównują to uczucie bardziej do przewracania się. Gdy znaleźli się w się tej sytuacji, łapali się za jakiś solidny uchwyt. Przydarza się to najczęściej w pomieszczeniu, w którym nie ma okien i najprawdopodobniej brak bodźców wizualnych powoduje taką iluzję.

Podróżowanie po wahadłowcu.

W stanie nieważkości jednym ruchem palca można sprawić, że ciało poszybuje przez kabinę (nogi, poza tym, że są zwieńczeniem tułowia, w kosmosie są bezużyteczne). Jednak należy uważać, gdyż gwałtowny ruch może spowodować bolesne zetknięcie z przeciwległą ścianą. Takie sztuczki nie zdarzają się jednak zbyt często. Astronauci szybko uczą się kontrolować i amortyzować ruchy za pomocą palców. Ciężkie rzeczy, np. 40-kilogramowe składane fotele, z którymi w czasie symulacji na Ziemi było trochę kłopotów, można przesuwać bez najmniejszego kłopotu. Na przyzwyczajenie się do tego stanu trzeba jednak trochę czasu. Jednak po około godzinie mózg zaczyna akceptować fakt, że na orbicie nie ma „dołu” ani „góry”; ciało może się ustawiać w dowolnej pozycji.

Dolegliwości związane z nieważkością.

Chociaż położenie ciała nie ma nic wspólnego z napływaniem krwi do głowy, wszyscy astronauci czują się jednak, jakby stali na głowie. Jest to spowodowane fizjologicznym efektem nazywanym przez lekarzy z NASA wznoszeniem się płynów. Na Ziemi grawitacja powoduje, że wiele płynów fizjologicznych ma tendencję do opadania i gromadzenia się w dolnych partiach organizmu. Po kilku godzinach przebywania w stanie nieważkości płyny te równomiernie rozchodzą się po całym ciele. Nogi staja się trochę szczuplejsze, a tułów nieco się powiększa. Klatki piersiowe – u kobiet jak i mężczyzn – w stanie nieważkości stają się bardziej okazałe. Wszystkie mięśnie górnej części ciała są napęczniałe. Oczy wydają się mniejsze, ale to tylko złudzenie- to twarz lekko puchnie i staje się pełniejsza. Znikają wszelkie fałdy skórne z twarzy. Obwód talii zmniejsza się o około 5 cm, stopa staje się drobniejsza, a na skutek rozszerzania się dysków międzykręgowych w kręgosłupie wzrost zwiększa się o około 5 cm. Zmienia się również sylwetka. Stawy układają się w pozycji środkowej między skrajnymi położeniami - głowa lekko pochylona do przodu, plecy zaokrąglone, ugięte w łokciach ręce unoszą się same, a nogi znajdują się w półprzysiadzie.
Gdy statek jest na orbicie i załoga znajduje się w stanie nieważkości, astronauci wyraźnie odczuwają napływ krwi do klatki piersiowej i głowy. Nieważkość powoduje także niedrożność nosa, która jest mniej uciążliwa niż na Ziemi, bo przynajmniej nic nie kapie ani nie cieknie z nosa, i opuchliznę twarzy. Pod wpływem nieważkości obserwowano u kosmonautów zmniejszenie się częstości skurczów serca i spadek ciśnienia tętniczego krwi, zmniejszenie wydzielani soków w żołądku, zwiększenie wydzielania moczu, zwiększenie zużycia tlenu i wydalania dwutlenku węgla. Obserwowano też zmiany w składzie krwi: pojawienie się większych ilości wapnia, fosforu i siarki, a jednocześnie ubytek tych pierwiastków z kości. Powoduje to odwapnienie kości, co czyni je kruchymi. Efekt ten może ograniczać czas, który ludzie mogą stosunkowo bezpiecznie dla zdrowia spędzić w stanie nieważkości. Podczas pierwszych kilku dni na orbicie większość astronautów cierpi na różne dolegliwości określane ogólnie mianem choroby kosmicznej. Objawy trwają dopóty, dopóki organizm nie przywyknie do nowych warunków. Rosjanie przeprowadzili jednak eksperymenty polegające na ciągłej pracy astronauty przez ponad rok i nie stwierdzili żadnych nieodwracalnych zmian chorobowych. W przyszłości planuje się uniknąć problemów związanych z nieważkością w czasie długich lotów załogowych przez wprawienie w ruch obrotowy, dzięki czemu uzyska się tzw. „sztuczną grawitację”.

Zabawy z nieważkością.

Na pokładzie orbitera nie jest możliwe, by astronauta mógł unosić się nieruchomo pośrodku kabiny. Musiałby wpierw go ktoś przytrzymać na środku kabiny, a następnie puścić bez przykładania nawet znikomych sił. W kabinie musiałby być zerowy ruch powietrza oraz zerowe przyspieszenie wahadłowca. Ale jednak powietrze w kabinie krąży, a siły wytwarzane przez wahadłowiec nigdy nie są zerowe. Nawet podczas swobodnego dryfowania – przy wyłączonych wszystkich silnikach – statek jest narażony na ciągłe podmuchy bardzo słabego wiatru cząsteczek, co powoduje oddziaływania rzędu mikro-g (milionowych części g), które niszczą idealną nieważkość, potrzebną do rzeczywistego pozostania w bezruchu.
W stanie nieważkości nic nie cieknie ani nie kapie. Woda, tak jak wszystkie ciecze, gdy może się swobodnie unosić, przybiera kształt idealnej kuli. Dlaczego? Ponieważ cząsteczki cieczy przyciągają się wzajemnie. Kula powstaje na skutek właściwości cieczy zwanej przyciąganiem powierzchniowym. Napięcie powierzchniowe istnieje również w cieczach na Ziemi, lecz siła ziemskiej grawitacji znacznie przeważa nad słabymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi. Obserwowanie działania sił napięcia powierzchniowego w warunkach nieważkości jest bardzo zabawne. Gdy powoli wyciskasz wodę z bidonu, struga błyskawicznie zamienia się w idealną kulę, tak samo się zachowuje ciecz wydostająca się z naszego ciała, na przykład krew, mocz czy pot. Mimo to zabawy wodą na pokładzie wahadłowca wymagają zachowania dużej ostrożności. Gdyby dostała się do systemu klimatyzacyjnego, zostałaby rozpylona wśród urządzeń elektronicznych, co mogłoby spowodować zwarcie.
A co z paleniem świeczki? Na Ziemi dla świecy wosk jest paliwem, a powietrze źródłem tlenu koniecznego do spalania. Powietrze ogrzane pod płomieniem staje się lżejsze i unosi się do góry. Na jego miejsce w okolice dolnej części płomienia napływa świeże powietrze z większą ilością tlenu. Świeca pali się, ponieważ płomień cały czas jest zasilany paliwem (wosk) i tlenem (powietrze). Teraz prześledźmy, co działoby się na pokładzie wahadłowca. Przede wszystkim płomień nie miałby kształtu łezki, tylko kuli, ponieważ w stanie nieważkości nie zachodzi proces konwekcji. Na Ziemi ciepłe powietrze unosi się do góry, bo ogrzane cząsteczki poruszają się szybciej, powietrze staje się rzadsze, a zatem lżejsze od otoczenia. W stanie nieważkości coś nie może być lżejsze od czegoś innego. Wszystko, łącznie z ciepłym i zimnym powietrzem waży tyle samo: zero. Oznacza to, że świeca po zużyciu całego zapasu tlenu z knota po prostu zgaśnie. Tylko przez krótki czas widać by było kulę ognia. Wyjaśnienie to zakłada, że w kabinie nie byłoby ruchów powietrza, które dostarczyłyby tlen w pobliże płonącego knota. W rzeczywistości na pokładzie wahadłowca ciągle pracują wentylatory mieszające powietrze, więc prawdopodobnie świeca jakoś by się paliła.
Jedną z zabaw na orbicie jest puszczanie papierowych samolotów, które potem latają po całym wahadłowcu. Latają jednak inaczej niż na Ziemi. Ponieważ nie ma grawitacji, która ściągałaby je na dół, samolociki szybują bez przerwy.

Pora snu.

Po całym dniu ciężkiej pracy astronauci idą spać. Sen w stanie nieważkości jest podobno tak relaksujący, że po powrocie na Ziemię astronauci odczuwają niewygodę nawet w najwygodniejszym łóżku. Mówienie o leżeniu podczas spania w stanie nieważkości jest pozbawione sensu, w wahadłowcu nie ma, więc łóżek. Astronauci mogą spać gdziekolwiek. Każda orientacja w przestrzeni jest dozwolona, gdyż każde miejsce i każda orientacja w stanie nieważkości są identyczne. Teoretycznie śpiąca załoga mogłaby swobodnie dryfować w kabinie na podobieństwo drobinek kurzu. Byłoby to jednak niepraktyczne, gdyż wszyscy ciągle by się budzili, zderzając się ze sobą i obijając o sprzęty w kabinie, a gdyby ktoś chciał skorzystać z toalety, musiałby rozgarniać fruwające ciała. Dlatego większość astronautów używa na czas snu śpiworów, które można przymocować do ściany lub sufitu. Gdy zamkniesz się w nim na zamek błyskawiczny, nie tylko nie wyfruniesz, ale jest ci na dodatek przyjemnie ciepło. Można też tylko przypasać się do fotela dowódcy lub pilota, bez żadnego śpiwora. Na górnym pokładzie śpi się jednak marnie, bo wschodzące mniej więcej, co 45 minut Słońce budzi ostrym światłem i ciepłem. Widok śpiących astronautów jest niesamowity, a najbardziej dziwacznie wyglądają ręce, falujące przed ich uśpionymi ciałami.

Kometa wymiotna.

Jedynym sposobem przygotowania ludzi i aparatury doświadczalnej do stanu nieważkości jest zapewnienie im takich warunków, jakie panują podczas swobodnego spadania ciał pod wpływem grawitacji. W Narodowej Agencji do spraw Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej ( National Aeronautics and Space Administration –NASA) używa się do tego celu pasażerskiego boeinga. Samolot wprowadza się na trajkoterię przypominającą tor diabelskiej kolejki z wesołego miasteczka. Na każdym wierzchołku pilot kieruje dziób samolotu w dół. Ten manewr dosłownie usuwa pasażerom podłogę spod stóp i pozwala im spadać swobodnie – wszystko wewnątrz odrzutowca na chwilę staje się nieważkie. Niestety, kiedy tylko dziób samolotu zbliży się dostatecznie do ziemi, pilot wychodzi z nurkowania i wszystko wewnątrz zostaje przyszpilone do podłogi z siłą około 1,8 g (prawie 2 razy większą niż normalne ciążenie). Następnie samolot wznosi się w górę i manewr się powtarza. Po godzinie lotu tym wehikułem tylko nieliczni nie odczuwają dolegliwości choroby lokomocyjnej. Koniec nieważkości.
Nieważkość na orbicie nie jest wynikiem oddalenia od Ziemi i astronauci nie dlatego zaczynają odczuwać ciążenie w czasie schodzenia do lądowania, że zbliżają się do powierzchni planety. Dzieje się tak, dlatego, że atmosfera wyhamowuje swobodny spadek wahadłowca. Zjawisko to zwiastuje w kabinie deszcze zapomnianych drobiazgów. Zawsze znajdą się jakieś małe przedmioty, które zapodziewają w kątach kabiny i pozostają niezauważone podczas sprzątania przed zejściem z orbity. Są to zgubione draże, ołówki, małe baterie, okruchy żywności. Gdy wahadłowiec zwolni, wyhamowany wskutek tarcia górnych warstw atmosfery (na wysokości około 120 km). Te zapomniane przedmioty zaczynają opadać na podłogę. Astronauci również będą opadać, aż zatrzyma ich podłoga. Zaczną odczuwać siłę ciążenia. Od tej chwili nie ma już nieważkości. Im gęstsza staje się atmosfera, tym szybciej zwalnia wahadłowiec i tym większy nacisk (większe ciążenie) odczuwają astronauci. To, że są przypięci do foteli nie zmienia nacisku. Po prostu są wciskani w fotele zamiast być przyciskani do podłogi.

Niedociążenie

Niedociążenie jest to stan ciał materialnych występujący przy zmniejszeniu ich ciężaru poniżej ciężaru występującego na powierzchni Ziemi. Występuje w czasie upadków oraz swobodnego spadania ciał w atmosferze, w której nie osiągają one nieważkości wskutek istnienia oporu ośrodka (opór aerodynamiczny), a także w czasie lotu w samolocie po torze zbliżonym do keplerowskiego. Występuje również wtedy, gdy wartość przyspieszenia jest mniejsza od wartości przyspieszenia ziemskiego. Niedociążenie można uważać za pierwsze przybliżenie stanu nieważkości i dlatego badania, zwłaszcza organizmów żywych znajdujących się w tym stanie, dostarczają cennych informacji, przede wszystkim do przygotowania kosmicznych lotów załogowych

Ciężar

Masa wahadłowca.

W chwili startu cały wahadłowiec ma masę około 2 mln. kg i wysokość o podstawy do szczytu 56 m. Płynne i stałe paliwo waży prawie 1 780 000 kg. By oderwać to wszystko od ziemi, silniki na stałe i ciekłe paliwo muszą wytworzyć ciąg 33 tys. kN. Sam orbiter ma około 37 m długości, licząc od dzioba do ogona i 24 m szerokości między końcami skrzydeł. Jego masa wynosi bez paliwa manewrowego i ładunku około 78,5 tys. kg. Wszystkie trzy silniki na paliwo ciekłe , znajdujące się z tyłu, wytwarzają ciąg około 1780 kN. Luk ładunkowy ma 18 m długości i 4,5 m średnicy. Na orbitę o małej inklinacji i wysokości 240 km wahadłowiec może w nim zmieścić około 27 tys. kg ładunku. Na orbitę o dużej inklinacji może zabrać tylko 20 700 kg.

Masa człowieka.

Astronauci w kosmosie „tracą na wadze”, ponieważ spadają swobodnie. Spróbuję to wyjaśnić. Pan X stoi na szczycie wieżowca i odczytuje na skali wagi swój ciężar – 78 kg. Gdy ktoś inny przetnie liny to winda spada. Pan X też spada wraz ze swoją wagą. Oboje spadają swobodnie z przyspieszeniem ziemskim g (pomijając opór powietrza i wszystkie inne opory). Skala wagi pokazuje zero. Pan X nic nie waży – jest w stanie nieważkości i za każdym razem, gdy porusza się swobodnie pod wpływem grawitacji i nic nie przeszkadza mu przyspieszać lub zwalniać, jest w stanie nieważkości. Jednak zawsze można wyliczyć ciężar ciała pozostającego w stanie nieważkości, co jest przydatne w niektórych eksperymentach medycznych prowadzonych w kosmosie. Jest to możliwe dzięki specjalnemu urządzeniu skonstruowanemu w NASA, które pozwala wyznaczyć masę ciała w warunkach panujących na pokładzie statku kosmicznego. Działanie tego urządzenia polega na wykorzystaniu w praktyce wniosków wynikających z II zasady dynamiki Newtona, którą opisuje wzór:
F= m•a
Równanie to mówi, że siła F (w tym wypadku siła ciężkości, czyli ciężar, który wskazuje waga) jest równa masie m pomnożone przez przyspieszenie a (na Ziemi jest to przyspieszenie ziemskie g). Znając swoją masę w kosmosie, łatwo można obliczyć, jak zmienia się ciężar w kosmosie w porównaniem z ciężarem na Ziemi. W zależności od potrzeb można ten wzór przekształcać i obliczać na przykład wagę w danym momencie na Ziemi znając tylko masę m i wartość przyspieszenia ziemskiego g.
W kosmosie można jeść, ile się chce, i nie przybrać na wadze nawet o gram, ponieważ w stanie nieważkości nie można zmienić ciężaru. Ale można zmienić masę. Kiedy wrócisz na Ziemię i staniesz na wadze, ta dodatkowa masa objawi się w postaci kilku dodatkowych kilogramów. Na tym właśnie polega różnica między masą a ciężarem. Masa nie zależy od grawitacji i jest zawsze nawet w stanie nieważkości. Masa to po prostu ilość substancji, z której coś się składa. Ciężar natomiast istnieje tylko wtedy, gdy na masę działa siła na przykład siła ciążenia. Astronauci rzadko przybierają na wadze podczas misji. Większość z nich nawet chudnie parę kilogramów. Przyczyny tego są różne. Niektórym daje się we znaki kosmiczna choroba lokomocyjna. Poza tym ogromne podekscytowanie związane z samym lotem w kosmos odbiera im apetyt. Dochodzą do tego jeszcze zaburzenia smaku wskutek wznoszenia się płynów, no i czas. Przygotowanie posiłków zabiera mnóstwo czasu. Astronauci zwykle wolą wyglądać przez okno i chrupać fistaszki lub draże.

Bibliografia
 „Czy w kosmosie trzeszczy w uszach?” R. Mike Mullane wyd. Prószyński i S-ka Warszawa 2003
 „W kosmicznym pojeździe” M. Koryewo wyd. Nasza Księgarnia Warszawa 1966
 „Świat wiedzy”
 „Życie świata”
 „Samoloty kosmiczne” J.Nowicki, K. Zięcina wyd. Naukowo- Techniczne Warszawa 1989
 www.wiem.onet.pl