Probabil mulţi dintre voi v-aţi întrebat cum ajung rachetele în spaţiul cosmic. Răspunsul obişnuit este că racheta se duce în slava cerului, unde forţa gravitaţională este nulă, iar asta s-ar chema orbită. Probabil din tonul propoziţiei anterioare v-aţi dat seama că este răspunsul greşit. Mai mult, gravitaţia pe orbita joasă a Pământului (mai putin de 500 km altitudine) este în jur de 95-96% din ceea ce este la nivelul mării. Bun, păi dacă este aşa, atunci cum de cei de pe Staţia Spaţială Internaţională (sau orice alt obiect care zboară în spaţiu) nu simt gravitaţia? Ei bine, aici este vorba de forţa centrifugă (vă veţi lămuri mai târziu).
Revenind la oiţele noastre spaţiale, orbita înseamnă, de fapt, foarte multă viteză laterală. Pentru a intra în orbită, trebuie ca rezultanta dintre vectorul viteză si acceleraţia gravitaţională să nu atingă niciodată atmosfera terestră. Pentru ca acest lucru să fie posibil, este nevoie de o viteză foarte mare (aprox. 7.6 km/s pentru orbita joasă).
Evident, cu cât orbita este mai joasă, cu atât mai mare este viteza, şi este consumată mai puţină energie. Orbitele pot fi circulare (sus), eliptice (orbitele de transfer către cele circulare) sau hiperbolice (orbita de evadare din sfera de influenţă). Conform destinaţiilor sateliţilor, orbitele se impart în două categorii: LEO- Low Earth Orbit (altitudine mai mică de 500 de km şi cu o viteză de aproximativ 7.6 km/s, folosită, în general, de sateliţi ce se ocupă cu observarea Pământului), si GEO-Geosynchronous/ Geostationary Orbit (orbită circulară de înclinaţie 0 faţă de Ecuator, de altitudine de 35786 km si cu o viteză de 3.07 km/s. Se foloseşte în principal pentru sateliţii de comunicaţie, întrucât timpul de parcurgere al orbitei este de 24 de ore, ceea ce înseamnă că au viteză nulă faţă de suprafaţa Pământului, cu alte cuvinte, stau ficşi pe cer, iar noi ştim unde să îndreptăm antena).
Orice orbită se defineşte prin două puncte: punctul cel mai depărtat de Pământ (sau orice alt corp ceresc) ce se numeşte Apogeu/Afeliu/Apoapsis şi cel mai apropiat punct, ce se numeşte Perigeu/Periheliu/Periapsis. Aceste două puncte reprezintă altitudinea satelitului atunci când trece prin ele. Evident, cunoscându-se un singur punct şi viteza în acel punct, se poate calcula, cu ajutorul formulelor matematice, si celălalt punct, precum şi viteza în acel punct. La orbitele circulare, apogeul si perigeul sunt aproximativ egale, la cele eliptice au o diferenţă destul de mare, iar la hiperbole apogeul iese din sfera de influenţă.
Dacă până acum, am vorbit despre orbite, este timpul pentru a afla cum poate ajunge, concret, un satelit pe orbita Pământului. Voi începe prin a enumera rachetele lumii care zboară in ziua de azi: Falcon 9 (SpaceX), Atlas V (United Launch Alliance/ NASA), Delta IV (United Launch Alliance/ NASA), Delta IV Heavy (United Launch Alliance /NASA), Antares (Orbital Science /NASA), Soyuz (Roscosmos/Rusia), Proton (Roscosmos/ Rusia), Vega (Arianespace/ ESA), Ariane 5 (Arianespace/ ESA) şi Haas 2C (ARCA/ ROMANIA).
Principiul de funcţionare al rachetelor este la fel ca la orice obiect zburător, bazându-se pe impuls. Orice rachetă este formată din trepte de separare şi boostere (opţional). Fiecare treaptă de separare este formată din rezervorul de combustibil şi sistemul de propulsive (un motor sau mai multe, după caz).
Pentru a înţelege mai bine, vom studia racheta europeană heavy-lifter Ariane 5 (imagine). Aceasta este formată din două trepte. În lateral sunt cele două boostere cu combustibil solid (SRB- Solid Rocket Booster). În centru se află rezervorul primei trepte ce conţine LOX (oxigen lichid) si LH2 (Hidrogen lichid). Sub rezervor, se află motorul principal cu ardere pe hidrigen (voi lamuri mai târziu acest aspect). Deasupra rezervorului, se află motorul treptei secundare, iar deasupra motorului se afla rezervorul treptei secundare. Motorul treptei secundare, spre deosebire de cel al primei trepte, este conceput să fie eficient in vidul spaţiului. Rezervorul primei trepte este considerabil mai mare, întrucât motorul primei trepte efectuează lucru mecanic împotriva gravităţii, deci are nevoie de mai multă energie şi putere. Deasupra rezervorului, se află încărcatura utilă (satelitul) şi este protejată de scutul aerodinamic.
Motoarele rachetelor funcţionează precum nişte motoare Jet de avion, diferenţa fiind că motoarele Jet iau oxigenul necesar arderii din aer, iar rachetele îl au înmagazinat, ceea ce înseamnă o ardere mult mai eficientă. Motorul este format din camera de ardere (de la săgeata corespunzătoare motorului în sus până la rezervor) si din clopot (de la săgeată în jos). În camera de ardere se amestecă oxigenul cu combustibilul lichid, gazele rezultate fiind eliminate prin clopot. Specialiştii au descoperit că, pentru a fi cât mai efficient motorul, presiunea de la capătul clopotului trebuie să fie egală cu presiunea din exterior. Acesta este, de fapt, motivul pentru care racheta are mai multe trepte de separare. Motoarele atmosferice au clopotul mult mai compact, iar eficienţa maximă este undeva la 10 km altitudine. Motoarele pentru vid sunt largi, pentru a crea o presiune exterioară cât mai mică (ele nu pot atinge eficienţa maxima, căci in spaţiu este presiunea 0, iar un gaz nu o poate avea). Combustibilul lichid utilizat de motoare este fie Hidrogen LH2 (eficienţă crescută, combustibil nepoluant, dar foarte greu de folosit), fie Kerosen RP-1 (folosit de toate avioanele JET, majoritatea rachetelor, mai putin eficient decât hidrogenul, dar mult mai uşor de folosit).
Acestea fiind spuse, presupunem că suntem în timpul unei lansari de rachetă Falcon 9 (spre exemplu) la numărătoarea inversă (pentru cei care n-au văzut niciodată o lansare live a rachetei Falcon 9 le recomand sa o facă, chiar merită). Trecem de Engine chill, Internal Power etc. ajungem la T-30, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3 (Ignition-se pornesc motoarele si se citeste telemetria lor pentru a vedea dacă sunt în parametrii nominali), 2, 1, 0, Lift-Off !
La T+5 secunde începe procedura de pitching prin care racheta se înclină din ce în ce mai mult pentru a acapara în acelaşi timp atât altitudine cât şi viteză laterală (a se vedea în poză). La T+1:18 se află MaxQ, momentul când forţele aerodinamice pun presiune maximă asupra vehiculului. Tot atunci, se face tranziţia de la viteză subsonică la supersonică. La T+2:33 avem MECO-Main Engine Cut Off, urmat de separarea primei trepte 3 secunde mai târziu.
La T+2:44 motorul treptei secundare este pornit şi continuă să ardă până la T+8:32 (SECO). Acum satelitul se află in orbita joasă. Pentru sateliţii geostaţionari, va mai avea loc o aprindere ce va dura 1:02 pentru orbita de transfer către geostaţionare (GTO). Aici este lăsat satelitul, care mai trebuie să îşi aprindă propulsia personală (se desparte de racheta purtătoare) la apogeu pentru circularizare. Între timp, prima treaptă se indreaptă către Pământ pentru a ateriza, in jur de T+8:15 (voi detalia tehnica de aterizare intr-un alt articol).
Celor cărora le-a plăcut articolul le recomand să încerce jocul de PC Kerbal Space Program (KSP pe scurt). Se găseşte pe Steam cu $40, sau pentru cine nu vrea să dea bani pe el îl găseşte pe Filelist. Este un joc într-adevăr impresionant. Este dotat cu cel mai bun motor fizic existent, şi cam tot ce ţine de Rocket Science şi Orbital Mechanics este exact cum e în realitate (unele lucruri sunt doar proporţionale, adica Pământul este de 10 ori mai mic, dar şi motoarele sunt mai slabe, etc.).
