První raketu poháněnou kapalným palivem vypustil Dr. Robert Goddard v roce 1926. Na oběžnou dráhu se první těleso (sovětský Sputnik) dostalo v roce 1957. V roce 1969 dopravila raketa založená na Goddardově pohonu prvního člověka na Měsíc. Všechny lety do vesmíru jsou závislé na výkonu raketových motorů, a ty zase na přísunu paliva. Kosmická sonda si palivo potřebné pro manévrování veze s sebou. Čím více paliva, tím méně prostoru pro vědecké přístroje a užitečná zařízení. Množstvím paliva je také limitována maximální rychlost plavidla. Návrháři výprav za poznáním našeho vesmírného okolí musí optimalizovat poměr mezi užitečným nákladem a množstvím paliva. Pro vzdálené lety mohou posloužit iontové motory nebo plazmové motory, které mají menší spotřebu, ale poskytují jen malý tah, i když pro dlouhou dobu. V těsném sousedství Slunce může být v některých situacích řešením sluneční plachetnice. Testují se také rakety poháněné mikrovlnným nebo světelným svazkem, jehož zdroj je buď na raketě samotné, nebo mimo raketu, na zemském povrchu. V budoucnu by mohly být takové pomocné zdroje na oběžné dráze. V roce 2014 navrhli ruští odborníci hybridní motor, jenž je kombinací klasické trysky doplněné o laserem vytvořený proud plazmatu. Při vhodné kombinaci by takový motor měl ušetřit podstatnou část paliva a podle výpočtů by loď mohla po startu dosáhnout desetinásobku rychlosti zvuku. Sen o lodi poháněné světlem by se tak brzo mohl stát skutečností.
Parabolická tryska, v níž laser vytvoří z pevné látky plazma, které pak reaktivní silou
pohání kosmickou loď. Takový princip je základem tzv. světelné lodi (lightcraft) [9].
|
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. Ablace – odtavování pevné látky a její následná změna v plynné skupenství. Ablace může nastat při dopadu meteoritu, na tepelném štítu návratového modulu kosmické lodi, při interakci laserového paprsku nebo radiofrekvenčního svazku s látkou apod. Tahový součinitel – koeficient popisující účinnost raketových motorů. Je definován jako poměr tahu motoru k dodávanému výkonu (palivem, svazkem či jinou metodou). Jednotkou je N/W. |
Světelná loď (Lightcraft)
Myšlenka lodi poháněné světlem je velmi stará a objevuje se často ve vědeckofantastické literatuře. Konkrétní podobu jí ale daly až práce prof. Leika Myraba z amerického polytechnického institutu RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) v Troy ve státě New York. V 80. letech 20. století představil v NASA návrh lodi, která by byla poháněna laserovým paprskem vysílaným ze zemského povrchu. Základem světelné lodi je parabolická odrazná plocha, která fokusuje dopadající laserový paprsek do ohniska, kde intenzivně zahřívá okolní vzduch, který získá značnou rychlost a slouží jako hnací plyn. V průběhu této fáze musí letět kosmická loď atmosférou. Po opuštění atmosféry musí loď buď využít nějaký palubní zásobník plynu (Myrabo uvažoval o vodíku), nebo ho vytvářet odpařováním (ablací) pevné látky.
Jak je patrné, loď byla od počátku navrhována pro lety v atmosféře, ideální by byla pro rychlé přesuny mezi kontinenty. Paralelně se ovšem uvažovalo i o možnosti vynášet tímto způsobem levně malé satelity (do 100 kilogramů) na oběžnou dráhu. Původní návrh zpracovaný pro NASA uvažoval o lodi pro lety v atmosféře s pětimetrovým průměrem, do které by se vešla čtyřčlenná posádka. Část vnějšku lodi byla navržena tak, aby tvořila odraznou plochu pro laserový svazek. Vizuálně loď na první pohled připomíná známé létající talíře.
Umělecká vize Myrabovy světelné lodi. Zdroj: NASA.
Testy Myrabova pohonu se prováděly na malých modelech. První zkonstruovaná loď měla jen 15 cm v průměru, hmotnost 25 gramů a za pomoci infračerveného laseru s výkonem 10 kW dolétla do výšky přes 30 metrů. V roce 2000 se podařilo obdobný model dostat do výšky 72 metrů. V roce 2002 byly použity opakující se pulsy CO2 laseru a loď poprvé pokořila výškovou hranici 100 metrů. Začaly se ale vyskytovat velmi výrazné nestability ohřátého vzduchu, které vedly ke snížení tahu motoru oproti výpočtům. Bez těchto nestabilit by podle idealizovaných výpočtů laser s výkonem 150 kW vynesl takový model do výšky 30 km a gigawattový laser dokonce na oběžnou dráhu.
| Myrabovy experimenty prováděné v Novém Mexiku na základně NASA ve White Sands. Současné experimenty používají opakující se laserové impulsy. Na videu je vidět několik startů Myrabových modelů. Zdroj: NASA. (flv/mp4, 20 MB) |
Nový hybridní pohon
Ukázalo se, že použitelnost laserových pohonů má své hranice. Při nadzvukové rychlosti plynů či plazmatu se rozvinou nestability a vznikají rázové vlny, které proud látky utlumí a dojde ke snížení tahu motoru. Nový motor, který funguje i v nadzvukové oblasti navrhli Jurij Rezunkov z Ústavu pro vývoj optoelektronických zařízení a Alexandr Schmidt z Ioffeho fyzikálně-technického ústavu v St. Peterburku. Klasický raketový motor doplnili pulzním laserem, který opakovaně dopadá na terčík, ten zahřívá natolik, že z povrchu uniká proud nabitých částic. Proudící plazma vytváří dodatečný tah motoru.
Kombinace obou systémů výrazně sníží množství potřebného paliva a zvýší rychlost výfukových plynů na nadzvukovou. Tvůrci motoru zjistili, že pokud je ablace laserem geometricky řešena tak, že se unikající plazma nasměruje k vnitřní stěně trysky, podaří se jim omezit tvorbu nestabilit a rázových vln v proudícím plazmatu. To umožní dosáhnout více než desetinásobku rychlosti zvuku.
| Numerická simulace proudění nadzvukovou tryskou s mimoosým paraboloidem. Na stupnici je Machovo číslo. Obrázek a) popisuje trysku bez ablativního procesu, obrázek b) s ablací [1]. |
Japonské experimenty s mikrovlnami
Není vyloučeno, že budoucnost Myrabovy světelné lodi bude v mikrovlnném pohonu. Využití mikrovln namísto laserového svazku testovali poprvé v Japonsku na Tokijské univerzitě (ve spolupráci s Japonským institutem pro výzkum atomové energie) v roce 2004. Jako zdroj mikrovln využívali vysoce výkonný gyrotron určený pro fúzní aplikace. Gyrotron generoval v pásmu 100 GHz mikrovlnný svazek s výkonem 1 MW. Ten byl namířen na parabolickou (v některých experimentech kuželovou) odraznou plochu. Dál už vše probíhalo obdobně jako u Myrabovy světelné lodi. Vzniklé plazma fungovalo jako pohonný plyn. V experimentu provedeném v roce 2004 dosáhl model výšky několika metrů a byl naměřen tahový součinitel 400 N/MW při pulzu trvajícím 0,1 ms. Dnes obdobné experimenty pokračují v Japonksu, Německu, Spojených státech i v dalších zemích.
Princip mikrovlnného pohonu. Napravo je gyrotron využívaný Japonci
pro vytvoření mikrovlnného svazku [5].
Fotografie pořízené při testování mikrovlnné obdoby Mirabovy lodi [5].
Závěr
Experimenty s novým druhem pohonu založeným na laserovém nebo mikrovlnném svazku probíhají dlouhodobě na několika místech na světě a zdají se být slibnou vizí pro budoucnost kosmonautiky. Rezunkovův a Schmidtův návrh hybridního pohonu, který by kombinoval klasický raketový motor s laserovým pohonem je ale naprostou novinkou, která má velkou naději na úspěch, neboť eliminuje problematické nestability a snižuje spotřebu klasického paliva. Původně se předpokládalo, že se nové typy raketových motorů začnou využívat v polovině 21. století. Je možné, že Rezunkovův a Schmidtův hybridní motor vývoj značně urychlí.
Odkazy
- Yurii Rezunkov, Alexander Schmidt: Supersonic laser propulsion; Applied Optics 53/31 (2014) I55–I62
- Becky Ferreira: Supersonic Laser Rockets Are One Step Closer to Reality; Motherboard, 30 Oct 2014
- Dave Dooling: Riding the Highways of Light; NASA Science News, 16 Apr 1999
- Photonics: Laser Ablation Could Boost Jet, Rocket Fuel Efficiency; Photonics, 29 Oct 2014
- Japan Atomic Energy Research Institute: Rocket-Launch by Microwave Beamed Propulsion Energy; 2005
- David D. Murakami, Kevin L. Parkin: An Overview of the NASA Ames Millimeter-Wave Thermal Launch System; American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006
- Yuri A. Rezunkov: Space mini-vehicle with the laser propulsion system; 5th Eucass - European Conference for Aerospace Sciences, Munich, Germany, 2013
- Yasuhisa Oda, Kimiya Komurasaki: An Experimental Study on a Thrust Generation Model for Microwave Beamed Energy Propulsion; 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 2006
- Stefan Scharring, Hans-Albert Eckel: Review On Laser Lightcraft Research At DLR Stuttgart; Conf. High Power Laser Ablation / Beamed Energy Propulsion, At Santa Fe, NM, 16 Jun 2014
- Yasuhisa Oda et al.: Thrust Performance of a Microwave Rocket Under Repetitive-Pulse Operation; Journal of Propulsion and Power 25/1 (2009) 118–122
- Jeremy Hsu : Laser-Powered Lightcraft "At the Cusp of Commercial Reality"; Popular Science, 29 Jul 2009
