Gdzie są teraz okręty z Gwiezdnych Wojen, czyli loty kosmiczne dla bystrzaków

Każdy, kto widział Gwiezdne Wojny, pamięta jakiegoś szota zza okrętu kosmicznego, w którym silniki dają po garach i prują ile wlezie ku jakiejś nieszczęsnej planecie na drugim planie. Mało kto potrafiłby jednak wskazać scenę, w której statek porusza się na wyłączonych silnikach. Jest tak, ponieważ w Gwiezdnych Wojnach statki kosmiczne nie poruszają się, jeśli nie są akurat napędzane. Jest to oczywiście uproszczenie rzeczywistości, albo raczej nagięcie rzeczywistości kosmicznej, do naszej, atmosferycznej, byśmy potrafili zrozumieć co się dzieje na ekranie.

Zadajmy jednak pytanie: co by się stało, gdyby gwiezdnowojenne statki korzystały ze swoich silników tak jak w filmach, ale w naszej rzeczywistości?

Zacznijmy od tego jak bardzo ruch w kosmosie różni się od ruchu w atmosferze. Wystarczy zapamiętać kilka prostych zdań:

Na orbicie, jeśli chcesz lecieć w górę, musisz przyspieszyć w bok. Jeśli polecisz tylko w górę, to spadniesz. Jeśli chcesz kogoś dogonić, musisz zwolnić, a jeśli chcesz zwolnić, musisz przyspieszyć.

Wszystko jasne? Dobra, to jedziemy dalej... Co, jednak nie? Dobra, rozłóżmy sobie te zdania pojedynczo.

Na orbicie, jeśli chcesz lecieć w górę, musisz przyspieszyć w bok.

Zacznijmy od człowieka, dzięki któremu w ogóle wybieramy się dzisiaj w kosmos: od Izaaka Newtona. Ten osiemnastowieczny fizyk wpadł na genialną myśl. Mianowicie, jeśli wystrzelić kulę armatnią, to poleci ona torem parabolicznym i spadnie w pewnej odległości od armaty, tym dalej, im większą prędkość nadamy kuli. Jeśli będzie dostatecznie duża, to kula może wylądować za horyzontem.
Newtonowi to nie wystarczało i wyobraził sobie co by się mogło stać, gdyby prędkość wystrzeliwanych kul stale rosła. Przy pewnym jej poziomie kula mknęłaby tak szybko, że leciałaby równolegle do Ziemi szybciej, niż spadała na nią.
Efekt ten ładnie ilustruje ta prosta stronka. Proponuję odpalić kule przy prędkościach 1000m/s, 4000m/s i 5000m/s. A potem spróbować osiągnąć stabilną orbitę ;) Prędkość tą nazwano pierwszą prędkością kosmiczną i dla Ziemi wynosi ona 8km/s.
Temu prawu muszą podporządkowywać się współczesne rakiety lecące w kosmos. Już przed odrzuceniem pierwszego członu rakietę przechyla się lekko na wschód, by zebrać odpowiednią prędkość poziomą, zanim rakieta zdąży spaść. Dopiero gdy tor lotu rakiety wzniesie się ponad ziemską atmosferę i utworzy elipsę wokół Ziemi, rakieta znajdzie się na orbicie, a silniki będzie można wyłączyć. Jeśli to nie nastąpi, bo np. zabraknie paliwa na odpowiednio długi strzał z silnika, jej podróż okaże się krótsza niż zaplanowano... Co prowadzi nas do kolejnego zdania:

Jeśli polecisz tylko w górę, to spadniesz.

Wszystko co zostanie podrzucone, musi kiedyś spaść, chyba że leci naprawdę szybko. Gdyby wystrzelić wspomnianą kulę armatnią, lub rakietę, czy cokolwiek innego pionowo w górę i tak zostawić, nie będzie miała prędkości wzdłuż powierzchni Ziemi potrzebnej do utrzymania się na orbicie i opadnie. W pobliżu ciał niebieskich nie ma żadnej magicznej siły, która utrzymałaby tam nieorbitujący obiekt. Dopiero po osiągnięciu pewnej prędkości, zwanej drugą prędkością kosmiczną, można uwolnić się od grawitacji obiektu macierzystego i rozpocząć prawdziwą kosmiczną odyseję. Dla Ziemi to 11km/s. Fileas Fogg okrążyłby z nią Ziemię w ciągu godziny, a nie 80 dni.

Wróćmy jednak do wolniejszych lotów, które są częstsze i tańsze. W praktyce lot nieosiągający orbity, zwany suborbitalnym, jest relatywnie tani, ale rzadko jest celem misji samym w sobie. Latają w ten sposób kosmoloty Richarda Bransona, założyciela Virgin, ale także pierwsze człony rakiety Falcon 9 od SpaceX, próbujące lądować na statku pośrodku oceanu (z sukcesem!). Manewr ten jest też częścią lotu orbitalnego. W końcu nie można wejść na orbitę nie opuszczając ziemskiej atmosfery, a to jedyny znany (i możliwy do wykonania) ludzkości sposób.

Można więc sobie wyobrazić, że pierwszym zadaniem stojącym przed kosmicznym kadetem, prócz wysłania słitfoci z kokpitu, jest balansowanie między dwoma manewrami: grzaniem do góry, by opuścić ziemską atmosferę i grzaniem w bok, by osiągnąć prędkość pozwalającą na wejście na orbitę. Z grubsza tak to właśnie wygląda. Jedziemy dalej:

Jeśli chcesz kogoś dogonić, musisz zwolnić.

Jesteś na orbicie w swojej kapsule. Ziemia przykryta kołderką chmur obraca się powoli. Spomiędzy nich widzisz Morze Bałtyckie. Promienie Słońca odbijają się od całej jego powierzchni zalewając cię żółtym światłem. Kontemplujesz znaczenie człowieka i ludzkości we wszechświecie, tak jak tylko garstka miała szansę robić to przed Tobą.
Aż tu nagle alarm! W Chińskiej Stacji Kosmicznej doszło do pożaru. Taikonauci zamknęli się w jedynym szczelnym module i czekają na ratunek. W pobliżu nie ma nikogo, prócz ciebie. Co robisz?
Hollywood uczy, że powinieneś wyjść ze swojej kapsuły z dezodorantem w ręku (byle nie w sztyfcie!) i użyć go jako silnika, by dostać się do potrzebujących braci i sióstr w kosmosie.
Niestety, dezodorant w sprayu jest co prawda przydatny w kosmosie (jak wszędzie, gdzie mieszka się z kilkoma osobami na niewielkiej przestrzeni), ale nie do poruszania się. Będziesz potrzebował silników głównych, napędzających rakietę, i manewrowych, których zadaniem jest odpowiednie jej ustawienie.
Pierwszą rzeczą jaką sprawdzasz jest ich orbita. Wyższa, czy niższa od Twojej? Przypominasz sobie, że na orbicie, jeśli chcesz lecieć w górę, musisz przyspieszyć w bok. Jeśli chcesz polecieć w dół, musisz przyspieszyć w przeciwnym kierunku, czyli zmniejszyć swoją prędkość. To dość prosta zależność, lecz kompletnie nieintuicyjna dla większości Ziemian.
I teraz zaczyna się prawdziwy... kosmos, czy jak to mówią amerykanie "rocket science".
Co zrobić, kiedy jestem na tej samej orbicie co Chińczycy? Przecież jeśli uruchomię silniki i przyspieszę w ich kierunku, wylecę z niej!
Tutaj z pomocą przychodzi nam zaawansowany technologicznie symulator kosmiczny. Do jego zbudowania będziemy potrzebować:

1. Obrotowy fotel.
2. Siebie.
3. Model rakiety albo statku kosmicznego. Może być nim nawet gumka do gumowania.

Usiądźmy wygodnie na fotelu, a model rakiety chwyćmy prawą dłonią. Odprężmy się. Spróbujmy nie zasnąć. A teraz wystawmy na boki ręce i wprawmy fotel w obrót. Brawo! Nasza rakieta orbituje wokół nas. Siła tarcia między naszymi palcami, a modelem statku jest w symulatorze odpowiednikiem grawitacji - to ona utrzymuje go na orbicie. Kiedy tak się już kręcimy, przyciągamy nagle ręce do siebie. Łała łiła, jaka szybkość! Nagle zaczęliśmy się obracać z większą prędkością!
Identycznie jest w pobliżu ciał niebieskich w kosmosie. Im bliżej środka obiegu, czy też środka ciężkości obiektu macierzystego znajduje się satelita*, tym szybciej pokonuje całą orbitę.
Załóżmy więc, że Chińczycy są w odległości kilku tysięcy kilometrów (czyli daleko) przed nami na tej samej orbicie co my. Co powinniśmy zrobić? Musimy zmniejszyć tą odległość. Wypadałoby zatem "schować ręce" - zejść na niższą orbitę, odczekać chwilę aż znajdziemy się pod nimi, a potem znowu "wyprostować ręce" - wzlecieć na poprzednio zajmowaną, wyższą orbitę. W tym celu najpierw obracamy rakietę tak, by uruchamiając silnik zmniejszać prędkość (palimy "wstecz"), a potem obracamy o 180 stopni i zwiększamy prędkość (palimy "naprzód"). Odwrotnie robimy, kiedy Chińczycy są na orbicie "za nami" - najpierw podwyższamy orbitę, a potem obniżamy.

Dlatego właśnie jeśli chcesz kogoś dogonić, musisz zwolnić, a jeśli chcesz zwolnić, musisz przyspieszyć. Co nie, że wariactwo?

No więc co z tymi statkami z Gwiezdnych Wojen? Gdyby jakiś imperialny niszczyciel pruł prosto na Ziemię nie wyłączając silników, musiałby pruć równie długo, by wyhamować. Prędkość jaką sobie nadał, musiałby potem zniwelować, zanim rozbije się o powierzchnię planety (albo rozleci na kawałki już w atmosferze). Jeśli dowódca takiego niszczyciela nie będzie trzymał kursu prosto na Ziemię, nadal może się skompromitować - może lecieć zbyt szybko, by wejść na orbitę okołoziemską, z której zapewne najłatwiej byłoby siać terror w sercach Ziemian. Pamiętacie zasadę jeśli chcesz lecieć w górę, musisz przyspieszyć w bok? Tutaj upraszcza ona mocno całą sytuację. Okazuje się, że dla każdej orbity wokół Ziemi i innych ciał niebieskich, jest przypisana prędkość poruszania się po niej. Im większa prędkość, tym wyższa orbita. Jeśli prędkość jest powyżej pewnego poziomu, obiekt wylatuje z orbity, wystrzelony jak z procy. Poziom ten wyznacza wspomniana wcześniej, druga prędkość kosmiczna.
Wracając więc do naszego niszczyciela, nadużywanie mocy silników może skutkować zwykłym przelotem nad planetą bez wejścia na orbitę i wymianą kadry oficerskiej przy użyciu innego rodzaju Mocy oraz faktu że ludzkie gardło tak łatwo ścisnąć.

A czy wy macie jakieś teorie dlaczego okręty z Gwiezdnych Wojen poruszają się w taki, a nie inny sposób? Może napędy przez nie używane działają zupełnie inaczej niż sobie wyobrażam? Albo fizyka Dawno Temu w Odległej Galaktyce działa zupełnie inaczej niż w Drodze Mlecznej? Napiszcie w komentarzach

*miałem nie używać mądrych słów, bo kto by przeczytał ten artykuł, ale to niech będzie. Satelita to obiekt okrążający jakieś ciało niebieskie.

Autor nie jest
Chief Senior Scientist w SpaceX, California
ani nie zdobył
PhD in Astrodynamics at Massachussets Institute of Technology
Autor ma po prostu za dużo czasu i zainteresowań