Průlet ohnivým infernem: Jak funguje tepelná ochrana kosmických lodí

Pokud vstoupí těleso do zemské atmosféry první kosmickou rychlostí (7,8 km/s), druhou (11,2 km/s) nebo i vyšší, dochází k tření. Povrch objektu se výrazně ohřívá a tepelný tok v rázové vlně se typicky pohybuje okolo 500 kW/m². Například při návratu lodi Apollo od Měsíce do atmosféry Země se brzděním uvolnila energie 86 000 kWh, což odpovídá spotřebě Los Angeles zhruba za 1,5 minuty. A protože třeba dural, tedy nejpoužívanější mate­riál ke stavbě kosmické techniky, taje při 650 °C, je zjevné, že přistávající loď musí být odpovídajícím způsobem chráněna. Na řadu tak přichází tzv. tepelný štít.

Pasivně a opakovaně

Jedná se o systém, který reguluje teplotu, a obecně se rozděluje na pasivní či aktivní (nebo také poloaktivní), ačkoliv dnes se v kosmonautice používá výhradně první zmíněný. Aktivní je totiž technicky komplikovanější, vyžaduje pracovní médium, a tudíž je náchylnější k jeho úniku, poruše cirkulace apod. Aktivní systémy mohou využívat chlazení například pomocí tepelných trubic, výparníkové či cirkulační chlazení.

Pasivní systémy dělíme na několik kategorií, přičemž nejrozšířenější jsou ablativní: Materiál se zahříváním pomalu odpařuje, čímž vytváří mezi kosmickou lodí a rozžhaveným plazmatem tenkou vrstvičku filmu odvádějící teplo. Nejjednodušší ablativní štíty využívají fenolové pryskyřice, novější ji kombinují s uhlíkovými vlákny. Kromě větší odolnosti – a tudíž nižší hmotnosti či možnosti vstupovat do atmosféry vyšší rychlostí, což se zvlášť při meziplanetárních misích hodí – mají výhodu, že je lze v některých případech použít opakovaně. Jedná se třeba o materiál PICA-X, který se uplatňuje u lodí Dragon společnosti SpaceX. Není tudíž pravda, jak se často traduje, že ablativní štít slouží pouze „na jedno použití“. Vždy záleží na konkrétních okolnostech. Kosmonautika zná mnoho projektů, kdy se štít plánoval jako dostatečně předimenzovaný, aby se mohl uplatnit víckrát.

Se zásobníkem na teplo

Další typ pasivní tepelné ochrany představuje tzv. tepelný rezervoár neboli kapacitní tepelná ochrana. V principu jde o to, že materiál štítu příchozí teplo pohlcuje a dodatečně jej vyzáří. Uvedenou funkci sice splňuje většina štítů (neboť se při průletu atmosférou ohřejí), ale jen výjimečně se spoléhá čistě na ni. Kdysi sloužila u lodí Mercury, štíty se však vyráběly z beryllia, které tehdy tvořilo strategickou surovinu určenou primárně pro vojenské účely. Proto se využily jen při suborbitálních letech a program Mercury pak přešel na štíty ablativní. Obecně tkví problém tepelných rezervoárů ve velké hmotnosti a objemu. Popsaná technologie se coby nejjednodušší uplatnila také u některých jaderných hlavic: Například americké Mk.2 měly rezervoár z mědi.

Dále se používá radiativní chlazení, kdy materiál značnou část tepla z plynu zahřátého rázovou vlnou vyzáří. Na rozdíl od tepelného rezervoáru k tomu však dojde okamžitě, zatímco první zmíněný uvolňuje teplo postupně. Tento typ štítu nacházíme na nejexponovanějších částech raketoplánů, například na náběžných hranách křídel. Materiál je však zpravidla velmi těžký, proto se v kosmonautice ke slovu moc nedostává.

Pro úplnost dodejme, že tepelný štít nemusí sloužit pouze k ochraně před žárem. Když loni přistávala na Marsu sonda InSight, začínala v místě zima, během níž panuje zvýšené riziko výskytu prachových bouří. Při rychlostech několika kilometrů za sekundu (do marsovského ovzduší vstupoval automat rychlostí 5,9 km/s) narážejí jemná prachová zrnka do kosmického aparátu a mohou jej postupně poškozovat. Ostatně na Zemi nachází zmíněná technika uplatnění při tzv. pískování. Konstruktéři štítu proto museli počítat s tím, že se bude opotřebovávat – „obrušovat“ – rychleji než obvykle.

Rozevřít a nafouknout

Nelze popřít, že klasický tepelný štít je pro kosmonautiku nepohodlný. Odmyslíme-li si hmotnost, jde především o to, že dnešní návratové sekce vesmírných lodí – ať už pilotovaných, či automatických – podřizují svůj tvar právě jemu. Kosmické agentury přitom intenzivně pracují na řešení označovaném jako „nafukovací štít“. Vracející se objekt tak může mít zcela libovolný tvar a štít jej nijak neomezuje: Před použitím se prostě rozevře. První představy o jeho uplatnění se objevily už v 60. letech v pilotované kosmonautice. Z mnoha důvodů se zdál výhodnější než klasická verze, například proto, že větší štít snižuje tepelné namáhání na jednotku plochy. Tehdy však zůstalo jen u úvah.

V roce 1997 ovšem spojily síly ESA a ruská konstrukční kancelář NPO Lavočkin a zahájily projekt IRDT neboli Inflatable Re-entry and Descent Technology: Ten řešil nejen otázku tepelného štítu, ale i měkkého přistání v závěru letu, a nahrazoval tedy obvyklý padákový systém. Demonstrátor IRDT vážil 140 kg a jeho špici, tj. oblast největšího tepelného namáhání, pokrýval ablativní materiál. Ve složeném stavu měřil v průměru 80 cm, po natlakování kuželovitého štítu z pryžových hadic dusíkem (byl k dispozici ve 13 nádržích) se rozšířil na 2,3 metru.

Po průletu atmosférou se namísto otevření padáků nafoukl na kuželu další nástavec, čímž jeho průměr vzrostl na 3,8 metru a pádová rychlost klesla na 13–15 m/s. Uskutečnilo se i několik letových zkoušek, konkrétně v únoru 2000, červenci 2002 a říjnu 2005, ovšem žádná nepřinesla prokazatelný úspěch. Poté projekt skončil.

Štít na Mars

V technologii nafukovacího štítu se zhlédla i NASA a od roku 2006 vyvíjí štít IRVE čili Inflatable Re-entry Vehicle Experiment, který se ukázal jako nepoměrně úspěšnější: Na výbornou pracoval hned při první zkoušce v srpnu 2009, kdy jej raketa Black Brant po startu z kosmodromu Wallops dopravila do výšky 211 km, načež bezpečně přistál. Štít vážil 126 kg, jeho průměr při vzletu činil 42 cm, přičemž se dusíkem nafoukl na 3 metry. Tvořila jej silikátová tkanina vyztužená kevlarovými vlákny a ochranným potahem z nomexu. Teoreticky může uvedená kombinace odolávat teplotám až 1 260 °C, při premiéře se však vzhledem k nízké hmotnosti zařízení podařilo dosáhnout asi jen čtvrtinové hodnoty.

Následovalo několik dalších testů, vesměs úspěšných. Technologie IRVE je primárně určena pro lety na Mars, ale pokud by se ji podařilo zvládnout, mohla by časem sloužit k návratu nákladů z ISS, jako záchranný systém kosmických lodí nebo třeba i k průzkumu těles ve Sluneční soustavě. Existují dokonce nápady na její ryze pozemské uplatnění – například při zachraňování osob z hořících výškových budov.

Aktivní premiéra

Společnost SpaceX slibuje u své nové rakety Starship ustoupit od pasivních tepelných štítů a využít aktivní ochranu. Měla by vznikat nikoliv z obvyklých uhlíkových kompozitů, nýbrž ze slitiny nerezové oceli. Byla by tak levnější a jednodušší na výrobu a zmíněný materiál by zároveň posloužil jako tepelný štít. Nerezová ocel s vysokým obsahem chromu a niklu zůstává stabilní při extrémně nízkých i vysokých teplotách, zatímco klasické hliníkové či kompozitní konstrukce kosmických lodí nesmějí během přistání v závislosti na přesném typu materiálu překročit 150–200 °C, jinak dojde k jejich zásadnímu oslabení. Ocel ovšem vydrží i 800 °C, aniž by se její vlastnosti změnily.

TIP: Nová evropská sonda Solar Orbiter musí odolat síle 13 Sluncí

Na méně exponovaných částech rakety Starship tak nebude tepelný štít potřeba vůbec, na více namáhaných místech si SpaceX vypomůže právě aktivním tepelným štítem. Mezi dvěma vrstvami oceli bude proudit médium – nejspíš metan –, drobnými dírkami se bude dostávat na plášť lodi a jeho odpařování vytvoří vrstvičku filmu odvádějící teplo. Tím se zajistí, že teplota povrchu nepřekročí uvedených 800 °C. Půjde o první praktické využití technologie aktivního tepelného štítu v kosmonautice.