Mezinárodní vesmírná stanice

Zárodek stanice v roce 1999, moduly Unity (nahoře) a Zarja (dole)

Historie Mezinárodní vesmírné stanice se začala psát již roku 1984, kdy americký prezident Ronald Reagan vyhlásil plán stavby vesmírné stanice pojmenované Freedom. Následující roky byly ve znamení oddalování začátku výstavby a finančních potíží. Roku 1991 se k plánu výstavby připojily Kanada, Japonsko a Evropská vesmírná agentura (ESA). K nim se roku 1993 připojilo Rusko a stanice se začala nazývat Alpha. Rok 1995 lze považovat za počátek přípravy na výstavbu. V letech 1995–98 se uskutečnilo 9 zkušebních spojení s vesmírnou stanicí Mir, při kterých se trénovalo připojování a výměny posádek.

Plánovaný start prvního modulu Zarja byl zpožděn opět finančními problémy, a proto byl raději celý zaplacen americkou stranou. Dne 20. listopadu 1998 odstartovala raketa Proton se zmiňovaným modulem Zarja z Bajkonuru. Stavba ISS byla zahájena. O 16 dní později se se Zarjou setkal raketoplán Endeavour a ve svém nákladovém prostoru k ní připojil modul Unity.

Modul Zarja původně sloužil pro zajišťování telekomunikačních služeb a řízení letu. Později by měl sloužit především jako skladovací prostor a zásobník. Modul Unity slouží jako křižovatka modulů. Může k němu být připojeno až 6 dalších modulů.

Již vypuštěné moduly nebyly schopny udržet potřebnou dráhu a byly nutné časté korekce. Čekalo se na další plánovaný modul – ruská Zvezda. Opět finanční potíže způsobily zpoždění jejího vypuštění a tím i pokračování ve výstavbě. Modul byl vypuštěn až 12. července 2000 a připojen k modulu Zarja, aby tak tvořil základ ruské části stanice.

Tento servisní modul slouží jako obytný prostor a zajišťuje dodávky elektrického proudu, telekomunikaci s pozemními středisky a korekce dráhy.

Již 2. listopadu 2000 mohla stanici navštívit první stálá posádka. Jejím hlavním úkolem byla aktivace a zabydlení stanice. Kosmonauti dále vybalovali uložené zásoby a zařízení. Museli se také připravit na přijetí raketoplánu Atlantis s novým modulem Destiny. Tento modul byl připojen 10. února 2001 k modulu Unity.

Modul Destiny je hlavním centrem vědeckých experimentů na stanici. Kosmonauti oživili modul a dále čekali na raketoplán Discovery, který 10. března přivezl novou posádku a nákladní modul Leonardo. Raketoplán naložil modul plný odpadu a spolu s první posádkou stanice se vrátil zpět na zemi.

Další důležitou součástí je kanadský robotický manipulátor Canadarm2, který přivezl raketoplán Endeavour 16. dubna 2001. Robotický manipulátor je dlouhý 17,6 m, slouží k přemisťování lidí i nákladu podél příhradové konstrukce. Pro jemné a přesné montážní práce je možné k manipulátoru připojit robotickou nástavbu Dextre.

Po havárii raketoplánu Columbie v roce 2003 došlo k několikaletému pozastavení letů raketoplánů a výstavba stanice tak nabrala téměř 3leté zpoždění.

Po plném obnovení letů raketoplánů byly dále připojeny dvě další laboratoře. Japonský modul Kibó s venkovní plošinou a dalšími součástmi a evropský laboratorní modul Columbus.

Kanadské robotické rameno (Canadarm2) se Stevem Robinsonem v průběhu letu STS-114. Pohled z vesmírné stanice

Při stavbě stanice byla ověřena nová koncepce tzv. hlavního nosníku.[8] Koncepce je založena na více než 100 m dlouhé příhradové konstrukci tvořící kostru stanice (Integrated Truss Structure). Na obou koncích konstrukce jsou připojeny dva páry fotovoltaických panelů. K nosníku pak jsou v jeho středu připevněny vlastní hermetizované moduly a další části stanice. K usnadnění výstavby a redukci výstupů do kosmického prostoru je podél hlavního nosníku vybudován mobilní servisní systém, jehož součástí je servisní robotické rameno Canadarm2.

Po svém dokončení má ISS celkový vnitřní přetlakový objem téměř 1000 m³ a hmotnost okolo 450 tun. Pro všechny moduly je potřeba mnoho energie, která se získává z fotovoltaických článků o energetickém výkonu 110 kW. Rozpětí stanice je 108,4 metru a její délka pak 74 metrů.

Stavba stanice ISS byla naplánována na více než 40 montážních letů. Z tohoto počtu obstaraly 35 americké raketoplány. Ostatní starty s ruskými moduly Zarja, Zvezda, Pirs (již vyřazený v roce 2021), Poisk, Nauka a Pričal (připravovaný ke startu v roce 2021) jsou zabezpečovány klasickými raketami jako Proton a Sojuz.

Jako doplněk montážních letů bylo do července 2021 uskutečněno přes 120 bezpilotních zásobovacích misí. Z toho 78 letů zajistily ruské nákladní lodě Progress, 9 letů japonské nákladní lodi HTV, 5 letů evropské automatizované bezpilotní lodi ATV, 15 letů americké automatické zásobovací lodi Cygnus a 24 letů zásobovací lodi Dragon.

Postup stavby shrnuje následující tabulka.

Zrušené moduly

Vzhled Mezinárodní vesmírné stanice po jejím dokončení v roce 2011 vyfocen z raketoplánu Atlantis při misi STS-135.

Zrušený modul Crew Return Vehicle.

Některé z plánovaných modulů nebyly nakonec realizovány, ať už z finančních důvodů, či proto, že se staly zbytečnými nebo po zkáze raketoplánu Columbia. Mezi zrušené moduly patří:

• USA Centrifuge Accommodations Module, modul pro experimenty v různých úrovních umělé gravitace.
• USA, Habitation Module, ubytovací modul, který by rozšířil obytné prostory stanice. Nicméně testován je nafukovací modul BEAM (Bigelow Expandable Activity Module), který vynesla do kosmu 8. 4. 2016 vesmírná loď Dragon, společnosti SpaceX.
• USA, Crew Return Vehicle, miniraketoplán, který by sloužil jako záchranné plavidlo. Tuto službu nyní zajišťují kosmické lodě Sojuz a Dragony.
• USA, Interim Control Module, nouzový řídící a pohonný modul ISS, který by nahradil funkcí Zvezdu v případě selhání.
• Ruský, Universal Docking Module, univerzální spojovací modul.
• Ruské, Science Power platform, solární panely, pro napájení ruského orbitálního segmentu, nezávislé na ITS.
• Dva ruské výzkumné moduly, které byly naplánovány pro vědecký výzkum.

Časový vývoj průměrné výšky dráhy stanice ISS

Stanice ISS je umístěna na mírně eliptické nízké oběžné dráze země ve výšce okolo 400 km. Sklon dráhy vůči rovníku je 51,6 °. Tato dráha byla zvolena pro svoji ekonomickou dostupnost z amerických i ruských kosmodromů a proto, že poskytuje možnosti pozorování většiny nejobydlenějších míst na Zemi. Vzhledem k tomu, že v těchto výškách se nacházejí nepatrné zbytky zemské atmosféry, dochází díky tření k pozvolnému snižování oběžné dráhy stanice. Dráha tak musí být periodicky udržována, jinak by stanice během několika měsíců vstoupila do hustých vrstev atmosféry a shořela.

Udržování oběžné dráhy je zajišťováno raketovými motory servisního modulu Zvezda[13], nebo častěji pomocí motorů zásobovacích lodí Progress.

Orientace stanice na oběžné dráze je určována ohledem na optimální polohu solárních panelů směrem ke Slunci a také vhodnou pozici radiátorů chladicího systému. Musí též usnadnit manévrování připojovaných kosmických lodí.

Pro tyto účely se používají celkem tři různé orientace. První z nich je nejčastější:[14]

• Orientace vůči Zemi s osou laboratorních modulů (X) ve směru letu a zenitovou osou (Z) směřující do středu Země.
• Orientace vůči Zemi s osou hlavního nosníku (Y) ve směru letu a zenitovou osou (Z) směřující do středu Země.
• V prostoru stálá orientace na Slunce.

Pro udržování a změny orientace jsou na stanici dva různé systémy:

• Systém gyroskopů (CMG – Control Moment Gyro) – využívá momentu masivních rotujících setrvačníků. Změnou rychlosti jejich otáčení je dosahováno otáčení stanice kolem příslušné osy X/Y/Z. Využívá pouze elektrické energie dodávané ze solárních článků a je tedy nezávislý na dodávkách ze Země
• Systém raketových korekčních trysek – využívá malé raketové motorky na kapalné pohonné látky umístěné na různých místech stanice. Je závislý na drahém doplňování paliva ze Země pomocí zásobovacích lodí Progress.[15]

Stanice je trvale obydlena od 2. listopadu 2000. Několikačlenná posádka pobývá na stanici obvykle po dobu šesti měsíců. Posádka, jež je označována jako „Expedice“, bývá složena jako smíšená, přičemž každá z hlavních zemí projektu (USA a Rusko) bývá zastoupena alespoň jedním svým členem. Další členové pak jsou doplňováni buďto opět z těchto národů nebo jsou nominováni dalšími kosmickými agenturami. Vždy jeden z členů posádky je jmenován velitelem a má hlavní rozhodovací pravomoci na ISS, ostatní jsou palubní inženýři. Od roku 2002 označuje NASA kosmonauta zodpovědného za vědecký program stanice za „vědeckého pracovníka“ (Science Officer), poprvé byla takto označena – jako palubní inženýr a vědecký pracovník – Peggy Whitsonová v Expedici 5.

Victor Glover pracuje v modulu Destiny, březen 2021.

V prvním období osídlení ISS – Expedice 1 až 6, od listopadu 2000 do května 2003 – byla stanice obsazována tříčlennými posádkami složenými z kosmonautů USA a Ruska. První expedice přiletěla na stanici v Sojuzu TM-31, další výměny probíhaly pomocí raketoplánů.

Druhé období osídlení zahrnovalo Expedice 7 až 13 od května 2003 do července 2006. Po zkáze raketoplánu Columbia, která vyústila v pozastavení letu raketoplánů a omezení nosných a zásobovacích kapacit na ISS, byl počet členů posádek omezen na dva, vždy jeden Rus a jeden Američan. K zajištění rotace zůstaly pouze lodi Sojuz.

Třetí etapa osídlení započala v červenci 2006 v průběhu Expedice 13. Po obnovení pravidelných letů raketoplánů byl zaveden systém, při kterém byli dva členové základní posádky rotováni vždy po šesti měsících pomocí kosmických lodí Sojuz. Noví členové posádky se ve své lodi připojili k ISS. Při zhruba týdenním společném letu obou posádek docházelo k aklimatizaci a předávání stanice a experimentů. Poté stará posádka nastoupila do starší lodi Sojuz a navracela se na Zem. Byl-li v přiletivší posádce přítomen kosmonaut, který se neměl stát součástí stálé posádky (např. kosmický turista), přenesl do navracejícího se Sojuzu své anatomické křeslo, ve kterém se vracel na Zemi. Raketoplány přivážely a odvážely třetí členy základní posádky. Délka jejich pobytu závisela na frekvenci letů raketoplánů, a proto kolísala mezi šesti týdny až šesti měsíci.

V rámci příletů kosmických raketoplánů ke stanici ISS bývala na období zhruba dvou týdnů rozšířena základní posádka stanice o návštěvnickou posádku raketoplánu, která mívala až 7 členů. Na stanici pak v tomto období přebývalo až 10 kosmonautů, což umožňovalo efektivně plnit náročný harmonogram výstavby včetně kosmických výstupů. Zvětšená posádka ovšem poměrně značně zatěžovala zdroje stanice, v tomto období bylo dokonce nutné posilovat polouzavřený systém úpravy palubní atmosféry jednorázovými zdroji.[16]

Počet členů posádky ISS je od května 2009 rozšířen na šest. Tento stav je zabezpečen zvýšením počtu trvale zakotvených lodí Sojuz na dvě.[17]

Čtyři členové Expedice 64 po jídle v modulu Unity, prosinec 2020.

Na stanici ISS je prováděno velké množství experimentů, které z velké části využívají specifického prostředí stanice, především mikrogravitace. Mezi hlavní oblasti výzkumu se řadí experimenty z oblasti biologie (biomedicína a biotechnologie), fyziky (dynamika kapalin, materiálové vědy, kvantová fyzika), astronomie (kosmologie) a meteorologie.[19][20]

V oblasti biologie je hlavní úsilí věnováno studiu vlivu dlouhodobého pobytu člověka ve vesmíru. Jsou důkladněji analyzovány negativní vlivy jako odvápňování kostí, svalová atrofie, transport tělních tekutin.[19] Důležitou roli zastává výzkum vlivu kosmického záření a radiace na člověka, zejména na jeho nervovou soustavu. Je rovněž sledováno chování malé posádky v uzavřeném prostředí stanice. Jedním z cílů těchto výzkumů je příprava technologií a postupů nutných pro dlouhodobé pilotované mise v rámci sluneční soustavy, pobyt na Měsíci a výhledově i mise na planetu Mars.

Poté, co byl na plášti ISS objeven mořský plankton, byl spuštěn program pro výzkum, jak mikroby, rostliny a živočichové reagují na změny gravitace.[21]

Hlavní část výzkumu se provádí a je soustředěna do tří laboratorních modulů na stanici ISS:

• Americký Destiny – slouží jako hlavní všeobecná laboratoř. Je historicky nejstarší vědecký modul stanice, vypuštěný v roce 2001.[22]
• Evropský Columbus – který je zaměřen na biologické a biomedicínské experimenty a výzkum
• Japonský Kibó – největší laboratoř zaměřená na materiálový výzkum a astronomii

Dalším zařízením jsou venkovní nepřetlakové plošiny EXPRESS Logistics Carriers, na kterých jsou prováděny experimenty v kosmickém prostředí a vakuu. V roce 2011 byl na stanici umístěn alfa částicový spektrometr AMS-2, jehož úlohou je dlouhodobý vědecký výzkum antihmoty, temné hmoty a kosmického záření.

V roce 2014 byla na stanici umístěna 3D tiskárna vyrobená pro NASA americkou firmou Made in Space. Na konci listopadu 2014 se pak podařilo vytisknout první objekt, reklamní destičku,[23] následně se na sklonku roku 2014 podařilo vytisknout první nástroj. Jednalo se o nástrčkový klíč.[24] V dubnu roku 2014 dopravila na ISS bezejmenná zásobovací loď společnosti SpaceX testovací komunikační modul OPALS. Tento experimentální modul umožňuje za pomoci laserového paprsku přenos dat mezi stanicí a Zemí mnohem rychleji, než umožňuje klasická radiová komunikace. Během testování bylo laserovým paprskem posláno mezi 200 až 300 MB inženýrských dat ze stanice na Zemi během 20 sekund, radiovou komunikací by odeslání stejného souboru dat trvalo přibližně 3 hodiny.[25]

V srpnu 2008 přiznala NASA, že notebooky na mezinárodní kosmické stanici byly nakaženy zhruba rok starým počítačovým virem W32.Gammima.AG, který původně sbíral přihlašovací údaje z on-line her. Virus se do notebooků dostal nejspíše pomocí přenosného USB flash disku a údajně nezasáhl řídicí jednotku ani provozní systémy stanice.[33]

S celkovými náklady na výstavbu a provoz odhadovanými roku 2006 přes 100 mld USD[34] je Mezinárodní vesmírná stanice jednoznačně nejdražším objektem, který kdy lidstvo zkonstruovalo.[35]

V roce 2010 se předpokládalo, že do roku 2015 budou celkové náklady činit přibližně 150 miliard dolarů. Jedná se o rozpočet NASA pro stanici ve výši 72,4 miliardy dolarů, 12 miliard dolarů z Ruska, 5 miliard dolarů z Evropy, 5 miliard dolarů z Japonska, 2 miliardy dolarů z Kanady a starty raketoplánů na stavbu stanice, které jsou odhadované na 1,4 miliardy dolarů každý, nebo 50,4 miliardy dolarů celkem.[36] K roku 2017 stála Mezinárodní vesmírná stanice 157 miliard dolarů. Je to tedy nejdražší stavba, která byla kdy postavena.[37] Ačkoliv, kdyby se rozložil evropský podíl na celý program, činí pouze jedno euro na jeden rok od každého Evropana.[38]