Kozmická loď

Umožňujú stanovenie okamžitej polohy v priestore a rýchlosti kozmickej lode. Navigačnými systémami sú vybavené nielen kozmické lode, ale aj pozemské stanice. Poloha kozmického telesa sa určuje buď jeho zameraním (optickým či rádiovým) alebo môže byť stanovená zameriavaním rádiových alebo optických navigačných prístrojov na vhodne zvolené kozmické objekty (Zem, Slnko, planéty, hviezdy,...). Medzi súčasné navigačné prostriedky patria:

• gyroskopy
• uhlomerné zariadenia
• akcelerometre
• zameriavacie ďalekohľady
• sextanty
• optické sledovače Slnka, planét a hviezd
• fotografické a vizuálne sledovače
• laserové lokátory
• rádiolokátory
• rádiomajáky

Veliteľský a servisný modul kozmickej lode Apollo na obežnej dráhe okolo Mesiaca

Udržiavajú, prípadne menia orientáciu kozmickej lode. Uskutočňuje sa to pomocou snímačov orientačných systémov, ktorými môžu byť infračervené detektory horizontu, magnetometre a iónové detektory. Najväčšiu presnosť dosahujú infračervené detektory horizontu. Riadiace systémy (v súčasnosti väčšinou počítače) vyhodnocujú údaje získané zo snímačov a porovnávajú ich s údajmi uloženými v pamäti. Pokiaľ je odchýlka väčšia ako povolený limit, aktivuje výkonné prvky a zároveň oznámi túto skutočnosť riadiacemu stredisku alebo posádke lode. Systémy stabilizácie sa rozdeľujú na:

• pasívne – využívajú iba vonkajšie sily. Patrí sem stabilizácia rotáciou, gravitačná stabilizácia, magnetická stabilizácia, aerodynamická stabilizácia a stabilizácia tlakom slnečného žiarenia
• aktívne – využívajú na riadenie orientácie energetické systémy kozmickej lode. Sú to reaktívne systémy, zotrvačníkové systémy a magnetické systémy.

Každá kozmická loď potrebuje stálu dodávku elektrickej energie, ktorú si môže vyrábať sama, alebo ju získavať z batérií. Systém dodávky elektrického prúdu pozostáva z troch základných častí: zdroja, regulačného zariadenia a rozvodu. Zdroje elektrického prúdu delíme podľa spôsobu získavania energie na:

• chemické – patria sem suché chemické články (na krátkodobé lety, dnes už nepoužívané), akumulátory, nikelkadmiové batérie, a striebrokadmiové batérie. Posledné dva typy môžu byť dopĺňané solárnymi článkami. Pre veľké prúdové výkony napríklad v raketoplánoch, sa používajú palivové články. Najčastejšie sú vodíkovokyslíkové články, v ktorých prebieha opak elektrolýzy. Vodík a kyslík sa v nich zlučuje za vzniku elektrického prúdu. Ako užitočný odpad vzniká tiež voda.
• slnečné – najrozšírenejší zdroj energie hlavne pri dlhšie trvajúcich letoch predstavujú fotovoltaické (slnečné) články. Prvá pilotovaná loď, ktorá ich použila, bol ruský Sojuz. Tieto články premieňajú slnečné svetlo na elektrickú energiu. Pri prelete zemským tieňom (prípadne tieňom iného kozmického telesa) sa elektrická energia dočasne získava z akumulátorov.
• nukleárne – patria sem rádioizotopové batérie a nukleárne reaktory. V súčasnosti sa používajú len u nepilotovaných telies, ktoré skúmajú slnečnú sústavu v takých vzdialenostiach od Slnka, že energia vyrábaná solárnymi panelmi je už nepostačujúca. Tepelná energia, ktorá vzniká pri rádioaktívnom rozpade prvkov. ohrieva termočlánky, a tie produkujú elektrický prúd. Takýmto spôsobom získavajú energiu napríklad známe sondy Voyager 1 a 2.

Napätie dodávané do elektrického rozvodu lode musí byť v predpísaných medziach. To majú zabezpečiť regulačné a riadiace obvody. Zabezpečenie proti preťaženiu (napríklad pri skrate) väčšinou zaobstarávajú automatické poistky.

Zabezpečujú komunikáciu lode s riadiacimi centrami na Zemi a komunikáciu s ostatnými telesami. Najčastejšie ide o rádiové komunikačné zariadenia pracujúce v najrôznejších rádiových pásmach. Experimentálne sa využíva aj optický prenos.

Namerané údaje z kozmických telies musia byť prenášané do pozemných staníc, či už okamžite po nameraní, alebo neskôr (z palubnej pamäte). Z každého snímača dostáva telemetrický systém informáciu vo forme elektrického signálu. Telemetrický systém musí mať viacero kanálov, ktoré je treba od seba oddeliť, aby sa informácie vzájomne nepremiešali. Delenie kanálov môže byť:

• frekvenčné – každá informácia má vyčlenený jeden generátor pomocného kmitočtu, ktorý je meraným signálom modulovaný buď amplitúdovo alebo frekvenčne
• časové – signál nie je prenášaný neustále, ale v určitých časových intervaloch, čo zaisťuje zariadenie nazývané komutátor.
• pamäťové – telemetrický systém je vybavený pamäťou a umožňuje vyslanie signálu na Zem neskôr

Raketoplán pri pohľade z Medzinárodnej vesmírnej stanice

Medziplanetárna hmota je taká riedka, že jej hustota sa približuje k vákuu. Vákuum je takmer dokonalý tepelný izolátor. Z tohto dôvodu dochádza na pevnom telese osvetlenom Slnkom k rýchlemu stúpaniu teploty, neosvetlené telesá sú zase silne podchladené. Taktiež prístroje samotnej kozmickej lode vydávajú teplo. Aby sa predišlo poškodeniu prístrojov a aby bolo možné prežitie ľudskej posádky na palube kozmickej lode, musí mať loď systémy, ktoré zabezpečujú reguláciu tepla. Systémy regulácie tepla môžu byť

• pasívne – využívajú vhodné konštrukčné materiály, ktoré odrážajú alebo vyžarujú nadmerné teplo do okolitého priestoru. Na podchladených miestach býva umiestnené buď vyhrievacie zariadenie, alebo rádioizotopový zdroj tepla.
• pneumatické – teplotu reguluje prúd vzduchu.
• hydraulické – reguláciu tepla zabezpečuje kvapalina ochladzovaná v radiátoroch na zatienenej strane lode, alebo vo výparníkoch. Tento systém používajú predovšetkým pilotované kozmické lode.

Životné podmienky na palube pilotovaných kozmických lodí zabezpečuje klimatizácia, systém regulácie tlaku a kontrola chemického zloženia atmosféry. Často sa medzi zabezpečenie životných podmienok počíta aj zásobovanie posádky pitnou vodou, potravinami a odstraňovanie exkrementov. Tieto systémy môžu byť navrhnuté ako otvorené, nerecyklujúce žiadnu zložku, ako polouzavreté, ktoré sú dnes najčastejšie používané a ktoré čiastočne zabezpečujú napríklad kolobeh vody v systéme, a celkom uzavreté systémy, ktoré budú celkom nezávislé od vonkajších dodávok surovín (v súčasnej dobe nerealizovateľné).

• Klimatizačné systémy – udržujú v kozmickej lodi nielen potrebnú teplotu, ale aj primeranú vlhkosť vzduchu. Ich činnosť je úzko spätá s činnosťou systémov tepelnej regulácie.
• Systémy regulácie tlaku – atmosférický tlak v starších lodiach bol nižší ako normálny pozemský tlak, čo si vyžadovalo zvýšené množstvo kyslíka vo vzduchu. V súčasnosti je zloženie atmosféry kozmických lodí podobné zemskej atmosfére s tlakom okolo 100 kPa. V dôsledku rôznych netesností v konštrukcii lode vzduch neustále pomaly uniká do okolitého prostredia, preto musí byť dopĺňaný zo zásob. Zásobné plyny (kyslík a dusík) sú skladované buď v tlakových nádobách pod tlakom 10 až 20 MPa, alebo skvapalnené v Dewarových nádobách.
• Systémy kontroly chemického zloženia atmosféry – Astronauti neustále vydychujú približne rovnaké množstvá vodnej pary a oxidu uhličitého, čím sa chemické zloženie vzduchu neustále mení. Oxid uhličitý je vo veľkých množstvách škodlivý, preto musí byť chemicky odstraňovaný. Na jeho odstránenie sa najčastejšie používa hydroxid lítny a obsah oxidu uhličitého vo vzduchu sa najčastejšie kontroluje na základe absorpcie infračerveného žiarenia. Vodná para sa odstraňuje vo výmenníku tepla, kde sa po ochladení vzduchu skondenzuje vo forme kvapiek. Tie sa potom odsávajú.

V súčasnosti si všetky kozmické lode vozia so sebou potrebné zásoby potravín zo Zeme a takisto aj vody (aj keď využívať sa môže aj voda vytvorená priamo v kozmickej lodi vodíkovo-kyslíkovými článkami). Moč je odsávaný do odpadových nádrží, odkiaľ sa vypúšťa do voľného priestoru. Pevné exkrementy sú zachytávané do plastových sáčkov v kozmických záchodoch a väčšinou uložené do odpadových priestorov. V starších kozmických lodiach, kde toalety neboli k dispozícii a astronauti boli celý čas oblečení v ľahkých skafandroch, sa exkrementy odsávali priamo zo skafandru.

Zariadenia na očistu tela boli a sú na kozmických lodiach veľmi obmedzené. V prvých kozmických lodiach prakticky chýbali pre ich náročnú realizáciu a tiež pre krátkosť misií. Používali sa len navlhčené obrúsky. V kozmických lodiach Apollo už bola k dispozícii teplá voda na umývanie. Skladacie sprchy však zostávali doménou kozmických staníc.

Telesá vnikajúce do zemskej atmosféry veľkými rýchlosťami sa veľmi zahrievajú. Pilotované kozmické lode preto musia byť chránené pred účinkami aerodynamického odporu. Existujú tri možné druhy tepelnej ochrany:

• Kapacitná – v súčasnosti nepoužívaná; tepelný štít pri tomto spôsobe ochrany je tvorený z materiálu, ktorý má veľkú tepelnú kapacitu a teda sa ťažko zahrieva.
• Ablatívna – tepelný štít chrániaci loď je z materiálu, ktorý sa pri prelete atmosférou v procese ablácie postupne odparuje. Vďaka tomu teplo neprenikne až k lodi. Tento tepelný štít má mnohé výhody, ale jeho hlavnou nevýhodou je, že sa nedá znova použiť.
• Radiatívna – použitá na kozmických raketoplánoch. Povrch kozmickej lode je pokrytý materiálmi, ktoré odrážajú alebo spätne vyžarujú teplo do okolitého priestoru. Tento typ ochrany je pri nutnej údržbe viackrát použiteľný.

Pokiaľ má kozmická loď v kozme prísť do kontaktu s inými umelými kozmickými telesami, musí mať na to patričnú výbavu. V prípade, že je v pláne spojenie sa s umelou družicou, inou kozmickou loďou alebo kozmickou stanicou, musí byť kozmická loď vybavená spojovacím uzlom špecifickým pre typ cieľového telesa. V prípade raketoplánov nebol tento spojovací uzol trvalou časťou ich výbavy a umiestňoval sa na palubu v závislosti od potrieb konkrétnej misie. Raketoplán bol tiež schopný menšie telesá zachytávať svojím manipulačným ramenom a až potom ich pripájať k na to určenej plošine v nákladovom priestore. Stretávacie manévre zahŕňajú aj veľmi presné navigačné prostriedky.

Opačným prípadom je oddelenie kozmického telesa, s ktorým kozmická loď odštartovala zo Zeme. Týmto telesom mohla byť ďalej nepotrebná časť samotnej kozmickej lode, napr. časť lunárneho modulu lodí Apollo, prístrojový úsek lodí Vostok a pod., umelá družica alebo kozmická sonda.

SpaceShipOne je kozmická loď, ktorú vyvinula spoločnosť Virgin Galactic. Je to prvá súkromná vesmírna loď, ktorá vyletela vyššie ako 100 km nad povrch Zeme a zároveň prvá súkromná pilotovaná kozmická loď. Prvý pilotovaný let sa uskutočnil 21. júna 2004. Vo vývoji je loď Spaceship Two, ktorá bude využívaná na turistické lety do vesmíru a SpaceShip Three, ktorá by mala byť schopná dosiahnuť orbitu Zeme.

Firma vytvorila kozmickú loď Dragon, ktorá už absolvovala niekoľko bezpilotných zásobovacích letov k ISS a úspešných návratov na Zem. Kozmickú loď vynáša pomocou vlastnej rakety Falcon 9. Pilotovaná verzia kozmickej lode Dragon sa pripravuje.