Co to jest statek kosmiczny? Co musi mieć taki pojazd? TOP najciekawszych pojazdów w historii

W tym tekście przestawiamy wam nie tylko dziesięć najciekawszych statków kosmicznych (pojazdów kosmicznych) na liście, do której możecie od razu przeskoczyć, ale zastanawiamy się także nad samym zagadnieniem statku kosmicznego. Jednocześnie odpowiadając sobie na takie pytania jak „Czy faktycznie ludzkość dysponuje już statkami kosmicznymi? Jakie wymagania muszą spełniać te pojazdy?”. Zaczynamy.

Najpierw słownikowa definicja. Co to jest statek kosmiczny?

W słowniku pojęcie statek kosmiczny jest tłumaczone bardzo krótko, czasem wręcz zdawkowo. To pojazd, który jest przystosowany do odbywania podróży w kosmosie według słownika PWN. Nieco szersza jest definicja WSJP, ale i ona nie nakłada szczególnych warunków na to czym musi się on wyróżniać. W ten sposób, statkiem kosmicznym nazwiemy zarówno niewielki cubesat jak i sondę Voyager, a także sondy międzyplanetarne. Ale będzie nim także Enterprise z serialu Star Wars czy Gwiezdny Niszczyciel z Gwiezdnych Wojen. A zgodnie z definicją SWJP nawet komplet rakieta i sonda w przestrzeni ładunkowej.

Definicja pojęcia "statek kosmiczny" w Wielkim Słowniku Języka Polskiego on-line (po lewej), w Słowniku Języka Polskiego PWN (po prawej).

W pewnym sensie statkiem kosmicznym jest nawet teleskop kosmiczny Webb oraz sondy przeznaczone do obserwacji Ziemi lub komunikacji satelitarnej, choć najbardziej do definicji statku kosmicznego pasują nam oczywiście pojazdy transportowe takie jak SpaceX Crew Dragon czy Sojuz oraz ich wersje towarowe. Nie ma ograniczenia do pojazdów bezzałogowych czy załogowych. Istotniejsze jest to, żeby statek kosmiczny był pojazdem, który pokonuje konkretną trasę w kosmosie.

W serialu Ascension bohaterowie odbywają lot na pokładzie pojazdu wyimaginowanej klasy Orion. I choć podróżują przez dziesiątki lat, to ich statek kosmiczny w najmniejszym nawet stopniu nie pasuje do naszej definicji.

I tu napotykamy pierwsze ograniczenie, do którego odniosę się w części dotyczącej pojazdów gwiezdnych (ang. starship). Obecne ograniczenia technologiczne nakładają na konstrukcje statków kosmicznych limity co do ich zdolności manewrowych w kosmosie. Sonda nie poleci bowiem w dowolne miejsce Układu Słonecznego, bo tak zechcieli konstruktorzy, a tylko tam gdzie wcześniej pieczołowicie zaplanowano trasę, często z wykorzystaniem sił natury.

Na przykład sonda Lucy nie leci prosto do asteroid, które będzie badać, ale stosuje zawiłą trajektorię, w której dwa razy zbliży się do Ziemi, zanim jej grawitacja wystrzeli w grudniu 2024 roku sondę w kierunku asteroid trojańskich Jowisza. Innym przykładem jest misja Lunar Flashlight, w której niewielki cubesat ma za pomocą wiązki lasera w podczerwieni i spektrometru przeszukiwać ukryte w mroku księżycowe zagłębienia w okolicach biegunów. Jeszcze w trakcie lotu na Księżyc okazało się, że przewody paliwowe nie są właściwie drożne. W efekcie konieczne będą prawdopodobnie korekty planu misji, tak by wypełnić jak największą cześć wstępnych założeń. Szanse na naprawę są ograniczone jedynie do działań, które można zlecić sondzie zdalnie, na przykład zmiany sposobu użycia silników manewrowych.

Zawiła wieloletnia trajektoria sondy Lucy podczas misji badania asteroid trojańskich.

Załogowe pojazdy latają także na wyznaczonych wcześniej trasach, a jeśli obierają podróż do dalszego ciała niebieskiego to wciąż mają niewielką swobodę zmiany planów podróży. Na przykład sonda New Horizons musiała już lata przed przelotem w pobliżu asteroidy Arrokoth dokonać odpowiedniej korekty trajektorii.

Europejska sonda JUICE, która w tym roku wyruszy w podróż na Jowisza. To także statek kosmiczny zgodnie z obowiązująca definicją.

W przypadku obecności człowieka na pokładzie statku kosmicznego można przedsięwziąć znacznie poważniejsze naprawy o ile nie godzą one z kolei w zdrowie załogi. W przypadku koncepcji potencjalnych podróży międzygwiezdnych ograniczenia ze względu na dostępne paliwo, czy konieczność długiego rozpędzania i hamowania pojazdu, stają się istotne nawet pomimo ogólnego zaawansowania takich futurystycznych konstrukcji.

Statek kosmiczny z perspektywy naszych obecnych możliwości technologicznych. Co powinien mieć, potrafić?

Takich pojazdów jak Hermes z Marsjanina czy Mars 2 z Misji na Marsa wciąż nie udało się nam zbudować. Takie konstrukcje są na horyzoncie naszych możliwości, ale jeszcze w dość odległej przyszłości. Jednak nawet już dziś budując pojazd kosmiczny, czy to będzie sonda badawcza, czy załogowa kapsuła, należy trzymać się pewnych zasad. Nie da się bowiem w kosmosie (przy naszych możliwościach) tak jak w przypadku samochodu zjechać na pobocze i wezwać pomocy drogowej.

Fikcyjny pojazd Hermes z filmu Marsjanin. Wizja pojazdu, który pozwolił szóstce astronautów w dość komfortowych warunkach pokonać trasę Ziemia-Mars, a potem Mars-Ziemia. I jeszcze raz tak samo.

• elektronika musi być dostosowana do pracy w kosmosie (promieniowanie kosmiczne), albo na poziomie samej jej konstrukcji (pojazdy bezzałogowe), albo poprzez umieszczenie jej i członków załogi w odpowiednio izolowanych pomieszczeniach,
• konieczny jest system komunikacji z Ziemią, zwykle radiowy, choć eksperymentuje się także z przekazem danych za pomocą wiązki lasera, a także system kontroli położenia w przestrzeni kosmicznej,
• elementy witalne dla funkcjonowania pojazdu i/lub przeżycia załogi musza być nadmiarowe, a także gwarantować wysoką odporność na błędy działania,
• pojazd, nawet jeśli ma załogę, wspiera się naziemną kontrolą lotu, która jest gotowa na realizację różnorodnych scenariuszy na wypadek awarii czy nieprzewidzianego funkcjonowania podzespołów pojazdu,
• pojazd załogowy musi być wyposażony w systemy podtrzymywania życia, a to oznacza zapewnienie odpowiedniej temperatury, ciśnienia, tlenu, wody, recycling odpadów biologicznych lub ich odpowiednie składowanie, miejsce do przechowywania zapasów żywności lub jej wytwarzania (pod tym względem wciąż głównie eksperymentujemy),
• w przypadku załogi i jej długiego pobytu w kosmosie należy zapewnić miejsce gwarantujące prywatność, a także dbanie o kondycję fizyczną,
• oprogramowanie sterujące lotem musi być dostosowane do zasad mechaniki lotu w przestrzeni kosmicznej, zdolne do podejmowania decyzji autonomicznych lub reagowania na zdalne komendy,
• systemy zasilania, napędowe, przestrzeń towarowa/ładunkowa i życiowa w przypadku załogi powinny być oddzielone, tak by zminimalizować ryzyko awarii globalnej pojazdu,
• zależnie od miejsca (w pobliżu Ziemi, Słońca, na orbitach odległych planet), pojazd powinien być wyposażony w źródło energii takie jak panele słoneczne lub termoelektryczny generator radioizotopowy, a także akumulatory do magazynowania energii w czasie, gdy nie jest możliwe jej wytwarzanie,
• materiały wykorzystane do budowy pojazdu muszą wytrzymać przeciążenia podczas startu, szok termiczny w przypadku lądowania (szczególnie gdy na pokładzie jest załoga), a także zapewnić odpowiednią izolację (w tym odporność mechaniczną) podczas długotrwałego pobytu w kosmosie,
• pojazd musi być zdolny do wykonywania drobnych korekt trajektorii podczas lotu lub pobytu na orbicie, ewentualnie większych zmian orbit.

Te wszystkie założenia, to elementy inżynierii kosmicznej, dziedziny, która rozwija się już od końca lat 50. XX wieku. I pomimo ponad 60 lat jakie upłynęły od lotu pierwszego człowieka w kosmos, wciąż nie ma zbyt dużej swobody przy modelowaniu pojazdów kosmicznych. Szczególnie tych ich elementów, które transportują załogę i są przeznaczone do lądowania na Ziemi.

Wyjątkiem jest konstrukcja wahadłowca kosmicznego i bazujących na tej koncepcji kolejnych pojazdów (X-37B, Dream Chaser), a także stacji kosmicznych, które de facto są do siebie bardzo podobne, mimo iż mieliśmy/mamy ich już kilka.

Kapsuła załogowa po lądowaniu na Ziemi. Kolejno pojazd Apollo (lata 60. i 70. XX wieku), Orion (początek XXI wieku do dziś), SpaceX Crew Dragon, Boeing Starliner (drugie dziesięciolecie XXI wieku do dziś).

Inżynieria kosmiczna i branża projektowania statków kosmicznych obejmuje wiele dziedzin wiedzy, w tym techniki komputerowe, telekomunikacyjne, elektrykę, elektronikę, mechanikę lotu, fizykę materiałową, chemię napędu, fizykę promieniowania, ale w przypadku pojazdów załogowych także psychologię, medycynę

Pomysły na statki kosmiczne nadal muszą dążyć do minimalizacji masy potrzebnej do ich funkcjonowania/wypełnienia celów misji. I nadal najczęściej są to pojazdy budowane celowo, w pojedynczych egzemplarzach (przede wszystkim sondy kosmiczne), choć trend dążenia do ponownego wykorzystania jak największej liczby elementów pojazdu w kolejnym locie staje się coraz powszechniejszy.

Zapanować nad grawitacją - o tym marzą konstruktorzy pojazdów kosmicznych

Grawitacja to jeden z największych problemów konstruktorów pojazdów kosmicznych. Niemal wszystko musi uwzględniać jej wpływ lub brak. Gdyby udało się opracować system napędu zdolny pokonać siłę grawitacji planet przy wyjątkowo niewielkim zużyciu zasobów, a to oznacza na przykład wysoce efektywny system konwersji paliwa lub kompletnie nową technologię, budowa pojazdów kosmicznych byłaby znacznie prostsza, a ich uniwersalność większa.

W przypadku pojazdów załogowych możliwość symulowania siły ciążenia (nie mylmy tego z pojęciem sztucznej grawitacji) pozytywnie wpłynęłaby na zdrowie ludzi przebywających w kosmosie, a także zagwarantowałaby znacznie wyższy komfort pracy/lotu.

Pojazdów gwiezdnych to jeszcze nie mamy, a Starship to tylko zwykły statek kosmiczny

Gdyby pojęcie statek kosmiczny definiować zgodnie ze słownikowym opisem dla określenia pojazd gwiezdny, czy też wizji jakie roztaczają filmy science-fiction, na ten temat należałoby spojrzeć się z perspektywy naszego potencjału do podróży międzyplanetarnych, czy nawet międzygwiezdnych. A wynika z niej, że pojazd kosmiczny powinien być, podobnie jak samolot czy statek podróżujący pomiędzy kontynentami, zdolny do podróży pomiędzy planetami, a nawet gwiazdami. I to podróży wielokrotnych, dokonywanych w czasie, nie wymagających takich zabiegów jak np. hibernacja, które pozwalają ludzkiemu organizmowi poradzić sobie z konsekwencjami przebywania w przestrzeni kosmicznej przez czas stanowiący znaczącą cześć przeciętnego ludzkiego życia.

Załogowy Starship na orbicie Saturna. Piękna wizja, ale jednak tylko wizja i to dotycząca tylko Układu Słonecznego. Wciąż fikcja.

Taki statek powinien samodzielnie wylądować na powierzchni planety, ewentualnie zadokować do stacji kosmicznej na jej orbicie, by pasażerowie czy też towar byli przetransportowani na dół innymi pojazdami. Powinien być zdolny do kolejnej podróży w krótkim czasie, a nie po wielomiesięcznych, czy tez wielotygodniowych przygotowaniach, angażujących ogromne środki jak na możliwości danej cywilizacji. Gotowy by odeprzeć różnego rodzaju zagrożenia podczas kosmicznego lotu, w stopniu który nie czyni pobytu człowieka na pokładzie wysoce ryzykownym. Owszem, czas przygotowania pojazdu do podróży międzyplanetarnej czy międzygwiezdnej mógłby zależeć od jego skali, ale wtedy i tak okres serwisowania musiałby być stosunkowo krótki w porównaniu z jego ładownością, zasięgiem podróży.

Statek kosmiczny powinien być taki jak samochód. Wsiadam i jadę nim prawie wszędzie tam gdzie chcę, a gdzie samochód jest w stanie pojechać. A nie tylko po ściśle ustalonych trasach i to wyłącznie przy spełnieniu licznych dodatkowych warunków.

Patrząc się tak na zagadnienie pojazdu, który spełnia kryterium statku kosmicznego, można powiedzieć, że wciąż nie mamy statków kosmicznych. To czym obecnie dysponujemy to jedynie proste pojazdy transportowe, badawcze, przystosowane z drobnymi wyjątkami do krótkotrwałego przebywania w kosmosie, pokonywania ściśle określonych, a nie dowolnych tras, wymagające ogromnych zasobów w stosunku do metod transportu na powierzchni Ziemi.

A może obędzie się bez załogowych statków kosmicznych, czyli jaka przyszłość byłaby najlepsza?

Taką możliwość, tzn. to, że nie uda się nam w rozsądnym czasie opracować odpowiedniej technologii do załogowych podróży w kosmosie, należy brać pod uwagę, jak bardzo by nie była pesymistyczna. Lecz nawet bez pojazdów zdolnych do transportowania nas w kosmos czy pomiędzy ciałami niebieskimi, można sobie wyobrazić galaktykę, która zostałaby skolonizowana przez człowieka, przynajmniej w niewielkim zakresie. W końcu nawet jeśli nie uda się zapewnić ludziom przetrwania w czasie długich podróży kosmicznych, i ograniczymy się jedynie do lotów w ramach Układu Słonecznego, to bezzałogowe pojazdy międzygwiezdne mają znacznie mniejsze wymagania.

Jeśli nie uda się nam pokonać ograniczeń jakie nakładają ogromne odległości w kosmosie i fizyka (w znanym nam obecnie zakresie), to głównym wyzwaniem dla kolonizacji dalekiego kosmosu będzie czas. Którego nasza cywilizacja musi mieć odpowiednio dużo, aby móc skolonizować odległe systemy gwiezdne.

Taką podpowiedź znajdziemy w literaturze science-fiction, na przykład w jednym z opowiadań Roberta Silverberga, zatytułowanym Autostrada w mrok. Pokazywany jest tam świat, w którym ludzie poruszają się pomiędzy planetami, a nawet systemami gwiezdnymi, za pomocą specjalnych portali. Budowane są one przez automaty, które dostarczają odpowiednie wyposażenie do natychmiastowego transportu (w opowiadaniu nazwanych odbiornikami Veldego) na odległe obiekty.

To oczywiście fantazja, choć bardzo wygodna, gdy już powstałaby taka sieć przekaźników. My łatwiej zaakceptowalibyśmy pewnie taki świat jak na przykład w serii Expanse (książka i serial), w której ludzkość stopniowo, ale konsekwentnie opanowuje Układ Słoneczny.

Za to rzeczywistość, którą rysuje nam z kolei serial Star Trek, wydaje się zbyt optymistyczna (pomijamy tu przedstawione w tym uniwersum czasy, gdy ludzkość podupadła), a przede wszystkim zbyt szybka. Z drugiej strony, kto wie co nas czeka w przyszłości. Jeszcze kilka lat temu nie dalibyście wiary pewnie, że 2023 rok przywitałby was taką rzeczywistością z jaką mamy do czynienia. Dlaczego więc i w eksploracji kosmosu nie miałoby się wydarzyć także coś nieprzewidywanego.