Orbitalne drogi: Orbity silnie eliptyczne typu Mołnia i Tundra

Satelita Mołnia-  od niego swoją nazwę wzięła orbita silnie eliptyczna typu Mołnia (ang. Highly Elliptical Orbits – HEO)

autor: Orland Krzyżanowski

         Pytając się przeciętnego kierowcy korzystającego z samochodu o trasę jaką wybrał do pokonania wybranego odcinka najpewniej będzie on umiał scharakteryzować rodzaj drogi jaką się poruszał- Autostrada, droga krajowa…albo wewnętrzna bo daleko nie było do osiedlowego sklepu. Nie rzadziej niż ze swojego samochodu korzystamy na co dzień z satelitów choćby oglądając telewizję za pośrednictwem anteny satelitarnej czy korzystając z nawigacji samochodowej. Co zaskakujące użytkownik wspomnianych urządzeń o satelicie, z którego korzysta wie najwyżej tyle, że „jest w kosmosie” dając dowód wielkiej pustej przestrzeni informacyjnej, która tkwi gdzieś między obszarami pozostałych pojęć, o których jakieś wyobrażenie może posiadać…w najlepszym wypadku będzie to informacja o pozostałych typach dróg w kraju- w gorszym, znanie się na polityce i sporcie w stopniu eksperckim.

Satelity „w kosmosie” nie wiszą nad nami nieruchomo zawieszone na niewidzialnej nici podobnie jak samochody na drogach nie stają po wjechaniu na nie. Poruszają się po dokładnie zaprojektowanych ścieżkach, które mają służyć konkretnemu celowi nawet jeżeli nam wydaje się inaczej.

Od fantastyki do rzeczywistości- orbita Clarka

Artur C. Clark znany jest większości jako pisarz fantastycznonaukowy. Autor doskonale zekranizowanej przez Kubricka Odysei Kosmicznej 2001 i kultowych kilkudziesięciu innych pozycji. Mało osób wie, że jest autorem „fantastycznej” wizji, która stała się rzeczywistością każdego z nas w mniejszym lub większym stopniu. Zaprojektował on orbitę geostacjonarną z której korzysta grom satelitów telekomunikacyjnych takich jak znany większości Hotbird. Na znanej zapewne ze słyszenia czy widzenia w kultowym tygodniku telewizyjnym „To & Owo” pozycji 13°E znajdują się trzy aktywne satelity. Są to: Hot Bird 6 (Eutelsat Hot Bird 13A), Hot Bird 8 (Eutelsat Hot Bird 13B) i Hot Bird 9 (Eutelsat Hot Bird 13C). Większość polskojęzycznych satelitarnych stacji telewizyjnych i radiowych jest nadawana z tych satelitów. Poza tą ciekawostką początkowo fantastyczna wizja jest dzisiaj zapchana „pod korek”. Stare satelity są usuwane na tak zwaną Orbitę Cmentarną, żeby nie blokować miejsca nowym.

Satelity telekomunikacyjne aktualnie znajdującej się na orbicie geostacjonarnej- pełny wykaz https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_satellites_in_geosynchronous_orbit

Dlaczego to miejsce „w kosmosie” jest lepsze od innych? Otóż nie jest „lepsze” ale dosyć specyficzne. Orbita geostacjonarna jest „drogą” na której prędkość ciała wynosi około 3,08 km/s, a czas okrążenia przez niego Ziemi jest równy 23 godziny 56 minut i 4 sekundy, czyli tyle ile doba gwiazdowa. W praktyce oznacza to, że dla obserwatora z Ziemi satelita na niej umieszczony „wisi” nad nami cały czas pozornie nieruchomo. I to jest rzecz, która jest nie do przecenienia przy wykorzystywaniu satelitów do przesyłania informacji. Odbiorca wystarczy, że będzie miał antenę satelitarną na stałe celującą w jeden punkt nieba, żeby odbierać sygnał przez umieszczonego tam satelitę. Mało tego Wysokość tej orbity nad Ziemią (równikiem) wynosząca 35 786 km powoduje, że w zasięgu satelity jest 1/3 globu. Przy użyciu 3 urządzeń można uzyskać zasięg globalny…i tak się to też czyni.

Nie wszystko złoto co się świeci

Tytuł tego tekstu jasno mówi, że tematem mają być nic nie mówiące większości orbity wysoko eliptyczne Mołnia i Tundra a tymczasem czytelnik dostał opis orbity kołowej- geostacjonarnej. Jak powiązać tematycznie orbity zilustrowane na poniższej grafice?

Orbita „zielona” to orbita geostacjonarna. Orbita „biała” to wysoko eliptyczna orbita Mołnia oraz bardzo podobna Tundra.

Satelity umieszczone na orbicie mołnia były pierwszą siecią w historii do nadawania ciągłego programów telewizyjnych w historii. Sygnał zaczął być nadawany w październiku 1967 roku w ramach sytemu nadawania Orbita (rus: орбита). Żeby sygnał był nadawany w sposób ciągły konstelacja musiała składać się z minimum trzech satelitów.

Gdyby Rosjanie zdecydowali się  użycie orbity geostacjonarnej do tego samego celu (zasięg krajowy) wystarczyłby jeden satelita. Dlaczego więc zdecydowano się na pierwsze rozwiązanie? Atrakcyjność orbity Mołnia i bliźniaczej Tundra polega na dużo łatwiejszym umieszczeniu na niej satelitów. Orbity te wymagają mniejszej energii a co za tym idzie użycia lżejszych rakiet nośnych co przekłada się też na koszt.

W wypadku Rosji jak i innych krajów leżących na dużych wysokościach geograficznych (jak chociażby duża część Kanady) satelity na orbitach Mołnia i Tundra przelatują bezpośrednio nad obszarem nadawania więc nie muszą mieć aż tak mocnego sygnału nadawczego jak te znajdujące się na orbicie geostacjonarnej. Za sprawą wysokiej inklinacji wynoszącej dokładnie 63.4°. Ich sygnał dochodzi do regionów polarnych, które są nieobsługiwane przez satelity geostacjonarne.

Jak widać satelity geostacjonarne mają też swoje ograniczenia. Ich sygnał nie dociera na duże wysokości geograficzne.

Tutaj właśnie wygrywają orbity silnie eliptyczne. Ze względu na swoją architekturę jak wspomniałem wcześniej użyć trzeba minimum trzech satelitów, żeby sieć nadawała ciągle. Jak widać na grafice poniżej satelita się porusza po elipsie. Z godnie z prawem Keplera w najwyższym punkcie orbity satelita będzie poruszał się najwolniej (w rzeczywistości niemal staje w miejscu) 3 godziny przed osiągnięciem apogeum i 3 godziny po jest możliwość nadawania nad wybranym regionem. Gdy schodzi on ze szczytu orbity zaczyna przyspieszać i „tracić z oczu” swój obszar. W tym momencie w 6 godzinne „okienko” powinien wejść następny satelita z konstelacji przejmując zadanie poprzednika.

 

Orbity Mołnia są orbitami 12 godzinnymi. Orbita tundra jest orbitą podobną ale tak jak orbita geostacjonarna ma charakter geosynchroniczny i jest 24 godzinna.

Różnica pomiędzy orbitą Mołnia i Tundra w odniesieniu do innych orbit.

Po opisie zalet warto zwrócić uwagę na wady tych orbit. Po pierwsze satelity na orbitach eliptycznych przechodzą kilka razy na dobę przez pasy radiacyjne van Allena. Mówiąc krótko to nie dobrze dla elektroniki. Po drugie znajdują się w nieustannym ruchu względem stacji odbiorczych. Powoduje to, że anteny tych stacji muszą być ruchome, żeby śledzić takiego satelitę. Wyobrażacie sobie antenę satelitarną, która cały czas za waszym oknem musiała by się obracać? Rozwiązanie skomplikowane i kosztowne. Dlatego też system Orbita miał skomplikowane stacje odbiorcze i z nich dopiero sygnał wysyłany był do indywidualnych odbiorców. W wypadku Rosji zmieniło się to w 1976 roku gdy nadawanie zaczęły satelity konstelacji Ekran w systemie „bezpośrednio do domu” już z orbity geostacjonarnej.

Bohater tego tekstu- satelita Mołnia na ekspozycji w muzeum.

Podsumowanie

Podsumowując ważne jest, żeby nie dzielić rozwiązań technologicznych na lepsze i gorsze. Obydwa typy orbit jak pokazałem wyżej mają swoje plusy i minusy. Orbity mołnia świetnie wypełniają lukę funkcyjną orbit geostacjonarnych. Są też na przyszłość alternatywą gdy orbita geostacjonarna będzie tak zatłoczona, że nie do wykorzystania a całkiem możliwe, że czas ten nie jest tak odległy. Dostęp do nich jest też możliwy przez podmioty nie dysponujące ciężkimi rakietami nośnymi.

rosyjski Znaczek pocztowy poświęcony konstelacji Mołnia.

Statek kosmiczny w walizce i skok z orbity?…Da się zrobić (1961r.)

Wszystkie dane techniczne pochodzą z „Analysis and design of space vehicle flight control systems. Volume 16 – Abort” str.145 oraz Astronautix.com „MOOSE”.

Scena z filmu Star Trek

autor: Orland Krzyżanowski

Głośnym wydarzeniem nie tak dawno temu był skok Felixa Baumgartnera z wysokości prawie 40km. Wyczyn ten robi wrażenie gdyż jeżeli przyjmiemy umowność granicy kosmosu był to skok z jego krawędzi. Czy to jest maksimum możliwości tego typu wyczynów? Szukając odpowiedzi odbędziemy wędrówkę do roku 2250  a następnie 290 lat wstecz do lat 60tych ubiegłego wieku.

„Beam me up, Scotty„

Wiele osób „twardo stojących” na ziemi nie przepada za literaturą czy kinem fantastyczno- naukowym. Gdy pyta się ich o powody takiego stanu rzeczy wskazują na fakt zainteresowania rzeczami codziennymi czy zwykłymi. Nie dostrzegają, że są otoczeni przez wyroby „kosmiczne” na co dzień. Zaczynając od Pampersów, idąc przez zajęcia z aerobiku (opracowane przez dr Kennetha Copera dla astronautów) i korzystając z nawigacji GPS na co dzień kończąc. To tylko trzy rzeczy z wielkiej listy w którą mógłby się zamienić niniejszy tekst gdyby wymieniać dalej. Ktoś na to wszystko musiał jednak wpaść. Musiała pojawić się pierwotna wizja, idea!

Przeszło lat temu w 1903 roku Konstantyn Ciołkowski wydał powieść fantastyczno-naukową „Poza Ziemią”. Prezentowała ona teoretyczne założenia lotu rakiety kosmicznej. W tym samym roku  gdy dwaj bracia dokonali pierwszego lotu samolotu (który swoją drogą też długo uważany był za fantastykę) umysł wspomnianego naukowca przetwarzał to czego jesteśmy świadkami dzisiaj! Człowieka podróżującego przez przestrzeń kosmiczną. Nie będąc zatem „twardo stojącymi” na ziemi ludźmi (i to należy potraktować jako komplement) spójrzmy co jest uznawane za fantastykę dzisiaj…

W 2009 roku wyszła 11 część pełnometrażowego filmu Star Trek. Mamy konkretnie rok 2250. Gdzieś w połowie filmu widzimy trójkę astronautów którzy szykują się do wyskoczenia z wahadłowca kosmicznego znajdującego się na orbicie Ziemi żeby będąc niezauważonym wylądować na wrogiej konstrukcji która wspomnianą Ziemię akurat niszczyła. Czy się dało? Oczywiście, że się dało. Cała trójka weszła w atmosferę na wzór naszego Feliksa i wykonała misję. Na pierwszy rzut oka oglądając produkcję w 2009 roku pomyślałem sobie- fantastyka. Dobra bo dobra ale fantastyka. Później obejrzałem program na Discovery o Joe Kittingerze, który przeprowadził pierwszy skok z 31km w ramach programu Excelsior w roku 1960. Zaczęło robić się mniej fantastycznie a bardziej realnie. Do tego doszedł skok z 2013 roku, który oglądało się jak najlepszy film fantastyczny w dodatku w HD. Czy oglądaliśmy to samo co pokazywał Star Trek? Czy dogoniliśmy w tej dziedzinie również wizjonerów Sci-Fi? I tak i nie mówiąc krótko.

Nie tyle chodzi o wysokość co o prędkość…

Gdy spotykam się ze znajomymi, po wstępnym przerobieniu tematów na temat rosnących cen, polityki i na końcu znalezieniu osoby bądź podmiotu odpowiedzialnego za ten stan rzeczy, często przez przypadek wchodzę na temat zagadnień astronautycznych. Ciekawą rzeczą jest, że większość osób utożsamia orbitowanie w kosmosie z osiągnięciem odpowiedniej wysokości. W uproszczeniu na 99 kilometrze znajdujemy się w atmosferze Ziemi a na 101 kilometrze jesteśmy już w kosmosie i to co zostało tam umieszczone będzie „wisiało” w nieskończoność. Rzecz jest dużo bardziej skomplikowana a co za tym idzie dużo bardziej ciekawa.

Różnica pomiędzy skokiem Feliksa a bohaterów Star Treka polega nie na wysokości z której skakali ale z prędkości przy której to robili. Różne obiekty na orbicie znajdują się na niej dlatego że poruszają się z odpowiednią prędkością, która równoważy siłę grawitacji. Wysokość w tym momencie jest konieczna tylko do tego żeby odbywało się to ponad gęstą ziemską atmosferą. Prędkość Feliksa względem ziemi była praktycznie czynnikiem pomijalnym w czasie wykonywania przez niego skoku. W wypadku bohaterów filmowych dokonywał się on z pokładu wahadłowca poruszającego się po orbicie z prędkością orbitalną. Gdy w takim wypadku coś zrzucamy na Ziemię musimy liczyć się faktem tarcia atmosferycznego. Wynika ono z gęstości atmosfery do której się „spada” z kosmosu oraz właśnie dużej prędkości.

Jak wiadomo w naturze nic nie ginie i kwestia energii którą posiada deorbitujące ciało jest rzeczą najważniejszą w tym temacie. Gdy coś wchodzi w atmosferę jego energia poprzez tarcie atmosferyczne przekształca się w ciepło a w zasadzie konkretny żar. Żeby coś „przeżyło” takie wejście w atmosferę musi być zabezpieczone osłoną termiczną która odizoluje temperaturę zewnętrzną od ładunku za nią się znajdującego.

Widok na osłonę termiczną w trakcie wchodzenia w atmosferę. ( artystyczna wizualizacja kapsuły Apollo,źródło: NASA)

Tutaj właśnie drzemie sedno sprawy i główna różnica pomiędzy Feliksem a koncepcją skoków z kosmosu/orbity. Warunki panujące na zewnątrz kapsuły Szwajcara były jak najbardziej kosmiczne, podobnie jak widoki. Charakterystyka lotu jego pojazdu a pojazdów orbitujących to jednak zupełnie coś innego. Temat nie jest tak fantastyczny jakby się mogło na pierwszy rzut oka wydawać. Amerykanie przeprowadzili studia nad ewakuacją kosmonautów z orbity przy założeniu że nie udają się do statków ewakuacyjnych a wyskakują z uszkodzonej stacji kosmicznej jak skoczkowie spadochronowi. Zobaczcie jak to miało wyglądać!

Historia, która się nigdy nie wydarzyła

Mamy alternatywny 1970 rok i historię, która się nie wydarzyła naprawdę. Rutynowy dzień pracy na stacji kosmicznej przebiegał bez problemów. Jak się okazało nie miało tak być do jego końca. Nagle instrumenty wskazują nagły spadek ciśnienia. W ciągu kilku minut będzie ono tak niskie, że kosmonauta straci przytomność. Przed rozpoczęciem ratowania sprzętu musi ubrać kombinezon kosmiczny, żeby miał możliwość działania po upływie tego krótkiego czasu. Nasz hipotetyczny bohater znajduje się na wojskowej stacji kosmicznej MOL, która w na potrzeby niniejszego tekstu została jednak wybudowana. Ma do dyspozycji tylko jeden moduł ciśnieniowy, który w tej chwili przestał być ciśnieniowym. Do zadania priorytetowego należy zlokalizowanie nieszczelności. Korzystając ze szczątkowej atmosfery w module otwiera torebkę z wodą. Po chwili galareto podobna kula zaczyna dryfować w kierunku przodu stacji. Po kilkudziesięciu sekundach dociera do ściany i w niej znika. Otwór nie jest duży. Ma około 2mm ale diagnoza jest jasna. Mikrometeoryt przebił poszycie stacji. Po otwarciu włazu w uszkodzonej ścianie wąskim tunelem z trudem udaje się do statku którym przybył na stację. Na ten lot wyjątkowo cała kapsuła Gemini należała tylko niego. Misja była jednoosobowa.

Nigdy niezbudowana wojskowa stacja MOL. Prace nad nią trwały przez większość lat 60tych.

Szybko zorientował się, że nie będzie musiał zajmować miejsca w statku. W oknie które dawało wspaniały widok do przodu za który tak lubił Gemini widniała mała pajęczynka…ślad po przebiciu. W tej samej chwili zauważył swoją wodę która wyszła na tylniej ścianie kapsuły i rozpoczęła lot ku dziurze w oknie. Osłona termiczna statku przebita. Nie wróci on na Ziemię… przynajmniej nie w jednym kawałku.

MOOSE-Man Out Of Space Easiest

Na dzień dzisiejszy sfabularyzowana powyżej przeze mnie historia zakończyłaby się tragicznie dla załogi orbitującej ISS. Przebity statek ewakuacyjny i niedziałająca stacja. Brak możliwości wysłania misji ratunkowej- to byłby wyrok. W historii alternatywnej jednak mamy szansę. Na początku lat 60tych zaproponowano oryginalne rozwiązanie, które nawet dzisiaj może szokować. Firma General Electric zaproponowała stworzenie walizki o wadze 90 kg (w warunkach nieważkości element nieistotny dla kosmonauty) i kompaktowych rozmiarach. Jej zawartość to podręczny zestaw deorbitacyjny dla jednej osoby! W jego skłąd wchodził nieduży silnik rakietowy do wykonania odpalenia deorbitacyjnego, worek z tworzywa sztucznego o wysokości 1,8m, pojemnik przypominający dezodorant umożliwiający orientację astronauty w przestrzeni, pojemniki z pianą o których będzie dalej, spadochron i zestaw survivalowy. Plany stworzenia takiego czegoś istniały naprawdę!

Kliknij aby otworzyć dokument NASA traktujący o temacie- strona 145 (źródło-archiwum NASA)

Będę żył!

Wróćmy zatem do naszego fikcyjnego kosmonauty, który pewnie już się zaczął denerwować czy nie chcemy go tak zostawić. W statku Gemini znajduje się walizka MOOSE. Dehermetyzować pojazdu już nie trzeba…sam to zrobił. Wystarczy otworzyć jeden z dwóch włazów i nic nie dzieli naszego bohatera od Ziemi i otwartego kosmosu. Jednym silnym wybiciem opuszcza on swój kosmiczny dom… tylko w skafandrze i z niedużym pojemnikiem. Tętno ma oczywiście podwyższone. Jest sam w zupełnej pustce. Tlenu starczy mu tylko na kilka godzin a uszkodzona stacja niknie z pola widzenia szybciej niżby się tego spodziewał. Jednak jest też specjalistą szkolonym do tej sytuacji przez całe zawodowe życie. Wie co musi zrobić i jest predysponowany do tego psychicznie, umie radzić sobie ze stresem.

Najpierw za pomocą dyszy „dezodorantu” orientuje siebie poprawnie w przestrzeni. Przestaje koziołkować i patrzy w kierunku swojego lotu. Następnie wyciąga z walizki worek. Ma on 1.8 wysokości i za zadanie zmieścić całego astronautę któremu jak się okazuje sprostał. Teraz pora na pojemniki z pianą. Wypełnia ona wnętrze worka który zaczyna przyjmować zaplanowany kształt. Na plecach naszego rozbitka formuje się kształt przypominający tarczę ablacyjną. Sama piana stabilizuje też swojego jedynego pasażera. Pozostaje teraz odpalić deorbitacyjne rakiety na stały materiał pędny. Będą pracowały tak długo aż nie skończy się im paliwo, bez możliwości regulacji… bez powrotu.

Kroki do wykonania po wyskoczeniu ze statku.

Wejście w atmosferę odbywa się po trajektorii balistycznej. Nie jest przyjemnie gdyż taka ścieżka wejścia wiąże się z ekstremalnymi przeciążeniami w okolicach 9g lub momentami większymi. Poprawnie działająca osłona termiczna skutecznie izoluje kosmonautę od żaru tarcia o cząsteczki powietrza. Po udanym przejściu gęstniejąca atmosfera spowalnia sztywny worek wyhamowując go do tego stopnia, że na wysokości 9km nasz bohater pociąga za linkę która wypuszcza właściwy spadochron hamujący. Na tym etapie rozważano dwie możliwości. Spadochron przyczepiony do piersi kosmicznego rozbitka oraz do całości „pojazdu”/worka. W pierwszej opcji spadochron oderwałby kosmonautę od niepotrzebnej osłony i lądowanie odbyłoby się jak u zwykłego skoczka spadochronowego. Druga możliwość zakładała że zostaje on w swoim „pojeździe” i woduje na oceanie lub na lądzie gdzie pianka posłużyłaby za amortyzator przy przyziemieniu . Zapewne z pewnymi obrażeniami ale jednak żywą nasza fikcyjna postać zostaje znaleziona przez grupę ratowniczą. Uszkodzona stacja po kilku miesiącach zostaje zniszczona spalając się w górnych warstwach atmosfery gdzieś nad Pacyfikiem.

Szalona wizja?

Na pewno nikt nawet spragniony wrażeń nie chciałby takiego scenariusza przeżyć. Sami pomysłodawcy określali użycie MOOSE jako ostateczność gdy wszelkie inne formy sprowadzenia kosmonauty by zawiodły. Przeprowadzono również pewne praktyczne przygotowania. W jednym z eksperymentów umieszczono ochotnika w wyprodukowanej na potrzeby eksperymentu elastycznej osłonie termicznej a następnie wypełniono formę wspomnianą pianą. Żeby było ciekawiej zrzucono tego człowieka z mostu w Massachusetts z wysokości 6 metrów. Udało mu się wyjść z testu bez szwanku jednak jak sam powiedział 6 metrów to nie 500km. Innym razem podgrzano ochotnika do 100 stopni Celcjusza i z zadowoleniem stwierdzono że materiał dobrze izolował wysoką temperaturę od człowieka. Sam materiał poddano również szeregowi prób w tunelu aerodynamicznym gdzie stwierdzono, że spełniał pokładane w nim nadzieje. Czy system by zadziałał nigdy się nie dowiemy gdyż prace nad nim ustały razem z anulowaniem programu wojskowej stacji MOL. Koncepcja odeszła w zapomnienie.

XXI wiek i elastyczne osłony termiczne

Pewnym współczesnym nawiązaniem do wspomnianej koncepcji „spakowanej” osłony termicznej jest idea nadmuchiwanej osłony która przyjęłaby właściwą formę dopiero gdy byłoby to potrzebne (dzisiaj tarcza jest stałym i zintegrowanym elementem pojazdów kosmicznych). W roku 2012 przeprowadzono udany eksperyment IRVE-3. Osłona wyniesiona w kosmos miała zaledwie 50 centymetrów średnicy ale po rozłożeniu (nadmuchaniu) jej obwód wyniósł aż 3 metry! Oczywiście jest to inna technologia i ma służyć innym potrzebom jednak warto o niej wspomnieć. Więcej o tym wydarzeniu przeczytacie na Kosmonaucie.net

Przyszłość stacji kosmicznych – rozwój wykładniczy czy regres do średniej?

     W 2011 roku podano oficjalnie, że dobiegła końca budowa Międzynarodowej Stacji Kosmicznej -największego przedsięwzięcia naukowo-inżynieryjnego w historii. Pomimo, że Rosjanie jeszcze nie powiedzieli w temacie ISS ostatniego słowa i czekamy na umieszczenie przez nich modułu MLM Nauka (regularnie zresztą opóźniane) to już teraz można zastanowić się co będzie dalej. Interesujący okres to okolice 2025 roku, kiedy to można spodziewać się zakończenia eksploatacji stacji.

Wyobraźnia każe zwizualizować coś równie ambitnego i oczywiście odpowiednio większego. W końcu będziemy mieli dumnie brzmiące lata dwudzieste XXI wieku i każda kolejna konstrukcja powinna być odpowiednio większa, lepsza i nowocześniej wyglądająca względem swojego historycznego pierwowzoru. Doświadczenie zdaje się wspierać ten tok myślenia. Od Saluta 1 do ISS mamy nieprzerwaną ewolucję i wzrost gabarytów kolejnych budowanych kosmicznych placówek.  Z każdą kolejną generacją stacji wzrastał też zasięg międzynarodowej współpracy początkowo w ramach Interkosmosu, Spacelab, Mir-Space Shuttle, aż do wielonarodowego zaangażowania 16 krajów przy budowie obecnego kompleksu orbitalnego.

Od nich się wszystko zaczęło na serio- seria stacji Salut. Mniej piękne od koncepcji z rozmachem prezentowanych na deskach kreślarskich…jednak to one faktycznie znalazły się na orbicie.

Czy czegoś podobnego można spodziewać się przy przyszłej inicjatywie? Biorąc pod uwagę zmieniające się czynniki ekonomiczne i polityczne istnieją przesłanki do przypuszczenia, że dotychczasowa linia rozwoju stacji orbitalnych będzie wyglądała zupełnie inaczej, niż zdążyliśmy się do tego przyzwyczaić. Na przełomie lat dwudziestych i trzydziestych jest możliwość, że nad nami znajdzie się nie jedna konstrukcja a kilka mniejszych obiektów w tym inicjatywy nieprzypisane pod konkretną flagę narodową bo komercyjne. Obecny moment jest dobrą chwilą na ogólną refleksję nad tą kwestią. Dzisiaj możemy sobie pozwolić na spojrzenie z perspektywy przeszło stu lat planowania jak idealna stacja kosmiczna powinna wyglądać i porównać z realnymi osiągnięciami na tym polu.

Pierwsze szkice i koncepcje opracowane zostały przez wizjonerów, którzy być może urodzili się za wcześnie wyprzedzając swoją epokę. Główne założenia ich konstrukcji skupiały się na krytycznym problemie stworzenia sztucznej grawitacji i to już pół wieku przed pierwszymi lotami w kosmos. Typ pojazdu kosmicznego wykorzystujący ruch obrotowy do wytworzenia ciążenia został zaproponowany na początku XX wieku przez Konstantego Ciołkowskiego w książce „Poza Ziemią” (Вне Земли). Bardziej znaną pracą, która po raz pierwszy w historii zajmuje się stricte budową stacji kosmicznej i wyznacza pewną cezurę czasową dla tego tematu jest „Problemy kosmicznych podróży” (Das Problem der Befahrung des Weltraums) z 1928 roku.

Prezentuje ona konstrukcję znaną z widzenia niemal wszystkim, jednak tylko niektórzy zdają sobie sprawę, że to na co patrzą to coś więcej niż wymysł scenarzystów filmowych. Jest to stacja w kształcie obracającego się koła znana chyba najbardziej z filmu Odyseja Kosmiczna 2001. Autorem koncepcji jest Herman Potočnik Noordung. Jej rozwinięcia podjął się Werner von Braun i zaprezentował swój pomysł publiczności naukowej w 1951 roku. Dwa lata później stacja von Brauna została spopularyzowana za sprawą publikacji w magazynie Collier i w ten sposób Herman Nordung został praktycznie zapomniany jako twórca pierwowzoru stacji kosmicznej dla szerszej publiczności. Innym przykładem był projekt oparty na sferze Bernala z 1929 roku, który wykorzystany został w serii Babilon 5. Przy kilku innych projektach przed erą kosmiczną bardziej lub mniej wyraźnie priorytetowo traktowano sprawę sztucznego ciążenia.

Dlaczego zatem kolejne kosmiczne placówki nie łączą naszej rzeczywistości z propozycjami prekursorów astronautyki załogowej na których pomysłach tak chętnie dla odmiany oparto rozwiązania znane z wielu filmów fantastyczno-naukowych?

Ostrożnie można zaproponować dwa powody tego stanu rzeczy. Od strony technicznej ważnym względem był (i w dużej części obowiązuje do dzisiaj) fakt, że projekty stacji opartych o ruch obrotowy były ekstremalnie dużymi konstrukcjami. Niemal sto lat po zaproponowaniu tych pomysłów wciąż nie dysponujemy efektywnym środkiem wynoszenia dużych elementów na orbitę, które umożliwiłyby zachowanie proporcji 1:1 względem oryginalnych projektów. To co ma zostać umieszczone w przestrzeni do dzisiaj stanowi poważny kompromis pomiędzy planami a realnymi możliwościami. Drugą kwestią i chyba ważniejszą były motywy, którymi kierowały się państwa zdecydowane rozpocząć swój program kosmiczny. Połowa ubiegłego wieku to spolaryzowany świat o dwóch biegunach rozpędzony w zimnowojennej zawierusze. Załogowa eksploracja była wynikiem wyścigu którego cele były ściśle polityczno-wojskowe. Za znany nam dzisiaj kształt stacji kosmicznych odpowiada Związek Radziecki, gdyż to pierwsze propozycje przyszłych stacji Siergieja Korolowa przypominają to co znamy. Ze względu na realia polityczne w których przyszło działać radzieckiemu konstruktorowi projekt nie miał stanowić największego osiągnięcia inżynieryjnego całej ludzkości a w bardzo praktyczny sposób służyć Ministerstwu Obrony Związku Radzieckiego w postaci militarnej stacji służącej rekonesansowi z orbity. W ten sposób zostały zaproponowane w kolejnych latach 1960, 1961, 1962 projekty OS, TOSZ- ciężkiej stacji kosmicznej i OS-1. Gabaryty stacji były ściśle powiązane z możliwościami wynoszenia ładunków i z tego względu od początku były osiągalne. Nie uwzględniając laboratorium kosmicznego USA w postaci Skylaba kolejne stacje wynoszone na orbitę to konstrukcje rosyjskie reprezentujące znaną nam architekturę modułów wynoszonych w całości rakietami nośnymi i łączonych później na orbicie. Pierwsza wielomodułowa stacja kosmiczna Mir zapewniła bogate doświadczenia w eksploatacji i bezpośrednio umożliwiła budowę szczytowego osiągnięcia stacji konstruowanych w ten sposób-Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

ISS może być uznana za kulminację wielkości tego typu konstrukcji, która szybko się nie powtórzy. Powodem tego stanu rzeczy jest geneza jej powstania. Jest ona efektem wielkiego kompromisu wszystkich stron zainteresowanych obecnością na orbicie i jej historia sięga daleko przed rok 1998 w którym rozpoczęto jej budowę. Dla USA projektowanie i planowanie budowy to lata siedemdziesiąte. Rozmach amerykanów jednak daleko przekraczał ich możliwości. Dla Rosjan technika nie przedstawiała problemu. Mieli osiągnięcia, doświadczenie i sprzęt… ale też lata 80/90te to olbrzymie problemy gospodarcze i ekonomiczne, które spowodowały upadek Związku Radzieckiego i w rezultacie dekadę zapaści finansowej. Sektor kosmiczny nie znajdował się na liście priorytetów chwiejącego się w posadach państwa a plany budowy stacji Mir 2 z drugiej strony były już gotowe. Dla mniejszych agencji kosmicznych innych państw jasne było, że samodzielne umieszczenie placówki na orbicie leży poza dającą się przewidzieć przyszłością, pomimo posiadania technologi umożliwiającej produkcję własnych habitatów/laboratoriów. Dotyczyło to państw europejskich, oraz Japonii. W takiej sytuacji jak widać wszyscy mieli interes, żeby podjąć współpracę. Datą graniczną tej decyzji jest rok 1984, gdy prezydent Regan ogłosił plan wybudowania placówki na orbicie przed upływem dekady… kilka zdań dalej zapraszając do współpracy inne kraje.

W roku 2025 ISS będzie zbliżała się do trzeciej dekady działalności. Większość zaplanowanych eksperymentów państwa zaangażowane prawdopodobnie już przeprowadzą. Ponadto 30 lat utrzymywania kompleksu wymagało zapewnienia ciągłego wysiłku finansowego. Europa swoje cele do tego czasu z pewnością osiągnęła, podobnie Japonia. Nowa realia najprawdopodobniej spowodują zamknięcie rozwoju opracowania załogowych wersji pojazdów transportowych używanych dzisiaj jeszcze w trakcie eksploatacji stacji. Czym będą owe realia, że istniejące od kilkudziesięciu lat agencje kosmiczne zrezygnują z logicznego, jak mogłoby się wydawać kroku, jakim byłoby zbudowanie własnych statków załogowych? Z dużym prawdopodobieństwem zaryzykuje stwierdzenie, że jutro zaczyna się dzisiaj-przynajmniej w dziedzinie rozwoju załogowej astronautyki. Kluczem do tego zagadnienia jest komercjalizacja dostępu człowieka do przestrzeni kosmicznej której początku jesteśmy właśnie świadkami. W takim przypadku agencje narodowe mogą wykorzystać okazję żeby zmniejszyć koszty związane ze swoimi projektami. Jest to kwestia porównywalna do wyborów każdego z nas w życiu codziennym choćby przy wyborze środka transportu. Kupić samochód i go utrzymywać czy mając doprowadzoną pod dom linię tramwajową skorzystać z usług przewoźnika prywatnego a zaoszczędzone pieniądze przeznaczyć na inne szczytne cele (oczywiście w przypadku agencji kosmicznych chodziłoby o wykorzystanie środków na cele naukowe).

Jak zatem będzie wyglądało niebo w 2025 roku dla dzisiejszych amatorów obserwacji przelotów ISS? Nie wróżąc a tylko wyciągając wnioski z danych dostępnych dzisiaj można się pokusić o następujący scenariusz. Z agencji narodowych można się spodziewać aktywności we własnym zakresie dwóch krajów. Przede wszystkim najmniej niepewności szykuje nam CNSA-Chińska Agencja Kosmiczna. Patrząc na konsekwencję z jaką kraj ten posuwa się naprzód za 15 lat możemy liczyć na wielomodułową stację kosmiczną na orbicie. Często określa się ją jako przypominającą rosyjskiego Mira jednak jeżeli różnica będzie na tyle duża co pomiędzy statkami Sojuz a Shenzhou to będzie to z niej czyniło placówkę, która przynajmniej po części będzie stanowiła nową jakość.

Tak ma wyglądać chińska stacja kosmiczna.

Drugim jednak już nico mniej pewnym kandydatem mających aspirację do utrzymania swojej załogowej placówki na orbicie jest Rosja. Kraj posiadający największe doświadczenie w budowie kosmicznych przyczółków ludzkości w kosmosie. Ich plan na chwilę obecną to pogorbowiec ISS w postaci OPSEK. Rosjanie mają w planie odłączenie części swojego segmentu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, gdy przyjdzie na to czas i który byłby zalążkiem nowej samodzielnej konstrukcji. Pomimo, że na pierwszy rzut oka może się to wydawać fantastyczne to są ku temu jak najbardziej realne przesłanki. Najnowszy planowany moduł MLM Nauka, który ma dołączyć do ISS na przełomie 2013/2014 roku nie dość, że będzie miał dopiero 10 lat gdy spodziewana służba stacji dobiegnie końca to oparty jest na architekturze modułów FGB. Oznacza to, że taki pojazd (skonstruowany na bazie statków TKS mających zaopatrywać stacje wojskowe Ałmaz w latach 70tych) będzie posiadał własny system podtrzymywania życia, kontroli lotu, oraz napęd. Wraz z dołączonym modułem NODE będącym zaawansowanym portem cumowniczym całość mogłaby stanowić bazę pod nową, czysto rosyjską stację.

W teorii Rosjanie są w stanie zbudować nową stację jako część struktury ISS. Po zakończeniu życia tej ostatniej „nowa” stacja odłączy się od niej i rozpocznie samodzielną działalność.

Dalej mamy nową jakość-spodziewane projekty będą najprawdopodobniej inwestycjami prywatnymi. Tutaj kończą się rozwiązania jakie znamy i zaczyna coś nowego. Po pierwsze stacja firmy Bigelow składająca się z nadmuchiwanych modułów, których konstrukcja została już przetestowana. Jeden taki moduł miałby wielkość przewyższającą metraż hermetyzowanych pomieszczeń na ISS. W chwili startu mieściłby się na stosowanych obecnie rakietach nośnych a na orbicie przybierał swoje pełne rozmiary. Pokryty specjalnym materiałem z kevlaru byłby stosunkowo dobrze zabezpieczony przed mikrometeorytami. Jest to największa ciśnieniowa konstrukcja jakiej można się spodziewać na przestrzeni najbliższych dekad. Obsługiwana mogłaby być statkami Dragon, oraz CST-100 i stanowiłaby nową jakość w całej historii załogowych stacji orbitalnych. Następne rozwiązanie, którego powodzenia możemy się spodziewać, gdyż wszystkie elementy systemu już istnieją i są przystosowywane do swojej roli ma dla odmiany charakter retro. Dwa kadłuby „militarnych Salutów” z anulowanego programu Ałmaz z lat 70-tych, oraz gotowe kapsuły wielokrotnego użytku WA zostały zakupione przez firmę Excalibour-Almaz. Elementy te mają już cztery dekady, i przez ten czas leżały w rosyjskich magazynach, jakkolwiek kierując się deklaracjami firmy mają przed sobą obiecującą przyszłość. Pozostając przy sprzęcie rosyjskim realną w założeniach wydaje się być Komercyjna Stacja Kosmiczna (CSS) rosyjskiej firmy Orbital Technologies. Proponuje ona niedużą jedno modułową placówkę na orbicie o średnicy trzech metrów i dwudziestu metrów sześciennych przestrzeni ciśnieniowej obsługiwaną przez Sojuzy i perspektywicznie przez ich następce. Za dobrą monetę można uznać fakt, że projekt ma wsparcie finansowe swojego macierzystego kraju. Deklarowana gotowość do wystrzelenia to 2016 rok. Rosjanie są bardzo nastawieni na komercyjny sukces swojego przedsięwzięcia stawiając na turystykę obok opcjonalnego laboratorium na orbicie (stacja firmy Bigelow miałaby mieć charakter ściśle naukowy). Może to przynieść dodatkowe środki finansowe od zainteresowanych milionerów (lub miliarderów) chcących spędzić urlop w nowym miejscu.

Tak wyglądają deklarowane plany różnych firm i agencji. Na ile projekty te są nastawione na osiągnięcie swojego celu a na ile wykorzystują „kosmiczny” temat, żeby wyróżnić się na rynku pokaże czas. W obecnej rzeczywistości warunek powodzenia jest jeden: przedsięwzięcie musi się opłacać. Poniżej reklamowe wykorzystanie tematu przez magazyn Playboy…tak nie do końca na serio.