Raketová křesla a jejich rodina

Raketová pistole, raketové boty nebo tryska umístěná v rozkroku kosmonauta byl jen počátek dlouhé cesty.

V patnáctém dílu sci-fi povídky Na dohled Cruithne právě probíhá záchrana kosmonauta, který se ocitl příliš daleko od kosmické lodi. Nezaspali autoři dobu, když nechávají hrdiny létat v raketových křeslech, která jsou již dnes minulostí?

Dnešní skafandry jsou kosmické lodě se vším všudy. Skoro se vším všudy. Obsahují základní environmentální systém zabezpečující výměnu vzduchu, odstraňování vlhkosti, klimatizaci, jednotku pro komunikaci se základnou, když přimhouříme oči, nechybí ani sociální zařízení. Jediné, co mají kosmické lodi navíc, je jednotka pro volný pohyb ve vesmíru.

Od doby prvního výstupu do otevřeného prostoru se s takovým zařízením počítalo. Nejprve byl kosmonaut propojen s mateřskou lodí doslova pupeční šňůrou. Podle typu skafandru a použité technologie se skládala z jisticího lanka, kabelu pro přívod energie, hadic pro zásobování kyslíkem, hadic pro chladicí médium... Takový skafandr může být poměrně jednoduchý, lehký a dlužno podotknout, že působí i elegantně. Jeho akční rádius je samozřejmě omezen délkou hadice, která navíc překáží. Co by se stalo v případě jejího poškození, raději nedomýšlet.

První, kdo se k tomuto problému postavil čelem, byla NASA a astronaut Ed White, který víceméně na černo začal nacvičovat plnohodnotný výstup do kosmického prostoru. Ten byl později vedením schválen a tak se mohl Ed White 3.června 1965 vydat na kosmickou procházku do volného prostoru. 

Raketová pistole

Výstup byl samozřejmě jištěn poutacím kabelem, ale v ruce Ed svíral něco, co vypadalo jako vystřižené ze sci-fi filmu "Zabil jsem Einstena, pánové" - ruční manévrovací jednotka HHMU (Hand-held Maneuvering Unit). V podstatě se jednalo o raketovou pistoli poháněnou stlačeným kyslíkem. Jako zásobník byly použity dvě tlakové láhve z katapultážních sedadel lodí Gemini. Kyslík v množství 0.3kg, stlačený na 275 atmosfér, mohl na plný tah urychlit astronauta během dvaceti sekund o 1.82 m/s. Vzhled futuristické pistole rušila jen dvě výklopná ramena s tryskami pro pohyb vpřed.

Pistole vážila pouhé tři kilogramy, byla relativně jednoduchá, a protože ji mohl astronaut natočit libovolným směrem, stala se vlastně univerzální pohonnou jednotkou. Však si ji také Ed White nemohl vynachválit. Byl však také posledním, komu se s ní dobře pracovalo.

Ostatním astronautům se s pistolí zacházelo špatně. Především je obtížné pistoli nasměrovat tak, aby tah působil na těžiště. Let je nepřesný, hrozí roztočení astronauta. Uvážíme-li, že astronaut nemá volnou ruku, je obtížné o HHMU mluvit jako o přínosu.

Proč si tedy Ed White práci pochvaloval? Těžko říci, Ed měl natrénováno na trenažéru se vzduchovým polštářem více, než kdokoli potom. Byl to také první plnohodnotný výstup, můžeme spekulovat o nekritickém hodnocení, doba testování v řádu jednotek minut je málo na jednoznačný závěr. A pak je tu ještě faktor skafandru. Pozdější skafandry byly sice bezpečnější a autonomnější, zároveň také neohrabanější. Zatímco astronauti nacvičující v umělé beztíži letadel na balistické dráze uznávali, že raketová pistole má něco do sebe, v těžkých natlakovaných skafandrech již ten pocit neměli.

Postaveny byly ještě další verze pistole, s jiným pracovním médiem (freon), větším výkonem a větší výdrží. Přesto žádná verze nepřirostla astronautům k srdci a postupně z kosmického programu zmizely. Přesto nelze v historii tohoto zařízení přehlédnout zatvrzelost konstruktérů, se kterou se k myšlence stále vraceli. Ačkoli HHMU již dlouho nefigurovala v žádném kosmickém programu, lze spekulovat, že pistole ještě nevystřelila naposledy. Možná s novou generací skafandrů? 

Projekt T020

Komu koncepce raketové pistole připadá jako bláznivá, měl by šetřit úsměšky pro projekt T020 familiárně nazývaný tryskové boty. Celé zařízení vážilo 66 kg a trysky se nacházely pod nohama astronauta. Pedály se daly ovládat špičkou nebo celým chodidlem, a to buď stisknutím nebo naopak nadlehčením. NASA vkládala do projektu velké naděje, ale negativní hodnocení astronautů poslala zařízení na smetiště dějin. 
Raketové křeslo

Prvním osobním dopravním prostředkem v kosmu, který byl hoden toho jména, se stalo raketové křeslo. Návrháři brali vývoj velice svědomitě, nejprve sestrojili jakýsi prototyp SMU (Self Maneuvering Unit) určený pouze k pozemním zkouškám. Během 250 parabolických letů SMU nalétalo v útrobách letadla 50 minut ve stavu beztíže. Pohyb vpřed zajišťovaly tři trysky, pohyb vzad dvě trysky po boku astronauta a jedna v rozkroku. Nahoru a dolů mířily dva páry trysek. Dohromady tedy deset rysek poháněných peroxidem vodíku. Rozklad peroxidu je doprovázen uvolněním velkého tepla, proto byl při zkouškách v interiéru letadla nahrazen stlačeným dusíkem.

Z úspěšného SMU po několika mezikrocích povstal projekt ASMU (Astronaut Stabilized Maneuvering Unit) určený pro ostré nasazení ve vesmíru. Na rozdíl od konkurenčního projektu obsahoval i environmentální systém pro zajištění životních podmínek. Odpadla nepopulární tryska v rozkroku, místo ní přibyly jiné, takže jednotka disponovala celkem dvanácti tryskami. Protože pohyb pomocí peroxidu rozpaloval trysky až na 700°C, vrátil se vývoj ke stlačenému dusíku. (Meziprojekty využívající peroxid vyžadovaly speciální chrániče na nohou astronauta, aby nedošlo k poškození skafandru.)

Důležitou součástí byly tři těžké setrvačníky pro zajištění stability. Elektromotory dokázaly každý z nich roztočit až na 375 otáček za sekundu. Setrvačník vládne zajímavou schopností - drží osu rotace stále ve stejném směru. Tato schopnost roste s otáčkami, poloměrem a hmotností. Záleží samozřejmě také na rozložení hmotnosti. Čím více je hmotnost umístěna na okraji, tím lépe.

Ovládání křesla ASMU zprostředkovávaly dvě područky. V souladu s konvencí ovládání letadel byla levá područka určena pro posun, pravá pro natočení v prostoru. Natočení v prostoru umožňovaly trysky (tzv. direct mode). Astronauti však dávali přednost natočení pomocí setrvačníků (tzv. control moment gyro mode). Tento mód vůbec nezapojoval trysky, veškeré natáčení se dělo v režii elektromotorů opírajících se o závěs setrvačníků.

Ze strany astronautů bylo na křeslo ASMU slyšet pouze chválu. I nezaškolená osádka se do jeho intuitivního ovládání velice rychle vpravila. A jak už to tak se slibnými počiny bývá, křeslo nebylo nikdy v otevřeném prostoru nasazeno. Veškeré zkoušky se odehrávaly jen v obřím interiéru orbitální stanice Skylab.

Do kosmického prostoru se dostalo až o deset let později křeslo MMU. Koncepčně vycházelo z ASMU, ale disponovalo pouze lehkými setrvačníky pro detekci polohy astronauta. Těžké setrvačníky a s nimi spojený komfort přesného natáčení musely zůstat na Zemi. I tak křeslo vážilo 154 kg. 

Co nového v SSSR

Na druhé straně železné opony, v tehdejším Sovětském svazu, se na konceptu raketového křesla pracovalo již od roku 1961. Dostalo název UPMK (Y????????? ??????????? ? ?????????????? ??????????). Připraveno k nasazení bylo roku 1968, ale protože byl téhož roku zároveň zrušen program Voschod a odložen program Almaz, pro které bylo křeslo určeno, zůstal na Zemi. O mnoho let později sice doba opět uzrála, jenomže tou dobou již nastupovaly skafandry Orlan, se kterými byl stroj neslučitelný.

Ačkoli křesla UPMK skončila ve skladišti, některé konstrukční specifikace stojí za zmínku. Jsou to především dva různé principy raketového pohonu. Zatímco natáčení kosmonauta mělo zabezpečit 14 konvenčních trysek na stlačený vzduch, pro posun dopředu a zpět tu bylo 2 x 42 raketových motorků na tuhé (!) palivo.

Raketové motorky na tuhé palivo známe dobře ze silvestrovských oslav. Je to v podstatě na jedné straně zaslepená trubice vyplněná lisovaným střelným prachem. Takové motorky jsou oblíbené, protože jsou lehké. Lehké na hmotnost i na výrobu, protože nepotřebují okolní zařízení jako čerpadla, nádrže, ventily... Na druhou stranu se jen velice obtížně regulují. Po zážehu raketa vyhoří celá.

Jakkoli se zdá použití motorků na tuhá paliva v raketovém křesle být úsměvné, vedlo k jednodušší konstrukci. Zdali by bylo křeslo úspěšné i ve volném prostoru, jsme se nedozvěděli.

Projekt ruského raketového křesla tedy zapadl, ale s členitou konstrukcí orbitální stanice MIR a připravovaným ruským raketoplánem se potřeba mobilního prostředku opět vynořila. A tak vznikl projekt UPK (?????????o ???????????? ??????????).

Křeslo bylo skutečně zkonstruováno a dostalo se i na orbit, kde prošlo úspěšným testem. Po nalétání asi tří hodin bylo zavěšeno do úchytů na vnější straně MIRu, se kterým v roce 2001 zaniklo v atmosféře.

Raketové křeslo UPK se vzdáleně podobá americkému MMU, podobnost řešení je ale údajně vynucena stejným cílem. Asi jako je automobil moskvič svými čtyřmi koly podobný fordu. Dle vyjádření (ruských) kosmonautů, co do schopností je ruské řešení výrazně lepší, než to americké. 

SAFER

Ačkoli na raketové křeslo nebylo slyšet na obou stranách železné opony jediné křivé slovo, v praxi se z mnoha důvodů neuplatnilo. Přesto tu stále visí potřeba nějakého jednoduchého dopravního prostředku. Nemusel by být tak komplexní jako raketové křeslo, stačilo by pouze, aby v případě nebezpečí umožnil astronautovi návrat na základnu. To splňuje zařízení SAFER (Simplified Aid For EVA Rescue (EVA=ExtraVehicular Activity - zkratka pro výstup astronauta do kosmického prostoru)).

Myšlenka, že by zařízení mělo být odvarem raketového křesla, není samozřejmá. Postupně bylo poctivě zváženo několik dalších konceptů. Předvším opět ožila myšlenka raketové pistole. Pak tu byly teleskopické, skládací a nafukovací tyče se záchytným mechanismem, nebo lana opatřená háky, která by měl astronaut házet k lodi a pokusit se ji zachytit.

SAFER je doopravdy jakési nedokonalé raketové křeslo. Váží necelých 38 kg. Zcela chybí setrvačníky, polohu zjišťují akcelerometry a snímače rotace. Nemají sice takovou přesnost jako setrvačníky, ale jsou malé, lehké, kompaktní a nevyžadují komplikované uložení.

Jako pracovní médium je použit stlačený dusík. Ze čtyřiadvaceti trysek mohou být současně použity pouze čtyři. Typická doba činnosti stroje se pohybuje kolem třinácti minut. Důležitou funkcí, kterou SAFER poskytuje, je automatická stabilizace astronauta AAH (Automatic Attitude Hold). Různé režimy umožňují zpomalit nežádoucí rotaci kolem všech (nebo jen vybraných) os pod hodnotu 0,2°/s.

Ovládání SAFERu je sice zjednodušené, ale pro svůj účel dostačující. Trysky mohou být zapínány ve dvou výlučných režimech: ROT a TRAN - rotace a translace. Astronaut se tedy může buď otáčet (kolem libovolné osy), anebo posunovat (podél libovolné osy). Ve fázi vývoje je dálkové ovládání SAFERu pro případ, že by astronaut ztratil vědomí a byl by odkázán na pomoc svých kolegů.

Výcvik použití SAFERu není náročný. Nezbytnou částí je ovšem trénink na simulátoru (obyčejný notebook s patřičným programem). Eventuální záchrana astronauta může trvat řádově minuty, dost na to, aby se začala uplatňovat orbitální mechanika. Astronaut bez výcviku, nezvyklý na pohyb v rotující soustavě, by se mohl divit, kam se ve skutečnosti vydá, když zapne pohyb vpřed. 
USK - ruský SAFER

USK (????????? ???????????? ??????????) je ruská verze záchranné jednotky. Zdálo by se zbytečné vyvíjet duplicitní systém, když ten americký je celkem bezproblémový, a ačkoli SAFER není součástí skafandru, žádný astronaut bez něj ven nevyleze. Důvod pro vývoj USK je jednoduchý, ruské skafandry Orlan nejsou se SAFERy kompatibilní.

K vyzkoušení USK přímo v kosmickém prostoru nikdy nedošlo. Po havárii raketoplánu Columbia nebyla přepravní kapacita pro vynášení experimentů s nižší prioritou a po obnovení provozu již měly za sebou více než polovinu své životnosti. Dnes se uvažuje o vývoji nové generace USK přímo integrované do skafandru Orlan. 
Odpověď

A jak zní odpověď na otázku ze začátku článku, zda autoři povídky Na dohled Cruithne nezaspali dobu, když si jejich hrdinové vystačí s dnes již nepoužívanými raketovými křesly?

Nezaspali, raketová křesla jsou dodnes nejdokonalejší individuální dopravní prostředek v kosmickém prostoru. To, že se již nepoužívají, není pro jejich nedokonalost, ale pro ztrátu zájmu. Záchranu astronauta řeší lehký SAFER. Přemístění údržbáře na nedostupnou část orbitální stanice zajistí palubní manipulátor RMS přezdívaný Kanadská ruka, nebo osádka prostě přeručkuje pomocí madel. Pokud ovšem pilotovaná kosmonautika nezanikne, až orbitální stanice ISS doslouží, dají se očekávat komplexní úkoly neřešitelné bez raketového křesla. Že při tom svůj comeback zažije i raketová pistole, na to vemte jed.