Bezpečně zpátky na Zemi
Raketoplány patří jednoznačně mezi nejúžasnější dopravní prostředky v historii kosmonautiky. Elegantní černobílý orbiter, oranžová barva velké palivové nádrže (External Tank) a rakety, díky kterým mohl být vynesen na oběžnou dráhu Země.
Obrovské úsilí mnoha vědců a techniků se promítá v tomto legendárním dopravním prostředku historie kosmonautiky. Aby raketoplán dokázal přestát obrovské rozdíl teplot bez úhony a jeho mise mohla být úspěšně splněna, je celý jeho orbiter pokryt izolačními dlaždicemi.
Až 24 000 dlaždic zdobilo povrchu raketoplánu. Na ozdobu tyto křemíkové izolační dlaždice však rozhodně nebyly. Raketoplán musel čelit velkému rozdílu teplot, pokud byl na oběžné dráze Země přivrácen, či odvrácen od Slunce. Pokud jste si měli možnost prohlédnout raketoplán alespoň na kvalitní fotografii, upoutá vás jeho černobílý design. Barevný vzor mu uděluje pokrytí izolačními dlaždicemi. Bílé dlaždice chrání místa méně tepelně namáhaná odolá teplotám maximálně 400 °C. Černé dlaždice až 650-1275°C. Nejvyšší teplota, kterou snesou, je 1400 °C. Zblízka by nás překvapilo, jak je povrch raketoplánu jaksi hrbolatý, vůbec ne krásněhladký a naleštěný.
Komplikovaná paráda
Jedná se o systém tepelné ochrany Thermal Protection Systém. Je složen z několika částí v závislosti na teplotě, které je daná část raketoplánu vystavena především při sestupu do atmosféry při návratu na Zemi. Největšímu zatížení je vystavena náběžná hrana křídel a přední část trupu. Na těchto místech se využívalo systému Reinforced Karbon-Carbon, RCC, jedná se o kompozit uhlík-uhlík. Základem je v tomto případě textilní tkanina napuštěná umělou pryskyřicí. Při výrobě materiál opakovaně projde vypalováním v peci. Aby se zabránilo oxidaci, jsou panely systému RCC navíc pokryté tenkou vrstvou křemene.
Spodek trupu a křídel je chráněn žáruvzdornými dlaždicemi (High-temperature Reusable Surface Insulation – HRSI). Ty jsou vyrobeny z křemenné vaty s černou glazurou. Zajišťují tak vysoké zpětné vyzařování. V největší míře jsou zde zastoupeny čtvercové dlaždice s rozměrem 15,2 × 15,2 cm. Dlaždice HRSI mohou být vystaveny teplotám až 1300°C.
Horní části křídel a kabiny, dále pak směrové kormidlo a boky trupu nesou systém dlaždic LRSI (Low-temperature Reusable Surface Insulation). Tyto dlaždice mají bílou glazuru, zajišťují poměrně vysokou odrazivost tepelného záření. Jsou o něco rozměrnější, než dlaždice HRSI 20,3 × 20,3cm. Běžně odolávají teplotám až 650°C.
Zbývají nám nejméně namáhané části raketoplánu – jedná se o dveře nákladového prostoru a část bočního trupu. V tomto případě je využit systém FRSI (Felt Reusable Surface Insulation) z nomexové plsti (něco podobného známe z potahů žehlicích prken). Běžně odolávají teplotám do 370°C.
Tloušťka dlaždic kolísá od 30 do 120mm. Závisí to na předpokládaném dynamickém namáhání daného místa.
Při pohledu zblízka by nás zřejmě překvapilo, že mezi jednotlivými destičkami jsou zdánlivě nepravidelné mezery. Jejich šířka odpovídá rozpínavosti jednotlivých destiček, (hovoříme o tzv. tepelné dilatace), v závislosti na tom, jak jsou zahřáté. Mezi jednotlivými dlaždicemi je umístěna ucpávka, některé se při startu lehce povysunou ven, jakoby vystoupily, avšak raketoplán tímto není nijak ohrožen.
Další a neméně důležitou roli hraje také geometrické uspořádání skladu jednotlivých destiček. Zohledňuje především dynamické namáhání jednotlivých částí raketoplánu při návratu do atmosféry.
Odolné, ale přesto křehké
Z čeho se skládá materiál dvaceti čtyř tisíc dlaždic, který rozhoduje o tom, zda se kosmonauti raketoplánu dostanou v pořádku na Zemi?
Základním materiálem tepelného štítu raketoplánu je křemík. Zejména ve formě oxidu křemičitého – má tedy podobné složení jako běžné sklo. Destička samozřejmě není jednolitý skleněný blok. Při troše fantazie by nám při detailním studiu připomínala jakousi houbu. Ve skutečnosti je tvořena tenkými skelnými vlákny. Je zvláštní, že téměř 95 % objemu dlaždice tvoří vzduch. Zejména struktura vláken rozhoduje o vlastnostech výsledné destičky a její tepelné vodivosti. Hustota průměrné černé destičky (spodní část trupu a náběžné hrany křídel) je 0,18 g/cm³, čili 18 % hustoty vody.
Dlaždice jsou pevné a dokáží dobře odolávat vysokým teplotám. Jejich nevýhodou je ale křehkost.
Již po první testovacím letu raketoplánu Columbia bylo známo, že dochází k odpadávání tepelné izolace palivové nádrže (velká oranžová nádrž, ET). Bohužel v průběhu dalších letů se této skutečnosti nevěnovala dostatečná pozornost. Nikdo se nezamýšlel nad možnou situací vážného poškození tepelné izolace raketoplánu v místech největšího dynamického namáhání. To se pak stalo raketoplánu Columbia při návratu z orbitální dráhy dne 1. 2. 2003 osudným. Již při startu raketoplánu došlo v výraznému poškození náběžné hrany levého křídla. Neodvratně tak muselo dojít k prohoření a destrukci křídla, které se utrhlo a způsobilo prudkou rotaci raketoplánu, ztrátu jeho aerodynamické stability a následný rozpad celého stroje.
Poškození vzniklé při startu se projevilo jako velice závažná otázka při dalších letech raketoplánů. Povrch tepelného štítu měl tedy své trhliny v jinak poměrně důmyslném systému. V průběhu následujících misí byl raketoplán kontrolován přímo na oběžné dráze země vizuálně. Celá tepelná ochrana raketoplánu se po každém letu prohlédne. Poškozené dlaždice jsou vyměněny za nové.
Křemenné jádro každé destičky je chráněno dalšími vrstvami proti poškození. Jejich vysoká tvrdost také chrání raketoplán před poškozením od mikrometeoritů na oběžné dráze. Jedná se především o karbidy křemíku, titanu, wolframu.
Z filmového plátna do laboratoře
Jen málokdo tuší, že základem pro patent křemíkových destiček byla studie Antonína Novotného, legendárního herce (např. film Škola základ života), který si zamiloval fyziku a chemii a dal těmto vědám přednost před slávou hereckou. Antonín Novotný kdysi legenda filmového plátna ( *15. 3. 1913, Tábor - †24. 4.2005, Rödental, Německo). Režiséři Vladislav Vančura a Svatopluk Innemann záhy poznali v takřka anonymním komparsistovi určité vlohy a díky atletické postavě a sympatickému vzezření dostává mladík záhy příležitost v hlavních rolích. Mnozí čtenáři si jistě vybaví postavu Jarka Kohoutka ve filmu Poslední muž anebo nezapomenutelné ztvárnění Jindry Benetky ve filmu Škola základ života.
Na Antonínu Novotném je obdivuhodné, že dokázal mimo filmové ateliéry ještě velice úspěšně studovat přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy. Bohužel byl nucen studium přerušit, jako mnozí jiní, v roce 1939, kdy byly české vysoké školy uzavřeny nacisty. Po válce se mu podařilo na ČVUT získat titul inženýra chemie a brzy nato dokončil i doktorát z technických věd. Filmoval pouhých deset roků a natočil 24 filmů. V roce 1937 pobyl Několik měsíců na stáži v Hollywoodu. Vrátil se do vlasti s kupou autogramů slavných hvězd. Antonína ale přitahovalo ještě daleko větší dobrodružství, nežli zářivá kariéra herce. A to především fyzika, chemie, technologie, technika.
Své cenné zkušenosti získal a zajisté si také upevnil jako ředitel Výzkumné smaltařské laboratoře v Komárově u Hořovic. Koncem šedesátých let vyjel Antonín Novotný, tentokrát už jako expert přes technologii smaltů, již na svou druhou stáž ve Spolkové republice Německo. Vzhledem k událostem, kterým v roce 1968 musela čelit naše vlast se však rozhodne, že se již zpátky domů nevrátí.
Pozor, náklad je velmi cenný!
Patent Dr. Ing. Antonína Novotného stál u zrodu izolačních křemíkových destiček pro NASA. Rozvíjí totiž vytrvalou a nadějnou spolupráci s americkou vesmírnou agenturou.
Vylepšené verze speciálních izolačních destiček jsou využívány po celou éru raketoplánů, dá se říci, velice úspěšně. Antonín Novotný na svou domovinu nezanevřel
Z německého Corburgu, kde žil od roku 1968, jezdil pravidelně a rád na chalupu na Malebnou Šumavu. Při jedné ze svých návštěv České republiky poznamenal: „Žil jsem několik životů všechny stály za to.“ Pro milovníky kosmonautiky a především pak úžasné éry legendárních raketoplánů, může být jen pýchou, že právě český herec, nadšenec a v pravdě vynálezce, se zasloužil o ochranu životů tolika astronautů a astronautek.
Možná tak sám Antonín Novotný prožíval daleko větší dobrodružství, nežli před filmovou kamerou.
Foto: European Space Agency (ESA), National Aeronautic and Space Administration (NASA), Wikipedia.com
Literatura doporučená ke studiu:
KUBALA, Petr. Raketoplány: Příběh kosmických korábů. Kralice na Hané: Computer Media, 2008. ISBN 978-80-7402-003-2.
MIKETA, Kamil. Češi znovu dobývají vesmír: 21 českých stop v kosmu. Praha: Mladá fronta, 2018. ISBN 978-80-204-4612-1.
