2. místo v soutěži České hlavičky
Je to neuvěřitelné, ale Stanislav Fořt, vítěz loňského ročníku Astronomické olympiády bodoval i v soutěži České hlavičky, kde s prací na téma "Stručný úvod do teorie sluneční plachetnice" a v konkurenci o několik let starších studentů obsadil vynikající 2. místo v kategorii Futura. Stanislav Fořt z Dražic u Tábora studuje první ročník táborského gymnázia Pierra de Coubertina a je také členem Astronomického kroužku Hvězdárny Františka Pešty.
Není pochyb o tom, že Stanislav Fořt je jedním z výjimečných studentů, o čemž svědčí jeho vynikající umístění v 5. a 6. ročníku Astronomické olympiády (1. místo v 5. ročníku v kategorii E-F, 1. místo v 6. ročníku v kategorii C-D), vynikající 3. místo na XIII. ročníku Mezinárodní astro-nomické olympiády v roce 2008. Tím ovšem výčet úspěchů nekončí, protože obsadil 1. místo v krajském kole a 2. v celostátním kole SOČ s prací na téma "Stručný úvod do teorie sluneční plachetnice", za kterou navíc obdržel cenu Nadačního fondu J. Heyrovského!
Pokud si myslíte, že už toho víc nemůže být, pak jste na omylu, protože letošního roku v červenci se Standa zúčastnil International Space Campu (ISC), což je jeden z programů pořádaných v rámci U.S. Space Campu ve meště Huntville (Alabama). Hlavní část programu se skládala ze simulovaných kosmických misí. Účastníci mohli být přiřazeni do tří různých simulátorů – družicového stupně raketoplánu (orbiteru), kosmické stanice nebo řídícího střediska. V průběhu misí se seznamovali s prací kosmonautů a vědeckých pracovníků na zemi i ve vesmíru. Mohli si vyzkoušet řešení simulovaných nestandardních situací, problémů a havárií. Standovým nejoblíbenějším stanovištěm byl družicový stupeň raketoplánu i přesto, že se ani jednou nedostal k ovládacímu joysticku a nejvíce si užil výstupy do volného prostoru – takzvané EVA (Extra Vehicular Activity).
Na závěr snad jen to, že studenti táborského gymnázia Pierra de Coubertina Stanislav Fořt a Jan Fučík patří mezi nejúspěšnější reprezentatnty Jihočeského kraje v celostátních kolech soutěží a jsou pozváni na slavnostní předání ocenění do Českých Budějovic!
Přece jen to není konec - Stanislav Fořt byl opět vybrán do reprezentace na XIV. ročník Mezinárodní astronomické olympiády (IAO), který se koná od 8.11. – 16.11.2009 v Hangzhou v Čínské lidové republice. Držme palce, ať se dostaví úspěch i v této soutěži.
Stručný úvod do teorie letu sluneční plachetnice
Autor: Stanislav Fořt
Cílem mé práce je seznámit čtenáře blíže s problematikou slunečního plachtění. Rozebírám v ní fyzikální aspekty pohybu slunečních plachetnic v prostoru a pomocí diskrétních simulací určuji parametry jejich trajektorií. V závěru předkládám rozbory několika letů k planetám sluneční soustavy a cest do heliopausy.
Sluneční plachetnice je kosmická loď vybavená velkou lesklou orientovatelnou plochou – plachtou, která odráží dopadající elektromagnetické záření do určeného směru. Tlak elektro-magnetického záření dopadajícího na plachtu působí na loď silou, která je přímo úměrná ploše plachty a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti od zdroje. Dokud můžeme považovat poloměr plachty za zanedbatelný vůči vzdálenosti od zdroje. Plachetnice s sebou nese zátěž. Plachta musí být vytvořena z velmi tenkého materiálu, protože tlak záření je velice malý.
Historie slunečního plachtění je překvapivě dlouhá. O tlaku elektromagnetického záření se poprvé zmínil astronom Johannes Kepler v roce 1619. Vysvětloval jím orientaci ohonů komet při jejich průletu kolem Slunce. Správně se dovtípil, že na prachové částice ohonu komety působí světlo určitým tlakem. Uspokojivé teoretické vysvětlení tohoto jevu však podal až v roce 1873 fyzik James Clerk Maxwell v rámci své elektromagnetické teorie. Z elektromagnetické teorie vyplývá, že libovolný typ záření působí na jakékoli těleso určitým tlakem. Tento tlak je sice velice malý, ale v případě slunečního záření je k dispozici takřka neustále. O využití tohoto tlaku k pohonu kosmických lodí se začalo spekulovat nejprve ve vědeckofantastické literatuře. Dva francouzští spisovatelé, Faure a Graffigny, vypráví ve své knize „Neuvěřitelná dobrodružství ruského vědce na planetách“ v roce 1889 o cestě mezi Měsícem a Venuší plavidlem tvořeným velkým zrcadlem s kosmickou lodí ve svém středu.
Realističtější koncepci využití tlaku sluneč-ního záření k pohonu lodě navrhli v roce 1924 ruští vědci Ciolkovskij a Canděr. Koncepce byla lepší, protože si uvědomili, že bude nutné nejdříve dopravit plachetnici do vesmíru. Až pak bude možné využít tlaku záření. V padesátých letech dvacátého století se začaly objevovat různé vědeckofantastické povídky, ve kterých se pra-covalo s fotonovými pohony. V USA se poprvé objevila myšlenka slunečního plachtění v článku C. A. Wileye (psal pod pseudonymem Russell Saunders) ”The Clipper Ships of Space”, který vyšel v časopise Astounding Science Fiction Magazine v roce 1951. Termín „solar sail“, ze kterého vzniklo označení „sluneční plachetnice“, byl poprvé užit ve studii publikované v „Jet Propulsion“ americkým inženýrem R. L. Garwinem v roce 1958. Anglický spisovatel Arthur Charles Clark použil myšlenku sluneční plachetnice v povídce ”The Wind from the Sun”, ve které popisoval závody malých plachetnic mezi Zemí a Měsícem. O sluneční plachetnici hovoří i P. Boulle ve světoznámém románu „Planeta opic“.
V šedesátých a sedmdesátých letech 20. století se koncepce sluneční plachetnice dostala do stádia předběžných projektů. NASA1 v sedmdesátých letech počítala s vypuštěním sondy poháněné tlakem slunečního záření k Halleyově kometě v roce 1986. Nedostatek financí však způsobil zrušení tohoto projektu v roce 1977. Tlaku elektromagnetického záření bylo využito při letu sondy Mariner 42 k Marsu. Záření sondu stabilizovalo pomocí malých pohliníkovaných destiček umístěných na koncích solárních kolektorů. I v pozdějších letech byl tlak záření využit ke stabilizaci kosmických objektů. Družice série Insat 2 využívají sluneční plachtu o rozměrech 2 m x 5 m. Satelit je totiž vybaven pouze 1 solárním kolektorem. Tlaku záření bylo dále využito u družic GOES 8 až 11 obdobným způsobem.
Na počátku osmdesátých let byla myšlenka závodů plachetnic obnovena skupinami nadšenců v USA a Evropě. Ve Francii vznikla v roce 1981 skupina U3P, která byla složena převážně ze zaměstnanců organizací CNES3, ONERA 4a Matra Espace5. V roce 1979 byla v USA založena skupina WSF6, která spolupracovala s JPL7. Skupina U3P začala s přípravou projektu své vlastní sluneční plachetnice a s propagací jejich závodu k Marsu, který se měl uskutečnit v roce 1992 k příležitosti 500. výročí objevení Ameriky Kryštofem Kolumbem. V Japonsku vznikla v roce 1982 skupina SSUJ8. V tehdejším Československu se v 1981 také začala formovat skupina zabývající se problematikou slunečního plachtění LSG.
Závod plachetnic k Marsu v roce 1992 se brzy ukázal jako nemožný kvůli finanční náročnosti a nedostatku zájmu. Proto se začalo uvažovat o mnohem jednodušším závodu mezi Zemí a Měsícem, který byl též nazýván Luna Cup. Závod měl proběhnout v roce 1994.
Pro cestu k Měsíci měly být všechny 3 lodě dopraveny na oběžnou dráhu jako náklad rakety Ariane 4. Měly být složeny v adaptéru Sylda, určeném pro vypouštění 2 družic, v prostoru pro druhou družici. Po vynesení na dráhu 25 – 36 000 km mělo být perigeum změněno pomocí motorického manévru na výšku 15 000 km – 50 000 km. Následující 2 až 3 týdny mělo být prováděno zkušební manévrování na oběžné dráze Země. Pak by plachetnice „stoupaly“ k Měsíci po spirálovité dráze (kvůli stálému tlaku záření). Američané předpokládali pokračování letu k Marsu, ale ani tento program nebyl uskutečněn.
Kosmonauti na orbitální stanici Mir se pokoušeli vypustit zrcadlo kruhového tvaru, které by bylo možné chápat jako jistého předchůdce sluneční plachetnice. Šlo však jen o model, protože zrychlení zrcadla bylo velice malé.
V historii slunečních plachetnic osmdesátých let měla své místo i pražská skupina LSG a její návrh. Tato skupina se zabývala konstrukčními otázkami slunečních plachetnic pro již zmiňovaný závod Země – Měsíc. Skupina byla soustředěna kolem ing. Marcela Grüna. Nejdříve byly dis-kutovány základní otázky související s touto problematikou. Skupina se dále věnovala „minimální sluneční plachetnici“ tvořenou čtyřmi křídly s centrální konstrukcí a užitným zatížením.
K otevření plachty se měla použít odstředivá síla. K dalšímu mechanismu zpevnění patřila metoda ztuhnutí polymeru pod vlivem UV záření. Tím by se plachta zafixovala. Skupina pra-covala ještě na dalších metodách rozevíraní plachet a jejich zpevňování.
Současné projekty slunečních plachetnic jsou skromnější, kladou si za cíl spíše v praxi ověřit využití tlaku elektromagnetického záření.
V roce 1997 dostal vývoj slunečních plachetnic další impuls. Evropská kosmická agentura ESA podpořila program organizace UNESCO, který byl nazván „Star of Tolerance“. Tento projekt byl navržen N. Razavim z Paříže. Měl symbolizovat globální komunikaci mezi národy a přispět ke snížení počtu válek. Měl být symbolem mezilidské tolerance. Cílem projektu bylo vypustit sluneční plachetnici s plachtou o ploše 1600 m2 , která by byla vidět na celé Zemi. Plachetnice by 2 roky obíhala kolem planety a pak odletěla dál do kosmického prostoru. ESA ve spolupráci s německou kosmickou agenturou DLR investovala do vývoje modelu 1,5 mil. DEM. Tento projekt ještě není dokončen a pravděpodobně nikdy nebude.
Skupina U3P chtěla uskutečnit závody v období mezi roky 2004 – 2005 na dráze Země – Měsíc, ale tento projekt také skončil neúspěchem.
V roce 2005 způsobilo selhání nosné rakety Volna zkázu sluneční plachetnice Cosmos 1. Tento projekt měl v praxi ověřit použití mikrovlnného záření ze Země místo tlaku slunečního záření.
Vývoj slunečních plachetnic probíhá nadále jak v NASA, tak i v ESA.
V této práci jsem se věnoval převážně základnímu fyzikálnímu popisu letu slunečních plachetnic a simulaci jejich pohybů. Zjistil jsem, že je nutné zatěžovat plachtu na m2 velmi malými hmotnostmi, které se pohybují kolem několika gramů.
Došel jsem k závěru, že dosahování cílů pomocí zvyšování excentricity oběžné dráhy je neefektivní. Jak jsem již zmínil, tato strategie spočívá v nastavování plachty přímo proti Slunci v periheliu, a tak, aby nebyla vůbec osvětlena v afeliu.
Mnohem lepší strategií je nastavit plachtu natočenou vůči spojnici hvězda – loď o úhel 45° nebo 135° (nebo úhel různý od 90° a 0°, podle toho jaké trajektorie potřebuji dosáhnout). Trajektorie pak připomíná jakousi spirálu (ve skutečnosti o spirálu nejde).
Zjistil jsem, že pro dosahování cílů mimo sluneční soustavu a cílů ležících ve vzdálených okrajových částech sluneční soustavy je vhodnější použít takzvaný H-reversal manévr (nenašel jsem překlad). Ten spočívá v obrácení směru oběžného pohybu okolo hvězdy a v těsném průletu kolem ní. Během toho průletu získá sluneční plachetnice obrovskou rychlost a je vystřelena ze sluneční soustavy.
Koncept slunečního plachtění má podle mého názoru obrovský potenciál pro budoucnost. V této práci jsem nicméně ověřil, že v dnešní době je jeho plné využití nerealizovatelné. Pro potřeby výzkumu planet sluneční soustavy je na stávající technologické úrovni ekonomicky výhodnější použití konvenčních metod. Dosahují cíle rychleji a jejich aplikace je jednodušší.
Na druhou stranu, pro cesty do vnějších částí sluneční soustavy a mimo ni, je tato technologie velmi vhodná. Sondy vybavené sluneční plachtou jsou schopné dosáhnout vzdálených cílů rychleji než sondy využívající gravitační manévry u velkých planet. Znovu zde ovšem narážíme na problém komplikované realizovatelnosti.