Jelikož náš nedávný článek o základním rozdělení oběžných drah pro začátečníky sklidil velký čtenářský úspěch, rozhodl jsem se sepsat jeho volné pokračování. I dnes probereme základní součást kosmonautiky a budeme se přitom snažit psát všechno jazykem srozumitelným bez zbytečných technických termínů. Zkrátka a dobře – vysvětlíme si základní manévry na oběžné dráze tak, aby se v nich vyznal každý zájemce o kosmonautiku, který se v tomhle atraktivním oboru teprve rozkoukává.

Hned na začátek si musíme ujasnit jednu základní věc – ačkoliv se často mluví o tom, že oběžná dráha nějakého tělesa je kruhová, není tomu tak. Všechny oběžné dráhy jsou totiž elipsy. Naprosto přesně kruhová dráha neexistuje, vždycky je tam alespoň drobná odchylka. Proto je lepší říkat, že je těleso na téměř kruhové dráze. Naopak dráhy, které jsou na první pohled výrazně protáhlé můžeme s klidným srdcem označovat jako eliptické.

Prvním termínem, se kterým se dnes seznámíme bude apsida. Je to pomyslný bod na oběžné dráze, ve kterém je družice (ať už přirozená nebo umělá) nejblíže nebo nejdále svému mateřskému tělesu. Každá oběžná dráha má tedy logicky apsidy dvě. První je určená pro bod, kdy je družice od tělesa nejdále. Ta se označuje předponou apo-. V obecném označení tedy apoapsida. Druhý bod leží na přesně opačné straně elipsy. Označuje místo, kde je družice naopak mateřskému tělesu nejblíže. Poznáme ji podle předpony peri-. V obecném případě tedy mluvíme o periapsidě.

Pro různá kosmická tělesa je samozřejmě možné místo obecných termínů apoapsida a periapsida možné použít specializované termíny vztažené přímo na konkrétní objekt.

Země – apogeum / perigeum
Měsíc – aposelenium / periselenium
Slunce – afélium (afel) / perihel(ium)
Venuše – apocytherion / pericytherion
Mars – apoareum  / periareum
Jupiter – apojovium / perijovium
Saturn – apokronium / perikronium

Kromě již zmíněné vzdálenosti od mateřského tělesa mají apsidy ještě jednu důležitou vlastnost a tou je rychlost, kterou se těleso při průletu jimi pohybuje. V apoapsidě, tedy v nejvyšším bodě dráhy má družice nejmenší rychlost a naopak periapsidou, kdy je mateřskému tělesu nejblíže prolétá v největší rychlosti. Čím je oběžná dráha víc protáhlá, tím jsou rozdíly v rychlostech větší. Naopak u téměř kruhových drah jsou rozdíly minimální – třeba jen několik km/h.

Jak je to se suborbitální dráhou? Jak jsme si popsali v minulém díle našeho miniseriálu, je to taková dráha, při které těleso nedosáhne první kosmické rychlosti a neusadí se tedy na oběžné dráze. Když raketa spálí všechno palivo, letí družice setrvačností vzhůru, postupně ztrácí rychlost a nabírá výšku. Po dosažení apoapsidy se situace mění – rychlost se znovu začne zvyšovat a naopak výška klesá. Hezky česky řečeno – těleso začne po dosažení apoapsidy padat zpátky k Zemi. U suborbitální dráhy tedy neexistuje periapsida. Tedy, ona teoreticky existuje, jen je umístěna pod povrchem Země.

Teď si představme jinou situaci – družice prolétá apoapsidou a zažehne v ní své motory ve směru letu. Je jedno, zda přitom využije motory vlastní, nebo motory horního stupně rakety. Během tohoto zážehu se začne až doposud suborbitální dráha protahovat. Body dráhy, které se dotýkají Země (viz přiložený obrázek) se od sebe začnou vzdalovat. A pokud trvá zážeh dostatečně dlouho, potkají se na druhé straně planety – periapsida jakoby „vyskočí ze Země“ na druhé straně planety a stoupá nahoru.

Jak se tedy družici podařilo tzv. zakulatit svou oběžnou dráhu? Jen tím, že v apoapsidě zvýšila svou rychlost. Rychlost je totiž v orbitální mechanice alfou a omegou. Pokud chcete změnit svou oběžnou dráhu, musíte změnit svou oběžnou rychlost. Za další příklad si vezmeme třeba telekomunikační družici, která se má dostat na geostacionární dráhu. Nosná raketa ji vypustila na dráze přechodné ke geostacionární. Jak jsme si řekli minule, tato dráha je silně protáhlá a její apoapsida leží ve výšce geostacionární dráhy. Družice proto při průletu apoapsidou zažehne své motory, aby o kousek povytáhla své perigeum. Po několika průletech spojených se zážehy je nakonec družice na téměř kruhové geostacionární dráze. Neméně důležitá je samozřejmě i orientace Vaší lodi, tedy směr, kterým zážeh vůči trajektorii provedete.

Aby to bylo srozumitelnější, pomůžeme si dalším malým příkladem – v minulém případě družice zažehla své motory ve směru letu aby zakulatila svou oběžnou dráhu – zvýšila tedy svou rychlost. Nyní si představme loď, která krouží na oběžné dráze kolem Země a potřebuje se vrátit na planetu. Pro příklad nemusíme chodit daleko – stačí si vzpomenout na návraty z oběžné dráhy v podání raketoplánů, nebo ruských lodí Sojuz. V takovém případě se loď obrátí proti směru letu (tzv. retrográdním směrem). Když zažehne své motory, začne na oběžné dráze zpomalovat. Tím pádem její periapsida klesá dolů a jakmile se dostane do výšky, kde už má Země svou atmosféru, znamená to, že se loď vrátí domů. Stačilo se otočit čelem vzad, zážehem snížit svou rychlost a to se hned odrazilo na umístění periapsidy.

Pro lepší zapamatování si tedy pamatujme, že pokud družice provede zážeh v periapsidě, ovlivní tím polohu apoapsidy a naopak. Zážeh v apopasidě může zvýšit nebo snížit polohu periapsidy. Retrográdní zážeh (proti směru letu) rychlost snižuje a polohu protilehlé apsidy také snižuje. Naopak zážeh ve směru letu rychlost zvyšuje a stejně tak zvyšuje i polohu protilehlé apsidy.

Další možností, jak provádět manévry na oběžné dráze je změna sklonu oběžné dráhy. V takovém případě se zážeh neprovádí ani ve směru letu (tím by se oběžná dráha zvyšovala), ale ani ve směru opačném (tím by se snižovala). Pokud je potřeba změnit sklon dráhy vůči rovníku, musí se družice otočit kolmo ke směru letu. Zkusím to k něčemu přirovnat – když si lehnete na zem a roztáhnete ruce do kříže, pak vaše hlava míří ve směru letu, nohy proti směru letu. Vaše ruce jsou kolmé ke směru letu. A stejné je to i s družicí na oběžné dráze. Pokud potřebuje změnit sklon oběžné dráhy vůči rovníku, otočí se buďto k levé, nebo k pravé ruce. Kterou si vybere záleží na tom, jestli chce sklon zvýšit, nebo snížit.

Tyto manévry jsou mimořádně náročné na spotřebu paliva a provádí je především družice vynášené na geostacionární dráhu. Když startují od rovníku (třeba z kosmodromu v Kourou), mají už od začátku malý sklon k rovníku a proto provádí jen minimální korekce. Geostacionární dráha má, jak jsme si minule řekli, sklon dráhy vůči rovníku 0°. Naopak pokud družice startuje z ruských kosmodromů, které jsou daleko od rovníku, má po startu velký sklon k rovníku a musí provést řadu zážehů, než se jí podaří sklon snížit na požadovaných 0°.

Na závěr si musíme říct, že zatímco v případě zážehů ve směru nebo proti směru letu je to jednoduché, protože se směr našeho zážehu nemění, u zážehů kolmých k dráze letu, tedy u zážehů, které mění sklon oběžné dráhy je situace jiná. Zkuste si to představit – družice se otočí o 90° proti směru letu, zažehne motory a změní sklon dráhy vůči rovníku o řekněme 5°. Co to ale znamená? Že už není proti směru letu otočená o požadovaných 90°, ale buďto o 85°, nebo o 95°. Družice proto musí provádět řadu drobných korekčních zážehů, které korigují provedené změny dráhy a zajišťují, aby byla stále otočená o 90° proti směru letu.

Doufám, že se začátečníkům tento díl líbil a že z něj pochopili základní zákonitosti pohybu na oběžné dráze. Téma jsem se snažil maximálně zjednodušit, ale i přesto je potřeba mít poměrně dobrou představivost. Na závěr článku mi proto dovolte, abych Vám doporučil počítačovou hru Kerbal Space Program (demo je na oficiálních stránkách ke stažení zdarma). V této hře si budete moci všechno sami vyzkoušet – na vlastní oči uvidíte, jak je to s apsidami, vyzkoušíte si snižování a zvyšování oběžné dráhy, zkrátka všechno, o čem byla v tomto článku řeč.

Zdroje informací:
http://cs.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/
http://en.wikipedia.org/

Zdroje obrázků:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/02/Perigeum_apogeum.png
http://www.examiner.com/images/blog/EXID10722/images/trajectoryXP.jpg
http://www.elwico.pl/~ender-sz/orbiter-pdf/instrukcje/rsfd/img/Orbit_diag_5.jpg
http://i853.photobucket.com/albums/ab99/dgatsoulis/ejectorientation.jpg