Kosmiskie ātrumi: Lai kosmiskā raķete nokļūtu orbītā, tai jāsasniedz noteikts ātrums.
Kosmiskās orbītas: Kosmiskie aparāti pārvietojas pa riņķveida, eliptiskāmun paraboliskām orbītām.
Kosmonautikas perspektīvas: Lidojums līdz tuvākajai zvaigznei ar modernu kosmisko lidaparātu ilgtu 26 tūkstošus gadu.
Kosmiskie ātrumi
Divdesmitā gadsimta zinātniskie un tehniskie sasniegumi deva iespēju realizēt lidojumus kosmosā. Kosmiskais lidojums balstās uz reaktīvās kustības principu. Gāze vai cita darbviela tiek izsviesta no dzinēja vienā virzienā, bet pati raķete saskaņā ar impulsa nezūdamības likumu kustas pretējā virzienā. Lai raķete nokļūtu kosmosā, tai jāsasniedz pirmais kosmiskais ātrums. Tad tā kustēsies pa riņķveida orbītu (1. att.) un "nekritīs" atpakaļ uz Zemes. Pirmā kosmiskā ātruma vērtība ir 7,91 km/s. Uz citām planētām pirmā kosmiskā ātruma vērtība ir citāda, jo ir atkarīga no debess ķermeņa izmēriem un masas.
1. att. Ilustrācija riņķveida orbītai, ko var iegūt ar pirmo kosmisko ātrumu
Aprēķini rāda, ka sasniegt vajadzīgo ātrumu ar vienpakāpes raķeti ir ļoti sarežģīti. Liela ātruma iegūšanai vajadzīgs liels degvielas daudzums, savukārt šīs degvielas pacelšanai vajadzīga papildus degviela, utt. Tāpēc kosmiskajiem lidojumiem izmanto daudzpakāpju raķetes. Raķete startē no Zemes, ar pirmās pakāpes dzinēja un degvielas krājumu palīdzību sasniedz noteiktu ātrumu, tad pirmā pakāpe tiek nomesta. Tālāk tiek iedarbināts otrās pakāpes dzinējs un tērēti otrās pakāpes degvielas krājumi, utt., līdz raķete nonāk kosmosā. Atkarībā no veicamā uzdevuma, raķetei var būt divas, trīs, vai četras pakāpes (2. att.). Tikai 20. gadsimta 90. gados tika uzsākti eksperimenti vienpakāpes raķetes radīšanā.
2. att. Ilustrācija daudzpakāpju raķetes uzbūvei un atdalīšanās procesam (Li et al. 2014)
Par iespēju pārvarēt Zemes pievilkšanas spēku ir "dārgi jāmaksā". Arī daudzpakāpju raķetē lielāko daļu vietas aizņem degviela. Derīgā krava sastāda tikai 5% no raķetes starta masas. Piemēram, lai nogādātu zemā orbītā kosmisko aparātu, kura masa ir 1 t, jāpatērē aptuveni 20 t degvielas. Kad kosmiskais aparāts ir nonācis orbītā, tas kustas pēc inerces ar izslēgtiem dzinējiem. Šī kustība var turpināties praktiski mūžīgi, ja neņemam vērā bremzēšanos Zemes atmosfēras augšējos slāņos un citus sīkus efektus. Dzinēji vajadzīgi vienīgi tad, ja kosmisko aparātu jāpārvieto uz citu orbītu.
Ja kosmiskā aparāta ātrums sasniedz vai pārsniedz otro kosmisko ātrumu, tad tas aizlido projām no attiecīgā debess ķermeņa un vairs pie tā neatgriežas. Otrais kosmiskais ātrums uz Zemes ir 11,19 km/s. Otro kosmisko ātrumu sasniegušais aparāts neriņķo vairs ap Zemi, bet gan ap Sauli un var veikt lidojumu no vienas planētas uz otru.
3. att. Otrais kosmiskais ātrums, kas nepieciešams, lai izbēgtu Zemes pievilkšanās ietekmi (EarthHow attēls)
Ja kosmiskā aparāta ātrums sasniedz vai pārsniedz trešo kosmisko ātrumu (16,7 km/s), Saules gravitācija vairs nespēj to noturēt un tas uz visiem laikiem aizlido no Saules sistēmas. Trešo kosmisko ātrumu sasniegušas divas Pioneer zondes, divas Voyager zondes (4. att.) un New Horizons zonde, kas pēc milzu planētu izpētes devās tālāk starpzvaigžņu telpā.
4. att. Voyager 1 zonde ilustrācija, kā tas atrodas ārpus Saules sistēmas (NASA, ESA, and G. Bacon (STScI) attēls)
Kosmiskās orbītas
Kosmiskos lidaparātus, kas riņķo ap Zemi, atkarībā no to uzdevuma palaiž dažādās orbītās. Orbitālā stacija parasti pārvietojas pa salīdzinoši zemu riņķveida orbītu. Sakaru pavadoņus visbiežāk palaiž riņķveida ģeostacionārajā orbītā, kuras augstums virs Zemes ir 35800 km. Šādā orbītā esošs pavadonis veic vienu apriņķojumu tieši vienā diennaktī. Tas ir ļoti izdevīgi, jo, raugoties no Zemes, pavadoņa stāvoklis nemainās. Tas it kā "karājas" debesīs vienā punktā.
Zemes izpētes pavadoņus parasti palaiž riņķveida polārā orbītā, kas šķērso Zemes polu apvidus. Šāds pavadonis, Zemei griežoties, var secīgi pārlūkot visus zemeslodes virsmas apgabalus. Ja kosmiskais aparāts kustas ar ātrumu, kas lielāks par pirmo kosmisko ātrumu, tā orbīta ir eliptiska. Zemei tuvāko orbītas punktu sauc par perigeju, bet tālāko - par apogeju. Šādas orbītas piešķir pavadoņiem, kuriem pētījumu programmas dēļ nepieciešams attālināties no Zemes.
 |  |
| Dažādās orbītās ap Zemi izvietotu pavadoņu spiets. ESA zīmējums | Pavadonis, kas atrodas augstā orbītā, spēj pārlūkot gandrīz pusi zemeslodes. ESA zīmējums |
Planētu zondes no Zemes uz citām planētām lido pa eliptisku trajektoriju. Ja kosmiskais aparāts atrodas orbītā nevis ap Zemi, bet ap Sauli, tad Saulei tuvāko orbītas punktu sauc par par perihēliju, bet tālāko - par afēliju. No degvielas patēriņa viedokļa visizdevīgākā trajektorija pārlidojumam no vienas planētas uz otru ir puse elipses, kuras fokusā atrodas Saule, taču lidojums pa šādu trajektoriju ir visilgākais. Lai sasniegtu mērķi pa īsāku ceļu īsākā laikā, kosmiskajam aparātam jāpiešķir lielāks sākuma ātrums, šim nolūkam patērējot lielāku degvielas daudzumu.
Kad starpplanētu zonde sasniegusi mērķi, tā veic pētījumus no pārlidojuma trajektorijas, vai arī ieiet orbītā ap debess ķermeni un kļūst par tā mākslīgo pavadoni. Pārlidojuma trajektoriju var izvēlēties arī tā, lai attiecīgā debess ķermeņa gravitācijas lauks novirzītu zondi cita debess ķermeņa virzienā. To sauc par gravitācijas manevru. Piemēram, gravitācijas manevrs tika izmantots, lai novirzītu ASV starpplanētu zondi Voyager - 2 no Jupitera uz Saturnu un tālāk uz Urānu un Neptūnu.
Kosmonautikas perspektīvas
20. gadsimta 70. gados izdotā grāmatā par kosmonautikas perspektīvām tika rakstīts, ka 1995. gadā cilvēcei jau būs kolonijas ne tikai uz Mēness un Marsa, bet arī orbītā ap Saturnu. Šīs prognozes nav piepildījušās, jo sākotnēji straujais kosmonautikas attīstības temps noplaka. Šobrīd kosmonautikas attīstību lielā mērā nosaka valstu ekonomiskās iespējas, tāpēc arvien lielāka nozīme ir starptautiskajai sadarbībai, kas izpaužas, piemēram, Starptautiskās orbitālās stacijas būvē. Starptautiskā orbitālā stacija darbosies orbītā orientējoši līdz 2020. gadam.
Vēl tālākā nākotnē ap Zemi varētu riņķot stacijas, kas ražotu īpašus materiālus vai transportētu uz Zemi Saules enerģiju. Kosmiskajiem lidojumiem Zemes tuvumā acīmredzot sāks izmantot aerokosmiskās lidmašīnas, kas atmosfēras apakšējos slāņos kā oksidētāju izmantos gaisā esošo skābekli. Kļūs vairāk lidojošo kosmodromu, t.i. raķetes tiks palaistas no stratosfērā lidojošas lidmašīnas, kā tas pašlaik ir ar ASV raķeti Pegasus.
 |  |
| Eiropas kosmiskās aģentūras transportkuģis dodas uz Starptautisko orbitālo staciju (augšā pa labi). ESA zīmējums | ASV nesējraķete Pegasus, kas piekarināta zem lidmašīnas spārna. NASA foto |
Planētu pētījumi un kosmosā veicamie astronomiskie novērojumi jau ir izplānoti aptuveni 20 gadiem uz priekšu. Orbītā ap Zemi tiks palaisti lieli teleskopi, kas sasniegs virszemes optisko teleskopu izmērus. Pirmais kosmiskais teleskops ar 8 metru diametru uzsāks darbu ap 2010. gadu. Salīdzinoši drīz uz Zemes tiks nogādāti Marsa, asteroīdu un komētu vielas paraugi. Notiks kosmisko zondu nolaišanās uz Jupitera un Saturna lielajiem pavadoņiem, kā arī uz Merkura. No pārlidojuma trajektorijas tiks pētīts Plutons un Koipera joslas objekti.
Tā kā Mēness polos ir atklāts ledus, kuru var izmantot ūdens, skābekļa un ūdeņraža iegūšanai, iespējams, ka līdz 21. gadsimta vidum uz Mēness tiks izveidota neliela apdzīvota bāze, kuras tuvumā varētu tikt izvietoti lieli optiskie teleskopi un radioteleskopi. Pirmais pilotējamais lidojums uz Marsu varētu notikt aptuveni 2025. gadā. Plašākai Saules sistēmas apgūšanai un starpzvaigžņu lidojumu veikšanai būs nepieciešami jauni enerģijas avoti. Šķiet, ka kosmiskie kodoldzinēji nav perspektīvi, ja vien neizdosies realizēt vadāmu kodoltermisko reakciju. Toties varētu attīstīties jonu dzinēji. Piemēram, ASV kosmiskā aparāta Deep Space – 1 izmēģinājumu laikā tika sasniegts ātrums 50 km/s.
“Nākotnes” starpplanētu zondu prototips Deep Space – 1. NASA zīmējums
Šķiet, ka 21. gadsimtā realizēt starpzvaigžņu lidojumus vēl neizdosies. Situāciju varētu mainīt uz pilnīgi jauniem fizikāliem principiem balstītas dzinējiekārtas. Simts gadu laikā tādas varētu tikt izgudrotas. Atcerēsimies, ka pirms simts gadiem vēl gandrīz nekas nebija zināms par atomu uzbūvi un kodolenerģiju.
