Το άλμα που έμεινε μετέωρο (η κατάκτηση του Διαστήματος)

Μια από τις διασημότερες φράσεις παγκόσμια, ειπώθηκε στις 20 Ιουνίου 1969, από...τη Σελήνη. Ήταν η φράση του Νιλ Άρμστρογκ: "Ένα μικρό βήμα για τον Άνθρωπο, ένα γιγάντιο άλμα για την Ανθρωπότητα".

Και πράγματι ήταν ένα γιγάντιο άλμα, αν αναλογιστεί κανείς ότι μόλις 66 χρόνια πριν (1903), η πρώτη ελεγχόμενη ιπτάμενη μηχανή έκανε το δικό της άλμα των... 36 μέτρων στη Βόρεια Καρολίνα των ΗΠΑ.

Θα περίμενε όμως κάποιος, ότι αν όχι άλματα, τουλάχιστον σημαντικά βήματα θα εξακολουθούσαν να γίνονται με τον ίδιο ρυθμό για την εξερεύνηση του διαστήματος, και όμως υπάρχει η αίσθηση ότι το διάστημα έκτοτε έμεινε πίσω σε προτεραιότητα.

 

Μόνο 12 χρόνια (1957 – 1969) χωρίζουν αυτές τις δύο φωτογραφίες, του Sputnik από την πρώτη προσελήνωση.

Και είναι πράγματι έτσι, αλλά όχι εντελώς.

Είναι έτσι, επειδή η προσεδάφιση στη Σελήνη, την εποχή που έγινε ήταν λιγότερο ένα επιστημονικό επίτευγμα και πολύ περισσότερο μια επίδειξη ισχύος των ΗΠΑ, με αποδέκτη βέβαια την τότε Σοβιετική Ένωση.

Κατ’ αρχήν μπορεί τα 66 χρόνια που μεσολάβησαν από την πρώτη πτήση να φαίνονται πολύ λίγα (και είναι), αλλά μεσολάβησαν οι δύο παγκόσμιοι πόλεμοι, που έδωσαν μια ισχυρή ώθηση, αν και για λιγότερο ευγενείς σκοπούς, στην ανάπτυξη των ιπτάμενων μηχανών.

Ειδικότερα από το 1939 που ξεκίνησε ο Β’ΠΠ, μέχρι το 1945 που τελείωσε, τα αεροπλάνα εξελίχθηκαν από διπλάνα με υφασμάτινη επικάλυψη και ανοιχτά πιλοτήρια, σε ολομεταλλικά αεριωθούμενα με συμπιεζόμενα πιλοτήρια που άγγιζαν την ταχύτητα του ήχου, και σε πύραυλους υγρών καυσίμων που την ξεπερνούσαν κατά πολύ.

 

Το επάνω αεροπλάνο ήταν σε υπηρεσία στην αρχή του Β’ΠΠ, ενώ το κάτω στο τέλος του, 6 χρόνια μετά. Και τα δύο φαίνονται εδώ σε πρόσφατες φωτογραφίες αποκατεστημένων ή ανακατασκευασμένων δειγμάτων.

Ουσιαστικά, αμέσως μετά το τέλος του Β’ΠΠ οι δύο υπερδυνάμεις μπήκαν σταδιακά στην περίοδο του ψυχρού πολέμου μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1970, μία περίοδο που κάθε άλλο παρά μείωσε τον ανταγωνισμό τους στο να παραμείνει η κάθε μία από αυτές στην πρωτοπορία των τεχνολογικών εφαρμογών.

Και αυτό, όχι μόνο για να έχουν «το πάνω χέρι» σε περίπτωση που ο ψυχρός πόλεμος κατέληγε σε θερμό (που λίγο έλλειψε με την κρίση της Κούβας τον Οκτώβριο του 1962), αλλά και σαν «βιτρίνα» για να διαφημίσει η κάθε υπερδύναμη το καθεστώς της στους πολίτες της και για να προσελκύσει συμμάχους, που σημαίνει επιρροή και κατά συνέπεια οικονομική δύναμη.

Όταν λοιπόν ο πρόεδρος των ΗΠΑ Τζων Κένεντι δεσμεύτηκε τον Μάιο του 1961 σε ομιλία του ότι η χώρα θα στείλει άνθρωπο στη Σελήνη και θα τον επιτρέψει σώο στη Γη μέχρι το τέλος της δεκαετίας*, «όχι γιατί είναι εύκολο άλλα επειδή είναι δύσκολο» όπως χαρακτηριστικά είπε, ήταν μια ξεκάθαρη πρόκληση τεχνολογίας προς τους Σοβιετικούς.

Οι οποίοι μέχρι τότε, είχαν ουσιαστικά το προβάδισμα στο διάστημα, καθώς έστειλαν τον πρώτο δορυφόρο (1957), το πρώτο ζώο, και τον πρώτο άνθρωπο (Απρίλιος 1961) σε αρκετά ψηλή τροχιά, ώστε να θεωρείται «διάστημα».

* Ο Κένεντι ήθελε αρχικά οι Αμερικανοί να στείλει άνθρωπο στον ...Άρη, και χρειάστηκαν προσπάθεια οι ιθύνοντες της NASA για να τον μεταπείσουν.

Έτσι λοιπόν, η προσεδάφιση στη Σελήνη για τους Αμερικανούς ήταν περισσότερο ένα τεχνολογικό κατόρθωμα με πολύ σαφείς στρατιωτικές αιχμές.

Αν μπορούσαν να στέλνουν πυραύλους μέχρι τη Σελήνη με τέτοια ακρίβεια και αξιοπιστία, προφανώς θα μπορούσαν να το κάνουν και σε οποιοδήποτε μέρος της Γης.

Η δέσμευση του Κένεντι για τη Σελήνη

Ήδη και οι δύο χώρες είχαν πλήρες πυρηνικό οπλοστάσιο, συνεπώς αυτός που (θεωρητικά) θα επικρατούσε σε μια πυρηνική αναμέτρηση, ήταν όποιος μπορούσε να το "ξεφορτώσει" γρηγορότερα και με μεγαλύτερη ακρίβεια στις σημαντικότερες πόλεις του αντιπάλου του.

Βέβαια «κοντά στον βασιλικό ποτίζεται και η γλάστρα», οπότε και η επιστήμη και γενικότερη η τεχνολογία επωφελήθηκαν σημαντικά από τη γνώση και την εμπειρία που προέκυψε αναπόφευκτα από το διαστημικό πρόγραμμα.

Καθώς λοιπόν η επίδειξη ισχύος ήταν η πρώτη προτεραιότητα για τις ΗΠΑ, μοιραία πολλές φορές η τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε ήταν σχετικά πρωτόγονη ή και οριακά επικίνδυνη για τους χρήστες της, αλλά εκείνη την εποχή αυτό ήταν «αποδεκτό ρίσκο».

Θύμα της "κόντρας" Σοβιετικών και Δυτικών ήταν το υπερηχητικό Tu-144 (αριστερά) που σε μεγάλο ποσοστό αντέγραφε το Concorde (δεξιά). Η βεβιασμένη όμως κατασκευή του Tu-144 προκειμένου να πετάξει πρώτο ήταν η αιτία δύο θανατηφόρων ατυχημάτων, με το πρώτο το 1973 σε διεθνή αεροπορική έκθεση στο Παρίσι, που μείωσαν κατά πολύ τη διάρκεια της υπηρεσία του. Το Concorde, με πολύ μακρύτερη καριέρα, είχε και αυτό ένα θανατηφόρο ατύχημα το 2000 στο Παρίσι, για το οποίο όμως δεν ευθύνονταν άμεσα το αεροσκάφος.

Φυσικά, οι πρωτοπόροι εξερευνητές όλων των εποχών επιχείρησαν τα ταξίδια τους μόλις μπορούσαν να ικανοποιηθούν οι ελάχιστες απαιτήσεις για κάτι τέτοιο, με μεγαλύτερη πιθανότητα τα ταξίδια τους να είναι χωρίς επιστροφή παρά το αντίθετο.

Φαντασθείτε για παράδειγμα αν ο Χριστόφορος Κολόμβος δεν πραγματοποιούσε το ταξίδι του στο άγνωστο με τρία μεγάλα καΐκια ουσιαστικά, αλλά περίμενε (προφανώς κάποιος μακρινός του απόγονος) να ναυπηγηθεί κάτι αρκετά μεγάλο και σίγουρο σαν τον Τιτανικό (αυτό και αν θα ήταν ειρωνεία της Τύχης!).

Η λειτουργία του λογαριθμικού κανόνας βασίζεται στο ότι αν γράψουμε τους αριθμούς με λογαριθμική διάταξη, η πρόσθεσή τους ισοδυναμεί με πολλαπλασιασμό, και η αφαίρεσή τους με διαίρεση.

Για να επανέλθουμε λοιπόν στο διαστημικό πρόγραμμα «Απόλλων», παρακολουθώντας ταινίες της εποχής από την κατασκευή των διαστημικών οχημάτων θα δει κανείς έκπληκτος στα σχεδιαστήρια των μηχανικών να υπάρχουν λογαριθμικοί κανόνες για τους υπολογισμούς, οι αστροναύτες να έχουν μαζί τους εξάντες(!) επειδή δεν είχαν μεγάλη εμπιστοσύνη στους πρωτόγονους υπολογιστές του διαστημοπλοίου, ενώ οι υπολογιστές αυτοί είχαν λιγότερες δυνατότητες και από τα πρώτα λάπτοπ!

Σε αυτό το ηρωικό κλίμα λοιπόν, με τη συνολική εμπλοκή περίπου 400 χιλιάδων τεχνικών και επιστημόνων, έγινε όχι μία αλλά έξη συνολικά προσεληνώσεις διαστημοπλοίων, με τις τελευταίες να παρέχουν και την άνεση ενός οχήματος για τις μετακινήσεις των αστροναυτών στην επιφάνεια της Σελήνης.

Βέβαια, λίγο έλειψε να συμβεί καταστροφή στην αποστολή του Απόλλων 13 (μετά σου λένε να μην είσαι προληπτικός!) η οποία δεν προσεληνώθηκε, ενώ οι αστροναύτες επέστρεψαν ταλαιπωρημένοι αλλά ζωντανοί, χάρη σε έναν καταπληκτικό συνδυασμό επινοητικότητας, θάρρους και προσήλωσης στο σκοπό. Η ταινία «Απόλλων 13», διηγείται ρεαλιστικά την ιστορία τους.

 

«Χιούστον, έχουμε πρόβλημα». Η φράση που έγινε διάσημη, μετά το ατύχημα του Απόλλων 13.

Ήδη στα μέσα της δεκαετίας του 1970 η κούρσα του διαστήματος μεταξύ των υπερδυνάμεων είχε ξεθυμάνει (αφού πλέον υπήρξε ξεκάθαρος νικητής), και άρχισε, τουλάχιστον στο διάστημα, βαθμιαία η συνεργασία μεταξύ τους.

Επιπλέον το κόστος των αποστολών στη Σελήνη ήταν τεράστιο και οι ΗΠΑ άλλαξαν τις προτεραιότητές τους για να αντιμετωπίσουν τόσο τον διεθνή εμπορικό ανταγωνισμό όσο και τις οικονομικές κρίσεις (πχ πετρελαϊκή), αλλά και να ασχοληθούν με διάφορες πολιτικο - στρατιωτικές επεμβάσεις ανά τον κόσμο.

‘Εγινε επίσης ξεκάθαρο ότι τα πυρηνικά όπλα πρακτικά δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν χωρίς γενικευμένη καταστροφή, οπότε οι μελλοντικοί πόλεμοι θα βασίζονταν περισσότερο σε συμβατική τεχνολογία και κυρίως σε πληροφορίες και εικόνες από το διάστημα.

Έτσι οι αποστολές έγιναν περισσότερο επιστημονικές και εμπορικές (φυσικά και στρατιωτικές), περιορίστηκαν σε μικρές σχετικά αποστάσεις από τη Γη  και δόθηκε προτεραιότητα στη διαβίωση σε διαστημικούς σταθμούς και στην κατασκευή επαναχρησιμοποιούμενων διαστημικών οχημάτων (διαστημικά λεωφορεία).

Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός άρχισε τη λειτουργία του στην αρχή της δεκαετίας του 2000.

Στη δεκαετία του 70 εκτοξεύθηκαν οι δύο Pioneer για την έρευνα του μακρινού διαστήματος (που έφεραν και πλάκες με πληροφορίες, για το ενδεχόμενο συνάντησης με εξωγήινους) και ξεκίνησαν να τοποθετούνται σε τροχιά γύρω από τη Γη οι δορυφόροι για το σύστημα GPS, ενώ στις αρχές της δεκαετίας του 80 μπήκαν σε τροχιά οι περισσότεροι δορυφόροι τηλεοπτικών προγραμμάτων.

Την δεκαετία του 80 ξεκίνησαν επίσης οι πτήσεις των διαστημικών λεωφορείων, που μπορεί να μην είχαν ιδιαίτερα εντυπωσιακές αποστολές, αλλά είχαν μεγάλη συνεισφορά  στην τοποθέτηση πολλών σημαντικών διαστημικών συσκευών με σχετικά φτηνό και αξιόπιστο τρόπο.

Η επισκευή μάλιστα του τηλεσκοπίου Hubble το 1993 (είχε τεθεί σε τροχιά 3 χρόνια νωρίτερα) και οι αναβαθμίσεις του τη δεκαετία του 2000, ήταν ορόσημο της ανθρώπινης επινοητικότητας και ικανότητας επίλυσης προβλημάτων, στις πλέον αντίξοες συνθήκες.

Το Διαστημικό Λεωφορείο σε ύψος περίπου 300 χιλιομέτρων. Στο πίσω μέρος του ανοιχτού «αμπαριού» του, διακρίνεται μια συσκευή που πρόκειται να μπει σε τροχιά.

Δύο όμως δυστυχήματα, το 1986 και το 2003, που στοίχησαν τη ζωή σε 14 συνολικά αστροναύτες, οδήγησαν στη εγκατάλειψη του συστήματος του διαστημικού λεωφορείου.

Η στροφή λοιπόν σε πιο πρακτικές εφαρμογές στο χώρο του διαστήματος είναι ένας από τους λόγους που εγκαταλείφθηκαν τα εντυπωσιακά ταξίδια σε άλλα φεγγάρια και πλανήτες, που ικανοποιούν περισσότερο την έμφυτη περιέργεια (επιστημονική και μη) του ανθρώπου.

Ένας άλλος λόγος είναι ότι ο επόμενος προφανής στόχος, ο Άρης, χρειάζεται ταξίδι μερικών μηνών για να επιτευχθεί (για τη Σελήνη αρκούν τρείς ημέρες), οπότε τα προβλήματα υποστήριξης της ανθρώπινης ζωής αυξάνονται δυσανάλογα.

Ο Άρης, με έντονη απεικόνιση των ηφαιστειακών βουνών του.

Επιπλέον ο Άρης θα πρέπει να βρίσκεται στην κοντινή του απόσταση σε σχέση με τη Γη για το «πήγαινε» και «έλα», οπότε είτε η παραμονή στον πλανήτη θα είναι πολύ σύντομα, είτε θα πρέπει να παραμείνουν οι αστροναύτες στην επιφάνειά του για περίπου δύο χρόνια μέχρι την επόμενη ευκαιρία επιστροφής.

Ένα ακόμα θέμα, είναι ότι σήμερα η απώλεια ανθρώπινης ζωής για επιστημονικούς λόγους δεν γίνεται εύκολα αποδεκτή.

Σε αντίθεση, κατά την πρώτη προσελήνωση το 1969, ο τότε πρόεδρος των ΗΠΑ Νίξον είχε ήδη ετοιμάσει και τον λόγο που θα εκφωνούσε σε περίπτωση αποτυχίας του εγχειρήματος και θανάτου των αστροναυτών.

Και όμως, αν ο Άρης φαντάζει σαν ο επόμενος λογικός στόχος για τον περισσότερο κόσμο ακόμα και τον επιστημονικό, οι ειδικοί θεωρούν ότι η Ευρώπη, ο δορυφόρος του Δία, έχει πολύ περισσότερες πιθανότητες να κρύβει ζωή στους τεράστιους ωκεανούς της, κάτω από την παγωμένη επιφάνεια της.

Η Ευρώπη, με την παγωμένη επιφάνειά της και το πολλά υποσχόμενο υγρό υπέδαφός της.

Το πρόβλημα είναι ότι για να πάει μόνο κανείς μέχρι την Ευρώπη, με τα σημερινά μέσα χρειάζεται μερικά χρόνια και θα έχει να αντιμετωπίσει και την έντονη ραδιενεργή ακτινοβολία του Δία, οπότε το πιθανότερο είναι να αποσταλεί μελλοντικά ένα εξελιγμένο ρομποτικό σύστημα.

Καλλιτεχνική απεικόνιση του διαστημοπλοίου New Horizons, που το καλοκαίρι του 2015 και μετά από ταξίδι σχεδόν 10 ετών έφτασε πολύ κοντά στον Πλούτωνα για να τον μελετήσει. Στο εγχείρημα, σημαντική ήταν και η συνεισφορά του εγκατεστημένου στις ΗΠΑ Έλληνα αστροφυσικού, Σταμάτη (Tom) Κριμιζή.

Προς το παρόν, ένας πολύ σημαντικός τομέας του Διαστήματος που γίνεται έρευνα είναι η αποτροπή πρόσκρουσης αστροειδούς στη Γη, ενώ στην επιφάνεια του Άρη κινούνται διάφορα ρομποτικά οχήματα, μαζεύοντας και αναλύοντας δείγματα, παίρνοντας εικόνες, αφήνοντας ίχνη, και γενικά παρέχοντας πληροφορίες για την προετοιμασία της ανθρωπότητας προς το επόμενο γιγάντιο αλλά προσεκτικό άλμα.

ΥΓ1. Η "εκκωφαντική" ... σιωπή των τότε Σοβιετικών μετά την πτήση του Απόλλων 11, είναι η καλύτερη απάντηση στους εκάστοτε συνωμοσιολόγους που αμφισβητούν το γεγονός της αποστολή αυτής και υποστηρίζουν ότι ήταν σκηνοθετημένη στη Γη.

Τα επόμενα…άλματα.

Κάνοντας μια μικρή ανακεφαλαίωση, μετά το πρόγραμμα Απόλλων και καθώς η διαμάχη για την πρωτοπορία στο Διάστημα έληξε με ξεκάθαρο νικητή, η προσπάθεια της NASA σαν φορέας του Διαστημικού Προγράμματος των ΗΠΑ επικεντρώθηκε στη δημιουργία ενός Διαστημικού Σταθμού (το Skylab αρχικά) και στη συνέχεια του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού (ΔΔΣ ή ISS).

Για τη συστηματική εξυπηρέτηση και αξιοποίηση του τελευταίου, έπρεπε να βρεθεί ένας «οικονομικός» τρόπος και αυτός ήταν η δημιουργία ενός στόλου επαναχρησιμοποιούμενων διαστημικών οχημάτων, τα γνωστά Διαστημικά Λεωφορεία (Space Shuttles).
Μετά όμως από 135 συνολικά εκτοξεύσεις σε διάστημα 30 ετών, δύο καταστροφικά ατυχήματα (Challenger το 1986 και Columbia το 2003) και με τον στόλο να γερνάει επικίνδυνα παρά τις συνεχείς βελτιώσεις, τα Διαστημικά Λεωφορεία αποσύρθηκαν το 2011 και η εξυπηρέτηση του ΔΔΣ βασίστηκε στα ρωσικά διαστημόπλοια Soyuz.
Παράλληλα, η NASA έδωσε βαρύτητα στην εξερεύνηση των πλανητών του Ηλιακού Συστήματος με ιδιαίτερη έμφαση στον Άρη, σαν τον πιθανότερο μελλοντικό στόχο για επανδρωμένη πτήση πέρα από τη Σελήνη.

Όμως, από τις αρχές του 21 αιώνα η NASA εκδήλωσε την επιθυμία συνεργασίας μεγάλης κλίμακας με ιδιωτικές εταιρείες στο χώρο του Διαστήματος, πέρα από το δικό της πρόγραμμα με το όνομα Άρτεμις για την επιστροφή ανθρώπων στη Σελήνη.
Αυτό έγινε τόσο για τη μείωση των υπέρογκων ίδιων λειτουργικών εξόδων, όσο και επειδή οι ιδιωτικές εταιρείες έχουν μεγαλύτερη διοικητική και διαχειριστική ευελιξία, αλλά δείχνουν και μεγαλύτερη προθυμία να αναλάβουν ρίσκα.
Έτσι, στις αρχές της δεκαετίας του 2020, τρείς βασικά εταιρείες δραστηριοποιούνται ενεργά στο χώρο του Διαστήματος, έχοντας αναπτύξει τα δικά τους διαφορετικής φιλοσοφίας συστήματα καθώς και διαφορετικούς επιχειρησιακούς στόχους.


Γραφική σύγκριση των δυνατοτήτων των συστημάτων, των τριών βασικών ιδιωτικών εταιρειών που δραστηριοποιούνται στο Διάστημα.

-Η Virgin Galactic του Sir Richard Branson, επικεντρώνεται στον «Διαστημικό Τουρισμό» και πρόσφατα (11 Ιουλίου 2021) πραγματοποίησε την πρώτη (και επιτυχημένη) πτήση από τη βάση της στο Νέο Μεξικό, μεταφέροντας τον ίδιον τον Branson, 3 ακόμα επιβάτες και τους δύο πιλότους.
Το Spaceship Two, όπως είναι το όνομα του αεροσκάφους-διαστημοπλοίου, μεταφέρεται μέχρι το υψόμετρο των 15 περίπου χιλιομέτρων από ένα ειδικά διαμορφωμένο αεροσκάφος-φορέα, ενώ το διαστημόπλοιο στη συνέχεια αποχωρίζεται και ανεβαίνει μέχρι τα 80 περίπου km, όπου είναι τα όρια του Διαστήματος σύμφωνα τη NASA και την Αμερικανική Πολεμική Αεροπορία, αλλά όχι σύμφωνα με την FAI (Διεθνής Ομοσπονδία Αεροναυτικής) που θέτει το όριο στα 100km (γραμμή Κάρμαν).
Σε κάθε περίπτωση, στο ψηλότερο σημείο της τροχιάς του διαστημοπλοίου οι επιβάτες απολαμβάνουν μερικά λεπτά μικροβαρύτητας και τη μαγευτική θέα της Γης, σαν αποκορύφωμα μιας αποστολής συνολικής διάρκειας 2.5 περίπου ωρών.

-Στην ίδια περίπου φιλοσοφία του Διαστημικού Τουρισμού κινείται και η Blue Origin του Jeff Bezos, με τη διαφορά ότι η διαστημική κάψουλα (θάλαμος) που μεταφέρει 4 άτομα βρίσκεται στην κορυφή ενός περίπου συμβατικού (αλλά επαναχρησιμοποιήσιμου) πυραύλου με το όνομα New Shepard, ο οποίος την απελευθερώνει στην κορυφή μιας βαλλιστικής τροχιάς σε ύψος όμως πάνω από τα 100 χιλιόμετρα (άρα σαφώς στο Διάστημα), και η οποία επιστρέφει στο έδαφος με αλεξίπτωτα, με τη συνολική διαδικασία να διαρκεί περίπου 10 λεπτά. Μία άλλη ιδιαιτερότητα, είναι ότι η όλη διαδικασία είναι πλήρως αυτοματοποιημένη. Η πτήση ξεκινά από, και επιστρέφει στο Δυτικό Τέξας, με την πρώτη να έχει προγραμματιστεί για τις 20 Ιουλίου του 2021 (ολοκληρώθηκε με επιτυχία και σύμφωνα με το πρόγραμμα γύρω στις 16:20 ώρα Ελλάδος,  έχοντας φτάσει σε υψόμετρο 107km).

-Η τρίτη εταιρεία είναι η SpaceX, του γνωστού περισσότερο από τα πρωτοποριακά ηλεκτρικά αυτοκίνητα Tesla, Elon Musk, η οποία έχει πολύ πιο φιλόδοξους στόχους που περνούν από τη δημιουργία μιας κατοικήσιμης βάσης στη Σελήνη και φθάνουν στη δημιουργία κατοικήσιμης βάσης στον Άρη!
Οπότε η αποστολή αστροναυτών στο ΔΔΣ ήδη από το 2020 δεν φαίνεται και τόσο σπουδαίο κατόρθωμα (αν και είναι, για μια ιδιωτική εταιρεία) όμως σύντομα, πριν το τέλος του 2021, θα προσφέρονται μερικές περιστροφές σε τροχιά γύρω από τη Γη και σε ιδιώτες, με τον διαστημικό θάλαμο Crew Dragon 2. Ο θάλαμος, που μπορεί να μεταφέρει μέχρι 7 άτομα και έχει θερμική προστασία* για τα αρχικά στάδια της επανεισόδου στην ατμόσφαιρα (στη συνέχεια χρησιμοποιούνται αλεξίπτωτα), ανυψώνεται χάρη στον πύραυλο Falcon 9, το πρώτο (και μεγαλύτερο) τμήμα του οποίου είναι αυτοπροσγειούμενο και επαναχρησιμοποιήσιμο, όπως και (ολόκληρος) ο New Shepard.
Για τις μακρινότερες μελλοντικές πτήσεις θα χρησιμοποιηθούν μεγαλύτεροι πύραυλοι (οι Super Heavy) και διαφορετικά διαστημόπλοια (τα Starships).
Με όλα αυτά, δεν είναι περίεργο ότι η SpaceX έχει τις εγκαταστάσεις στο Cape Canaveral, όπως και η ίδια η NASA.
Μάλιστα ο ιδρυτής της, ο Elon Musk, έχει πει χαριτολογώντας(?): «Θέλω να πεθάνω στον Άρη, άλλα όχι από την πρόσκρουση»!

*Δέστε στο https://geometax12.blogspot.com/2018/07/blog-post_9.html στο θέμα 96 (Μια «φτηνή» βόλτα στο Διάστημα), τις ιδιαίτερες απαιτήσεις επανεισόδου μιας κάψουλας από σταθερή τροχιά γύρω από τη Γη, σε σχέση με αυτές της απλής βαλλιστικής τροχιάς.

 Γ. Μεταξάς

ΥΓ. Πέρα από τον θάλαμο της Space X, υπάρχουν δύο ακόμα τύποι επαναχρησιμοποιούμενων θαλάμων που κατασκευάζονται από ιδιωτικές εταιρείες (κορυφαίες όμως και καθιερωμένες στο χώρο της Αεροναυτικής) για λογαριασμό της NASA. Ο Orion των Lockheed Martin και Airbus, και ο Starliner CST-100 της Boeing.

  

Ακραίες πτήσεις πουλιών και αεροσκαφών.

Συχνά η τεχνολογία, ειδικά στα πρώτα βήματά της, μιμείται τη φύση αλλά πουθενά αυτό δεν είναι τόσο έντονο όσο στην πτήση (και στα ραντάρ, που μιμούνται με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία τον ηχοεντοπισμό με υπέρηχους των νυχτερίδων, παρόλο που οι τελευταίες δεν είναι πουλιά).

Είναι γεγονός, ότι οι πρώτες προσπάθειες πτήσης του ανθρώπου στο δεύτερο μισό του 19^ου αι. ήταν ανεμόπτερα με φτερά που αντέγραφαν σχεδόν με ακρίβεια αυτά των πουλιών.

Βέβαια όσο η τεχνολογία εξελίσσονταν , τόσο οι πτέρυγες των αεροσκαφών γίνονταν μεγαλύτερες και πιο ειδικές, καθώς η κίνηση των πτερύγων των πουλιών είναι πιο σύνθετη επειδή περιλαμβάνει και την προώθησή τους (εικόνα κάτω).

Όμως η πτήση των πουλιών έχει ακόμα να διδάξει μερικά θέματα στη σύγχρονη αεροναυτική, όπως αυτά που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια.

Ακροπτερύγια περιορισμού των δινών.

Η μεγαλύτερη απώλεια ενέργειας κατά την οριζόντια πτήση (πουλιών και αεροσκαφών) οφείλεται στις δίνες ή στροβίλους που δημιουργούνται στα ακροπτερύγια, καθώς ο αέρας από την κάτω επιφάνεια που βρίσκεται σε μεγαλύτερη πίεση «ξεχύνεται» από την άκρη της πτέρυγας για να καλύψει την περιοχή χαμηλότερης πίεσης, στο επάνω μέρος της πτέρυγας.

Το πρωτότυπο (επάνω) και η μίμηση (κινέζικο Υ-5Β) κάτω.

Μια μακρύτερη πτέρυγα θα μείωνε αυτή τη «διαρροή», αλλά θα έθετε προβλήματα χώρου στα αεροδρόμια και αντοχής της πτέρυγας. Μία λύση δανεισμένη από τα μεγάλα πουλιά που ανεμοπορούν για το μεγαλύτερο μέρος της πτήσης τους εκμεταλλευόμενα θερμικά ή δυναμικά ανοδικά ρεύματα, είναι να κατασκευαστούν μερικά μικρά πτερύγια στην απόληξη της πτέρυγας με τρόπο που να δημιουργούν πολλούς μικρότερους στροβίλους αντί για έναν μεγάλο. Μια απλουστευμένη εκδοχή για τα μεγάλα επιβατικά αεροσκάφη είναι ένα μόνο μικρό πτερύγιο με κλίση προς τα επάνω, που συναντιέται όλο και περισσότερο σήμερα (κάτω).

Ένας άλλος τρόπος μείωσης των στροβίλων των ακροπτερυγίων είναι η λέπτυνση των πτερύγων προς την άκρη τους, με πιο συνηθισμένο και χαρακτηριστικό παράδειγμα τα φτερά των γλάρων και των άλμπατρος.

Ξεκούραστη πτήση σε σχηματισμό “V”.

Είναι γνωστό ότι οι πάπιες, αλλά και άλλα μεγάλα μεταναστευτικά πουλιά καλύπτουν μεγάλες αποστάσεις πετώντας σε σχηματισμό “V”. Ο λόγος βέβαια δεν είναι για να προσφέρουν …θέαμα στους ανθρώπους στο έδαφος, αλλά επειδή έτσι εξοικονομούν ένα σημαντικό μέρος της ενέργειας που χρειάζονται για την πτήση τους, και φυσικά καλύπτουν μεγαλύτερες αποστάσεις πριν χρειαστεί να κάνουν στάση.

‘Όπως είδαμε στο προηγούμενο θέμα, παρόλα τα τρικ που χρησιμοποιεί τόσο η φύση όσο και οι άνθρωποι, οι στρόβιλοι των ακροπτερυγίων είναι αναπόφευκτοι, αλλά τα πουλιά βρήκαν έναν εξαιρετικό τρόπο να τους αξιοποιούν. Διατηρώντας σχηματισμό “V”, τα πουλιά κάθε πλευράς πετούν το καθένα στο ανοδικό μέρος των στροβίλων του προπορευόμενου (στην εικόνα, το μαύρο πουλί πετάει πίσω και δεξιά από το γκρι), έτσι έχουν μια αρκετά πιο άνετη πτήση (εκτιμάται ένα κέρδος 10-15%). Όλα, εκτός από αυτό στην κορυφή του σχηματισμού, το οποίο όμως περιοδικά εναλλάσσεται με κάποιο άλλο ώστε η επιβάρυνση να ισοκατανέμεται!
Παρατήρηση: Ακόμα και το πουλί στην κορυφή του "V" επωφελείται κατά ένα (μικρότερο όμως) ποσοστό, επειδή τα πουλιά που έπονται απορροφούν λίγες από τις δικές του δίνες.

Δοκιμή που έχει γίνει με μικρά αεροσκάφη ίδιου τύπου (οργανωμένη από την τηλεοπτική εκπομπή των Mythbusters στις ΗΠΑ), έδειξε ότι η μείωση στην κατανάλωση είναι μετρήσιμη, αλλά η προσπάθεια που χρειάζεται για τη διατήρηση κλειστού σχηματισμού και ο κίνδυνος ατυχήματος, ειδικά αν οι πιλότοι δεν είναι εκπαιδευμένοι επαγγελματίες, δεν αντισταθμίζονται.
Βέβαια, ακροβατικά (συνήθως πολεμικά) αεροσκάφη πετούν συχνά σε κλειστούς σχηματισμούς επειδή είναι εντυπωσιακοί, αλλά εκεί οι θέσεις που παίρνουν είναι τέτοιες ώστε να μην βρίσκονται μέσα στις αεροδίνες των προπορευόμενων και διαταράσσεται η ισορροπία της πτήσης τους.

Η εφόρμηση του γερακιού.

Σήμερα, έχουμε συνηθίσει την εικόνα μαχητικών αεροσκαφών πολύ μεγάλων ταχυτήτων, με μικρές και οπισθοκλινείς πτέρυγες. Ο πρώτος διδάξας όμως είναι το γεράκι που μαζεύοντας τα φτερά του μπορεί να αναπτύξει ταχύτητες (συγκεκριμένα ο πετρίτης, εικόνα κάτω) πάνω από 320 km/h σε κατακόρυφη βύθιση (ο αετός περιορίζεται σ' αυτή τη ταχύτητα), αφήνοντας ελάχιστες πιθανότητες στο θύμα του να διαφύγει. Και φυσικά η ικανότητά του αυτή το καθιστά το ταχύτερο πλάσμα στη Γη!

Και μία εφόρμηση ενός ψαραετού

Την ίδια αρχή χρησιμοποιούν ελάχιστα μαχητικά αεροσκάφη με τεχνολογία πτέρυγας μεταβλητής οπισθόκλισης, πιο γνωστό από τα οποία είναι το F-14 Tomcat. Όντας ένα αεροσκάφος του πολεμικού ναυτικού των ΗΠΑ που επιχειρούσε (έχει ήδη αποσυρθεί) από αεροπλανοφόρα, έπρεπε να συνδυάζει χαμηλή ταχύτητα για τις από/προσνηώσεις αλλά και υψηλή τελική ταχύτητα για τις αποστολές του. Στην εικόνα κάτω, F-14 με τη δεξιά πτέρυγα σε θέση πλήρους έκτασης και την αριστερή σε θέση πλήρους σύμπτυξης, σε δοκιμές προσομοίωσης βλάβης του συστήματος, σε πραγματικές συνθήκες. Σήμερα, το πολύπλοκο αυτό σύστημα δεν είναι πλέον απαραίτητο, καθώς η εξέλιξη της τεχνολογίας έχει δώσει σε σύγχρονα αεροσκάφη με σταθερές πτέρυγες παρόμοιες δυνατότητες, ενώ μετά το τέλος του Ψυχρού Πολέμου έχει μειωθεί η ανάγκη επίτευξης πολύ υψηλής τελικής ταχύτητας.

Η «μαγική» πτήση του άλμπατρος.

Το άλμπατρος είναι το μεγαλύτερο πουλί στον κόσμο σε άνοιγμα φτερών (3.5 m) και ζει κυρίως στις νότιες θάλασσες. Ένα από τα χαρακτηριστικά που το κάνουν ιδιαίτερο, πέρα από το ότι διαθέτει ιδανικό σχήμα για ανεμοπορία, είναι και  ο τρόπος που πετάει καθώς μπορεί να παραμένει στον αέρα για ημέρες, καλύπτοντας χιλιάδες  χιλιομέτρων  χωρίς να κινεί ουσιαστικά τα φτερά του, εξοικονομώντας με τον τρόπο αυτό σημαντική ενέργεια . Μάλιστα πρόσφατα βρέθηκε ότι στη θέση έκτασης  των φτερών,  το άλμπατρος μπορεί κατά κάποιο τρόπο να τα «κλειδώνει» εξοικονομώντας ακόμα περισσότερη ενέργεια.

Είναι γνωστό ότι τόσο τα πουλιά όσο και οι ανεμοπόροι μπορούν να κερδίζουν ύψος και να μένουν πολλές ώρες στον αέρα χωρίς να δαπανούν ενέργεια προώθησης, εκμεταλλευόμενοι τα ανοδικά ρεύματα του αέρα που είναι είτε θερμικά, όταν ο αέρας θερμαίνεται και ανεβαίνει, είτε δυναμικά πλαγιάς, όταν προκαλούνται από πλαγιές που αναγκάζουν τον άνεμο να κινηθεί προς τα επάνω.

Στον ανοικτό ωκεανό όμως δεν ισχύει τίποτα από αυτά τα δύο, και παρότι σε γενικές γραμμές το πώς πετάει το άλμπατρος είναι γνωστό από το τέλος του 19^ου αιώνα, πρόσφατα  με την τοποθέτηση επάνω σε πουλιά πομπών GPS, έγιναν γνωστές περισσότερες λεπτομέρειες.

Το άλμπατρος ενστικτωδώς εκμεταλλεύεται τη βάθμωση της ταχύτητας του ανέμου, δηλαδή το ότι η ταχύτητα του ανέμου είναι πολύ χαμηλή κοντά στη επιφάνεια της θάλασσας εξαιτίας της τριβής με το νερό, ενώ αυξάνεται με το ύψος.

Τα άλμπατρος λοιπόν κινούνται σε μία διαδρομή «σλάλομ» γενικά κάθετα στην κατεύθυνση του ανέμου, στρίβοντας προς τον άνεμο και αυξάνοντας το ύψος τους μέχρι το σημείο που η ταχύτητα του ανέμου δεν αυξάνεται πια σημαντικά (10-20m) και μετά στρίβουν και απομακρύνονται από τον άνεμο κατεβαίνοντας , αυξάνοντας με αυτόν τον τρόπο την ταχύτητά τους. Αυτό το κάνουν συνεχόμενα με μία ομαλή κυματοειδή κίνηση, τόσο στο οριζόντιο όσο και στο κατακόρυφο επίπεδο.

Η στροφή προς τον άνεμο αυξάνει τη δυναμική τους ενέργεια, δηλαδή το ύψος τους, ενώ η στροφή αντίθετα από τον άνεμο και το χαμήλωμα μετατρέπει την δυναμική ενέργεια σε κινητική. Επειδή αναπόφευκτα υπάρχουν απώλειες ενέργειας, το άλμπατρος τις αντισταθμίζει καθώς αφήνει να παρασύρεται λίγο από τον άνεμο, έτσι ώστε το ίχνος της διαδρομής (ως προς ένα σταθερό σημείο) που κάνει κινούμενο αντίθετα στον άνεμο να είναι λίγο μικρότερη από το ίχνος  της διαδρομής που κάνει κινούμενο προς την κατεύθυνση του ανέμου.  Ένα σύντομο και ενδιαφέρον βίντεο (στα αγγλικά) για την πτήση του άλμπατρος είναι στο: https://www.youtube.com/watch?v=uMX2wCJga8g

Η σιωπηλή πτήση της Τυτώς.

Η Τυτώ είναι ένα είδος κουκουβάγιας (σωστότερα  χαρακτηρίζεται σαν γλαυκόμορφο πτηνό) που στα αγγλικά είναι γνωστή σαν Barn Owl. 

‘Έχει χαρακτηριστικά επίπεδο και κατάλευκο πρόσωπο σε σχήμα καρδιάς. Είναι βασικά νυκτόβιο, σαρκοφάγο πουλί που κυνηγά συνήθως μικρά τρωκτικά ή και άλλα πουλιά. Η ιδιαιτερότητα της Τυπώς (όπως και των άλλων κουκουβαγιών) είναι ότι παρά το σχετικά μεγάλο μέγεθός τους (βάρος λίγο κάτω από μισό κιλό και άνοιγμα φτερών κάπως μικρότερο από το ένα μέτρο), έχουν μία πρακτικά απόλυτα αθόρυβη πτήση.

Η ικανότητα αυτή, που φυσικά είναι κρίσιμη για την επιβίωσή της καθώς η τροφή της μπορεί να κρυφτεί πολύ γρήγορα, επιτυγχάνεται με ειδική κατασκευή των φτερών της αλλά και ιδιαίτερη τεχνική πτήσης.

Τα εμπρός μέρος των μεγάλων εξωτερικών πτερών της (με πτερά καλύπτονται τα φτερά ή πτέρυγες) μοιάζει με τα δόντια ενός χτενιού, αλλά σε μικρογραφία. Αντίστοιχα, τα πτερά στο πίσω μέρος των φτερών έχουν ένα είδος «ξεφτιών» επίσης μικροσκοπικών.

Αυτές οι μικροσκοπικές «χαρακιές» στα πτερά σπάνε τις μεγάλες δίνες που θα δημιουργούσε η κίνηση του φτερού για την παραγωγή άνωσης και ώσης σε πολλές μικροσκοπικές δίνες, που το ηχητικό αποτέλεσμα της κάθε μιας είναι ασήμαντο και το άθροισμά τους απλά δίνει λίγο δυνατότερο ήχο. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας  έναν πίνακα υπολογισμού που υπάρχει στο internet: (http://www.sengpielaudio.com/calculator-spl.htm ), βρίσκουμε ότι αν προσθέσουμε 10 ήχους των 20dB, το αποτέλεσμα θα είναι ένας ήχος μόνο 30dB.

Επιπλέον, το εσωτερικότερο τμήμα των φτερών, τόσο από την επάνω πλευρά όσο και από την κάτω, καλύπτεται από πολύ «αφράτα» πούπουλα που πνίγουν τον ήχο. Με αντίστοιχα πούπουλα μάλιστα, καλύπτεται και όλο σχεδόν το μήκος των ποδιών της.

Η τεχνική που χρησιμοποιεί για την πτήση της, βοηθάει επίσης πολύ στο να είναι αθόρυβη, καθώς η Τυτώ ενεδρεύει σε κάποιο κλαδί και η πτήση μέχρι το θήραμα είναι μια σύντομη κατολίσθηση με τα φτερά εκτεταμένα και με ελάχιστη κίνησή τους.

Αλλά και η ακοή και η όραση τη βοηθάει πολύ, καθώς η ακοή, πέρα από εξαιρετική είναι και «τρισδιάστατη», επειδή ο ένας ακουστικός πόρος βρίσκεται ψηλότερα από τον άλλον! Η όραση επίσης είναι εξαιρετική, με τίμημα τα μάτια της να είναι κάπως μακρόστενα και να μην μπορούν να περιστραφούν μέσα στις κόγχες τους. Κάτι που η Τυτώ (και οι άλλες κουκουβάγιες) αντισταθμίζει με τη δυνατότητα περιστροφής του κεφαλιού της κατά ¾  του κύκλου (270 μοίρες), από κάθε πλευρά.

Είναι χαρακτηριστικό, ότι η κουκουβάγια του χιονιού (Snowy Owl) ακούει τρωκτικά που κινούνται ακόμα και κάτω από παχύ χιόνι, και πετώντας με ακρίβεια στο σημείο εκείνο βυθίζει τα νύχια της «στα τυφλά» και τα αρπάζει.

Δείτε στο προτεινόμενο βίντεο, ηχητική σύγκριση της πτήσης της Τυτώς με άλλα πουλιά: https://www.youtube.com/watch?v=-WigEGNnuTE

Η τεχνική της δημιουργίας πολλών μικρών στροβίλων για την αποφυγή ενός μεγαλύτερου που περιγράφηκε παραπάνω, είναι γνωστή και εφαρμόζεται στην αεροναυτική, όχι κατ’ αρχήν για τη μείωση του θορύβου, αλλά για τη διατήρηση της ροής του αέρα ομαλής στο επάνω μέρος της πτέρυγας, ακόμα και σε μεγάλη γωνία προσβολής (γωνία με την οποία ο φαινόμενος άνεμος συναντά την πτέρυγα).

Αυτό γίνεται με την τοποθέτηση πολλών μικρών προεξοχών (δινογεννήτριες - vortex generators) κατά μήκος της πτέρυγας, σε συγκεκριμένα σημεία. Ίσως κάποτε, όταν ο θόρυβος των αεροπορικών κινητήρων μειωθεί σημαντικά (έχει ήδη γίνει αρκετή πρόοδος προς αυτή την κατεύθυνση), τα φτερά της Τυτώς να εμπνεύσουν και μεθόδους μείωσης του θορύβου που προέρχονται από την κίνηση των αεροσκαφών μέσα στον αέρα.

Η υπέροχη στατική* πτήση του κολίμπρι.

Μπορεί να είναι το πιο μικρό είδος πουλιού, αλλά είναι ικανό για ένα απίθανο κατόρθωμα. Να πετά μένοντας ακίνητο στον αέρα, και ειδικότερα κρατώντας το μακρύ ράμφος του τελείως ακίνητο, συνήθως στο βάθος ενός λουλουδιού. Και όχι μόνο αυτό, αλλά να μετακινείται αργά προς όλες τις κατευθύνσεις, ακόμα και προς τα πίσω, διατηρώντας πάντα μια σχεδόν κατακόρυφη στάση του σώματος. Αυτό το πετυχαίνει με την πολύ γρήγορη κίνηση των φτερών του εμπρός – πίσω, τα οποία ουσιαστικά αρθρώνονται στο επάνω μέρος του σώματος (όπως βλέπουμε το πουλί σχεδόν κατακόρυφο) και έχουν μια πιο ελαστική σύνδεση στο κάτω μέρος της ρίζας της πτέρυγας.

Σαν αποτέλεσμα, η προς τα εμπρός κίνηση της πτέρυγας είναι σχεδόν συμμετρική με την προς τα πίσω, και έτσι οι δύο οριζόντιες κινήσεις αλληλο-εξουδετερώνονται, και παραμένει η προς τα κάτω ώθηση του αέρα που εξασφαλίζει στο κολίμπρι την αιώρηση. Κάτι βέβαια που κάνουν τα ελικόπτερα, μόνο που στην περίπτωση αυτή οι πτέρυγες αντί να πάνε μπρος-πίσω γυρίζουν γύρω-γύρω, κάτι που για ευνόητους λόγους το κολίμπρι δεν θα μπορούσε να κάνει!

Υπάρχουν όμως μηχανικές απομιμήσεις που αντιγράφουν πολύ πετυχημένα τόσο το μέγεθος όσο και τη λειτουργία των πτερύγων των κολίμπρι.

Για να απολαύσετε την πτήση του κολίμπρι σε πολύ αργή κίνηση: https://www.youtube.com/watch?v=316AJOBQhew

*Στατική (ως προς το έδαφος) πτήση μπορούν να κάνουν και άλλα πουλιά, μόνον όμως όταν βρεθούν μέσα σ’ έναν αρκετά ισχυρό αντίθετο άνεμο.

Η πυξίδα στον εγκέφαλο.

Είναι γνωστό ότι τα αποδημητικά πουλιά βρίσκουν το δρόμο τους και επιστρέφουν στα ίδια μέρη με μεγάλη ακρίβεια, το ίδιο και τα περιστέρια παρόλο που τα τελευταία δεν είναι αποδημητικά. Αυτό που δεν είναι ακόμα γνωστό, τουλάχιστον με βεβαιότητα, είναι πώς το καταφέρνουν αυτό, αν και υπάρχουν διάφορες θεωρίες που οι περισσότερες περιστρέφονται γύρω από τον εντοπισμό του γήινου μαγνητικού πεδίου. Μία άποψη είναι ότι τα όργανα εντοπισμού της διεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου (κάποια κύτταρα που περιέχουν μαγνητίτη) βρίσκονται στη βάση του επάνω ράμφους (ειδικά στα περιστέρια), ενώ μία άλλη ότι τα μάτια των αποδημητικών πουλιών (ειδικά το δεξί σε ορισμένα απ΄αυτά) μπορούν με κάποιο τρόπο να αντιληφθούν το μαγνητικό πεδίου μέσω μιας ειδικής πρωτεΐνης που ενεργοποιείται από το πράσινο –μπλε τμήμα του φωτεινού φάσματος. Μάλιστα αυτή η ικανότητα, που ίσως βασίζεται στην κβαντική διεμπλοκή, έχει τόση ακρίβεια που μοιάζει να λειτουργεί περισσότερο σαν GPS παρά σαν απλή πυξίδα.

Όπως και να έχει, τα πουλιά καταφέρνουν εδώ και χιλιάδες χρόνια αυτό για το οποίο στα αεροπλάνα χρησιμοποιούσαν αρχικά τη μαγνητική πυξίδα (τα μικρά αεροπλάνα τη χρησιμοποιούν ακόμα), αργότερα τη γυροσκοπική που δεν επηρεάζεται από τις ανωμαλίες του γήινου μαγνητικού πεδίου, ειδικά κοντά στους πόλους, και πρόσφατα φυσικά το GPS.

Ελέγχοντας την υπερπίεση.

Στην εικόνα κάτω, συγκρίνεται η κεράτινη προεξοχή στο κέντρο του ρουθουνιού ενός γερακιού που περιορίζει την υπερπίεση που δημιουργείται κατά τη βύθισή του και θα μπορούσε να διαρρήξει τους πνεύμονές του, με το σύστημα που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της υπερπίεσης στους κινητήρες ενός υπερηχητικού αεροσκάφους για να διατηρούνται οι βέλτιστες συνθήκες καύσης. Στο αεροσκάφος βέβαια ο κώνος κινείται κατά το μήκος του, ώστε η εισαγωγή αέρα να προσαρμόζεται συνεχώς στο πολύ μεγαλύτερο εύρος ταχυτήτων.

Ανάποδη πτήση.

Το ότι πολλά αεροπλάνα (συνήθως μικρά ή στρατιωτικά) μπορούν να πετάξουν και ανάποδα είναι πολύ γνωστό, κάποια μάλιστα (τα ακροβατικά) πετούν σχεδόν εξίσου καλά είτε κανονικά είτε ανάποδα, για όσο τουλάχιστον αντέχει ο πιλότος.

Αυτό που δεν είναι ιδιαίτερα γνωστό όμως, είναι ότι και κάποια πουλιά, κυρίως χήνες, μπορούν και πετούν ανάποδα για μικρά διαστήματα.

Το γιατί το κάνουν δεν είναι γνωστό, φαίνεται όμως με τον τρόπο αυτό επιβραδύνουν και χάνουν ύψος απότομα, ενδέχεται όμως να το χρησιμοποιούν και για να "σπάσουν" την μονοτονία μιας παρατεταμένης πτήσης.

Στελθ γεράκι;

Τα στελθ (stealth) αεροσκάφη (με πολύ μικρό ίχνος αντανάκλασης ακτινοβολίας ραντάρ) είναι πλέον κάτι συνηθισμένο, αλλά έχουν περάσει από πολλά στάδια εξέλιξης. Μία από τις σχετικά πρόσφατες εξελίξεις είναι η κατάργηση του κάθετου ουραίου φτερού στα βομβαρδιστικά B-2, μια επιφάνεια που κλασικά παρέχει ευστάθεια γύρω από τον κατακόρυφο άξονα στα συμβατικά αεροσκάφη.

Αποτελεί όμως και σημαντική πηγή αντανακλάσεων ενός ραντάρ ανίχνευσης της παρουσίας εχθρικών αεροσκαφών, οπότε η καλύτερη λύση ήταν απλά ... να καταργηθεί. Κάτι όμως που πρακτικά δεν ήταν εφικτό πριν οι αυτοματισμοί εξελιχθούν τόσο ώστε να γίνουν αρκετά ευαίσθητοι και γρήγοροι, για να μπορέσουν να παίξουν αυτόν τον εξισορροπιστκό ρόλο ενεργοποιώντας συνεχώς κάποια ρυθμιστικά πτερύγια στις άκρες των φτερών.

Είναι όμως ένα σύστημα που το γεράκι έχει αναπτύξει εδώ και εκατομμύρια χρόνια (όχι για να γίνει στελθ, αλλά γρήγορο σε βύθιση), και καταφέρνει να διατηρεί την ευστάθειά του και να ρυθμίζει την τροχιά του με πολύ γρήγορες κινήσεις των άκρων της ουράς και των φτερών του. 

Ένα πολύ ωραίο παράδειγμα "βιομιμητικής" (αντιγραφή της Φύσης από την Τεχνολογία). 

Γρήγορη φόρτωση.

Δεν πρόκειται για "πυροσβεστικό" πουλί, αλλά μαζεύει ψάρια με αντίστοιχη μέθοδο με αυτήν ενός πυροσβεστικού αμφίβιου αεροσκάφους (πχ του γνωστού Canadair), που φορτώνει γρήγορα νερό για κατάσβεση.

Πώς πετούν τα ελικόπτερα, και πώς στρίβουν και "πετούν" τα τρένα

 Πώς πετούν τα ελικόπτερα

Είναι φανερό το πώς πετούν τα ελικόπτερα, έχουν εκείνον τον μεγάλο έλικα από πάνω τους, που γυρίζει και τα ανυψώνει. Άλλωστε το λέει και η λέξη: "ο έλικας που είναι φτερό". Βέβαια υπάρχουν και άλλες "κακεντρεχείς" απόψεις, όπως: 

"Επειδή είναι τόσο άσχημα που η Γη τα απωθεί", ή ότι 
"Το ελικόπτερο πετάει, παρότι οι μηχανισμοί του προσπαθούν να καταστρέψουν ο ένας τον άλλο", ή η συμβουλή: "Μην μπαίνεις σε ελικόπτερο που ΔΕΝ έχει διαρροή υδραυλικών. Το πιθανότερο είναι ότι δεν έχει  μείνει σταγόνα!"

Όχι από τα πιο όμορφα μηχανήματα, ούτε με το απλούστερο στροφείο το ρωσσικό Kamov, έχει πάντως καταφέρει να απαλλαγεί από το ουραίο στροφείο. Η ίδια λύση εφαρμόζεται και στα τηλεκατευθυνόμενα ελικόπτερα για αρχάριους (με πολύ πιο απλό στροφείο φυσικά!)

Το γεγονός είναι ότι τα ελικόπτερα είτε τα αγαπάς, είτε τα μισείς.

Οι λόγοι να τα αγαπήσεις είναι πολλοί.

Πάνε παντού και με οποιεσδήποτε σχεδόν συνθήκες, μπορούν να αιωρηθούν, να ανέβουν κατακόρυφα, να κινηθούν αργά, να κάνουν όπισθεν, να στρίψουν επιτόπου, και μοιάζουν να είναι το πιο ικανό μέσο μεταφοράς που έχει επινοήσει ο άνθρωπος (για κάποιους περιορισμούς, βλέπε το ΥΓ).

Όσοι όμως αγαπούν την πτήση δεν θεωρούν το ελικόπτερο μια καθαυτού ιπτάμενη μηχανή, αλλά μια μηχανή που βασικά μπορεί να αιωρείται.

Είναι γεγονός, ότι το ελικόπτερο περιορίζεται σε ταχύτητα από αεροδυναμικά φαινόμενα στα στροφεία του, χρειάζεται σημαντικά μεγαλύτερη ισχύ από ένα αντίστοιχο αεροπλάνο, έχει πολύ μεγαλύτερη πολυπλοκότητα, και επίσης κόστος απόκτησης, χρήσης και συντήρησης.

Αεροδυναμικά είναι ένας εφιάλτης αλληλοσυγκρουόμενων απαιτήσεων και συμβιβασμών, μηχανολογικά είναι «ζορισμένο» και πολύπλοκο, ενώ ποτέ δεν θα καταφέρει να απαλλαγεί εντελώς από κάποιους κραδασμούς και να πετάξει με τη «γλυκιά» αίσθηση ενός αεροπλάνου.

Επιπλέον, σε περίπτωση βλάβης του κινητήρα είναι πιο απαιτητικό στον χειρισμό του για να προσγειωθεί ομαλά απ’ ότι ένα αεροπλάνο και τέλος, δεν είναι εύκολο να εφοδιαστεί με βαλλιστικό αλεξίπτωτο για να αντιμετωπιστεί μια σοβαρή δομική αστοχία. Παρόλα αυτά, το ελαφρύ διθέσιο ιταλικό Zafhir είναι εφοδιασμένο με βαλλιστικό αλεξίπτωτο, τοποθετημένο επάνω από το κύριο στροφείο (εικόνα κάτω).

Ελικόπτερο σε ρόλο γερανού, ιδανικό για δυσπρόσιτες περιοχές.

Πράγματι, όπως είναι φανερό, το ελικόπτερο αποκτά την άνωσή του από τη μεγάλη έλικα που περιστρέφεται οριζόντια από πάνω του (κύριο στροφείο). Ο κινητήρας όμως δεν ξέρει ότι η δουλειά του είναι να γυρίζει μόνο το στροφείο. Αυτό που ξέρει είναι ότι πρέπει να γυρίζει τον άξονά του σε σχέση με τον ίδιο, και φυσικά περισσότερο θα γυρίσει ότι προβάλει μικρότερη αντίσταση.

Επειδή όμως ο κινητήρας μαζί με το ελικόπτερο έχει πολύ μεγαλύτερη αδράνεια σε σχέση με το στροφείο και τους μηχανισμούς του, το τελευταίο θα περιστραφεί προφανώς πολύ περισσότερο, αλλά και ο κινητήρας μαζί με το ελικόπτερο θα θέλει να περιστραφεί (πολύ λιγότερο όμως), και μάλιστα αντίστροφα.

Αυτό φυσικά θα πρέπει να αντιμετωπιστεί, και η συνηθέστερη μέθοδος είναι το ουραίο στροφείο, που ακριβώς αντισταθμίζει αυτή την αντίδραση ροπής του κινητήρα του ελικοπτέρου.

Πώς το ουραίο στροφείο αντισταθμίζει τη ροπή του κινητήρα. Υπόψη ότι το βέλος στο ουραίο δείχνει τη δύναμη που απαιτείται και όχι τη φορά του ρεύματος του αέρα, που είναι αντίθετη (δηλαδή προς τα δεξιά). Και για τους παρατηρητικούς: Κανονικά το ουραίο στροφείο (σε δεξιόστροφο κύριο στροφείο) θα έπρεπε να είναι δεξιά της ουράς, για να μην "φυσάει" επάνω της. Να σημειωθεί ακόμα, ότι επειδή η δύναμη από το ουραίο στροφείο δεν εφαρμόζεται ως  ζεύγος αντίρροπων δυνάμεων, σπρώχνει λίγο το ελικόπτερο προς το πλάι, κάτι που αντισταθμίζεται με ελαφρά κλίση του κύριου στροφείου προς την αντίθετη κατεύθυνση. 

Μάλιστα, το ουραίο στροφείο συνδέεται με άξονα με τον κύριο στροφείο, ώστε να παίρνει κίνηση ακόμα και στην περίπτωση που ο κινητήρας σταματήσει.

Στην τελευταία περίπτωση ο κινητήρας αποσυμπλέκεται αυτόματα από τα στροφεία για να μην τα φρενάρει, ώστε να εξακολουθούν να κινούνται από το ανοδικό ρεύμα του αέρα που δημιουργεί η (αναγκαστική πλέον) κάθοδος του ελικοπτέρου.

Μια άλλη μέθοδος με διπλό (όχι όμως ομόκεντρο) κύριο στροφείο, που καταργεί το ουραίο.

Το πιο πολύπλοκο σύστημα όμως του ελικοπτέρου είναι οι μηχανισμοί των αρθρώσεων των πτερύγων των στροφείων του. Τα στροφεία περιστρέφονται με σταθερή ταχύτητα σε όλο τα φάσμα της πτήσης, αλλά και τα δύο μπορούν να μεταβάλουν το βήμα τους (δηλαδή την κλίση των πτερυγίων τους) ομοιόμορφα αλλά ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, ενώ ειδικά το κύριο στροφείο μπορεί να δώσει διαφορετικό βήμα στις πτέρυγές του κατά τη διάρκεια κάθε περιστροφής.

Η σχετικά απλή αρχή λειτουργίας του κύριου στροφείου, όπου φαίνεται ο τρόπος που μεταφέρεται η  κίνηση της οδηγού πλάκας (lower swash plate) στην οδηγούμενη (upper swash plate). H κάτω μεταβάλλει την κλίση της ακολουθώντας τις κινήσεις του χειριστηρίου χωρίς να περιστρέφεται, ενώ η επάνω περιστρέφεται με τα πτερύγια, και αντιγράφει την κλίση της κάτω πλάκας. Η κάτω πλάκα (και φυσικά και η επάνω που την ακολουθεί) μπορεί να κινηθεί και κατά μήκος του άξονα, αλλάζοντας ομοιόμορφα το βήμα όλων των πτερύγων. Το Jesus Nut (ή Jesus Bolt), σημαίνει ότι το σπάσιμό του εξασφαλίζει άμεση συνάντηση μαζί Του! Στην πραγματικότητα σπάνια είναι ένα μόνο μπουλόνι, αν και ο άξονας είναι αναγκαστικά ένας.

Η πρώτη δυνατότητα καθορίζει την ανυψωτική δύναμη του ελικοπτέρου, και φυσικά πρέπει να συνδυαστεί με μεταβολή στο μοχλό του γκαζιού, ώστε να διατηρηθούν οι στροφές των στροφείων σταθερές.

Η δεύτερη δυνατότητα είναι αυτή που καθορίζει την οριζόντια κίνηση του ελικοπτέρου, καθώς για να κινηθεί προς τα εμπρός πχ, τα πτερύγια του κύριου στροφείου πρέπει να έχουν μεγαλύτερο βήμα όταν περνούν από το πίσω τόξο, παρά από το εμπρός, και φυσικά αυτό πρέπει να γίνεται όπως προαναφέρθηκε σε κάθε περιστροφή τους.

Πώς το ελικόπτερο κινείται προς τα εμπρός. Με την αύξηση του βήματος των πτερυγίων του κύριου στροφείου καθώς περνούν από το πίσω μέρος του ελικοπτέρου, «πετούν ψηλότερα» στην περιοχή αυτή, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει στην εμπρός περιοχή.

Με αυτόν τον τρόπο το στροφείο «γέρνει» προς τα εμπρός και έλκει το ελικόπτερο στην ίδια κατεύθυνση. Υπόψην ότι δεν μετακινείται, ούτε γέρνει ο άξονας του στροφείου αλλά μόνο τα πτερύγια, καθώς συνδέονται στον άξονα με άρθρωση ή ελαστικούς συνδέσμους.

Με αντίστοιχο τρόπο το ελικόπτερο παίρνει πλάγιες κλίσεις, που του επιτρέπουν να κινηθεί προς το πλάι (σε αιώρηση), ή να στρίψει όταν κινείται προς τα εμπρός.

Το ελικόπτερο για να στρίψει πρέπει να πάρει κλίση όπως τα αεροπλάνα, το ουραίο στροφείο μπορεί να το περιστρέψει πρακτικά μόνο σε αιώρηση.

Η αρχή λειτουργίας μπορεί να είναι (σχετικά) απλή, η κατασκευή όμως του στροφείου ενός ισχυρού ελικοπτέρου δεν είναι καθόλου απλή υπόθεση.

Η δυνατότητα του ελικόπτερου να πετάει σιγά και να απογειώνεται και προσγειώνεται κάθετα, κάνει πολλούς να νομίζουν ότι ο χειρισμός του είναι εύκολος.

Ισχύει ακριβώς το αντίθετο.

Το ελικόπτερο από τη φύση του είναι ασταθές, και σε αντίθεση με το αεροπλάνο που όταν το ρυθμίσεις μπορεί να πετάει σταθερά χωρίς ο πιλότος να αγγίζει τα χειριστήρια, το ελικόπτερο απαιτεί συνεχείς μικροδιορθώσεις.

Κάποιος εύστοχα παρομοίασε τον χειρισμό του ελικοπτέρου με την άσκηση ισορροπίας μιας ράβδου στο άκρο του δάκτυλου.

Και όπως συμβαίνει με τη ράβδο, όσο μικρότερο το ελικόπτερο τόσο πιο απαιτητικός γίνεται ο χειρισμός του.

Αυτό απαντά και στο γιατί τα τηλεκατευθυνόμενα μοντέλα ελικοπτέρων (που έχουν ακριβώς τους ίδιους μηχανισμούς με τα μεγάλα), σχεδόν κανείς δεν μπορεί να τα πετάξει χωρίς κάποια ηλεκτρονικά συστήματα ευστάθειας (γυροσκόπια).

Ένα ελικόπτερο-αεροπλάνο (Osprey) που προσπαθεί να συνδυάσει τα πλεονεκτήματα και των δύο, με το σύστημα στροφείων - κινητήρων να μπορεί να αλλάξει κατεύθυνση κατά 90 μοίρες. Πολύπλοκο όμως, και μόνο για στρατιωτική χρήση. Στη συγκεκριμένη φωτογραφία, εξαιτίας των τοπικών συνθηκών υγρασίας - θερμοκρασίας δημιουργούνται ίχνη συμπύκνωσης από τα ακροπτερύγια των στροφείων.

Μια αρκετά πιο απλή κατασκευή (ιδιαίτερα αγαπητή στους ερασιτέχνες) είναι το αυτόγυρο, που μειώνει το κόστος κατασκευής και χρήσης και απλοποιεί τον χειρισμό, με ελεύθερο στροφείο και προωθητική έλικα που μόνο αυτή συνδέεται στον κινητήρα. Στην εικόνα επάνω, διακρίνεται η ροή του αέρα στο στροφείου ενός αυτόγυρου (αριστερά), σε σχέση με αυτή ενός ελικόπτερου (δεξιά), σε συνθήκες σταθερής οριζόντιας πτήσης.

Το αυτόγυρο χρειάζεται αρκετό* διάδρομο για να απογειωθεί, μπορεί όμως να προσγειωθεί σχεδόν κατακόρυφα. Περιορίζεται πάντως σε μέγιστη ταχύτητα όπως και το ελικόπτερο, από το γεγονός ότι η πτέρυγα στην κίνησή της προς τα εμπρός (στην ουσία τα ακροπτερύγια) δεν μπορεί να ξεπεράσει την ταχύτητα του ήχου, σε σχέση με το ρεύμα αέρα στο οποίο κινείται.

*Για να αντιμετωπιστεί αυτό το μειονέκτημα, μπορεί να τοποθετηθεί ένας μηχανισμός που μοιάζει με τη μίζα του αυτοκινήτου (prerotator) και παίρνει κίνηση από τον κινητήρα (σε σχετικά χαμηλά στροφές), ώστε να φέρει το στροφείο κοντά στις ονομαστικές στροφές του. Στη συνέχεια με έναν χειρισμό ο μηχανισμός αποσυμπλέκεται οπότε η κίνηση να δίνεται μόνον στην έλικα, το γκάζι ανοίγει, οι στροφές ανεβαίνουν και η απογείωση έρχεται πολύ σύντομα.

Και ένα δέσμιο αυτόγυρο χωρίς κινητήρα, το Fa-330 που ανυψώνονταν συρόμενο σαν χαρταετός από ορισμένα γερμανικά υποβρύχια κατά τον Β'ΠΠ, και χρησίμευε σαν προσωρινό υπερυψωμένο παρατηρητήριο. 

Μια και αναφερθήκαμε παραπάνω στα τηλεκατευθυνόμενα, θα έχετε παρατηρήσει ότι τελευταία έχουν κατακλύσει την αγορά τα multicopters (ή drones), τηλεκατευθυνόμενες συσκευές με πολλούς οριζόντιους έλικες που συνήθως χρησιμοποιούνται για φωτογραφίσεις και βιντεοσκοπίσεις. 
Αυτά δεν μπορούν να θεωρηθούν ελικόπτερα, καθώς βασικά μπορούν μόνο να αιωρούνται (αλλά με μεγάλη ακρίβεια και σταθερότητα χάρη στα εξελιγμένα ηλεκτρονικά τους και επικοινωνία με GPS) επειδή οι έλικές τους δεν είναι στροφεία, δεν μπορούν δηλαδή να αλλάξουν βήμα και οι αλλαγές κατεύθυνσης γίνονται μόνο με διαφοροποίηση στην ταχύτητα των ηλεκτροκινητήρων των ελίκων. 
Καθώς τα multicopters είναι εύκολα στη χρήση τους, πέρα από τις βιντεοσκοπήσεις κάποιες εταιρείες σκέφτονται τη χρήση τους για παράδοση πακέτων «κατ’ οίκον», οπότε μάλλον θα υπάρξει συμφόρηση στους ουρανούς και ενδεχομένως προκύψουν και προβλήματα ασφαλείας. Μάλιστα σχετικά πρόσφατα (Απρίλιος 2016), η ολλανδική αστυνομία εκπαιδεύει αετούς (τα πουλιά), για να καταρρίπτουν drones που θα θεωρηθούν επικίνδυνα, ή ύποπτα για τρομοκρατικές ενέργειες.

Μια εικόνα από το όχι πολύ μακρινό μέλλον ενός Drone-taxi, που κάποια στιγμή θα συνδυαστεί και με αυτόνομη πτήση. Φυσικά είναι ηλεκτροκίνητο.

Τέλος, μια ακόμα διαφορά μεταξύ ελικοπτέρων και αεροπλάνων (για τους παρατηρητικούς), είναι ότι ο κυβερνήτης στο αεροπλάνο ασχέτως μεγέθους, κάθεται αριστερά, ενώ στο ελικόπτερο δεξιά.

Ο λόγος είναι ότι στα αεροδρόμια ο κύκλος για την προσγείωση των αεροπλάνων είναι παραδοσιακά αριστερόστροφος, οπότε η αριστερή θέση παρέχει καλύτερη ορατότητα.

Τα ελικόπτερα όμως προσεγγίζουν συνήθως κατ’ ευθείαν, και επί πλέον ο (κατά κανόνα δεξιόχειρας) κυβερνήτης από τη δεξιά θέση κάνει καλύτερη χρήση των χεριών του, μια και το ελικόπτερο φροντίζει να του τα κρατά συνεχώς απασχολημένα!

Και κάτι για τους πιο ειδικούς: Παραδοσιακά τα αμερικανικά, ιαπωνικά και ορισμένα ευρωπαϊκά ελικόπτερα έχουν το κύριο στροφείο αριστερόστροφο, όπως το κοιτάμε από επάνω, ενώ τα ρωσικά και τα περισσότερα ευρωπαϊκά δεξιόστροφο (όπως στο σχέδιο πιο πάνω). Το δεξιόστροφο έχει πλεονέκτημα όταν το ελικόπτερο βρίσκεται σε αιώρηση, καθώς πρέπει να γέρνει ελαφρά δεξιά για να αντισταθμίσει τη μεταφορική τάση από το ουραίο στροφείο, έτσι δίνει καλύτερη ορατότητα στον κυβερνήτη προς τα κάτω και διευκολύνει στις επιχειρήσεις με βαρούλκο διάσωσης (που είναι φυσικά τοποθετημένο δεξιά για άμεση ορατότητα από τον κυβερνήτη). 

Επίσης, το δεξιόστροφο σύστημα διευκολύνει τους πιλότους με εμπειρία από ελικοφόρα αεροσκάφη να διατηρήσουν το ρεφλέξ "πίεση στο δεξί ποδωστήριο για αύξηση ισχύος", καθώς το ίδιο ισχύει και για τα ελικόπτερα αυτής της διάταξης. Αντίθετα, για τα αριστερόστροφα ισχύει το "left to lift" (αριστερό <πόδι> για ανύψωση).

Η καλύτερη εικόνα που μπορεί να αντικρύσει ένας ναυαγός. Τα σύγχρονα ελικόπτερα διάσωσης όχι μόνο μπορούν να σταθεροποιηθούν αυτόματα πάνω από ένα σημείο, αλλά εφόσον βρίσκονται πάνω από πλοίο σε θαλασσοταραχή μπορούν να συγχρονιστούν και με το σκαμπανέβασμα του πλοίου, διατηρώντας σταθερή την απόστασή τους από το κατάστρωμα.

Στην εικόνα φαίνονται οι βασικές απαιτήσεις για να κερδηθεί το βραβείο Sikorsky των 250.000$, για αιώρηση ελικοπτέρου με μυϊκή δύναμη. Το βραβείο, που είχε αθλοθετηθεί το 1980, κερδήθηκε μόλις στις 13/6/2013 από την ομάδα του πανεπιστημίου του Τορόντο με τη συσκευή «Atlas» που σκιαγραφείται στην εικόνα, καταδεικνύοντας τον απαιτητικό μηχανισμό του ελικοπτέρου σε ισχύ και έλεγχο. Για σύγκριση, το αντίστοιχο βραβείο Kremer για πτήση αεροπλάνου με μυϊκή δύναμη που αθλοθετήθηκε το 1959, κερδήθηκε το 1977 .

  

Ένα ελικόπτερο μπορεί να εκτελέσει ακροβατικά, αλλά απαιτούνται ειδικές μετατροπές, πλούσιος χορηγός και τολμηρός πιλότος!

ΥΓ. Αν και είναι γενική η αντίληψη ότι τα ελικόπτερα πάνε παντού (εφόσον οι καιρικές συνθήκες το επιτρέπουν), έχουν και αυτά τους περιορισμούς τους. Οι περιορισμοί υπάρχουν για να εξασφαλίσουν ότι σε περίπτωση βλάβης του κινητήρα, το ελικόπτερο μπορεί να προσγειωθεί εκτελώντας "αυτοπεριστροφή", έναν λεπτό χειρισμό που μπορεί να κατεβάσει το ελικόπτερο στο έδαφος με ασφάλεια. Όμως, πρέπει να αποφεύγεται ο συνδυασμός υψόμετρου / ταχύτητας που φαίνεται με κόκκινο στο επάνω διάγραμμα, καθώς τότε δεν εξασφαλίζεται αρκετή δυναμική και κινητική ενέργεια στον διαθέσιμο χρόνο, για να εκτελεστεί η μανούβρα με επιτυχία. Συνιστώμενο σχετικό βίντεο: https://www.youtube.com/watch?v=BkF4b6OuXJ0

Πώς στρίβουν και πώς "πετούν" τα τρένα.

Η απάντηση στο πρώτο ερώτημα μοιάζει προφανής.

Οι τροχοί των τρένων έχουν ένα «νύχι» ή φλάντζα στην εσωτερική πλευρά τους, που δεν τους αφήνει να φύγουν από τις σιδηροτροχιές.

Όμως, αν οι τροχοί βασίζονταν μόνο στο νύχι για να μείνουν επάνω στις τροχιές, θα υπήρχε συχνή επαφή του νυχιού με τις ράγες προξενώντας θόρυβο, φθορά και ταλαντώσεις.

Στην πραγματικότητα, οι τροχοί των τρένων πέρα από το νύχι έχουν και μία κωνικότητα, η οποία είναι αυτή που τους κρατάει κεντραρισμένους στις ράγες και επίσης τους βοηθάει να ακολουθούν τις (ούτως ή άλλως ανοικτές) καμπές των σιδηροτροχιών.

Έτσι, ακόμα και χωρίς τιμόνι, το τρένο καταφέρνει να στρίψει!

Αυτή η κωνικότητα είναι μειωμένη στα τρένα υψηλών ταχυτήτων για αύξηση της σταθερότητας, αλλά σε αυτές τις περιπτώσεις οι καμπές επίσης είναι ακόμα πιο "ανοιχτές".

Στην αριστερή εικόνα, οι τροχοί κινούνται στην ευθεία και είναι κεντραρισμένοι στις ράγες. 

Στην δεξιά, το τρένο κινείται σε δεξιά καμπή (πηγαίνοντας «μέσα» στη σελίδα), οπότε από τις δυνάμεις αδράνειας ο αριστερός τροχός πλησιάζει το νύχι του στη ράγα, ενώ ο δεξιός το απομακρύνει.

Αυτό έχει σαν συνέπεια, εξαιτίας της κωνικότητας της επιφάνειά τους, ο αριστερός τροχός να «πατάει» σε μεγαλύτερη διάμετρο απ’ ότι ο δεξιός, με αποτέλεσμα το σύστημα άξονα και τροχών (που είναι ενιαίο) να τείνει να στρίψει δεξιά. Το ίδιο φαινόμενο φροντίζει ώστε οι τροχοί να κεντράρονται στις τροχιές όταν το τρένο κινείται σε ευθεία και να μην ακουμπούν το νύχι τους στη ράγα, καθώς οποιαδήποτε απόκλιση τείνει να στρίψει το σύστημα των τροχών διορθωτικά. 

Στο βίντεο: https://youtu.be/WAwDvbIfkos, ο διάσημος Φυσικός Richard Feynmann εξηγεί αυτό ακριβώς (στα αγγλικά).

Τα σύγχρονα τρένα με τα μακριά βαγόνια θα είχαν πρόβλημα να στρίψουν στις σχετικές κλειστές στροφές των παλιών σιδηροδρομικών γραμμών. Για να λυθεί το πρόβλημα αυτό, οι τροχοί τοποθετούνται ανά δύο ζεύγη σ’ ένα κοινό «φορείο» (bogie), το οποίο στηρίζει τις δύο άκρες του βαγονιού μέσω ενός κατακόρυφου άξονα, που επιτρέπει στο φορείο να παίρνει μικρή κλίση ως προς το βαγόνι. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει αρκετά ελατήρια και αμορτισέρ, για την καλύτερη απόσβεση των κραδασμών.

Τα σύγχρονα γρήγορα τρένα χρειάζονται και ομαλές σιδηροτροχιές. Η παλαιότερη λύση με τα κάθετα διάκενα (για τις διαστολές) που προκαλούσαν και τον χαρακτηριστκό ήχο της κύλισης του τρένου δεν είναι πλέον αποδεκτή*, οπότε είτε χρησιμοποιούνται λοξά διάκενα όπως στη φωτογραφία επάνω, είτε οι ράγες συγκολλούνται. Στην τελευταία περίπτωση όμως, για να αποφευχθούν στρεβλώσεις από τις διαστολές, πριν από την συγκόλληση οι ράγες είτε προθερμαίνονται είτε εφελκύονται, ώστε όταν θερμανθούν από το περιβάλλον να μειωθεί ή και να μηδενιστεί ο εφελκυσμός τους. Φυσικά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οι ράγες βρίσκονται σε εφελκυσμό, αλλά αυτό δεν μπορεί να τις στραβώσει καθώς μάλιστα οι συγκολλημένες ράγες συνήθως συνδυάζονται με τις πολύ ισχυρότερες τραβέρσες από μπετόν.

* Η σύνδεση των ραγών στις περιπτώσεις αυτές γίνονταν με πλάκες που βίδωναν εκατέρωθεν του άκρου κάθε ράγας με δύο περαστές βίδες ανά ράγα, αλλά υπήρχε αρκετός "τζόγος" μεταξύ των μπουλονιών και των οπών ώστε να επιτρέπεται ολίσθηση μεταξύ των ραγών (χρησιμοποιώντας και λίπανση) μέχρι και μισή ίντσα (13mm) το μέγιστο.

Πριν εξετάσουμε όμως το δεύτερο ερώτημα του τίτλου, δηλαδή αυτό της αναγκαιότητας των τροχών, ας δούμε σε εικόνες μερικούς σημαντικούς σταθμούς στην ιστορία των τρένων.

Η Rocket, η πρώτη πρακτική ατμομηχανή, σχεδιασμένη και κατασκευασμένη το 1829 από τον  Stephenson, με μέγιστη ταχύτητα 46 χλμ/ω.

Μια τυπική ατμομηχανή. Διακρίνονται οι κύλινδροι (μπλέ) που μετατρέπουν την πίεση του ατμού σε παλινδρομική κίνηση και οι διωστήρες που τη μετατρέπουν σε περιστροφική στους τροχούς. Τον κύριο όγκο της ατμομηχανής καταλαμβάνει ο λέβητας, που παράγει τον ατμό και τον... καπνό.

 Λεπτομέρεια της λειτουργίας της ατμομηχανής, και ο τρόπος που μεταδίδεται η κίνηση στους τροχούς. Να σημειωθεί ότι, καθώς η σύνδεση κάθε ζεύγους τροχών στον κοινό άξονα είναι συμπαγής, από την άλλη πλευρά η σύνδεση των τροχών στο βάκτρο είναι μετατοπισμένη κατά 90 μοίρες, ώστε σε όποια θέση και να σταματήσει η ατμομηχανή να μπορεί να μεταφερθεί ροπή στους τροχούς για να αρχίσουν να περιστρέφονται.

Στο εύλογο ερώτημα, γιατί ο ατμός στις ατμομηχανές των τρένων χάνεται στην ατμόσφαιρα και δεν συμπυκνώνεται για να επαναχρησιμοποιηθεί σαν νερό, η απάντηση είναι ότι γίνεται, αλλά μόνον όταν προβλέπεται ότι θα κινούνται σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς δυνατότητα ανεφοδιασμού σε νερό και καύσιμα. Στην εικόνα επάνω, το βαγόνι-συμπυκνωτής ενός τρένου της Νοτιο-αφρικανικής Ένωσης, πολύ μακρύτερο από την ίδια την ατμομηχανή!

 

Ένα τρένο πολύ μπροστά από την εποχή του. Το 1907 κατασκευάστηκε αυτό το τρένο μονής τροχιάς (monorail) το οποίο διατηρούσε την ισορροπία του με δύο μεγάλα διασυνδεδεμένα γυροσκόπια. Δεν προχώρησε πέρα από το πειραματικό στάδιο, ενώ τα σημερινά τρένα μονής τροχιάς, που χρησιμοποιούνται κυρίως σε υπερυψωμένες τροχιές σε πόλεις, σταθεροποιούνται με βοηθητικούς τροχούς στα πλάγια (εκτός αν είναι "κρεμαστά"). Για το τρένο του 1907, υπάρχει ένα πολύ καλό βίντεο (μαζί με τις αναπόφευκτες διαφημίσεις) εδώ: https://www.youtube.com/watch?v=kUYzuAJeg3M

Σύγχρονο τρένο μονής τροχιάς, αλλά με συμβατική σταθεροποίηση (με πλευρικούς τροχούς)

 Η Mallard (επάνω), που κατέχει το ρεκόρ ταχύτητας με 202 χλμ/ω για ατμοκίνητα τρένα από το 1938. Η ατμομηχανή απέκτησε το αεροδυναμικό της κάλυμμα μετά από επίσκεψη του κατασκευαστή της στον Ε. Bugatti, που ήταν πρωτοπόρος στη χρήση της αεροδυναμικής στα αυτοκίνητα. O κατασκευαστής της, φρόντισε επίσης να καλύψει και τα κενά ανάμεσα στα βαγόνια. Ένα άλλο σημαντικό θέμα της αεροδυναμικής των ατμοκίνητων τρένων ήταν να εξασφαλιστεί ότι ο καπνός δεν θα εισχωρούσε στα βαγόνια. Αυτό επιτεύχθηκε με δύο "παρωπίδες" στο εμπρός μέρος της ατμομηχανής, δίπλα στο φουγάρο (κάτω).

Τυπική διάταξη ηλεκτρικής μετάδοσης ισχύος, σε ντιζελοκίνητη μηχανή έλξης (locomotive). Ο ντιζελοκινητήρας (μπλε) κινεί μια γεννήτρια (μωβ), της οποίας η ισχύς ελέγχεται από ένα σύστημα με ρελέ και αντιστάσεις (καφέ), ενώ το ρεύμα τροφοδοτεί τελικά τους κινητήρες (πράσινο) που βρίσκονται σε κάθε άξονα. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγονται οι ογκώδεις μειωτήρες, ο έλεγχος της ταχύτητας είναι πολύ ομαλός και την έλξη την μοιράζονται όλοι οι  τροχοί, πολύ σημαντικός παράγοντας σε μεγάλες κλίσεις ή συνθήκες ολισθηρότητας (ο συντελεστής τριβής σίδερο με σίδερο είναι σχετικά μικρός).

Για τη βελτίωση του συντελεστή τριβής, σε μεγάλες κλίσεις ή και σε έντονο φρενάρισμα, μια ποσότητα άμμου που έχει αποθηκευτεί στη μηχανή έλξης εγχέεται μεταξύ τροχών και σιδηροτροχιάς.
 

To τρένο που παίρνει κλίση. Για να μπορέσει να αυξηθεί η ταχύτητα του τρένου πέρα από την ιδανική που επιβάλλει η (συνήθως μικρή) κλίση των σιδηροτροχιών, τη δεκαετία του ’80 κατασκευάσθηκαν (στην Αγγλία) και χρησιμοποιήθηκαν τρένα που το αμάξωμά τους μπορούσε να πάρει κλίση σε σχέση με τα φορεία των τροχών. Αν και η δοκιμή ήταν επιτυχημένη και με αυτόν τον τρόπο εξουδετερώνονταν οι αδρανειακές δυνάμεις που θα ενοχλούσαν τους επιβάτες, η πολυπλοκότητα της κατασκευής δεν ευνόησε την επικράτηση της μεθόδου.

Μία λύση που χρησιμοποιεί το γαλλικό Τρένο Μεγάλης Ταχύτητας (TGV) για να περιορίσει τις εγκάρσιες ταλαντώσεις στη σύνδεση των βαγονιών που μπορεί να συμβούν σε μεγάλες ταχύτητες, είναι η χρήση κοινού φορείου τροχών μεταξύ των βαγονιών.

Το τρένο που κατέρριψε (και κατέχει) το ρεκόρ ταχύτητας για τρένα σε σιδηροτροχιά με 575 χλμ/ω, κατά τη διαδρομή που του εξασφάλισε το ρεκόρ, το 2007. Προσέξτε τους θεατές, που είχαν συγκεντρωθεί για το γεγονός.

 

Για να καλύτερο φρενάρισμα, μερικά  τρένα μεγάλης ταχύτητας χρησιμοποιούν και αεροδυναμικά φρένα, όπως τα αεροπλάνα.

Το Aerotrain ήταν μια προσπάθεια μεταξύ των ετών 1965 - 1977 από τον Γάλλο Jean Bertin για ένα Τρένο Μεγάλης Ταχύτητας, που θα κινείτο σε στρώμα αέρα (σαν hovercraft), κατά μήκος μιας γραμμής - οδηγού σχήματος  αντεστραμμένου Τ. Τον Μάρτιο του 1974 μία πιο εξελιγμένη εκδοχή από αυτή της φωτογραφίας έφτασε τα 430 km/h, κινούμενο σε γραμμή μήκους 18 km. Ο θάνατος του εφευρέτη του τρία χρόνια αργότερα και η απόφαση των γαλλικών σιδηροδρόμων να στραφούν στα τρένα τεχνολογίας TGV, σταμάτησαν τις περαιτέρω προσπάθειες. Το γαλλικό Aerotrain δεν πρέπει να συγχέεται με το ομώνυμο αμερικάνικο κατασκευής 1950 της General Motors, το οποίο ήταν συμβατικής κατασκευής αλλά αεροδυναμικό και χρησιμοποιούσε αερανάρτηση.

Μακέτα εισόδου τούνελ για τρένο μεγάλης ταχύτητας. Τα ανοίγματα στην οροφή στην είσοδο του τούνελ μειώνουν τον κρότο από την απότομη συμπίεση του αέρα, τη στιγμή που το τρένο εισέρχεται στο τούνελ.

Τα τρένα μεγάλης ταχύτητας, που μπορούν δηλαδή να αναπτύξουν ταχύτητες πάνω από 250 χιλ/ω, γνωρίζουν μεγάλη ανάπτυξη στην Ευρώπη και την Ιαπωνία (και τελευταία και στην Κίνα), επειδή σε αποστάσεις μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων συναγωνίζονται με επιτυχία τα αεροπλάνα σε συνολικό χρόνο ταξιδιού, καθώς έχουν το πλεονέκτημα οι σταθμοί τους να βρίσκονται στο κέντρο των πόλεων.

Στην Ελλάδα το τρένο δεν είναι ιδιαίτερα δημοφιλής τρόπος ταξιδιού,  καθώς η παλιά χάραξη της μοναδικής ουσιαστικά γραμμής που διασχίζει την Ελλάδα δεν επιτρέπει μεγάλες ταχύτητες, εξαιτίας του ορεινού κατά βάση εδάφους.

Όμως, μερικοί ειδικοί συρμοί παραμένουν δημοφιλείς για τουριστικές διαδρομές ιδιαίτερου φυσικού κάλλους, όπως στο φαράγγι του Βουραϊκού στα Καλάβρυτα, στο Πήλιο και στον Νέστο.
Πολύ ωραίο είναι και το κομμάτι της ορεινής διαδρομής από Μπράλο μέχρι Λαμία, που περνάει τις γέφυρες Παπαδιάς, Ασωπού και Γοργοπόταμου.

Ο  νέας γενιάς «οδοντωτός» στο φαράγγι του Βουραϊκού (διαδρομή Διακοφτό – Καλάβρυτα). Διακρίνεται η μεσαία τροχιά με την οδόντωση, που υπάρχει στα τμήματα της διαδρομής που η κλίση είναι μεγάλη και εμπλέκεται σε ειδικό κινητήριο γρανάζι στο κάτω μέρος του τρένου.

Αλλά και στις ΗΠΑ το τρένο δεν είναι πολύ δημοφιλές για τους επιβάτες (είναι για τα εμπορεύματα), καθώς για τις μεσαίες αποστάσεις προτιμάται η χρήση του αυτοκινήτου. Γι’ αυτό και στις στις ΗΠΑ η τεχνολογία των τρένων είναι σχετικά ξεπερασμένη.

Η τελευταία εξέλιξη στην τεχνολογία των τρένων είναι τα τρένα μαγνητικής αιώρησης, που όπως υπονοήσαμε στην αρχή του άρθρου, είναι αυτά που πρακτικά δεν χρειάζονται τροχούς.

Τα τρένα μαγνητικής αιώρησης (MAGLEV = MAGnetic LEVitation), είναι δύο βασικών τύπων. Ηλεκτρομαγνητικής αιώρησης (επάνω 1^η εικόνα) και ηλεκτροδυναμικής αιώρησης (επάνω 2^η εικόνα). 
Στην πρώτη περίπτωση, οι κύριοι ηλεκτρομαγνήτες του τρένου το έλκουν προς τη «ράγα», ενώ οι πλευρικοί ηλεκτρομαγνήτες το κεντράρουν.
Πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζονται τροχοί, καθώς το σύστημα δουλεύει και εν στάσει. Μειονέκτημα, τα πολύπλοκα ηλεκτρονικά ώστε να ελέγχεται και να ρυθμίζεται συνεχώς και ταχύτατα η έλξη των μαγνητών (ή έλξη των μαγνητών μεταβάλλεται με το αντίστροφο του κύβου της απόστασης), για να διατηρούνται τα διάκενα σταθερά.

Στη δεύτερη περίπτωση, ισχυροί μαγνήτες επάνω στο τρένο καθώς κινείται επάγουν ρεύμα σε πηνία στα πλάγια της ράγας, έτσι ώστε η αντίθετη πολικότητα που δημιουργείται αυτόματα (εξαιτίας της επαγωγής) να σηκώνει και να κεντράρει το τρένο. 
Καθώς μάλιστα το φαινόμενο δημιουργεί άπωση, όλα τα διάκενα αυτορυθμίζονται. 
Πλεονέκτημα, η απλούστερη κατασκευή. 
Μειονέκτημα είναι ότι χρειάζονται τροχοί για να υποστηρίζουν το τρένο όταν κινείται με μικρή ταχύτητα (κάτω από τα 100 χλμ/ω), και φυσικά όταν είναι σταματημένο.
Στις μεγάλες ταχύτητες, έχουν επικρατήσεις τα MAGLEV ηλεκτροδυναμικής αιώρησης. 

Και στις δύο μεθόδους μαγνητικής αιώρησης, η προώθηση του τρένου γίνεται με ξεχωριστά πηνία (απ' αυτά της αιώρησης) που βρίσκονται επάνω στη ράγα και επιδρούν με τους μαγνήτες επάνω στο τρένο, με την ίδια περίπου αρχή που λειτουργεί ένας γραμμικός επαγωγικός κινητήρας (βλ εικόνα παρακάτω).

Ένας αυτοματισμός με αισθητήρες συγχρονίζει τη συχνότητα του τριφασικού ρεύματος που τροφοδοτεί τα πηνία προώθησης, με την ταχύτητα του τρένου.

Η αρχή του γραμμικού κινητήρα. Επάνω, ένας κλασικός επαγωγικός κινητήρας. Αν θεωρήσουμε ότι κάνουμε μια τομή στον στάτη και τον «ξετυλίξουμε», θα έχουμε έναν γραμμικό κινητήρα. Το πρόβλημα είναι ότι θα πρέπει να προστεθούν πηνία στον στάτη, ώστε να καλύψουν όλο το μήκος της διαδρομής που χρειαζόμαστε.

Τροχιά συστήματος ηλεκτροδυναμικής αιώρησης. Με κόκκινο τα πηνία κεντραρίσματος, που δεν τροφοδοτούνται με ρεύμα. Με μπλέ τα πηνία προώθησης που τροφοδοτούνται με τριφασικό ρεύμα, ρυθμιζόμενης συχνότητας. Στο κέντρο, οι διάδρομοι που πατάνε οι τροχοί, στις χαμηλές ταχύτητες.
  

Το ιαπωνικό τρένο που κατέχει το ρεκόρ ταχύτητας για επανδρωμένα τρένα μαγνητικής αιώρησης με 603 χλμ/ω, τον Απρίλιο του 2015. Το τρένο είναι προς το παρόν πειραματικό με ειδικά διαμορφωμένο ρύγχος και κινήθηκε σε ειδική τροχιά. Όμως, το ταχύτερο δρομολογημένο τρένο μαγνητικής αιώρησης είναι στην 30 χιλιομέτρων διαδρομή από το αεροδρόμιο της Σαγκάης στη Σαγκάη, που έχει φθάσει την ταχύτητα των 430 χλμ/ω.

Τον Ιανουάριο του 2021 ανακοινώθηκε η κατασκευή ενός κινέζικου τρένου μαγνητικής αιώρησης που θα φθάνει τα 620 χλμ/ω, όταν ξεπεράσει το στάδιο των δοκιμών στο οποίο βρίσκεται προς το παρόν.

Ένα διαφορετικό είδος τρένου, τα Roller Coaster, που προσφέρουν άλλου είδους συγκινήσεις στους επιβάτες τους, όπως να βιώσουν ακροβατικές μανούβρες μέχρι +5g, που μόνο ένα μαχητικό αεροσκάφος μπορεί να προσφέρει. Τα τρενάκια αυτά αρχικά ανεβαίνουν στο ψηλότερο σημείο της τροχιάς τους ρυμουλκούμενα από σύστημα ενσωματωμένο στην τροχιά ή με εκτόξευση, και στη συνέχεια αναλαμβάνει η βαρύτητα.

Μία ειδική περίπτωση τρένου είναι το μετρό, που είναι τοπικό, υπόγειο συνήθως τρένο μέσα στα όρια μιας εκτεταμένης πόλης (μητρόπολης). 
Για ευνόητους λόγους, τα μετρό ήταν από τα πρώτα τρένα που ηλεκτροκινήθηκαν και στα οποία, όπου ήταν δυνατόν, εφαρμόσθηκε η ανάκτηση ενέργειας με φυσικό τρόπο.
Κατασκευάζοντας δηλαδή τους σταθμούς πιο κοντά στο έδαφος (ώστε και οι επιβάτες να έχουν ευκολότερη πρόσβαση), σε σχέση με την υπόλοιπη γραμμή, τα τρένα χρειάζονταν λιγότερο φρενάρισμα καθώς ο σταθμός βρίσκονταν στο τέλος ενός ανήφορου, και αντίστοιχα επιτάχυναν γρηγορότερα καθώς έφευγαν.
Σήμερα βέβαια, με τα ηλεκτρονικά συστήματα επιστροφής της ενέργειας του φρεναρίσματος στο ηλεκτρικό δίκτυο, η μέθοδος αυτή έχει χάσει την αξία της.
 
Και για να κλείσουμε σε λίγο διαφορετικό κλίμα, αρκετά ελληνικά τραγούδια έχουν σαν θέμα το τρένο και την απόσταση που βάζει ανάμεσα στους ανθρώπους.

Ενδεικτικά, και από τα παλαιότερα:

-      Κάποιο τρένο.

-     Το τρένο φεύγει στις 8.

-     Τα τρένα που φύγαν.

-     Πάει έφυγε το τρένο.

-      Κάνε κάτι να χάσω το τρένο.

-   Σ' ένα εξπρές.

-   Φωτιά στα τρένα.

-   Το τρένο Γερμανίας - Αθηνών.

-   Στο σταθμό του Μονάχου.

-   Γύριζαν τα τρένα.

ΥΓ1: Μετά το τραγικό σιδηροδρομικό δυστύχημα των Τεμπών στις 28/2/2023, ταιριάζει και το "Ελένη" που πρωτοτραγούδησε η Χαρούλα Αλεξίου το 1986.

ΥΓ2: Η αυστραλιανή εταιρεία εξόρυξης σιδηρούχων ορυκτών Fortescue, σκοπεύει να κάνει τo τρένο της που μεταφέρει το μετάλλευμα σε χαμηλότερο υψόμετρο ουδέτερο ως προς τις εκπομπές CO2 μέχρι το 2030 χρησιμοποιώντας τεχνολογία F1, καθώς θα φορτίζει τις μπαταρίες του κατεβαίνοντας φορτωμένο (ουσιαστικά φρενάροντας), οπότε θα έχει συσσωρεύσει αρκετή ενέργεια για να κάνει την αντίστροφη ανηφορική διαδρομή, ξεφόρτωτο.