Пилотирани космически мисии: Защо завръщането на Земята все още е проблем?

Винаги очакваме с нетърпение пилотирани мисии в космоса, но днес ще говорим защо връщането на екипажи на Земята все още е огромно предизвикателство.

Космосът винаги е привличал хората, бил е нещо загадъчно, неизследвано. Зори, далечни планети ни мамят, насърчават ни към изследвания, експерименти и междупланетни полети. Заслужава да се каже, че напоследък космическите полети, въпреки че все още не пътуваме в първа класа, изглежда се усвояват в основен обем. Мисията Artemis 1 до Луната вече трябваше да лети, но поради метеорологичните условия изстрелването беше отложено за 2 септември. И докато сме в трепетно ​​очакване на изстрелването, трябва да разберем, че завръщането също ще бъде критичен момент, въпреки факта, че е безпилотна мисия.

Космическите мисии могат да бъдат разделени на два класа. Тези, при които космическият кораб някой ден ще се върне на Земята, са предимно пилотирани мисии и такива, които получават еднопосочен билет. Тук можем да споменем и бъдещи пилотирани мисии, например до Марс на Илон Мъск, които не е задължително да се върнат на Земята. Но в действителност такъв самолет също трябва да кацне някъде. Оказва се, че фазата на кацане е най-трудната част от подобни мисии. Днес ще се опитаме да го разберем.

Прочетете също:

• 100 години квантова физика: от теориите от 1920-те години на миналия век до компютрите
• 5 бъдещи космически мисии, за които да помислите

Безопасност на екипажа и оборудването

Откакто човек за първи път полетя в космоса, ние се тревожим за здравето му и за цялостния успех на полета. В случай на пилотирани полети всеки момент може да бъде критичен. Безопасността на екипажа и оборудването на борда, ако става въпрос за безпилотна мисия, винаги е била приоритет. Инженерите и ръководителите на такива мисии, както и самите космонавти или астронавти разбираха всички рискове от подобни полети. Не всички от тези мисии бяха успешни, особено първите, но беше важно да се направят изводи, да се коригират грешките и да не се повтарят в бъдеще.

Например, по време на първата мисия на космическия кораб "Аполо", всичко завърши трагично на етапа на тестовете преди изстрелването. В известната мисия Аполо 13 по време на полета се случи инцидент, в резултат на който кацането на повърхността на Луната стана невъзможно. Добре е, че беше възможно да се спаси екипажът и успешно да се изведе корабът на 7,5 км от самолетоносача Иво Джима. Заключенията бяха направени и следващият кораб на мисията беше изпратен в космоса само 5 месеца по-късно. Дори най-успешната мисия на Аполо 11 беше изпълнена с напрегнати моменти по време на кацането на астронавтите на повърхността на Луната и последвалото излитане и връщане на Земята. Съветският космически кораб "Союз" също претърпя много аварии. Това, за съжаление, беше и е норма в космическата индустрия.

Да, това са предимно единични, непредвидими ситуации. Въпреки това във всяка пилотирана космическа мисия, включваща връщане на Земята, има момент, който винаги е зашеметяващ. Вероятно знаете непредсказуемите проблеми, които възникват при кацане на безпилотни превозни средства на Марс, но в случай на пилотирани мисии човешки животи са застрашени. Всички помним катастрофата от 2003 г. - по време на кацането совалката "Колумбия" просто изгоря в плътните слоеве на атмосферата, целият екипаж от седем души загина трагично.

По-долу е даден фрагмент от филма "Аполо-13", който демонстрира процеса на кацане на астронавтите на Земята. Разбира се, това е филм, който има свои правила, не е задължително да отразява точно реалността, но не е и много по-различен от нея.

Прочетете също: Космически телескоп Джеймс Уеб: 10 цели за наблюдение

Защо безопасното връщане на Земята от космоса е такъв проблем?

Изглежда, че гравитацията трябва да помогне тук, така че няма нужда да се мъчите да забавите ракетата. Но скоростта му е десетки хиляди километри в час - това е скоростта, необходима на устройството или да излезе в орбита около Земята (т.нар. първа космическа скорост, т.е. 7,9 km/s), или дори да я надмине ( втората космическа скорост, т.е. 11,2 km/s) и е летял например до Луната. И точно тази висока скорост е проблемът.

Ключовият момент при връщане на Земята или при кацане на друга планета е спирането. Това е толкова обезпокоително, колкото и ускоряването на кораба по време на излитане. В крайна сметка ракетата не се е движила спрямо Земята преди излитане. И няма да бъде и след като тя кацне. Както и със самолета, на който се качваме на летището. Въпреки че в полет достига скорост от 900 км/ч (крейсерската скорост на среден пътнически самолет), след кацане спира отново.

Това означава, че ракета, която предстои да кацне на Земята, трябва да намали скоростта си до нула. Звучи просто, но не е. Самолет, който трябва да намали скоростта си от 900 км/ч до 0 км/ч спрямо Земята, има много по-лесна задача от ракета, която се движи с около 28 000 км/ч. Освен това ракетата не само лети с безумна скорост, но и навлиза почти вертикално в плътните слоеве на атмосферата. Не под ъгъл като самолет, а почти вертикално след излизане от орбитата на Земята.

Единственото нещо, което може ефективно да забави самолет, е земната атмосфера. А той е доста плътен дори във външните слоеве и причинява триене на повърхността на спускащото се устройство, което при неблагоприятни условия може да доведе до неговото прегряване и разрушаване. И така, след като космическият кораб се забави до скорост, малко по-малка от тази на първия космически кораб, той започва да се спуска, падайки на Земята. Чрез избора на подходяща траектория на полета в атмосферата е възможно да се осигури възникването на натоварвания, които не надвишават допустимата стойност. Но по време на спускане стените на кораба могат и трябва да се нагреят до много висока температура. Следователно безопасното спускане в земната атмосфера е възможно само ако има специално термично защитно устройство на външния корпус.

Дори марсианската атмосфера, която е повече от 100 пъти по-тънка от земната, е сериозна пречка. Това се усеща от всички апарати, които се спускат на повърхността на Червената планета. Доста често с тях се случват инциденти или те просто изгарят в атмосферата на Марс.

Понякога такова спиране е полезно, както се вижда от мисии, в които атмосферата служи като допълнителна спирачка, помагайки на превозните средства да навлязат в целевата орбита на планетата. Но това са по-скоро изключения.

Също интересно:

• Защо звездите блестят?
• Защо космическите кораби са оборудвани с процесори от 20-ти век

Атмосферното спиране е ефективно, но има огромни недостатъци

Да, атмосферното спиране е доста ефективно, но има огромни недостатъци, въпреки че е необходимо за ефективно спиране.

Такова забавяне в случай на орбитални мисии до други планети не е пълно и връщането на Земята е свързано с пълно забавяне. Същото важи и за кацането на марсохода на Марс. Сонда, която влиза в нейната орбита, не трябва да спира напълно, в противен случай ще падне на повърхността на Червената планета.

Устройствата в космоса, които обикалят около Земята или се връщат от Луната, се движат с огромните скорости, които са им дадени в момента на излитане. Затова например Международната космическа станция от време на време коригира орбитата, като я повишава, защото колкото по-висока е тя, толкова по-ниска трябва да е скоростта, необходима за оставане в орбита.

Тъй като осигуряването на тези скорости изисква съответен разход на енергия, спирането трябва да бъде свързано с подобен разход на енергия. Следователно, ако беше възможно апаратът да се забави, преди да навлезе в атмосферата, да лети с ниска скорост или дори бавно да падне на Земята, той нямаше да се нагрява толкова много и опасността за екипажа би била незначителна.

Тук се крие уловката. Космическите полети изискват огромни разходи за енергия. Масата на полезния товар на ракетата е малка част от общата излетна маса на ракетата. В по-голямата си част в средата на ракетата има гориво, по-голямата част от което се изгаря на първия етап на преминаване през долните слоеве на атмосферата. Необходимо е да изпратите оборудването или екипажа на кораба в космоса. Горивото е необходимо и за излизане от орбитата на Земята при кацане, и то много голямо количество. Следователно при спиране има риск горивото да предизвика запалване на кораба. В повечето случаи именно резервоарите за гориво експлодират от високата температура при кацане.

Също интересно:

• 10-те най-странни неща, които научихме за черните дупки през 2021 г
• Тераформиране на Марс: Може ли Червената планета да се превърне в нова Земя?

Кацане, подобно на излитане, само в обратна посока

За да се забави почти напълно превозното средство преди навлизане в атмосферата, ще е необходимо да се използва същото количество гориво, както по време на излитане, като се приеме, че масата на превозното средство не се променя значително по време на мисията. Но когато към теглото на кораба добавим горивото, необходимо за повдигане на кораба и за последващо спиране, то се оказва многократно увеличено. И точно това тъжно икономическо изчисление означава, че все още е необходимо да се разчита на инхибирането на земната атмосфера.

Например при кацане на ракети Falcon 9 на SpaceX се използва гориво, но тук самата ракета е много лека (най-вече само резервоарът за гориво се връща на Земята), а връщането от далечна орбита не се извършва.

Инженерите са изчислили, че кацането на Земята изисква същите горивни ресурси на килограм, както и излитането в орбита. Тоест, това е почти като излитане, само че в обратната посока.

И вероятно ще бъде така още дълго време. Не само по време на мисиите на Artemis 1, но и след като човек достигне Червената планета. Когато до известна степен това препятствие бъде преодоляно, тогава ще можем да кажем, че най-накрая сме усвоили космическите полети. Защото всеки може да излети, но може да има проблеми с кацането.

Но историята знае много примери, когато нашите учени и инженери успяха да решат сложни проблеми. Надяваме се, че много скоро полет до Луната или Марс няма да бъде по-труден от полет от Ню Йорк до Киев. С приятно и безопасно кацане.

Ако искате да помогнете на Украйна да се бори с руските окупатори, най-добрият начин да го направите е да дарите на въоръжените сили на Украйна чрез Savelife или през официалната страница НБУ.

Прочетете също:

• Наблюдение на Червената планета: История на марсианските илюзии
• Телепортация от научна гледна точка и нейното бъдеще