Wir freuen uns immer auf bemannte Missionen in den Weltraum, aber heute werden wir darüber sprechen, warum die Rückkehr von Besatzungen zur Erde immer noch eine große Herausforderung ist.
Der Weltraum hat die Menschen schon immer angezogen, er war etwas Mysteriöses, Unerforschtes. Dämmerungen, ferne Planeten winken uns, regen uns zum Forschen, Experimentieren und zu interplanetaren Flügen an. Es ist erwähnenswert, dass Weltraumflüge in letzter Zeit, obwohl wir immer noch nicht in der ersten Klasse reisen, in einem Grundvolumen gemeistert zu werden scheinen. Die Mission Artemis 1 zum Mond sollte bereits fliegen, aber aufgrund der Wetterbedingungen wurde der Start auf den 2. September verschoben. Und während wir gespannt auf den Start warten, müssen wir verstehen, dass die Rückkehr auch ein kritischer Moment sein wird, obwohl es sich um eine unbemannte Mission handelt.
Weltraummissionen können in zwei Klassen eingeteilt werden. Diejenigen, bei denen das Raumschiff eines Tages zur Erde zurückkehren wird, sind meist bemannte Missionen und solche, die ein One-Way-Ticket erhalten. Hier können wir auch zukünftige bemannte Missionen erwähnen, zum Beispiel zum Mars von Elon Musk, die nicht unbedingt zur Erde zurückkehren werden. Aber in Wirklichkeit muss so ein Flugzeug auch irgendwo landen. Es stellt sich heraus, dass die Landephase der schwierigste Teil solcher Missionen ist. Heute werden wir versuchen, es herauszufinden.
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Sicherheit von Besatzung und Ausrüstung
Seit der Mensch zum ersten Mal ins All geflogen ist, machen wir uns Sorgen um seine Gesundheit und den Gesamterfolg des Fluges. Bei bemannten Flügen kann jeder Moment kritisch sein. Die Sicherheit der Besatzung und der Ausrüstung an Bord, wenn es sich um eine unbemannte Mission handelt, hatte schon immer Priorität. Ingenieure und Leiter solcher Missionen sowie Kosmonauten oder Astronauten selbst waren sich aller Risiken solcher Flüge bewusst. Nicht alle dieser Missionen waren erfolgreich, insbesondere die ersten, aber es war wichtig, Schlussfolgerungen zu ziehen, Fehler zu korrigieren und sie in Zukunft nicht zu wiederholen.
Während der ersten Mission des Apollo-Raumfahrzeugs beispielsweise endete alles tragisch in der Phase der Pre-Launch-Tests. Bei der berühmten Mission Apollo 13 ereignete sich während des Fluges ein Unfall, wodurch eine Landung auf der Mondoberfläche unmöglich wurde. Es ist gut, dass es gelungen ist, die Besatzung zu retten und das Schiff erfolgreich 7,5 km vom Flugzeugträger Iwo Jima entfernt zu bringen. Es wurden Schlussfolgerungen gezogen und das nächste Missionsschiff wurde nur 5 Monate später ins All geschickt. Selbst die erfolgreichste Apollo-11-Mission war voller angespannter Momente während der Landung der Astronauten auf der Mondoberfläche und dem anschließenden Start und der Rückkehr zur Erde. Auch das sowjetische Raumschiff Sojus erlitt viele Unfälle. Dies war und ist leider die Norm in der Raumfahrtindustrie.
Ja, das sind meist einmalige, unvorhersehbare Situationen. Bei jeder bemannten Weltraummission, die die Rückkehr zur Erde beinhaltet, gibt es jedoch immer einen atemberaubenden Moment. Sie kennen wahrscheinlich die unvorhersehbaren Probleme, die bei der Landung unbemannter Fahrzeuge auf dem Mars auftreten, aber bei bemannten Missionen stehen Menschenleben auf dem Spiel. Wir alle erinnern uns an die Katastrophe von 2003 - während der Landung verbrannte das Shuttle "Columbia" einfach in den dichten Schichten der Atmosphäre, die gesamte siebenköpfige Besatzung starb auf tragische Weise.
Unten ist ein Fragment aus dem Film "Apollo-13", der den Prozess der Landung der Astronauten auf der Erde demonstriert. Natürlich ist dies ein Film, der seine eigenen Regeln hat, er spiegelt die Realität nicht unbedingt genau wider, aber er unterscheidet sich auch nicht sehr von ihr.
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Warum ist die sichere Rückkehr aus dem Weltraum zur Erde ein solches Problem?
Es scheint, dass die Schwerkraft hier helfen sollte, sodass Sie nicht kämpfen müssen, um die Rakete zu verlangsamen. Aber seine Geschwindigkeit beträgt Zehntausende von Kilometern pro Stunde - das ist die Geschwindigkeit, die das Gerät benötigt, um entweder in die Umlaufbahn um die Erde zu gelangen (die sogenannte erste kosmische Geschwindigkeit, dh 7,9 km/s) oder sogar darüber hinauszugehen ( die zweite kosmische Geschwindigkeit, also 11,2 km/s) und flog beispielsweise zum Mond. Und genau diese hohe Geschwindigkeit ist das Problem.
Der entscheidende Punkt bei der Rückkehr zur Erde oder bei der Landung auf einem anderen Planeten ist das Bremsen. Dies ist so mühsam wie das Beschleunigen des Schiffs während des Starts. Schließlich hat sich die Rakete vor dem Start nicht relativ zur Erde bewegt. Und es wird auch nicht sein, nachdem sie gelandet ist. Wie beim Flugzeug steigen wir am Flughafen ein. Obwohl es im Flug eine Geschwindigkeit von 900 km/h (die Reisegeschwindigkeit eines mittelgroßen Passagierflugzeugs) erreicht, bleibt es nach der Landung wieder stehen.
Das bedeutet, dass eine Rakete, die auf der Erde landen soll, ihre Geschwindigkeit auf Null reduzieren muss. Klingt einfach, ist es aber nicht. Ein Flugzeug, das relativ zur Erde von 900 km/h auf 0 km/h abbremsen muss, hat eine viel einfachere Aufgabe als eine Rakete, die mit etwa 28 km/h unterwegs ist. Außerdem fliegt die Rakete nicht nur mit wahnsinniger Geschwindigkeit, sondern dringt auch fast senkrecht in die dichten Schichten der Atmosphäre ein. Nicht schräg wie ein Flugzeug, sondern fast senkrecht nach dem Verlassen der Erdumlaufbahn.
Das einzige, was ein Flugzeug effektiv verlangsamen kann, ist die Erdatmosphäre. Und es ist auch in den äußeren Schichten ziemlich dicht und verursacht Reibung an der Oberfläche des Abstiegsgeräts, was unter ungünstigen Bedingungen zu dessen Überhitzung und Zerstörung führen kann. Nachdem das Raumschiff auf eine etwas geringere Geschwindigkeit als das erste Raumschiff abgebremst wurde, beginnt es abzusinken und auf die Erde zu fallen. Durch die Wahl der geeigneten Flugbahn in der Atmosphäre kann sichergestellt werden, dass Belastungen den zulässigen Wert nicht überschreiten. Während des Abstiegs können und sollten sich die Wände des Schiffes jedoch auf eine sehr hohe Temperatur erwärmen. Daher ist ein sicherer Abstieg in die Erdatmosphäre nur möglich, wenn eine spezielle Wärmeschutzvorrichtung am Außengehäuse vorhanden ist.
Auch die Marsatmosphäre, die mehr als 100-mal dünner ist als die der Erde, ist ein ernsthaftes Hindernis. Dies wird von allen Geräten gespürt, die auf die Oberfläche des Roten Planeten herabsteigen. Nicht selten passieren mit ihnen Unfälle oder sie verglühen einfach in der Marsatmosphäre.
Manchmal ist ein solches Bremsen nützlich, wie Missionen belegen, bei denen die Atmosphäre als zusätzliche Bremse diente und den Fahrzeugen half, in die Zielumlaufbahn des Planeten einzudringen. Aber das sind eher Ausnahmen.
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Atmosphärisches Bremsen ist effektiv, hat aber enorme Nachteile
Ja, atmosphärisches Bremsen ist ziemlich effektiv, hat aber enorme Nachteile, obwohl es für ein effektives Bremsen notwendig ist.
Eine solche Verzögerung ist bei orbitalen Missionen zu anderen Planeten nicht vollständig, und die Rückkehr zur Erde ist mit einer vollständigen Verzögerung verbunden. Gleiches gilt für die Landung des Rovers auf dem Mars. Eine Sonde, die in ihre Umlaufbahn eintritt, darf nicht zum Stillstand kommen, sonst würde sie auf die Oberfläche des Roten Planeten fallen.
Geräte im Weltraum, die die Erde umkreisen oder vom Mond zurückkehren, bewegen sich mit der enormen Geschwindigkeit, die ihnen zum Zeitpunkt des Starts verliehen wurde. Daher passt beispielsweise die Internationale Raumstation die Umlaufbahn von Zeit zu Zeit an und hebt sie an, denn je höher sie ist, desto geringer sollte die Geschwindigkeit sein, die erforderlich ist, um im Orbit zu bleiben.
Da das Bereitstellen dieser Geschwindigkeiten einen entsprechenden Energieaufwand erfordert, muss das Bremsen mit einem ähnlichen Energieaufwand verbunden sein. Wenn es also möglich wäre, das Gerät vor dem Eintritt in die Atmosphäre zu verlangsamen, mit niedriger Geschwindigkeit zu fliegen oder sogar langsam auf die Erde zu fallen, würde es sich nicht so stark erwärmen und die Gefahr für die Besatzung wäre unbedeutend.
Hier liegt der Haken. Raumflüge erfordern enorme Energiekosten. Die Masse der Nutzlast der Rakete ist ein kleiner Teil der gesamten Startmasse der Rakete. In der Mitte der Rakete befindet sich zum größten Teil Treibstoff, von dem der größte Teil in der ersten Phase des Durchgangs durch die unteren Atmosphärenschichten verbrannt wird. Es ist notwendig, die Ausrüstung oder die Besatzung des Schiffes in den Weltraum zu schicken. Auch für das Verlassen der Erdumlaufbahn bei der Landung wird Treibstoff benötigt, und zwar sehr viel davon. Beim Bremsen besteht daher die Gefahr, dass der Treibstoff das Schiff in Brand setzt. In den meisten Fällen sind es die Treibstofftanks, die bei der Landung durch die hohe Temperatur explodieren.
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Landung, ähnlich wie beim Start, nur in umgekehrter Richtung
Um das Fahrzeug vor dem Eintritt in die Atmosphäre nahezu vollständig abzubremsen, muss dieselbe Kraftstoffmenge wie beim Start verbraucht werden, vorausgesetzt, die Masse des Fahrzeugs ändert sich während der Mission nicht wesentlich. Rechnet man jedoch den für das Anheben des Schiffes und das anschließende Bremsen benötigten Treibstoff zum Schiffsgewicht hinzu, vervielfacht sich dieser um ein Vielfaches. Und gerade dieses traurige ökonomische Kalkül macht es notwendig, sich weiterhin auf die Hemmung der Erdatmosphäre zu verlassen.
Bei der Landung von SpaceX Falcon 9-Raketen wird beispielsweise Treibstoff verbraucht, aber hier ist die Rakete selbst sehr leicht (meistens kehrt nur der Treibstofftank zur Erde zurück), und die Rückkehr aus einer entfernten Umlaufbahn wird nicht durchgeführt.
Ingenieure haben berechnet, dass die Landung auf der Erde die gleichen Treibstoffressourcen pro Kilogramm benötigt wie der Start in den Orbit. Das heißt, es ist fast wie ein Start, nur in die entgegengesetzte Richtung.
Und wahrscheinlich wird es noch lange so bleiben. Nicht nur während der Missionen von Artemis 1, sondern auch, nachdem ein Mensch den Roten Planeten erreicht hat. Wenn diese Hürde einigermaßen überwunden ist, dann kann man sagen, dass wir die Raumfahrt endgültig gemeistert haben. Denn abheben kann jeder, aber bei der Landung kann es Probleme geben.
Aber die Geschichte kennt viele Beispiele, in denen es unseren Wissenschaftlern und Ingenieuren gelang, komplexe Probleme zu lösen. Wir hoffen, dass schon bald ein Flug zum Mond oder Mars nicht schwieriger sein wird als ein Flug von New York nach Kiew. Mit einer angenehmen und sicheren Landung.
Wenn Sie der Ukraine helfen wollen, die russischen Besatzer zu bekämpfen, ist der beste Weg, dies zu tun, eine Spende an die Streitkräfte der Ukraine durch Das Leben retten oder über die offizielle Seite NBU.
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