ماموریت های فضایی سرنشین دار: چرا بازگشت به زمین هنوز یک مشکل است؟

ما همیشه مشتاقانه منتظر ماموریت های سرنشین دار در فضا هستیم، اما امروز در مورد اینکه چرا بازگشت خدمه به زمین هنوز یک چالش بزرگ است صحبت خواهیم کرد.

فضا همیشه مردم را به خود جذب کرده است، چیزی مرموز و ناشناخته بود. طلوع‌ها، سیارات دوردست ما را تشویق می‌کنند، ما را به تحقیق، آزمایش و پروازهای بین سیاره‌ای تشویق می‌کنند. شایان ذکر است که اخیراً پروازهای فضایی، اگرچه هنوز در کلاس اول سفر نمی کنیم، به نظر می رسد که در حجم اولیه تسلط دارند. ماموریت آرتمیس 1 به ماه قبلاً قرار بود پرواز کند، اما به دلیل شرایط جوی، پرتاب به ماه سپتامبر به تعویق افتاد. و در حالی که ما مشتاقانه منتظر پرتاب هستیم، باید درک کنیم که بازگشت نیز یک لحظه حساس خواهد بود، علیرغم این واقعیت که این یک ماموریت بدون سرنشین است.

ماموریت های فضایی را می توان به دو دسته تقسیم کرد. آنهایی که در آنها فضاپیما روزی به زمین بازخواهد گشت، بیشتر مأموریت‌های سرنشین دار هستند و آنهایی که بلیط یک طرفه دریافت می‌کنند. در اینجا می توان به ماموریت های سرنشین دار آینده نیز اشاره کرد، به عنوان مثال، به مریخ توسط ایلان ماسک، که لزوماً به زمین باز نمی گردند. اما در واقع چنین هواپیمایی باید در جایی فرود بیاید. به نظر می رسد که مرحله فرود سخت ترین بخش چنین ماموریت هایی است. امروز سعی خواهیم کرد آن را کشف کنیم.

همچنین بخوانید:

• 100 سال فیزیک کوانتومی: از نظریه های دهه 1920 تا کامپیوتر
• 5 ماموریت فضایی آینده برای فکر کردن

ایمنی خدمه و تجهیزات

از زمانی که انسان برای اولین بار به فضا پرواز کرد، ما نگران سلامتی او و موفقیت کلی پرواز هستیم. در مورد پروازهای سرنشین دار، هر لحظه می تواند حیاتی باشد. ایمنی خدمه و تجهیزات موجود در هواپیما، اگر یک ماموریت بدون سرنشین باشد، همیشه در اولویت بوده است. مهندسان و رهبران چنین مأموریت هایی و همچنین خود فضانوردان یا فضانوردان، تمام خطرات چنین پروازهایی را درک می کردند. همه این ماموریت ها به خصوص ماموریت های اول موفقیت آمیز نبودند، اما نتیجه گیری، اصلاح اشتباهات و عدم تکرار آنها در آینده مهم بود.

به عنوان مثال، در اولین مأموریت فضاپیمای آپولو، همه چیز در مرحله آزمایش های پیش از پرتاب به طرز غم انگیزی پایان یافت. در ماموریت معروف آپولو 13 در حین پرواز حادثه ای رخ داد که در نتیجه فرود روی سطح ماه غیرممکن شد. خوب است که می توان خدمه را نجات داد و کشتی را با موفقیت 7,5 کیلومتر از ناو هواپیمابر ایوو جیما دور کرد. نتیجه گیری شد و کشتی ماموریت بعدی تنها 5 ماه بعد به فضا فرستاده شد. حتی موفقیت‌آمیزترین ماموریت آپولو 11 پر از لحظات پرتنش در هنگام فرود فضانوردان بر سطح ماه و پس از آن برخاستن و بازگشت به زمین بود. فضاپیمای سایوز شوروی نیز دچار حوادث بسیاری شد. این متأسفانه در صنعت فضایی هنجار بوده و هست.

بله، اینها بیشتر موقعیت های مجرد و غیرقابل پیش بینی هستند. با این حال، در هر ماموریت فضایی سرنشین دار که شامل بازگشت به زمین است، لحظه ای وجود دارد که همیشه خیره کننده است. احتمالاً مشکلات غیرقابل پیش بینی ای که هنگام فرود وسایل نقلیه بدون سرنشین در مریخ به وجود می آید را می دانید، اما در مورد مأموریت های سرنشین دار، جان انسان ها در خطر است. همه ما فاجعه سال 2003 را به یاد داریم - در حین فرود، شاتل "کلمبیا" به سادگی در لایه های متراکم جو سوخت، کل خدمه هفت نفره به طرز غم انگیزی جان باختند.

در زیر قطعه ای از فیلم "Apollo-13" است که روند فرود فضانوردان بر روی زمین را نشان می دهد. البته این فیلمی است که قوانین خاص خود را دارد، لزوماً واقعیت را به درستی منعکس نمی کند، اما تفاوت چندانی هم با آن ندارد.

همچنین بخوانید: تلسکوپ فضایی جیمز وب: 10 هدف برای رصد

چرا بازگشت ایمن از فضا به زمین چنین مشکلی است؟

به نظر می رسد که گرانش باید در اینجا کمک کند، بنابراین نیازی به تلاش برای کاهش سرعت موشک نیست. اما سرعت آن ده ها هزار کیلومتر در ساعت است - این سرعتی است که برای این دستگاه لازم است که یا به مدار زمین برود (به اصطلاح اولین سرعت کیهانی، یعنی 7,9 کیلومتر بر ثانیه)، یا حتی از آن فراتر رود ( سرعت دوم کیهانی، یعنی 11,2 کیلومتر بر ثانیه) و مثلاً به ماه پرواز کرد. و مشکل همین سرعت بالاست.

نکته کلیدی هنگام بازگشت به زمین یا هنگام فرود روی سیاره دیگر، ترمز کردن است. این کار به اندازه شتاب دادن به کشتی در هنگام برخاستن مشکل است. از این گذشته ، موشک قبل از برخاستن نسبت به زمین حرکت نکرد. و پس از فرود او نیز چنین نخواهد بود. مانند هواپیمایی که در فرودگاه سوار می شویم. اگرچه در پرواز به سرعت 900 کیلومتر در ساعت (سرعت کروز یک هواپیمای مسافربری متوسط) می رسد، اما پس از فرود دوباره متوقف می شود.

این بدان معناست که موشکی که قرار است روی زمین فرود بیاید باید سرعت خود را به صفر برساند. ساده به نظر می رسد، اما اینطور نیست. هواپیمایی که باید سرعت خود را از 900 کیلومتر در ساعت به 0 کیلومتر در ساعت نسبت به زمین کاهش دهد، نسبت به موشکی که با سرعت 28 کیلومتر در ساعت حرکت می کند، کار بسیار ساده تری دارد. علاوه بر این، موشک نه تنها با سرعتی دیوانه کننده پرواز می کند، بلکه تقریباً به صورت عمودی وارد لایه های متراکم جو می شود. نه در زاویه ای مانند هواپیما، بلکه تقریباً به صورت عمودی پس از خروج از مدار زمین.

تنها چیزی که می تواند به طور موثری سرعت هواپیما را کاهش دهد، جو زمین است. و حتی در لایه های بیرونی کاملا متراکم است و باعث ایجاد اصطکاک در سطح دستگاه نزولی می شود که در شرایط نامساعد می تواند منجر به گرم شدن بیش از حد و تخریب آن شود. بنابراین، پس از کاهش سرعت سفینه فضایی به سرعت کمی کمتر از سفینه اول، شروع به فرود می کند و به زمین می افتد. با انتخاب مسیر مناسب پرواز در جو، می توان از وقوع بارهای بیش از حد مجاز اطمینان حاصل کرد. با این حال، در هنگام فرود، دیواره های کشتی می توانند و باید تا دمای بسیار بالایی گرم شوند. بنابراین، فرود ایمن به اتمسفر زمین تنها در صورتی امکان پذیر است که یک دستگاه حفاظت حرارتی ویژه در پوشش بیرونی وجود داشته باشد.

حتی جو مریخ که بیش از 100 برابر نازکتر از زمین است، مانعی جدی است. این را تمام وسایلی که به سطح سیاره سرخ فرود می آیند احساس می کنند. اغلب تصادفات با آنها اتفاق می افتد، یا آنها به سادگی در جو مریخ می سوزند.

گاهی اوقات چنین ترمزگیری مفید است، همانطور که در مأموریت هایی که جو به عنوان یک ترمز اضافی عمل می کند، به خودروها کمک می کند تا به مدار هدف سیاره وارد شوند، مفید است. اما اینها نسبتاً استثنا هستند.

همچنین جالب:

• چرا ستاره ها چشمک می زنند؟
• چرا فضاپیماها به پردازنده های قرن بیستم مجهز شده اند؟

ترمز اتمسفر موثر است، اما دارای معایب بزرگی است

بله، ترمز اتمسفر کاملاً مؤثر است، اما دارای معایب بزرگی است، اگرچه برای ترمزگیری مؤثر ضروری است.

چنین کاهش سرعت در مورد مأموریت های مداری به سیارات دیگر کامل نیست و بازگشت به زمین با کاهش سرعت کامل همراه است. همین امر در مورد فرود مریخ نورد روی مریخ نیز صدق می کند. کاوشگری که وارد مدار خود می شود نباید به طور کامل متوقف شود، در غیر این صورت به سطح سیاره سرخ سقوط می کند.

وسایلی که در فضا هستند، در حال چرخش به دور زمین یا بازگشت از ماه، با سرعت بسیار زیادی حرکت می کنند که در زمان برخاستن به آنها داده شده بود. بنابراین، برای مثال، ایستگاه فضایی بین‌المللی هر از چندگاهی مدار را تنظیم می‌کند و آن را بالا می‌برد، زیرا هر چه بیشتر باشد، سرعت مورد نیاز برای ماندن در مدار باید کمتر باشد.

از آنجایی که ارائه این سرعت ها مستلزم مصرف انرژی مربوطه است، ترمزگیری باید با مصرف انرژی مشابهی همراه باشد. بنابراین اگر می شد قبل از ورود به جو، سرعت دستگاه را کم کرد، با سرعت کم پرواز کرد و یا حتی به آرامی به زمین سقوط کرد، آنقدر گرم نمی شد و خطر برای خدمه ناچیز بود.

این جایی است که شکار نهفته است. پروازهای فضایی به هزینه های انرژی زیادی نیاز دارند. جرم محموله موشک بخش کوچکی از کل جرم برخاستن موشک است. در بیشتر موارد، سوخت در وسط موشک وجود دارد که بیشتر آن در اولین مرحله عبور از لایه‌های زیرین جو می‌سوزد. ارسال تجهیزات یا خدمه کشتی به فضا ضروری است. همچنین سوخت برای خروج از مدار زمین در هنگام فرود و مقدار بسیار زیادی از آن مورد نیاز است. بنابراین، هنگام ترمزگیری، این خطر وجود دارد که سوخت باعث آتش گرفتن کشتی شود. در بیشتر موارد، این مخازن سوخت هستند که در هنگام فرود از دمای بالا منفجر می شوند.

همچنین جالب:

• 10 عجیب ترین چیزهایی که در مورد سیاهچاله ها در سال 2021 آموختیم
• مریخ شکل گیری زمین: آیا سیاره سرخ می تواند به یک زمین جدید تبدیل شود؟

فرود، مشابه تیک آف، فقط در جهت معکوس

برای اینکه تقریباً به طور کامل سرعت خودرو را قبل از ورود به اتمسفر کاهش دهید، با فرض اینکه جرم وسیله نقلیه در طول ماموریت تغییر قابل توجهی نداشته باشد، لازم است از همان مقدار سوخت در هنگام برخاستن استفاده شود. با این حال، وقتی سوخت مورد نیاز برای بلند کردن کشتی و ترمزهای بعدی را به وزن کشتی اضافه می کنیم، معلوم می شود که چندین برابر می شود. و دقیقاً همین محاسبه اقتصادی غم انگیز است که به این معنی است که هنوز باید بر مهار جو زمین تکیه کرد.

به عنوان مثال، هنگام فرود موشک های SpaceX Falcon 9، از سوخت استفاده می شود، اما در اینجا خود موشک بسیار سبک است (عمدتا فقط مخزن سوخت به زمین برمی گردد) و بازگشت از مداری دور انجام نمی شود.

مهندسان محاسبه کرده اند که فرود بر روی زمین به همان منابع سوختی در هر کیلوگرم نیاز دارد که برخاستن در مدار زمین. یعنی تقریباً شبیه تیک آف است، فقط در جهت مخالف.

و احتمالاً برای مدت طولانی اینگونه خواهد بود. نه تنها در طول ماموریت های آرتمیس 1، بلکه پس از رسیدن یک انسان به سیاره سرخ. وقتی تا حدودی بر این مانع غلبه کرد، آن وقت می توان گفت که بالاخره در پروازهای فضایی تسلط پیدا کرده ایم. زیرا همه می توانند بلند شوند، اما ممکن است مشکلاتی برای فرود وجود داشته باشد.

اما تاریخ نمونه های زیادی می داند که دانشمندان و مهندسان ما موفق به حل مسائل پیچیده شدند. ما امیدواریم که به زودی پرواز به ماه یا مریخ دشوارتر از پرواز از نیویورک به کیف نباشد. با فرود دلپذیر و ایمن.

اگر می خواهید به اوکراین در مبارزه با اشغالگران روسی کمک کنید، بهترین راه این است که از طریق کمک به نیروهای مسلح اوکراین کمک مالی کنید. Savelife یا از طریق صفحه رسمی NBU.

همچنین بخوانید:

• مشاهده سیاره سرخ: تاریخچه توهمات مریخی
• تله پورت از دیدگاه علمی و آینده آن