Odotamme aina innolla miehitettyjä tehtäviä avaruuteen, mutta tänään aiomme puhua siitä, miksi miehistön palauttaminen Maahan on edelleen valtava haaste.
Avaruus on aina houkutellut ihmisiä, se oli jotain mystistä, tutkimatonta. Aamunkoitto, kaukaiset planeetat kutsuvat meitä, rohkaisevat meitä tutkimaan, kokeilemaan ja planeettojen välisiin lentoihin. On syytä sanoa, että viime aikoina avaruuslennot, vaikka emme vieläkään matkusta ensiluokkaisessa luokassa, näyttävät olevan perusvolyymin hallinnassa. Artemis 1 -tehtävän kuuhun piti jo lentää, mutta sääolosuhteiden vuoksi laukaisua siirrettiin syyskuun 2. päivään. Ja samalla kun odotamme innokkaasti laukaisua, meidän on ymmärrettävä, että paluu on myös kriittinen hetki, vaikka kyseessä on miehittämätön tehtävä.
Avaruustehtävät voidaan jakaa kahteen luokkaan. Ne, joissa avaruusalus jonain päivänä palaa Maahan, ovat enimmäkseen miehitettyjä tehtäviä, ja ne, jotka saavat yhdensuuntaisen lipun. Tässä voidaan mainita myös tulevat miehitetyt matkat, esimerkiksi Elon Muskin Marsiin, jotka eivät välttämättä palaa Maahan. Mutta todellisuudessa tällaisen lentokoneen on myös laskeuduttava jonnekin. Osoittautuu, että laskeutumisvaihe on tällaisten tehtävien vaikein osa. Tänään yritämme selvittää sen.
Lue myös:
- 100 vuotta kvanttifysiikkaa: 1920-luvun teorioista tietokoneisiin
- 5 tulevaa avaruustehtävää mietittäväksi
Miehistön ja laitteiden turvallisuus
Siitä lähtien, kun ihminen lensi avaruuteen, olemme olleet huolissamme hänen terveydestään ja lennon yleisestä onnistumisesta. Miehitetyillä lennoilla mikä tahansa hetki voi olla kriittinen. Miehistön ja koneen turvallisuus, jos kyseessä on miehittämätön tehtävä, on aina ollut etusijalla. Tällaisten tehtävien insinöörit ja johtajat sekä itse kosmonautit tai astronautit ymmärsivät kaikki tällaisten lentojen riskit. Kaikki nämä tehtävät eivät onnistuneet, varsinkaan ensimmäiset, mutta oli tärkeää tehdä johtopäätökset, korjata virheet ja olla toistamatta niitä jatkossa.
Esimerkiksi Apollo-avaruusaluksen ensimmäisen tehtävän aikana kaikki päättyi traagisesti laukaisua edeltävien testien vaiheessa. Kuuluisassa Apollo 13 -tehtävässä lennon aikana tapahtui onnettomuus, jonka seurauksena laskeutuminen kuun pinnalle kävi mahdottomaksi. On hyvä, että miehistö pystyttiin pelastamaan ja laiva tuotiin onnistuneesti 7,5 kilometrin päähän Iwo Jiman lentotukialusta. Johtopäätökset tehtiin, ja seuraava tehtäväalus lähetettiin avaruuteen vasta 5 kuukautta myöhemmin. Jopa menestynein Apollo 11 -tehtävä oli täynnä jännittäviä hetkiä astronautien laskeutuessa Kuun pinnalle ja sitä seuranneessa nousussa ja paluussa Maahan. Neuvostoliiton Sojuz-avaruusalus kärsi myös monia onnettomuuksia. Tämä valitettavasti oli ja on normi avaruusteollisuudessa.
Kyllä, nämä ovat enimmäkseen yksittäisiä, arvaamattomia tilanteita. Jokaisessa miehitetyssä avaruustehtävässä, johon liittyy paluu Maahan, on kuitenkin hetki, joka on aina upea. Tiedät luultavasti arvaamattomat ongelmat, joita syntyy miehittämättömien ajoneuvojen laskeutuessa Marsiin, mutta miehitetyissä tehtävissä ihmishenkiä on vaakalaudalla. Muistamme kaikki vuoden 2003 katastrofin - laskeutumisen aikana sukkula "Columbia" yksinkertaisesti paloi ilmakehän tiheissä kerroksissa, koko seitsemän hengen miehistö kuoli traagisesti.
Alla on fragmentti elokuvasta "Apollo-13", joka esittelee astronautien laskeutumisprosessia maan päälle. Tietenkin tämä on elokuva, jolla on omat säännöt, se ei välttämättä heijasta todellisuutta tarkasti, mutta se ei myöskään eroa siitä kovinkaan paljon.
Lue myös: James Webbin avaruusteleskooppi: 10 tarkkailtavaa kohdetta
Miksi paluun turvallisesti Maahan avaruudesta on tällainen ongelma?
Vaikuttaa siltä, että painovoiman pitäisi auttaa tässä, joten raketin hidastamiseksi ei tarvitse kamppailla. Mutta sen nopeus on kymmeniä tuhansia kilometrejä tunnissa - tämä on nopeus, joka tarvitaan, jotta laite joko pääsee kiertoradalle Maan ympäri (ns. ensimmäinen kosminen nopeus eli 7,9 km/s) tai jopa ylittää sen ( toinen kosminen nopeus eli 11,2 km/s) ja lensi esimerkiksi Kuuhun. Ja tämä suuri nopeus on se ongelma.
Avainkohta Maahan palatessa tai toiselle planeetalle laskeutuessa on jarrutus. Tämä on yhtä hankalaa kuin laivan kiihdyttäminen nousun aikana. Loppujen lopuksi raketti ei liikkunut suhteessa maahan ennen nousua. Eikä se ole sen jälkeenkään, kun hän laskeutuu. Kuten lentokoneessa, johon nousemme lentokentällä. Vaikka se saavuttaa lennon aikana 900 km/h nopeuden (keskikokoisen matkustajakoneen matkanopeus), se pysähtyy uudelleen laskeutumisen jälkeen.
Tämä tarkoittaa, että raketin, joka on laskeutumassa Maahan, on vähennettävä nopeus nollaan. Se kuulostaa yksinkertaiselta, mutta sitä se ei ole. Lentokoneella, jonka on hidastettava 900 km/h nopeuteen 0 km/h suhteessa Maahan, on paljon helpompi tehtävä kuin raketilla, joka lentää noin 28 000 km/h. Lisäksi raketti ei vain lentää järjettömällä nopeudella, vaan myös menee ilmakehän tiheisiin kerroksiin lähes pystysuoraan. Ei kulmassa kuin lentokone, vaan melkein pystysuorassa Maan kiertoradalta poistuttuaan.
Ainoa asia, joka voi tehokkaasti hidastaa lentokonetta, on maapallon ilmakehä. Ja se on melko tiheä, jopa ulkokerroksissa, ja aiheuttaa kitkaa laskeutuvan laitteen pintaan, mikä voi epäsuotuisissa olosuhteissa johtaa sen ylikuumenemiseen ja tuhoutumiseen. Joten sen jälkeen, kun avaruusalus hidastuu nopeuteen, joka on hieman pienempi kuin ensimmäinen avaruusalus, se alkaa laskeutua ja putoaa maahan. Valitsemalla sopiva lentorata ilmakehässä voidaan varmistaa, että kuormitukset eivät ylitä sallittua arvoa. Kuitenkin laskeutumisen aikana aluksen seinät voivat ja niiden pitäisikin lämmetä erittäin korkeaan lämpötilaan. Siksi turvallinen laskeutuminen maan ilmakehään on mahdollista vain, jos ulkokuoressa on erityinen lämpösuojalaite.
Jopa Marsin ilmakehä, joka on yli 100 kertaa ohuempi kuin maapallon, on vakava este. Tämän tuntevat kaikki laitteet, jotka laskeutuvat Punaisen planeetan pinnalle. Melko usein heidän kanssaan tapahtuu onnettomuuksia tai ne yksinkertaisesti palavat Marsin ilmakehässä.
Joskus tällainen jarrutus on hyödyllistä, mistä ovat osoituksena tehtävät, joissa ilmakehä toimi lisäjarruna auttaen ajoneuvoja pääsemään planeetan kohdekiertoradalle. Mutta nämä ovat melko poikkeuksia.
Mielenkiintoista myös:
Ilmakehäjarrutus on tehokas, mutta sillä on valtavia haittoja
Kyllä, ilmakehän jarrutus on melko tehokas, mutta sillä on valtavia haittoja, vaikka se on välttämätöntä tehokkaan jarrutuksen kannalta.
Tällainen hidastuminen muille planeetoille suuntautuvissa kiertoradoissa ei ole täydellinen, ja paluu Maahan liittyy täydelliseen hidastumiseen. Sama koskee mönkijän laskeutumista Marsiin. Sen kiertoradalle tuleva luotain ei saa pysähtyä kokonaan, muuten se putoaisi Punaisen planeetan pinnalle.
Avaruudessa olevat laitteet, jotka kiertävät maata tai palaavat Kuusta, liikkuvat valtavilla nopeuksilla, jotka niille annettiin lentoonlähdön aikana. Siksi esimerkiksi Kansainvälinen avaruusasema säätää kiertorataa aika ajoin nostaen sitä, koska mitä korkeampi se on, sitä pienemmäksi kiertoradalla pysymiseen tarvittavan nopeuden tulisi olla.
Koska näiden nopeuksien tarjoaminen vaatii vastaavan energiankulutuksen, jarrutukseen on liitettävä samanlainen energiankulutus. Siksi, jos laitetta olisi mahdollista hidastaa ennen ilmakehään tuloa, lentää alhaisella nopeudella tai jopa pudota hitaasti maahan, se ei kuumene niin paljon ja vaara miehistölle olisi merkityksetön.
Tässä on saalis. Avaruuslennot vaativat valtavia energiakustannuksia. Raketin hyötykuorman massa on pieni osa raketin lentoonlähtömassasta. Suurin osa raketin keskellä on polttoainetta, josta suurin osa poltetaan ilmakehän alempien kerrosten läpi kulkemisen ensimmäisessä vaiheessa. Laivan varusteet tai miehistö on lähetettävä avaruuteen. Polttoainetta tarvitaan myös Maan kiertoradalta poistumiseen laskeutumisen yhteydessä ja sitä erittäin suuri määrä. Siksi jarrutettaessa on olemassa vaara, että polttoaine sytyttää aluksen tuleen. Useimmissa tapauksissa polttoainesäiliöt räjähtävät korkeasta lämpötilasta laskeutumisen aikana.
Mielenkiintoista myös:
- 10 oudointa asiaa, jotka opimme mustista aukoista vuonna 2021
- Terraformoiva Mars: Voisiko punainen planeetta muuttua uudeksi maapalloksi?
Laskeutuminen, samanlainen kuin lentoonlähtö, vain vastakkaiseen suuntaan
Ajoneuvon hidastamiseksi lähes kokonaan ennen ilmakehään tuloa on tarpeen käyttää saman verran polttoainetta kuin lentoonlähdön aikana, olettaen, että ajoneuvon massa ei muutu merkittävästi lennon aikana. Kun kuitenkin lisäämme laivan nostamiseen ja myöhempään jarrutukseen tarvittavan polttoaineen laivan painoon, se osoittautuu moninkertaiseksi. Ja juuri tämä surullinen taloudellinen laskelma tarkoittaa, että on edelleen tarpeen luottaa Maan ilmakehän estoon.
Esimerkiksi SpaceX Falcon 9 -rakettien laskeutuessa käytetään polttoainetta, mutta tässä raketti itsessään on erittäin kevyt (useimmiten vain polttoainesäiliö palaa Maahan), eikä paluuta kaukaiselta kiertoradalta suoriteta.
Insinöörit ovat laskeneet, että maan päälle laskeutuminen vaatii kiloa kohden samat polttoaineresurssit kuin kiertoradalle nousu. Eli se on melkein kuin lentoonlähtö, vain vastakkaiseen suuntaan.
Ja näin se varmaan tulee olemaan vielä pitkään. Ei vain Artemis 1 -tehtävien aikana, vaan myös sen jälkeen, kun ihminen on saavuttanut Punaisen planeetan. Kun tämä este jossain määrin ylitetään, voidaan sanoa, että olemme vihdoin hallinnassa avaruuslennot. Koska kaikki voivat nousta, mutta laskussa voi olla ongelmia.
Mutta historia tietää monia esimerkkejä, kun tiedemiehemme ja insinöörimme onnistuivat ratkaisemaan monimutkaisia ongelmia. Toivomme, että lento Kuuhun tai Marsiin ei ole pian vaikeampi kuin lento New Yorkista Kiovaan. Miellyttävällä ja turvallisella laskeutumisella.
Jos haluat auttaa Ukrainaa taistelemaan venäläisiä miehittäjiä vastaan, paras tapa tehdä se on lahjoittaa Ukrainan asevoimille Pelasta elämä tai virallisen sivun kautta NBU.
Lue myös:
Miksi he eivät käytä hybridiavaruusalusten paluuskenaarioita? Ei lämmönkestävät "siivet" eivätkä lämpöablaatiosuojat + laskuvarjo.
Liuku jarrutuksella ilmakehää vasten, lopullinen hallittu "laskuvarjohyppy" improvisoidulla "trampoliinilla". Eikä sinun tarvitse polttaa polttoainetta, ehkä tuottamattomia jäämiä. Jätämme alustan maahan, otamme vain ohjausjärjestelmän.
Erityisen mielenkiintoinen on tuntemattoman matemaattisen neron ja käytännön altruistin mielipide.