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Missions spatiales habitées : pourquoi le retour sur Terre est-il toujours un problème ?

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Nous attendons toujours avec impatience les missions habitées dans l'espace, mais aujourd'hui, nous allons expliquer pourquoi le retour des équipages sur Terre est toujours un énorme défi.

L'espace a toujours attiré les gens, c'était quelque chose de mystérieux, d'inexploré. Les aurores, les planètes lointaines nous appellent, nous incitent à la recherche, à l'expérimentation et aux vols interplanétaires. Il faut dire que ces derniers temps les vols spatiaux, même si on ne voyage toujours pas en première classe, semblent être maîtrisés dans un volume de base. La mission Artemis 1 vers la lune devait déjà voler, mais en raison des conditions météorologiques, le lancement a été reporté au 2 septembre. Et alors que nous attendons avec impatience le lancement, nous devons comprendre que le retour sera également un moment critique, malgré le fait qu'il s'agisse d'une mission sans pilote.

Les missions spatiales peuvent être divisées en deux classes. Celles dans lesquelles le vaisseau spatial reviendra un jour sur Terre sont pour la plupart des missions habitées et celles qui obtiennent un aller simple. On peut également évoquer ici les futures missions habitées, par exemple vers Mars d'Elon Musk, qui ne reviendra pas forcément sur Terre. Mais en réalité, un tel avion doit aussi atterrir quelque part. Il s'avère que la phase d'atterrissage est la partie la plus difficile de telles missions. Aujourd'hui, nous allons essayer de le comprendre.

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Sécurité de l'équipage et du matériel

Depuis que l'homme a volé pour la première fois dans l'espace, nous nous sommes inquiétés de sa santé et du succès global du vol. Dans le cas des vols habités, tout moment peut être critique. La sécurité de l'équipage et des équipements à bord, s'il s'agit d'une mission sans équipage, a toujours été une priorité. Les ingénieurs et les chefs de telles missions, ainsi que les cosmonautes ou les astronautes eux-mêmes, ont compris tous les risques de tels vols. Toutes ces missions n'ont pas été couronnées de succès, surtout les premières, mais il était important de tirer des conclusions, de corriger les erreurs et de ne pas les répéter à l'avenir.

Par exemple, lors de la première mission du vaisseau spatial Apollo, tout s'est terminé tragiquement au stade des tests de pré-lancement. Lors de la célèbre mission Apollo 13, un accident s'est produit pendant le vol, à la suite duquel l'atterrissage à la surface de la lune est devenu impossible. C'est bien qu'il ait été possible de sauver l'équipage et d'amener avec succès le navire à 7,5 km du porte-avions Iwo Jima. Des conclusions ont été tirées et le navire de mission suivant a été envoyé dans l'espace seulement 5 mois plus tard. Même la mission Apollo 11 la plus réussie a été pleine de moments tendus lors de l'atterrissage des astronautes à la surface de la Lune et du décollage et du retour sur Terre qui ont suivi. Le vaisseau spatial soviétique Soyouz a également subi de nombreux accidents. Ceci, malheureusement, était et est la norme dans l'industrie spatiale.

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Oui, ce sont surtout des situations uniques et imprévisibles. Cependant, dans toute mission spatiale habitée impliquant le retour sur Terre, il y a un moment qui est toujours époustouflant. Vous connaissez probablement les problèmes imprévisibles qui surviennent lors de l'atterrissage de véhicules sans pilote sur Mars, mais dans le cas des missions habitées, des vies humaines sont en jeu. Nous nous souvenons tous de la catastrophe de 2003 - lors de l'atterrissage, la navette "Columbia" a tout simplement brûlé dans les couches denses de l'atmosphère, tout l'équipage de sept personnes est décédé tragiquement.

Ci-dessous, un fragment du film "Apollo-13", qui montre le processus d'atterrissage des astronautes sur Terre. Bien sûr, c'est un film qui a ses propres règles, il ne reflète pas forcément fidèlement la réalité, mais il n'en est pas très différent non plus.

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Pourquoi revenir en toute sécurité sur Terre depuis l'espace est-il un tel problème ?

Il semblerait que la gravité devrait aider ici, il n'est donc pas nécessaire de lutter pour ralentir la fusée. Mais sa vitesse est de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres par heure - c'est la vitesse nécessaire pour que l'appareil soit se mette en orbite autour de la Terre (ce qu'on appelle la première vitesse cosmique, soit 7,9 km/s), soit même la dépasse ( la deuxième vitesse cosmique, soit 11,2 km/s) et s'est envolé, par exemple, vers la Lune. Et c'est cette vitesse élevée qui pose problème.

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Le point clé lors du retour sur Terre ou lors de l'atterrissage sur une autre planète est le freinage. C'est aussi gênant que d'accélérer le vaisseau pendant le décollage. Après tout, la fusée ne s'est pas déplacée par rapport à la Terre avant le décollage. Et ce ne sera pas non plus après son atterrissage. Comme pour l'avion on embarque à l'aéroport. Bien qu'il atteigne une vitesse de 900 km/h (la vitesse de croisière d'un avion de ligne de taille moyenne) en vol, il s'arrête à nouveau après l'atterrissage.

Cela signifie qu'une fusée qui est sur le point d'atterrir sur Terre doit réduire sa vitesse à zéro. Cela semble simple, mais ce n'est pas le cas. Un avion qui doit ralentir de 900 km/h à 0 km/h par rapport à la Terre a une tâche beaucoup plus facile qu'une fusée qui se déplace à environ 28 000 km/h. De plus, la fusée vole non seulement à une vitesse folle, mais pénètre également dans les couches denses de l'atmosphère presque verticalement. Pas sous un angle comme un avion, mais presque verticalement après avoir quitté l'orbite terrestre.

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La seule chose qui peut effectivement ralentir un avion est l'atmosphère terrestre. Et il est assez dense, même dans les couches externes, et provoque des frottements à la surface du dispositif descendant, ce qui, dans des conditions défavorables, peut entraîner sa surchauffe et sa destruction. Ainsi, après que le vaisseau spatial ait décéléré à une vitesse légèrement inférieure à celle du premier vaisseau spatial, il commence à descendre, tombant sur Terre. En choisissant la trajectoire de vol appropriée dans l'atmosphère, il est possible de garantir l'apparition de charges ne dépassant pas la valeur autorisée. Cependant, lors de la descente, les parois du navire peuvent et doivent chauffer à une température très élevée. Par conséquent, une descente en toute sécurité dans l'atmosphère terrestre n'est possible que s'il existe un dispositif de protection thermique spécial sur le boîtier extérieur.

Même l'atmosphère martienne, qui est plus de 100 fois plus mince que celle de la Terre, est un sérieux obstacle. Cela est ressenti par tous les appareils qui descendent à la surface de la planète rouge. Très souvent, des accidents se produisent avec eux, ou ils brûlent simplement dans l'atmosphère de Mars.

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Parfois, un tel freinage est utile, comme en témoignent les missions dans lesquelles l'atmosphère a servi de frein supplémentaire, aidant les véhicules à entrer dans l'orbite cible de la planète. Mais ce sont plutôt des exceptions.

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Le freinage atmosphérique est efficace, mais il a d'énormes inconvénients

Oui, le freinage atmosphérique est assez efficace, mais il présente d'énormes inconvénients, bien qu'il soit nécessaire pour un freinage efficace.

Une telle décélération dans le cas de missions orbitales vers d'autres planètes n'est pas complète, et le retour sur Terre est associé à une décélération complète. Il en va de même pour l'atterrissage du rover sur Mars. Une sonde qui entre sur son orbite ne doit pas s'arrêter complètement, sinon elle tomberait à la surface de la planète rouge.

Les appareils dans l'espace, en orbite autour de la Terre ou revenant de la Lune, se déplacent aux vitesses énormes qui leur ont été données au moment du décollage. Ainsi, par exemple, la Station spatiale internationale ajuste de temps en temps l'orbite, en l'élevant, car plus elle est élevée, plus la vitesse nécessaire pour rester en orbite doit être faible.

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La fourniture de ces vitesses nécessitant une dépense d'énergie correspondante, le freinage doit être associé à une dépense d'énergie similaire. Par conséquent, s'il était possible de ralentir l'appareil avant d'entrer dans l'atmosphère, de voler à basse vitesse ou même de tomber lentement sur Terre, il ne chaufferait pas autant et le danger pour l'équipage serait insignifiant.

C'est là que réside le piège. Les vols spatiaux nécessitent des coûts énergétiques énormes. La masse de la charge utile de la fusée est une petite partie de la masse totale au décollage de la fusée. Pour l'essentiel, il y a du carburant au milieu de la fusée, dont la majeure partie est brûlée lors de la première étape de passage à travers les couches inférieures de l'atmosphère. Il faut envoyer le matériel ou l'équipage du vaisseau dans l'espace. Le carburant est également nécessaire pour sortir de l'orbite terrestre lors de l'atterrissage, et une très grande quantité de celui-ci. Par conséquent, lors du freinage, il y a un risque que le carburant provoque un incendie du navire. Dans la plupart des cas, ce sont les réservoirs de carburant qui explosent à cause de la température élevée lors de l'atterrissage.

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Atterrissage, similaire au décollage, uniquement dans le sens inverse

Afin de décélérer presque complètement le véhicule avant d'entrer dans l'atmosphère, il faudra utiliser la même quantité de carburant que lors du décollage, en supposant que la masse du véhicule ne change pas de manière significative au cours de la mission. Cependant, lorsque nous ajoutons le carburant nécessaire pour soulever le navire et pour le freinage ultérieur au poids du navire, il s'avère être multiplié plusieurs fois. Et c'est justement ce triste calcul économique qui fait qu'il faut encore compter sur l'inhibition de l'atmosphère terrestre.

Par exemple, lors de l'atterrissage des fusées SpaceX Falcon 9, du carburant est utilisé, mais ici la fusée elle-même est très légère (généralement seul le réservoir de carburant revient sur Terre), et le retour d'une orbite lointaine n'est pas effectué.

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Les ingénieurs ont calculé que l'atterrissage sur Terre nécessite les mêmes ressources en carburant par kilogramme que le décollage en orbite. C'est-à-dire que c'est presque comme un décollage, seulement dans la direction opposée.

Et, probablement, ce sera comme ça pendant longtemps. Non seulement pendant les missions Artemis 1, mais aussi après qu'un humain ait atteint la planète rouge. Lorsque dans une certaine mesure cet obstacle sera surmonté, alors il sera possible de dire que nous avons enfin maîtrisé les vols spatiaux. Parce que tout le monde peut décoller, mais il peut y avoir des problèmes d'atterrissage.

Mais l'histoire connaît de nombreux exemples où nos scientifiques et ingénieurs ont réussi à résoudre des problèmes complexes. Nous espérons que très bientôt un vol vers la Lune ou vers Mars ne sera pas plus difficile qu'un vol de New York à Kyiv. Avec un atterrissage agréable et sûr.

Si vous voulez aider l'Ukraine à combattre les occupants russes, la meilleure façon de le faire est de faire un don aux Forces armées ukrainiennes par le biais de Sauver la vie ou via la page officielle NBU.

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Yuri Svitlyk
Yuri Svitlyk
Fils des Carpates, génie mathématique méconnu, « avocat »Microsoft, altruiste pratique, gauche-droite
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Іgor
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il y a 8 mois

Pourquoi n'utilisent-ils pas des scénarios de retour d'engins spatiaux hybrides. "Ailes" non résistantes à la chaleur et non boucliers d'ablation thermique + parachute.
Glisse avec freinage contre l'atmosphère, final "parachutisme" maîtrisé sur un "trampoline" improvisé. Et vous n'avez pas besoin de brûler du carburant, peut-être des résidus non produits. On laisse le châssis au sol, on ne prend que le système de contrôle.
L'opinion d'un génie mathématique méconnu et d'un altruiste pratique est particulièrement intéressante.

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