Svemirske misije s posadom: Zašto je povratak na Zemlju još uvijek problem?

Uvijek se veselimo misijama s ljudskom posadom u svemir, ali danas ćemo govoriti o tome zašto je povratak posade na Zemlju još uvijek veliki izazov.

Svemir je oduvijek privlačio ljude, bio je nešto tajanstveno, neistraženo. Zore, daleki planeti nas zovu, potiču na istraživanja, eksperimente i međuplanetarne letove. Vrijedno je reći da se u posljednje vrijeme svemirski letovi, iako još uvijek ne putujemo u prvoj klasi, čini se savladani u osnovnom obimu. Misija Artemis 1 na Mjesec već je trebala poletjeti, no zbog vremenskih uvjeta lansiranje je odgođeno za 2. rujna. I dok sa zebnjom iščekujemo lansiranje, moramo shvatiti da će povratak također biti kritičan trenutak, unatoč činjenici da se radi o misiji bez posade.

Svemirske misije mogu se podijeliti u dvije klase. One u kojima će se letjelica kad-tad vratiti na Zemlju uglavnom su misije s ljudskom posadom i one koje dobivaju kartu u jednom smjeru. Ovdje možemo spomenuti i buduće misije s ljudskom posadom, primjerice, na Mars Elona Muska, koje se neće nužno vratiti na Zemlju. Ali u stvarnosti i takva letjelica mora negdje sletjeti. Ispostavilo se da je faza slijetanja najteži dio takvih misija. Danas ćemo to pokušati shvatiti.

Pročitajte također:

• 100 godina kvantne fizike: od teorija 1920-ih do računala
• 5 budućih svemirskih misija o kojima treba razmišljati

Sigurnost posade i opreme

Otkako je čovjek prvi put poletio u svemir, brinemo za njegovo zdravlje i ukupni uspjeh leta. U slučaju letova s ​​posadom svaki trenutak može biti kritičan. Sigurnost posade i opreme na brodu, ako se radi o misiji bez posade, uvijek je bila prioritet. Inženjeri i voditelji takvih misija, kao i sami kozmonauti ili astronauti, shvaćali su sve rizike takvih letova. Nisu sve te misije bile uspješne, pogotovo prve, ali bilo je važno izvući zaključke, ispraviti pogreške i ne ponavljati ih u budućnosti.

Na primjer, tijekom prve misije svemirske letjelice Apollo sve je završilo tragično u fazi testiranja prije lansiranja. U poznatoj misiji Apollo 13 tijekom leta dogodila se nesreća zbog koje je slijetanje na površinu Mjeseca postalo nemoguće. Dobro je što se uspjelo spasiti posadu i uspješno odvesti brod 7,5 km od nosača zrakoplova Iwo Jima. Zaključci su doneseni, a sljedeći brod misije poslan je u svemir tek 5 mjeseci kasnije. Čak i najuspješnija misija Apollo 11 bila je puna napetih trenutaka tijekom slijetanja astronauta na površinu Mjeseca te potonjeg polijetanja i povratka na Zemlju. Sovjetski svemirski brod Soyuz također je pretrpio mnoge nesreće. To je, nažalost, bila i jest norma u svemirskoj industriji.

Da, uglavnom su to pojedinačne, nepredvidive situacije. Međutim, u svakoj svemirskoj misiji s ljudskom posadom koja uključuje povratak na Zemlju, postoji trenutak koji je uvijek zapanjujući. Vjerojatno poznajete nepredvidive probleme koji nastaju prilikom slijetanja bespilotnih vozila na Mars, ali u slučaju misija s ljudskom posadom u pitanju su ljudski životi. Svi se sjećamo katastrofe iz 2003. - tijekom slijetanja shuttle "Columbia" jednostavno je izgorio u gustim slojevima atmosfere, cijela posada od sedam ljudi tragično je umrla.

Ispod je isječak iz filma "Apollo-13", koji prikazuje proces slijetanja astronauta na Zemlju. Naravno, ovo je film koji ima svoja pravila, ne mora nužno točno odražavati stvarnost, ali se od nje ne razlikuje puno.

Pročitajte također: Svemirski teleskop James Webb: 10 ciljeva za promatranje

Zašto je siguran povratak na Zemlju iz svemira toliki problem?

Čini se da bi gravitacija trebala pomoći ovdje, tako da nema potrebe da se borite da usporite raketu. Ali njegova brzina je nekoliko desetaka tisuća kilometara na sat - to je brzina potrebna da uređaj ili krene u orbitu oko Zemlje (tzv. prva kozmička brzina, tj. 7,9 km/s), ili čak ode izvan nje ( druga kozmička brzina, tj. 11,2 km/s) i odletio, primjerice, do Mjeseca. I upravo ta velika brzina je problem.

Ključna točka pri povratku na Zemlju ili pri slijetanju na drugi planet je kočenje. To je jednako problematično kao i ubrzavanje broda tijekom polijetanja. Uostalom, raketa se nije micala u odnosu na Zemlju prije polijetanja. A neće biti ni nakon što ona sleti. Kao i kod aviona u koji se ukrcavamo na aerodromu. Iako u letu dostiže brzinu od 900 km/h (brzina krstarenja putničkog aviona srednje veličine), nakon slijetanja opet staje.

To znači da raketa koja treba sletjeti na Zemlju mora smanjiti brzinu na nulu. Zvuči jednostavno, ali nije. Zrakoplov koji mora usporiti s 900 km/h na 0 km/h u odnosu na Zemlju ima puno lakši zadatak od rakete koja putuje brzinom od oko 28 km/h. Osim toga, raketa ne samo da leti suludom brzinom, već gotovo okomito ulazi u guste slojeve atmosfere. Ne pod kutom kao kod aviona, nego gotovo okomito nakon napuštanja Zemljine orbite.

Jedina stvar koja može učinkovito usporiti zrakoplov je Zemljina atmosfera. I prilično je gust, čak iu vanjskim slojevima, i uzrokuje trenje na površini uređaja koji se spušta, što u nepovoljnim uvjetima može dovesti do njegovog pregrijavanja i uništenja. Dakle, nakon što svemirski brod uspori na brzinu nešto manju od brzine prvog svemirskog broda, počinje se spuštati, padajući na Zemlju. Odabirom odgovarajuće putanje leta u atmosferi moguće je osigurati pojavu opterećenja koja ne prelaze dopuštenu vrijednost. Međutim, tijekom spuštanja, stijenke broda se mogu i trebaju zagrijati do vrlo visoke temperature. Stoga je sigurno spuštanje u Zemljinu atmosferu moguće samo ako na vanjskom omotaču postoji poseban uređaj za toplinsku zaštitu.

Čak je i Marsova atmosfera, koja je više od 100 puta tanja od Zemljine, ozbiljna prepreka. To osjete svi uređaji koji se spuštaju na površinu Crvenog planeta. S njima se često događaju nesreće ili jednostavno izgore u atmosferi Marsa.

Ponekad je takvo kočenje korisno, što dokazuju misije u kojima je atmosfera služila kao dodatna kočnica, pomažući vozilima da uđu u ciljnu orbitu planeta. Ali to su iznimke.

Također zanimljivo:

• Zašto zvijezde svjetlucaju?
• Zašto su svemirske letjelice opremljene procesorima iz 20. stoljeća

Atmosfersko kočenje je učinkovito, ali ima velike nedostatke

Da, atmosfersko kočenje je prilično učinkovito, ali ima ogromne nedostatke, iako je neophodno za učinkovito kočenje.

Takvo usporavanje u slučaju orbitalnih misija na druge planete nije potpuno, a povratak na Zemlju povezan je s potpunim usporavanjem. Isto se odnosi i na slijetanje rovera na Mars. Sonda koja ulazi u njegovu orbitu ne smije se potpuno zaustaviti jer bi inače pala na površinu Crvenog planeta.

Uređaji u svemiru, kružeći oko Zemlje ili vraćajući se s Mjeseca, kreću se ogromnim brzinama koje su im zadane u trenutku polijetanja. Stoga, primjerice, Međunarodna svemirska postaja s vremena na vrijeme prilagođava orbitu, podiže je, jer što je veća, to bi trebala biti manja brzina potrebna za ostanak u orbiti.

Budući da osiguranje tih brzina zahtijeva odgovarajući utrošak energije, kočenje mora biti povezano sa sličnim utroškom energije. Dakle, kada bi bilo moguće usporiti uređaj prije ulaska u atmosferu, letjeti malom brzinom ili čak polako pasti na Zemlju, ne bi se toliko zagrijavao i opasnost za posadu bila bi beznačajna.

Tu leži kvaka. Svemirski letovi zahtijevaju ogromne troškove energije. Masa korisnog tereta rakete je mali dio ukupne polijetne mase rakete. Najvećim dijelom u sredini rakete nalazi se gorivo koje najvećim dijelom izgori u prvoj fazi prolaska kroz niže slojeve atmosfere. Potrebno je poslati opremu ili posadu broda u svemir. Gorivo je potrebno i za izlazak iz Zemljine orbite prilikom slijetanja, i to vrlo velika količina. Stoga kod kočenja postoji opasnost da se zbog goriva brod zapali. U većini slučajeva radi se o spremnicima goriva koji eksplodiraju od visoke temperature tijekom slijetanja.

Također zanimljivo:

• 10 najčudnijih stvari koje smo naučili o crnim rupama 2021
• Teraformiranje Marsa: Može li se Crveni planet pretvoriti u novu Zemlju?

Slijetanje, slično polijetanju, samo u obrnutom smjeru

Kako bi se vozilo gotovo potpuno usporilo prije ulaska u atmosferu, bit će potrebno potrošiti istu količinu goriva kao i tijekom polijetanja, uz pretpostavku da se masa vozila ne mijenja značajno tijekom misije. Međutim, kada težini broda dodamo gorivo potrebno za podizanje broda i naknadno kočenje, ispada višestruko uvećano. A upravo ta žalosna ekonomska računica znači da se i dalje treba oslanjati na inhibiciju Zemljine atmosfere.

Primjerice, prilikom slijetanja raketa SpaceX Falcon 9 koristi se gorivo, no ovdje je sama raketa vrlo lagana (na Zemlju se uglavnom vraća samo spremnik goriva), a povratak iz daleke orbite se ne provodi.

Inženjeri su izračunali da slijetanje na Zemlju zahtijeva iste resurse goriva po kilogramu kao i polijetanje u orbitu. Odnosno, to je gotovo kao polijetanje, samo u suprotnom smjeru.

I vjerojatno će tako biti još dugo. Ne samo tijekom misija Artemis 1, već i nakon što čovjek stigne na Crveni planet. Kada se ta prepreka donekle savlada, tada će se moći reći da smo konačno ovladali svemirskim letovima. Jer svi mogu poletjeti, ali može biti problema sa slijetanjem.

Ali povijest poznaje mnogo primjera kada su naši znanstvenici i inženjeri uspjeli riješiti složene probleme. Nadamo se da vrlo brzo let na Mjesec ili Mars neće biti ništa teži od leta iz New Yorka u Kijev. Uz ugodno i sigurno slijetanje.

Ako želite pomoći Ukrajini u borbi protiv ruskih okupatora, najbolji način da to učinite je da donirate Oružanim snagama Ukrajine putem Savelife ili putem službene stranice NBU.

Pročitajte također:

• Promatranje Crvenog planeta: Povijest marsovskih iluzija
• Teleportacija sa znanstvenog gledišta i njena budućnost