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Missioni spaziali con equipaggio: perché il ritorno sulla Terra è ancora un problema?

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Non vediamo l'ora di intraprendere missioni con equipaggio nello spazio, ma oggi parleremo del motivo per cui il ritorno degli equipaggi sulla Terra è ancora una grande sfida.

Lo spazio ha sempre attratto le persone, era qualcosa di misterioso, di inesplorato. Albe, pianeti lontani ci invitano, ci incoraggiano alla ricerca, alla sperimentazione e ai voli interplanetari. Vale la pena dire che ultimamente i voli spaziali, anche se non viaggiamo ancora in prima classe, sembrano essere padroneggiati in un volume di base. La missione Artemis 1 sulla luna doveva già volare, ma a causa delle condizioni meteorologiche il lancio è stato posticipato al 2 settembre. E mentre attendiamo con ansia il lancio, dobbiamo capire che anche il ritorno sarà un momento critico, nonostante si tratti di una missione senza pilota.

Le missioni spaziali possono essere divise in due classi. Quelle in cui un giorno la navicella spaziale tornerà sulla Terra sono per lo più missioni con equipaggio e quelle che ottengono un biglietto di sola andata. Qui possiamo anche citare le future missioni con equipaggio, ad esempio, su Marte di Elon Musk, che non torneranno necessariamente sulla Terra. Ma in realtà, anche un aereo del genere deve atterrare da qualche parte. Si scopre che la fase di atterraggio è la parte più difficile di tali missioni. Oggi cercheremo di capirlo.

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Sicurezza dell'equipaggio e delle attrezzature

Da quando l'uomo ha volato per la prima volta nello spazio, ci siamo preoccupati per la sua salute e per il successo generale del volo. Nel caso di voli con equipaggio, qualsiasi momento può essere critico. La sicurezza dell'equipaggio e delle attrezzature a bordo, se si tratta di una missione senza pilota, è sempre stata una priorità. Gli ingegneri e i leader di tali missioni, così come i cosmonauti o gli stessi astronauti, hanno compreso tutti i rischi di tali voli. Non tutte queste missioni hanno avuto successo, soprattutto le prime, ma era importante trarre conclusioni, correggere errori e non ripeterli in futuro.

Ad esempio, durante la prima missione della navicella Apollo, tutto finì tragicamente nella fase dei test pre-lancio. Nella famosa missione Apollo 13, durante il volo si è verificato un incidente, a causa del quale l'atterraggio sulla superficie della luna è diventato impossibile. È positivo che sia stato possibile salvare l'equipaggio e portare con successo la nave a 7,5 km dalla portaerei Iwo Jima. Sono state tratte conclusioni e la prossima nave della missione è stata inviata nello spazio solo 5 mesi dopo. Anche la missione Apollo 11 di maggior successo è stata ricca di momenti di tensione durante l'atterraggio degli astronauti sulla superficie della Luna e il successivo decollo e ritorno sulla Terra. Anche la navicella spaziale sovietica Soyuz ha subito molti incidenti. Questa, sfortunatamente, era ed è la norma nell'industria spaziale.

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Sì, queste sono per lo più situazioni singole e imprevedibili. Tuttavia, in qualsiasi missione spaziale con equipaggio che prevede il ritorno sulla Terra, c'è un momento che è sempre sbalorditivo. Probabilmente conosci i problemi imprevedibili che sorgono quando si atterrano veicoli senza pilota su Marte, ma nel caso delle missioni con equipaggio, sono in gioco vite umane. Ricordiamo tutti il ​​disastro del 2003: durante l'atterraggio, la navetta "Columbia" è semplicemente bruciata nei densi strati dell'atmosfera, l'intero equipaggio di sette persone è morto tragicamente.

Di seguito è riportato un frammento del film "Apollo-13", che mostra il processo di atterraggio degli astronauti sulla Terra. Certo, questo è un film che ha le sue regole, non riflette necessariamente accuratamente la realtà, ma non è nemmeno molto diverso da essa.

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Perché il ritorno sano e salvo sulla Terra dallo spazio è un tale problema?

Sembrerebbe che la gravità dovrebbe aiutare qui, quindi non c'è bisogno di lottare per rallentare il razzo. Ma la sua velocità è di decine di migliaia di chilometri orari: questa è la velocità necessaria affinché il dispositivo entri in orbita attorno alla Terra (la cosiddetta prima velocità cosmica, ovvero 7,9 km/s), o addirittura la superi ( la seconda velocità cosmica, cioè 11,2 km/s) e volò, ad esempio, sulla Luna. Ed è proprio questa alta velocità il problema.

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Il punto chiave quando si torna sulla Terra o quando si atterra su un altro pianeta è la frenata. Questo è fastidioso come accelerare la nave durante il decollo. Dopotutto, il razzo non si è mosso rispetto alla Terra prima del decollo. E nemmeno dopo che lei atterra. Come con l'aereo ci imbarchiamo all'aeroporto. Nonostante raggiunga in volo una velocità di 900 km/h (la velocità di crociera di un aereo passeggeri di medie dimensioni), si ferma nuovamente dopo l'atterraggio.

Ciò significa che un razzo che sta per atterrare sulla Terra deve ridurre la sua velocità a zero. Sembra semplice, ma non lo è. Un aeroplano che deve rallentare da 900 km/h a 0 km/h rispetto alla Terra ha un compito molto più semplice di un razzo che viaggia a circa 28 km/h. Inoltre, il razzo non solo vola a una velocità folle, ma entra anche negli strati densi dell'atmosfera quasi verticalmente. Non ad angolo come un aeroplano, ma quasi verticalmente dopo aver lasciato l'orbita terrestre.

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L'unica cosa che può effettivamente rallentare un aereo è l'atmosfera terrestre. Ed è abbastanza denso, anche negli strati esterni, e provoca attrito sulla superficie del dispositivo discendente, che in condizioni sfavorevoli può portare al suo surriscaldamento e distruzione. Quindi, dopo che l'astronave ha decelerato a una velocità leggermente inferiore a quella della prima astronave, inizia a scendere, cadendo sulla Terra. Scegliendo la traiettoria di volo appropriata nell'atmosfera, è possibile garantire il verificarsi di carichi non superiori al valore consentito. Tuttavia, durante la discesa, le pareti della nave possono e devono riscaldarsi fino a raggiungere una temperatura molto elevata. Pertanto, una discesa sicura nell'atmosfera terrestre è possibile solo se è presente uno speciale dispositivo di protezione termica sull'involucro esterno.

Anche l'atmosfera marziana, che è più di 100 volte più sottile di quella terrestre, è un serio ostacolo. Questo è sentito da tutti i dispositivi che scendono sulla superficie del Pianeta Rosso. Abbastanza spesso accadono incidenti con loro o semplicemente bruciano nell'atmosfera di Marte.

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A volte tale frenata è utile, come dimostrano le missioni in cui l'atmosfera fungeva da freno aggiuntivo, aiutando i veicoli a entrare nell'orbita bersaglio del pianeta. Ma queste sono piuttosto delle eccezioni.

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La frenata atmosferica è efficace, ma presenta enormi inconvenienti

Sì, la frenata atmosferica è abbastanza efficace, ma presenta enormi inconvenienti, sebbene sia necessaria per una frenata efficace.

Tale decelerazione nel caso di missioni orbitali su altri pianeti non è completa e il ritorno sulla Terra è associato a una decelerazione completa. Lo stesso vale per l'atterraggio del rover su Marte. Una sonda che entra nella sua orbita non deve fermarsi completamente, altrimenti cadrebbe sulla superficie del Pianeta Rosso.

I dispositivi nello spazio, in orbita attorno alla Terra o di ritorno dalla Luna, si muovono alle enormi velocità che sono state date loro al momento del decollo. Pertanto, ad esempio, la Stazione Spaziale Internazionale regola di volta in volta l'orbita, alzandola, perché più è alta, minore dovrebbe essere la velocità necessaria per rimanere in orbita.

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Poiché fornire queste velocità richiede un corrispondente dispendio di energia, la frenata deve essere associata a un simile dispendio di energia. Pertanto, se fosse possibile rallentare il dispositivo prima di entrare nell'atmosfera, volare a bassa velocità o addirittura cadere lentamente sulla Terra, non si surriscalderebbe così tanto e il pericolo per l'equipaggio sarebbe insignificante.

È qui che sta il trucco. I voli spaziali richiedono enormi costi energetici. La massa del carico utile del razzo è una piccola parte della massa totale al decollo del razzo. Per la maggior parte, c'è del carburante nel mezzo del razzo, la maggior parte del quale viene bruciato nella prima fase del passaggio attraverso gli strati inferiori dell'atmosfera. È necessario inviare l'equipaggiamento o l'equipaggio della nave nello spazio. Il carburante è necessario anche per uscire dall'orbita terrestre durante l'atterraggio e una quantità molto grande di esso. Pertanto, durante la frenata, c'è il rischio che il carburante provochi l'incendio della nave. Nella maggior parte dei casi, sono i serbatoi di carburante che esplodono per l'alta temperatura durante l'atterraggio.

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Atterraggio, simile al decollo, solo nella direzione inversa

Al fine di decelerare quasi completamente il veicolo prima di entrare in atmosfera, sarà necessario utilizzare la stessa quantità di carburante che durante il decollo, supponendo che la massa del veicolo non cambi in modo significativo durante la missione. Tuttavia, quando al peso della nave aggiungiamo il carburante necessario per sollevare la nave e per la successiva frenata, questo risulta moltiplicato molte volte. Ed è proprio questo triste calcolo economico che significa che è ancora necessario fare affidamento sull'inibizione dell'atmosfera terrestre.

Ad esempio, durante l'atterraggio dei razzi SpaceX Falcon 9, viene utilizzato carburante, ma qui il razzo stesso è molto leggero (per lo più solo il serbatoio del carburante ritorna sulla Terra) e il ritorno da un'orbita lontana non viene effettuato.

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Gli ingegneri hanno calcolato che l'atterraggio sulla Terra richiede le stesse risorse di carburante per chilogrammo del decollo in orbita. Cioè, è quasi come un decollo, solo nella direzione opposta.

E, probabilmente, sarà così per molto tempo. Non solo durante le missioni Artemis 1, ma anche dopo che un umano ha raggiunto il Pianeta Rosso. Quando in una certa misura questo ostacolo sarà superato, allora sarà possibile dire che abbiamo finalmente dominato i voli spaziali. Perché tutti possono decollare, ma potrebbero esserci problemi con l'atterraggio.

Ma la storia conosce molti esempi in cui i nostri scienziati e ingegneri sono riusciti a risolvere problemi complessi. Ci auguriamo che molto presto un volo sulla Luna o su Marte non sia più difficile di un volo da New York a Kiev. Con un atterraggio piacevole e sicuro.

Se vuoi aiutare l'Ucraina a combattere gli occupanti russi, il modo migliore per farlo è donare alle forze armate ucraine attraverso Salva Vita o tramite la pagina ufficiale NBU.

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Yuri Svitlyk
Yuri Svitlyk
Figlio dei Carpazi, genio non riconosciuto della matematica, "avvocato"Microsoft, altruista pratico, sinistra-destra
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1 Commento
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Іgor
Іgor
8 mesi fa

Perché non usano scenari di ritorno di veicoli spaziali ibridi. "Ali" non resistenti al calore e non scudi per ablazione termica + paracadute.
Planata con frenata contro l'atmosfera, "paracadutismo" finale controllato su un "trampolino" improvvisato. E non serve bruciare carburante, magari residui non prodotti. Lasciamo il telaio a terra, prendiamo solo il sistema di controllo.
L'opinione di un genio matematico non riconosciuto e di un pratico altruista è particolarmente interessante.

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