私たちは宇宙への有人ミッションをいつも楽しみにしていますが、今日は乗組員を地球に帰還させることが依然として大きな課題である理由についてお話します.
宇宙は常に人々を魅了してきました。神秘的で未踏の何かでした。 夜明け、遠い惑星が私たちを手招きし、研究、実験、惑星間飛行を促します。 最近の宇宙飛行は、まだファーストクラスで旅行していませんが、基本的な量で習得されているようです。 月へのアルテミス 1 ミッションはすでに飛行する予定でしたが、気象条件により、打ち上げは 2 月 日まで延期されました。 そして、打ち上げを心待ちにしている一方で、無人ミッションであるにもかかわらず、帰還も重要な瞬間になることを理解しなければなりません。
宇宙ミッションは つのクラスに分けることができます。 宇宙船がいつか地球に戻るミッションは、ほとんどが有人ミッションで、片道切符が必要です。 ここでは、将来の有人ミッションについても言及できます。たとえば、Elon Musk による火星へのミッションは、必ずしも地球に戻るとは限りません。 しかし実際には、そのような航空機もどこかに着陸しなければなりません。 着陸フェーズは、そのようなミッションの最も難しい部分であることがわかりました。 今日、私たちはそれを理解しようとします。
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乗組員と機器の安全
人間が最初に宇宙に飛んで以来、私たちは彼の健康と飛行の全体的な成功を心配してきました. 有人飛行の場合、どの瞬間も重要です。 無人ミッションの場合、乗組員と搭載機器の安全は常に最優先事項です。 そのようなミッションのエンジニアとリーダー、そして宇宙飛行士や宇宙飛行士自身は、そのような飛行のすべてのリスクを理解していました。 これらのミッションのすべて、特に最初のミッションが成功したわけではありませんが、結論を導き出し、間違いを修正し、将来同じことを繰り返さないようにすることが重要でした。
たとえば、アポロ宇宙船の最初のミッションでは、打ち上げ前のテストの段階ですべてが悲劇的に終わりました。 有名なアポロ 13 号のミッションでは、飛行中に事故が発生し、月面への着陸が不可能になりました。 乗組員を救い、硫黄島空母から7,5km離れたところに船を運ぶことができたのは良いことです。 結論が出され、わずか 5 か月後に次のミッション船が宇宙に送られました。 最も成功したアポロ 11 号のミッションでさえ、宇宙飛行士が月面に着陸し、その後離陸して地球に帰還するまでの間、緊迫した瞬間に満ちていました。 ソ連のソユーズ宇宙船も多くの事故に見舞われました。 残念ながら、これは宇宙産業の標準でした。
はい、これらはほとんどが単一の予測不可能な状況です。 しかし、地球への帰還を伴う有人宇宙ミッションでは、常に驚くべき瞬間があります。 無人機を火星に着陸させる際に発生する予測不可能な問題はご存知かと思いますが、有人ミッションの場合、人命が危険にさらされます。 私たちは皆、2003年の災害を覚えています.着陸中に、シャトル「コロンビア」は大気の密な層で単に燃え尽き、人の乗組員全員が悲劇的に死亡しました.
以下は、映画「アポロ 13 号」の一部で、宇宙飛行士が地球に着陸するプロセスを示しています。 もちろん、これは独自のルールがある映画であり、必ずしも現実を正確に反映しているわけではありませんが、それと大差ありません。
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宇宙から安全に地球に帰還することが、なぜそんなに問題なのですか？
ここでは重力が役立つはずなので、ロケットの速度を落とすのに苦労する必要はありません。 しかし、その速度は時速数万キロメートルです。これは、デバイスが地球の周りの軌道に入るのに必要な速度 (いわゆる第一宇宙速度、つまり 7,9 km/s)、またはそれを超える速度です ( 11,2 番目の宇宙速度、つまり km/s) に到達し、たとえば月まで飛んだ。 そして、問題はこの高速性です。
地球への帰還時や他の惑星への着陸時のキーポイントはブレーキングです。 これは、離陸時に船を加速させるのと同じくらい面倒です。 結局、ロケットは離陸前に地球に対して動いていませんでした。 そして、彼女が着陸した後もそうではありません。 飛行機と同じように、空港で乗り込みます。 飛行中は時速900km（中型旅客機の巡航速度）に達するが、着陸後は再び停止する。
これは、地球に着陸しようとしているロケットが速度をゼロに落とす必要があることを意味します。 シンプルに聞こえますが、そうではありません。 地球に対して時速 900 km から時速 0 km に減速しなければならない飛行機は、時速約 28 km で移動するロケットよりもはるかに簡単な作業です。 さらに、ロケットは非常識な速度で飛行するだけでなく、大気の密な層にほぼ垂直に入ります。 飛行機のような角度ではなく、地球の軌道を離れてほぼ垂直。
航空機を効果的に減速できるのは、地球の大気だけです。 また、外層でも非常に高密度であり、下降するデバイスの表面に摩擦を引き起こし、不利な条件下では過熱や破壊につながる可能性があります。 そのため、宇宙船は最初の宇宙船よりもわずかに遅い速度まで減速した後、降下を開始し、地球に落下します。 大気中の適切な飛行経路を選択することにより、許容値を超えない負荷の発生を保証することができます。 ただし、降下中、船の壁は非常に高温になる可能性があり、またそうあるべきです。 したがって、地球の大気への安全な降下は、外側のケーシングに特別な熱保護装置がある場合にのみ可能です。
地球の 100 分の の薄さの火星の大気でさえ、深刻な障害となっています。 これは、火星の表面に降りるすべてのデバイスによって感じられます。 事故が頻繁に発生するか、火星の大気中で単に燃え尽きます。
大気が追加のブレーキとして機能し、車両が惑星の目標軌道に入るのを助けるミッションによって証明されるように、そのようなブレーキが役立つ場合があります。 しかし、これらはむしろ例外です。
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大気ブレーキは効果的ですが、大きな欠点があります
はい、大気ブレーキは非常に効果的ですが、効果的なブレーキには必要ですが、大きな欠点があります。
他の惑星への軌道ミッションの場合のそのような減速は完全ではなく、地球への帰還は完全な減速に関連しています。 同じことが火星へのローバーの着陸にも当てはまります。 軌道に乗った探査機は、完全に停止してはなりません。そうしないと、火星の表面に落ちてしまいます。
地球を周回する、または月から帰還する宇宙のデバイスは、離陸時に与えられたものすごい速度で移動します。 したがって、たとえば、国際宇宙ステーションは軌道を時々調整して上げます。軌道が高いほど、軌道にとどまるために必要な速度が遅くなるためです。
これらの速度を提供するには、対応するエネルギーの消費が必要であるため、制動は同様のエネルギーの消費に関連付けられている必要があります。 したがって、大気圏に入る前にデバイスの速度を落としたり、低速で飛行したり、ゆっくりと地球に落下したりすることができれば、デバイスはそれほど熱くならず、乗組員への危険はわずかです。
ここに問題があります。 宇宙飛行には膨大なエネルギー コストが必要です。 ロケットのペイロードの質量は、ロケットの総離陸質量のごく一部です。 ほとんどの場合、燃料はロケットの真ん中にあり、そのほとんどは大気の下層を通過する最初の段階で燃焼します。 船の装備や乗組員を宇宙に送る必要があります。 着陸時に地球の軌道を出るためにも燃料が必要であり、それは非常に大量です。 そのため、ブレーキをかけると、燃料によって船が発火する危険性があります。 ほとんどの場合、着陸時の高温で爆発するのは燃料タンクです。
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着陸、離陸と同様、逆方向のみ
ミッション中に機体の質量が大きく変化しないと仮定すると、大気圏に突入する前に機体をほぼ完全に減速させるためには、離陸時と同じ量の燃料を使用する必要があります。 しかし、船を持ち上げてその後ブレーキをかけるために必要な燃料を船の重量に加えると、それは何倍にもなります。 そして、地球の大気の抑制に頼る必要があることを意味するのは、まさにこの悲しい経済計算です。
例えば、SpaceX Falcon 9ロケットの着陸時には燃料を使用しますが、こちらはロケット自体が非常に軽く（地球に戻るのはほとんど燃料タンクのみ）、遠方軌道からの帰還は行われていません。
エンジニアは、地球への着陸には、軌道への離陸と同じキログラムあたりの燃料資源が必要であると計算しました。 つまり、離陸とほぼ同じですが、反対方向にのみです。
そして、おそらく、これは長い間続くでしょう。 アルテミス 1 のミッション中だけでなく、人間が火星に到達した後も同様です。 この障害がある程度克服されたとき、私たちはついに宇宙飛行をマスターしたと言えます。 誰でも離陸できますが、着陸に問題がある場合があります。
しかし、歴史は、科学者やエンジニアが複雑な問題を解決した多くの例を知っています。 月や火星への飛行が、ニューヨークからキエフへの飛行ほど困難でなくなる日が近いことを願っています。 快適で安全な着陸で。
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