Visada laukiame pilotuojamų misijų į kosmosą, tačiau šiandien kalbėsime apie tai, kodėl įgulų grąžinimas į Žemę vis dar yra didžiulis iššūkis.
Kosmosas visada traukė žmones, tai buvo kažkas paslaptingo, neištirto. Aušros, tolimos planetos mus vilioja, skatina tyrinėti, eksperimentuoti ir tarpplanetinius skrydžius. Verta pasakyti, kad pastaruoju metu skrydžiai į kosmosą, nors vis dar nekeliaujame pirma klase, atrodo, įvaldomi baziniu tūriu. „Artemis 1“ misija į Mėnulį jau turėjo skristi, tačiau dėl oro sąlygų startas buvo atidėtas iki rugsėjo 2 d. Ir kol su nerimu laukiame paleidimo, turime suprasti, kad sugrįžimas taip pat bus kritinis momentas, nepaisant to, kad tai nepilotuojama misija.
Kosminės misijos gali būti suskirstytos į dvi klases. Tos, kuriose erdvėlaivis kada nors sugrįš į Žemę, dažniausiai yra pilotuojamos misijos, ir tos, kurios gauna bilietą į vieną pusę. Čia galima paminėti ir būsimas pilotuojamas misijas, pavyzdžiui, Elono Musko į Marsą, kurios nebūtinai grįš į Žemę. Tačiau iš tikrųjų toks orlaivis irgi turi kažkur nusileisti. Pasirodo, nusileidimo fazė yra pati sunkiausia tokių misijų dalis. Šiandien mes pabandysime tai išsiaiškinti.
Taip pat skaitykite:
- Kvantinės fizikos 100 metų: nuo XX amžiaus 1920-ųjų teorijų iki kompiuterių
- 5 ateities kosminės misijos, apie kurias reikia pagalvoti
Įgulos ir įrangos sauga
Nuo tada, kai žmogus pirmą kartą išskrido į kosmosą, nerimavome dėl jo sveikatos ir bendros skrydžio sėkmės. Pilotuojamų skrydžių atveju bet kuri akimirka gali būti kritinė. Įgulos ir laive esančios įrangos saugumas, jei tai nepilotuojama misija, visada buvo prioritetas. Tokių misijų inžinieriai ir vadovai, taip pat patys kosmonautai ar astronautai suprato visą tokių skrydžių riziką. Ne visos šios misijos buvo sėkmingos, ypač pirmosios, tačiau buvo svarbu padaryti išvadas, ištaisyti klaidas ir jų nekartoti ateityje.
Pavyzdžiui, per pirmąją erdvėlaivio „Apollo“ misiją viskas baigėsi tragiškai prieš paleidžiant bandymus. Garsiojoje „Apollo 13“ misijoje skrydžio metu įvyko avarija, dėl kurios nusileisti ant Mėnulio paviršiaus tapo neįmanoma. Smagu, kad pavyko išgelbėti įgulą ir sėkmingai atgabenti laivą 7,5 km atstumu nuo „Iwo Jima“ lėktuvnešio. Buvo padarytos išvados, o kitas misijos laivas į kosmosą buvo išsiųstas tik po 5 mėnesių. Net ir pati sėkmingiausia „Apollo 11“ misija buvo kupina įtemptų akimirkų astronautų nusileidimo Mėnulio paviršiuje ir vėlesnio pakilimo bei grįžimo į Žemę metu. Sovietų erdvėlaivis Sojuz taip pat patyrė daug avarijų. Tai, deja, buvo ir yra kosmoso pramonės norma.
Taip, tai dažniausiai pavienės, nenuspėjamos situacijos. Tačiau bet kurioje pilotuojamoje kosminėje misijoje, susijusioje su grįžimu į Žemę, yra momentas, kuris visada yra stulbinantis. Tikriausiai žinote, kokios nenuspėjamos problemos iškyla Marse nusileidus nepilotuojamoms transporto priemonėms, tačiau pilotuojamų misijų atveju kyla pavojus žmonių gyvybėms. Visi prisimename 2003 metų nelaimę – nusileidimo metu šaudyklė „Columbia“ tiesiog sudegė tankiuose atmosferos sluoksniuose, tragiškai žuvo visa septynių žmonių įgula.
Žemiau yra fragmentas iš filmo „Apollo-13“, kuriame demonstruojamas astronautų nusileidimo Žemėje procesas. Žinoma, tai filmas, kuris turi savo taisykles, nebūtinai tiksliai atspindi tikrovę, bet ir labai nuo jos nesiskiria.
Taip pat skaitykite: Jameso Webbo kosminis teleskopas: 10 taikinių, kuriuos reikia stebėti
Kodėl saugiai grįžti į Žemę iš kosmoso yra tokia problema?
Atrodytų, čia turėtų padėti gravitacija, todėl nereikia stengtis sulėtinti raketos. Tačiau jo greitis yra dešimtys tūkstančių kilometrų per valandą – tai yra greitis, reikalingas, kad prietaisas arba išskristų į orbitą aplink Žemę (vadinamasis pirmasis kosminis greitis, t.y. 7,9 km/s), arba net viršytų jį ( antrasis kosminis greitis , t.y. 11,2 km/s) ir nuskrido, pavyzdžiui, į Mėnulį. Ir būtent šis didelis greitis yra problema.
Pagrindinis momentas grįžtant į Žemę arba nusileidžiant kitoje planetoje yra stabdymas. Tai taip pat varginanti, kaip pagreitinti laivą kylant. Juk raketa prieš kilimą nejudėjo Žemės atžvilgiu. Ir to nebus po to, kai ji nusileis. Kaip ir į lėktuvą įlipame oro uoste. Nors skrydžio metu jis pasiekia 900 km/h greitį (kreiserinį vidutinio dydžio keleivinio lėktuvo greitį), nusileidęs vėl sustoja.
Tai reiškia, kad raketa, kuri tuoj nusileis į Žemę, turi sumažinti greitį iki nulio. Skamba paprastai, bet taip nėra. Lėktuvas, turintis sulėtinti greitį nuo 900 km/h iki 0 km/h Žemės atžvilgiu, turi daug lengvesnę užduotį nei raketa, skriejanti maždaug 28 000 km/h greičiu. Be to, raketa ne tik skrenda beprotišku greičiu, bet ir beveik vertikaliai patenka į tankius atmosferos sluoksnius. Ne kampu, kaip lėktuvas, o beveik vertikaliai išėjus iš Žemės orbitos.
Vienintelis dalykas, kuris gali veiksmingai sulėtinti orlaivį, yra Žemės atmosfera. Ir jis yra gana tankus, net ir išoriniuose sluoksniuose, ir sukelia nusileidžiančio įrenginio paviršiaus trintį, o tai nepalankiomis sąlygomis gali perkaisti ir sunaikinti. Taigi, erdvėlaiviui sulėtėjus iki šiek tiek mažesnio greičio nei pirmasis erdvėlaivis, jis pradeda leistis žemyn, krisdamas į Žemę. Pasirinkus tinkamą skrydžio trajektoriją atmosferoje, galima užtikrinti neviršijančių leistinos vertės apkrovų atsiradimą. Tačiau nusileidimo metu laivo sienos gali ir turi įkaisti iki labai aukštos temperatūros. Todėl saugus nusileidimas į Žemės atmosferą galimas tik tuo atveju, jei ant išorinio korpuso yra specialus šiluminės apsaugos įtaisas.
Netgi Marso atmosfera, kuri yra daugiau nei 100 kartų plonesnė už Žemės, yra rimta kliūtis. Tai jaučia visi į Raudonosios planetos paviršių besileidžiantys įrenginiai. Gana dažnai su jais nutinka nelaimingi atsitikimai arba jie tiesiog sudega Marso atmosferoje.
Kartais toks stabdymas yra naudingas, ką įrodo misijos, kurių metu atmosfera tarnavo kaip papildomas stabdys, padedantis transporto priemonėms patekti į tikslinę planetos orbitą. Tačiau tai greičiau išimtys.
Taip pat įdomu:
Atmosferinis stabdymas efektyvus, tačiau turi didžiulių trūkumų
Taip, atmosferinis stabdymas yra gana efektyvus, tačiau jis turi didžiulių trūkumų, nors ir būtinas efektyviam stabdymui.
Toks lėtėjimas orbitinių misijų į kitas planetas atveju nėra pilnas, o grįžimas į Žemę siejamas su visišku lėtėjimu. Tas pats pasakytina ir apie marsaeigio nusileidimą Marse. Zondas, įskridęs į savo orbitą, neturi visiškai sustoti, kitaip jis nukristų į Raudonosios planetos paviršių.
Prietaisai erdvėje, skriejantys aplink Žemę arba grįžtantys iš Mėnulio, juda milžinišku greičiu, kuris jiems buvo suteiktas kilimo metu. Todėl, pavyzdžiui, Tarptautinė kosminė stotis karts nuo karto koreguoja orbitą, ją pakeldama, nes kuo ji didesnė, tuo mažesnis turėtų būti greitis, reikalingas išlikti orbitoje.
Kadangi tokiam greičiui užtikrinti reikia atitinkamų energijos sąnaudų, stabdymas turi būti siejamas su panašiomis energijos sąnaudomis. Todėl jei būtų galima sulėtinti įrenginį prieš patenkant į atmosferą, skristi nedideliu greičiu ar net lėtai kristi į Žemę, jis taip neįkaistų ir pavojus įgulai būtų nereikšmingas.
Čia ir slypi laimikis. Skrydžiai į kosmosą reikalauja didelių energijos sąnaudų. Raketos naudingosios apkrovos masė yra nedidelė visos raketos kilimo masės dalis. Didžioji dalis raketos viduryje yra kuro, kurio didžioji dalis sudeginama pirmajame prasiskverbimo per apatinius atmosferos sluoksnius etape. Į kosmosą būtina išsiųsti įrangą arba laivo įgulą. Degalų reikia ir norint išvažiuoti iš Žemės orbitos tūpimo metu, ir labai daug jo. Todėl stabdant kyla pavojus, kad dėl kuro laivas užsidegs. Dažniausiai tūpimo metu nuo aukštos temperatūros sprogsta kuro bakai.
Taip pat įdomu:
- 10 keisčiausių dalykų, kuriuos sužinojome apie juodąsias skyles 2021 m
- Terraformuojantis Marsas: ar Raudonoji planeta gali virsti nauja Žeme?
Nusileidimas, panašus į kilimą, tik atbuline kryptimi
Norint beveik visiškai sulėtinti transporto priemonę prieš įvažiuojant į atmosferą, teks sunaudoti tiek pat degalų, kiek ir kilimo metu, darant prielaidą, kad transporto priemonės masė misijos metu iš esmės nesikeičia. Tačiau kai prie laivo svorio pridedame kuro, reikalingo laivui pakelti ir vėlesniam stabdymui, pasirodo, kad jis padauginamas daug kartų. Ir kaip tik šis liūdnas ekonominis skaičiavimas reiškia, kad vis tiek reikia pasikliauti Žemės atmosferos slopinimu.
Pavyzdžiui, leidžiantis SpaceX Falcon 9 raketoms, naudojamas kuras, tačiau čia pati raketa labai lengva (į Žemę dažniausiai grįžta tik kuro bakas), o grįžimas iš tolimosios orbitos nevykdomas.
Inžinieriai apskaičiavo, kad nusileidimui Žemėje vienam kilogramui reikia tiek pat kuro išteklių, kiek ir pakilimui į orbitą. Tai yra, tai beveik kaip kilimas, tik priešinga kryptimi.
Ir tikriausiai taip bus dar ilgai. Ne tik Artemis 1 misijų metu, bet ir žmogui pasiekus Raudonąją planetą. Kai kažkiek ši kliūtis bus įveikta, tada bus galima sakyti, kad pagaliau įvaldėme skrydžius į kosmosą. Nes visi gali pakilti, bet gali kilti problemų su nusileidimu.
Tačiau istorija žino daugybę pavyzdžių, kai mūsų mokslininkams ir inžinieriams pavyko išspręsti sudėtingas problemas. Tikimės, kad labai greitai skrydis į Mėnulį ar Marsą bus ne sunkesnis nei skrydis iš Niujorko į Kijevą. Su maloniu ir saugiu nusileidimu.
Jei norite padėti Ukrainai kovoti su Rusijos okupantais, geriausias būdas tai padaryti – aukoti Ukrainos ginkluotosioms pajėgoms per Išgelbėk gyvybę arba per oficialų puslapį NBU.
Taip pat skaitykite:
Kodėl jie nenaudoja hibridinių erdvėlaivių sugrįžimo scenarijų? Neatsparūs karščiui "sparnai" ir ne šiluminės abliacijos skydai + parašiutas.
Sklandymas su stabdymu prieš atmosferą, galutinis kontroliuojamas „šokimas parašiutu“ ant improvizuoto „batuto“. O kuro kūrenti nereikia, gal ir nepagamintų likučių. Važiuoklę paliekame ant žemės, pasiimame tik valdymo sistemą.
Ypač įdomi nepripažinto matematikos genijaus ir praktiško altruisto nuomonė.