Bemannede romoppdrag: Hvorfor er retur til jorden fortsatt et problem?

Vi ser alltid frem til bemannede oppdrag i verdensrommet, men i dag skal vi snakke om hvorfor det fortsatt er en stor utfordring å returnere mannskaper til jorden.

Rommet har alltid tiltrukket folk, det var noe mystisk, uutforsket. Daggry, fjerne planeter lokker oss, oppmuntrer oss til forskning, eksperimentering og interplanetære flyvninger. Det er verdt å si at romflyvninger i det siste, selv om vi fortsatt ikke reiser på første klasse, ser ut til å bli mestret i et grunnleggende volum. Artemis 1-oppdraget til månen skulle allerede fly, men på grunn av værforhold ble oppskytingen utsatt til 2. september. Og mens vi venter spent på lanseringen, må vi forstå at returen også vil være et kritisk øyeblikk, til tross for at det er et ubemannet oppdrag.

Romoppdrag kan deles inn i to klasser. De der romfartøyet en dag vil returnere til jorden er stort sett bemannede oppdrag, og de som får en enveisbillett. Her kan vi også nevne fremtidige bemannede oppdrag, for eksempel til Mars av Elon Musk, som ikke nødvendigvis kommer tilbake til jorden. Men i realiteten må et slikt fly også lande et sted. Det viser seg at landingsfasen er den vanskeligste delen av slike oppdrag. I dag skal vi prøve å finne ut av det.

Les også:

• 100 år med kvantefysikk: Fra teorier fra 1920-tallet til datamaskiner
• 5 fremtidige romoppdrag å tenke på

Sikkerhet for mannskap og utstyr

Helt siden mennesket først fløy ut i verdensrommet, har vi bekymret oss for helsen hans og den generelle suksessen til flyturen. Ved bemannede flyvninger kan ethvert øyeblikk være kritisk. Sikkerheten til mannskapet og utstyret om bord, hvis det er et ubemannet oppdrag, har alltid vært en prioritet. Ingeniører og ledere av slike oppdrag, så vel som kosmonauter eller astronauter selv, forsto alle risikoene ved slike flyvninger. Ikke alle disse oppdragene var vellykkede, spesielt de første, men det var viktig å trekke konklusjoner, rette feil og ikke gjenta dem i fremtiden.

For eksempel, under det første oppdraget til Apollo-romfartøyet, endte alt tragisk på stadiet av tester før utskytingen. I det berømte Apollo 13-oppdraget skjedde en ulykke under flyturen, som et resultat av at landing på månens overflate ble umulig. Det er bra at det var mulig å redde mannskapet og med hell bringe skipet 7,5 km unna Iwo Jima hangarskipet. Konklusjoner ble gjort, og det neste misjonsskipet ble sendt ut i verdensrommet bare 5 måneder senere. Selv det mest vellykkede Apollo 11-oppdraget var fullt av spente øyeblikk under landingen av astronauter på månens overflate og den påfølgende start og retur til jorden. Det sovjetiske romfartøyet Soyuz led også mange ulykker. Dette var og er dessverre normen i romfartsindustrien.

Ja, dette er stort sett enkeltstående, uforutsigbare situasjoner. Men i ethvert bemannet romoppdrag som involverer retur til jorden, er det et øyeblikk som alltid er fantastisk. Du kjenner sikkert til de uforutsigbare problemene som oppstår ved landing av ubemannede kjøretøy på Mars, men når det gjelder bemannede oppdrag, står menneskeliv på spill. Vi husker alle katastrofen i 2003 - under landingen brant skyttelen "Columbia" rett og slett opp i de tette lagene av atmosfæren, hele mannskapet på syv mennesker døde tragisk.

Nedenfor er et fragment fra filmen "Apollo-13", som demonstrerer prosessen med å lande astronautene på jorden. Selvfølgelig er dette en film som har sine egne regler, den gjenspeiler ikke nødvendigvis virkeligheten nøyaktig, men den er ikke veldig forskjellig fra den heller.

Les også: James Webb-romteleskopet: 10 mål å observere

Hvorfor er det et slikt problem å returnere trygt til jorden fra verdensrommet?

Det ser ut til at tyngdekraften burde hjelpe her, så det er ingen grunn til å slite med å bremse raketten. Men hastigheten er titusenvis av kilometer i timen - dette er hastigheten som er nødvendig for at enheten enten skal gå i bane rundt jorden (den såkalte første kosmiske hastigheten, dvs. 7,9 km/s), eller til og med gå utover den ( den andre kosmiske hastigheten, dvs. 11,2 km/s) og fløy for eksempel til Månen. Og det er denne høye hastigheten som er problemet.

Nøkkelpunktet når du kommer tilbake til jorden eller når du lander på en annen planet er bremsing. Dette er like plagsomt som å akselerere skipet under start. Tross alt beveget ikke raketten seg i forhold til jorden før avgang. Og det blir det heller ikke etter at hun har landet. Som med flyet går vi om bord på flyplassen. Selv om den når en hastighet på 900 km/t (marsjhastigheten til et mellomstort passasjerfly) under flyging, stopper den igjen etter landing.

Det betyr at en rakett som er i ferd med å lande på jorden må redusere hastigheten til null. Det høres enkelt ut, men det er det ikke. Et fly som må bremse ned fra 900 km/t til 0 km/t i forhold til jorden har en mye enklere oppgave enn en rakett som reiser i ca. 28 000 km/t. I tillegg flyr raketten ikke bare i en vanvittig hastighet, men går også inn i de tette lagene av atmosfæren nesten vertikalt. Ikke i en vinkel som et fly, men nesten vertikalt etter å ha forlatt jordens bane.

Det eneste som effektivt kan bremse et fly er jordens atmosfære. Og det er ganske tett, selv i de ytre lagene, og forårsaker friksjon på overflaten av den synkende enheten, som under ugunstige forhold kan føre til overoppheting og ødeleggelse. Så etter at romskipet bremser ned til en hastighet som er litt mindre enn det første romskipet, begynner det å synke og falle til jorden. Ved å velge riktig flyvei i atmosfæren er det mulig å sikre forekomsten av belastninger som ikke overstiger den tillatte verdien. Men under nedstigningen kan og bør skipets vegger varmes opp til en svært høy temperatur. Derfor er en sikker nedstigning til jordens atmosfære bare mulig hvis det er en spesiell termisk beskyttelsesanordning på det ytre dekselet.

Selv Mars-atmosfæren, som er mer enn 100 ganger tynnere enn jordens, er en alvorlig hindring. Dette merkes av alle enhetene som går ned til overflaten av den røde planeten. Ganske ofte skjer det ulykker med dem, eller de brenner rett og slett opp i atmosfæren på Mars.

Noen ganger er slik bremsing nyttig, noe som fremgår av oppdrag der atmosfæren fungerte som en ekstra brems, og hjalp kjøretøyene med å komme inn i planetens målbane. Men dette er snarere unntak.

Også interessant:

• Hvorfor blinker stjernene?
• Hvorfor romfartøyer er utstyrt med prosessorer fra det 20. århundre

Atmosfærisk bremsing er effektivt, men det har store ulemper

Ja, atmosfærisk bremsing er ganske effektiv, men det har store ulemper, selv om det er nødvendig for effektiv bremsing.

Slik retardasjon i tilfelle av orbitale oppdrag til andre planeter er ikke fullført, og returen til jorden er forbundet med fullstendig nedbremsing. Det samme gjelder landingen av roveren på Mars. En sonde som går inn i sin bane må ikke stoppe helt, ellers ville den falle til overflaten av den røde planeten.

Enheter i verdensrommet, som går i bane rundt jorden eller vender tilbake fra månen, beveger seg med de enorme hastighetene som ble gitt dem på tidspunktet for start. Derfor justerer den internasjonale romstasjonen for eksempel banen fra tid til annen, og hever den, for jo høyere den er, jo lavere bør hastigheten som trengs for å holde seg i bane være.

Siden tilveiebringelse av disse hastighetene krever et tilsvarende energiforbruk, må bremsing være forbundet med et tilsvarende energiforbruk. Derfor, hvis det var mulig å bremse enheten før den går inn i atmosfæren, fly i lav hastighet eller til og med sakte falle til jorden, ville den ikke varmes opp så mye og faren for mannskapet ville være ubetydelig.

Det er her fangsten ligger. Romflyvninger krever enorme energikostnader. Massen til rakettens nyttelast er en liten del av rakettens totale startmasse. For det meste er det drivstoff i midten av raketten, hvorav det meste brennes i det første stadiet av passasje gjennom de nedre lagene av atmosfæren. Det er nødvendig å sende utstyret eller mannskapet på skipet ut i verdensrommet. Drivstoff er også nødvendig for å forlate jordens bane under landing, og en veldig stor mengde av det. Ved bremsing er det derfor en risiko for at drivstoffet fører til at skipet tar fyr. I de fleste tilfeller er det drivstofftankene som eksploderer av den høye temperaturen under landing.

Også interessant:

• De 10 rareste tingene vi lærte om sorte hull i 2021
• Terraforming Mars: Kan den røde planeten bli til en ny jord?

Landing, i likhet med take-off, bare i motsatt retning

For å bremse kjøretøyet nesten fullstendig før det går inn i atmosfæren, vil det være nødvendig å bruke samme mengde drivstoff som under start, forutsatt at kjøretøyets masse ikke endres nevneverdig under oppdraget. Men når vi legger drivstoffet som trengs for å løfte skipet og for påfølgende bremsing til vekten av skipet, viser det seg å multipliseres mange ganger. Og det er nettopp dette triste økonomiske regnestykket som gjør at det fortsatt er nødvendig å stole på hemningen av jordens atmosfære.

For eksempel, når man lander SpaceX Falcon 9-raketter, brukes drivstoff, men her er selve raketten veldig lett (stort sett er det bare drivstofftanken som returnerer til jorden), og returen fra en fjern bane blir ikke utført.

Ingeniører har beregnet at landing på jorden krever de samme drivstoffressursene per kilo som å ta av i bane. Det vil si at det er nesten som en takeoff, bare i motsatt retning.

Og sannsynligvis vil det være slik i lang tid. Ikke bare under Artemis 1-oppdragene, men også etter at et menneske når den røde planeten. Når til en viss grad denne hindringen vil bli overvunnet, vil det være mulig å si at vi endelig har mestret romflyvninger. For alle kan ta av, men det kan være problemer med landing.

Men historien kjenner mange eksempler når våre forskere og ingeniører klarte å løse komplekse problemer. Vi håper at en flytur til Månen eller Mars snart ikke vil være vanskeligere enn en flytur fra New York til Kiev. Med en behagelig og sikker landing.

Hvis du vil hjelpe Ukraina med å bekjempe de russiske okkupantene, er den beste måten å gjøre det på å donere til Ukrainas væpnede styrker gjennom Redd livet eller via den offisielle siden NBU.

Les også:

• Observere den røde planeten: En historie om Mars-illusjoner
• Teleportering fra et vitenskapelig synspunkt og dets fremtid