Sempre esperamos ansiosamente por missões tripuladas no espaço, mas hoje vamos falar sobre por que retornar tripulações à Terra ainda é um grande desafio.
O espaço sempre atraiu as pessoas, era algo misterioso, inexplorado. Amanhecer, planetas distantes nos acenam, nos encorajam a pesquisar, experimentar e voos interplanetários. Vale dizer que ultimamente os voos espaciais, embora ainda não viajemos na primeira classe, parecem ser dominados em um volume básico. A missão Artemis 1 à lua já deveria voar, mas devido às condições climáticas, o lançamento foi adiado para 2 de setembro. E enquanto aguardamos ansiosamente o lançamento, devemos entender que o retorno também será um momento crítico, apesar de ser uma missão não tripulada.
As missões espaciais podem ser divididas em duas classes. Aqueles em que a espaçonave algum dia retornará à Terra são principalmente missões tripuladas e aqueles que recebem uma passagem só de ida. Aqui também podemos mencionar futuras missões tripuladas, por exemplo, a Marte por Elon Musk, que não necessariamente retornarão à Terra. Mas, na realidade, essa aeronave também precisa pousar em algum lugar. Acontece que a fase de pouso é a parte mais difícil de tais missões. Hoje vamos tentar descobrir.
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Segurança da tripulação e equipamentos
Desde que o homem voou para o espaço pela primeira vez, nos preocupamos com sua saúde e com o sucesso geral do voo. No caso de voos tripulados, qualquer momento pode ser crítico. A segurança da tripulação e dos equipamentos a bordo, se for uma missão não tripulada, sempre foi uma prioridade. Engenheiros e líderes de tais missões, bem como os próprios cosmonautas ou astronautas, compreendiam todos os riscos de tais voos. Nem todas essas missões foram bem sucedidas, principalmente as primeiras, mas era importante tirar conclusões, corrigir erros e não repeti-los no futuro.
Por exemplo, durante a primeira missão da espaçonave Apollo, tudo terminou tragicamente na fase de testes de pré-lançamento. Na famosa missão Apollo 13, ocorreu um acidente durante o voo, como resultado do qual o pouso na superfície da lua se tornou impossível. É bom que tenha sido possível salvar a tripulação e trazer com sucesso o navio a 7,5 km do porta-aviões Iwo Jima. As conclusões foram feitas e a próxima nave missionária foi enviada ao espaço apenas 5 meses depois. Mesmo a missão Apollo 11 mais bem-sucedida foi repleta de momentos tensos durante o pouso dos astronautas na superfície da Lua e a posterior decolagem e retorno à Terra. A espaçonave soviética Soyuz também sofreu muitos acidentes. Isso, infelizmente, era e é a norma na indústria espacial.
Sim, estas são principalmente situações únicas e imprevisíveis. No entanto, em qualquer missão espacial tripulada que envolva o retorno à Terra, há um momento que é sempre impressionante. Você provavelmente conhece os problemas imprevisíveis que surgem ao pousar veículos não tripulados em Marte, mas no caso de missões tripuladas, vidas humanas estão em jogo. Todos nos lembramos do desastre de 2003 - durante o pouso, o ônibus espacial "Columbia" simplesmente queimou nas densas camadas da atmosfera, toda a tripulação de sete pessoas morreu tragicamente.
Abaixo está um fragmento do filme "Apollo-13", que demonstra o processo de pouso dos astronautas na Terra. Claro, este é um filme que tem suas próprias regras, não necessariamente reflete com precisão a realidade, mas também não é muito diferente dela.
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Por que retornar com segurança para a Terra do espaço é um problema tão grande?
Parece que a gravidade deve ajudar aqui, então não há necessidade de lutar para desacelerar o foguete. Mas sua velocidade é de dezenas de milhares de quilômetros por hora - essa é a velocidade necessária para o dispositivo entrar em órbita ao redor da Terra (a chamada primeira velocidade cósmica, ou seja, 7,9 km/s), ou até mesmo ir além dela ( a segunda velocidade cósmica, ou seja, 11,2 km/s) e voou, por exemplo, para a Lua. E é essa alta velocidade que é o problema.
O ponto chave ao retornar à Terra ou ao pousar em outro planeta é a frenagem. Isso é tão problemático quanto acelerar o navio durante a decolagem. Afinal, o foguete não se moveu em relação à Terra antes da decolagem. E nem será depois que ela pousar. Tal como acontece com o avião, embarcamos no aeroporto. Embora atinja uma velocidade de 900 km/h (a velocidade de cruzeiro de um avião de passageiros de médio porte) em voo, ele para novamente após o pouso.
Isso significa que um foguete que está prestes a pousar na Terra deve reduzir sua velocidade a zero. Parece simples, mas não é. Um avião que precisa desacelerar de 900 km/h para 0 km/h em relação à Terra tem uma tarefa muito mais fácil do que um foguete que viaja a cerca de 28 km/h. Além disso, o foguete não apenas voa a uma velocidade insana, mas também entra nas densas camadas da atmosfera quase verticalmente. Não em um ângulo como um avião, mas quase na vertical depois de deixar a órbita da Terra.
A única coisa que pode efetivamente desacelerar uma aeronave é a atmosfera da Terra. E é bastante denso, mesmo nas camadas externas, e causa atrito na superfície do dispositivo descendente, que em condições desfavoráveis pode levar ao seu superaquecimento e destruição. Assim, depois que a espaçonave desacelera para uma velocidade um pouco menor do que a primeira espaçonave, ela começa a descer, caindo na Terra. Ao escolher a trajetória de voo adequada na atmosfera, é possível garantir a ocorrência de cargas que não ultrapassem o valor permitido. No entanto, durante a descida, as paredes do navio podem e devem aquecer a uma temperatura muito alta. Portanto, uma descida segura na atmosfera da Terra só é possível se houver um dispositivo especial de proteção térmica na caixa externa.
Mesmo a atmosfera marciana, que é mais de 100 vezes mais fina que a da Terra, é um sério obstáculo. Isso é sentido por todos os dispositivos que descem à superfície do Planeta Vermelho. Muitas vezes os acidentes acontecem com eles, ou simplesmente queimam na atmosfera de Marte.
Às vezes, essa frenagem é útil, como evidenciado por missões em que a atmosfera serviu como freio adicional, ajudando os veículos a entrar na órbita alvo do planeta. Mas estes são bastante exceções.
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A frenagem atmosférica é eficaz, mas tem enormes desvantagens
Sim, a frenagem atmosférica é bastante eficaz, mas tem enormes desvantagens, embora seja necessária para uma frenagem eficaz.
Tal desaceleração no caso de missões orbitais para outros planetas não é completa, e o retorno à Terra está associado a uma desaceleração completa. O mesmo se aplica ao pouso do rover em Marte. Uma sonda que entra em sua órbita não deve parar completamente, caso contrário cairia na superfície do Planeta Vermelho.
Dispositivos no espaço, orbitando a Terra ou retornando da Lua, se movem nas enormes velocidades que lhes foram dadas no momento da decolagem. Assim, por exemplo, a Estação Espacial Internacional ajusta a órbita de tempos em tempos, elevando-a, pois quanto mais alta, menor deve ser a velocidade necessária para permanecer em órbita.
Como fornecer essas velocidades requer um gasto de energia correspondente, a frenagem deve estar associada a um gasto de energia semelhante. Portanto, se fosse possível desacelerar o dispositivo antes de entrar na atmosfera, voar em baixa velocidade ou mesmo cair lentamente na Terra, ele não esquentaria tanto e o perigo para a tripulação seria insignificante.
É aqui que está a pegadinha. Os voos espaciais exigem enormes custos de energia. A massa da carga útil do foguete é uma pequena parte da massa total de decolagem do foguete. Na maior parte, há combustível no meio do foguete, a maior parte do qual é queimado no primeiro estágio de passagem pelas camadas inferiores da atmosfera. É necessário enviar o equipamento ou a tripulação da nave para o espaço. O combustível também é necessário para sair da órbita da Terra durante o pouso, e uma quantidade muito grande dele. Portanto, ao frear, existe o risco de que o combustível faça com que o navio pegue fogo. Na maioria dos casos, são os tanques de combustível que explodem com a alta temperatura durante o pouso.
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Aterragem, semelhante à descolagem, apenas no sentido inverso
Para desacelerar quase completamente o veículo antes de entrar na atmosfera, será necessário usar a mesma quantidade de combustível que durante a decolagem, supondo que a massa do veículo não se altere significativamente durante a missão. No entanto, quando adicionamos o combustível necessário para levantar o navio e para a frenagem subsequente ao peso do navio, ele se multiplica muitas vezes. E é justamente esse triste cálculo econômico que significa que ainda é preciso contar com a inibição da atmosfera terrestre.
Por exemplo, ao pousar foguetes SpaceX Falcon 9, o combustível é usado, mas aqui o próprio foguete é muito leve (principalmente apenas o tanque de combustível retorna à Terra) e o retorno de uma órbita distante não é realizado.
Os engenheiros calcularam que o pouso na Terra requer os mesmos recursos de combustível por quilograma que a decolagem em órbita. Ou seja, é quase como uma decolagem, só que na direção oposta.
E, provavelmente, será assim por muito tempo. Não apenas durante as missões Artemis 1, mas também depois que um humano chega ao Planeta Vermelho. Quando, até certo ponto, esse obstáculo for superado, será possível dizer que finalmente dominamos os voos espaciais. Porque todos podem decolar, mas pode haver problemas com o pouso.
Mas a história conhece muitos exemplos em que nossos cientistas e engenheiros conseguiram resolver problemas complexos. Esperamos que muito em breve um voo para a Lua ou Marte não seja mais difícil do que um voo de Nova York para Kyiv. Com um pouso agradável e seguro.
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