Așteptăm mereu cu nerăbdare misiunile cu echipaj în spațiu, dar astăzi vom vorbi despre motivul pentru care întoarcerea echipajelor pe Pământ este încă o provocare uriașă.
Spațiul a atras mereu oameni, a fost ceva misterios, neexplorat. Zorii, planetele îndepărtate ne fac semn, ne încurajează să cercetăm, să experimentăm și să luăm zboruri interplanetare. Merită spus că în ultima perioadă zborurile spațiale, deși încă nu călătorim la clasa întâi, par a fi stăpânite într-un volum de bază. Misiunea Artemis 1 pe Lună trebuia deja să zboare, dar din cauza condițiilor meteorologice, lansarea a fost amânată până pe 2 septembrie. Și în timp ce așteptăm cu nerăbdare lansarea, trebuie să înțelegem că și întoarcerea va fi un moment critic, în ciuda faptului că este o misiune fără pilot.
Misiunile spațiale pot fi împărțite în două clase. Cele în care nava spațială se va întoarce într-o zi pe Pământ sunt în mare parte misiuni cu echipaj și cele care primesc un bilet de dus. Aici putem aminti și viitoarele misiuni cu echipaj, de exemplu, pe Marte ale lui Elon Musk, care nu se vor întoarce neapărat pe Pământ. Dar, în realitate, un astfel de avion trebuie și el să aterizeze undeva. Se pare că faza de aterizare este cea mai dificilă parte a unor astfel de misiuni. Astăzi vom încerca să ne dăm seama.
Citeste si:
- 100 de ani de fizică cuantică: de la teoriile anilor 1920 la calculatoare
- 5 viitoare misiuni spațiale la care să te gândești
Siguranța echipajului și a echipamentului
De când omul a zburat pentru prima dată în spațiu, ne-am îngrijorat de sănătatea lui și de succesul general al zborului. În cazul zborurilor cu echipaj, orice moment poate fi critic. Siguranța echipajului și a echipamentului de la bord, dacă este o misiune fără pilot, a fost întotdeauna o prioritate. Inginerii și conducătorii unor astfel de misiuni, precum și cosmonauții sau astronauții înșiși, au înțeles toate riscurile unor astfel de zboruri. Nu toate aceste misiuni au avut succes, mai ales primele, dar era important să tragem concluzii, să corectăm greșelile și să nu le mai repeți pe viitor.
De exemplu, în timpul primei misiuni a navei spațiale Apollo, totul s-a încheiat tragic în stadiul testelor de pre-lansare. În celebra misiune Apollo 13 a avut loc un accident în timpul zborului, în urma căruia aterizarea pe suprafața lunii a devenit imposibilă. Este bine că s-a putut salva echipajul și a aduce cu succes nava la 7,5 km distanță de portavionul Iwo Jima. S-au făcut concluzii, iar următoarea navă de misiune a fost trimisă în spațiu doar 5 luni mai târziu. Chiar și cea mai de succes misiune Apollo 11 a fost plină de momente tensionate în timpul aterizării astronauților pe suprafața Lunii și a decolării și întoarcerii ulterioare pe Pământ. Nava spațială sovietică Soyuz a suferit și ea multe accidente. Aceasta, din păcate, a fost și este norma în industria spațială.
Da, acestea sunt în mare parte situații unice, imprevizibile. Cu toate acestea, în orice misiune spațială cu echipaj uman care implică întoarcerea pe Pământ, există un moment care este întotdeauna uluitor. Probabil că știți problemele imprevizibile care apar la aterizarea vehiculelor fără pilot pe Marte, dar în cazul misiunilor cu echipaj, în joc sunt vieți umane. Ne amintim cu toții de dezastrul din 2003 - în timpul aterizării, naveta „Columbia” pur și simplu a ars în straturile dense ale atmosferei, întregul echipaj de șapte oameni a murit tragic.
Mai jos este un fragment din filmul „Apollo-13”, care demonstrează procesul de aterizare a astronauților pe Pământ. Desigur, acesta este un film care are propriile reguli, nu reflectă neapărat cu exactitate realitatea, dar nici nu este foarte diferit de aceasta.
Citeste si: Telescopul spațial James Webb: 10 ținte de observat
De ce întoarcerea în siguranță pe Pământ din spațiu este o astfel de problemă?
S-ar părea că gravitația ar trebui să ajute aici, așa că nu este nevoie să te lupți pentru a încetini racheta. Dar viteza sa este de zeci de mii de kilometri pe oră - aceasta este viteza necesară pentru ca dispozitivul fie să intre pe orbită în jurul Pământului (așa-numita prima viteză cosmică, adică 7,9 km/s), fie chiar să depășească ea ( a doua viteză cosmică, adică 11,2 km/s) și a zburat, de exemplu, către Lună. Și această viteză mare este problema.
Punctul cheie la întoarcerea pe Pământ sau la aterizarea pe o altă planetă este frânarea. Acest lucru este la fel de supărător ca și accelerarea navei în timpul decolării. La urma urmei, racheta nu s-a deplasat în raport cu Pământul înainte de decolare. Și nici după ce va ateriza. Ca și în cazul avionului, ne îmbarcăm la aeroport. Deși atinge o viteză de 900 km/h (viteza de croazieră a unui avion de pasageri de dimensiuni medii) în zbor, se oprește din nou după aterizare.
Aceasta înseamnă că o rachetă care este pe cale să aterizeze pe Pământ trebuie să-și reducă viteza la zero. Sună simplu, dar nu este. Un avion care trebuie să încetinească de la 900 km/h la 0 km/h în raport cu Pământul are o sarcină mult mai ușoară decât o rachetă care călătorește cu aproximativ 28 km/h. În plus, racheta nu numai că zboară cu o viteză nebună, dar pătrunde și în straturile dense ale atmosferei aproape vertical. Nu într-un unghi ca un avion, ci aproape vertical după părăsirea orbita Pământului.
Singurul lucru care poate încetini efectiv o aeronavă este atmosfera Pământului. Și este destul de dens, chiar și în straturile exterioare, și provoacă frecare pe suprafața dispozitivului de coborâre, care în condiții nefavorabile poate duce la supraîncălzirea și distrugerea acestuia. Deci, după ce nava spațială decelerează la o viteză puțin mai mică decât prima navă spațială, începe să coboare, căzând pe Pământ. Prin alegerea traiectoriei de zbor corespunzătoare în atmosferă, se poate asigura apariția unor sarcini care nu depășesc valoarea admisă. Cu toate acestea, în timpul coborârii, pereții navei pot și ar trebui să se încălzească până la o temperatură foarte ridicată. Prin urmare, o coborâre în siguranță în atmosfera Pământului este posibilă numai dacă există un dispozitiv special de protecție termică pe carcasa exterioară.
Chiar și atmosfera marțiană, care este de peste 100 de ori mai subțire decât cea a Pământului, este un obstacol serios. Acest lucru este resimțit de toate dispozitivele care coboară la suprafața Planetei Roșii. Destul de des se întâmplă accidente cu ei sau pur și simplu ard în atmosfera lui Marte.
Uneori, o astfel de frânare este utilă, dovadă fiind misiunile în care atmosfera a servit drept frână suplimentară, ajutând vehiculele să intre pe orbita țintă a planetei. Dar acestea sunt mai degrabă excepții.
Interesant de asemenea:
Frânarea atmosferică este eficientă, dar are dezavantaje uriașe
Da, frânarea atmosferică este destul de eficientă, dar are dezavantaje uriașe, deși este necesară pentru o frânare eficientă.
O astfel de decelerare în cazul misiunilor orbitale pe alte planete nu este completă, iar întoarcerea pe Pământ este asociată cu o decelerare completă. Același lucru este valabil și pentru aterizarea roverului pe Marte. O sondă care intră pe orbita sa nu trebuie să se oprească complet, altfel ar cădea la suprafața Planetei Roșii.
Dispozitivele din spațiu, care orbitează în jurul Pământului sau se întorc de pe Lună, se mișcă la viteze enorme care le-au fost date în momentul decolării. Prin urmare, de exemplu, Stația Spațială Internațională ajustează din când în când orbita, ridicând-o, deoarece cu cât este mai mare, cu atât ar trebui să fie mai mică viteza necesară pentru a rămâne pe orbită.
Deoarece furnizarea acestor viteze necesită o cheltuială corespunzătoare de energie, frânarea trebuie să fie asociată cu o cheltuială similară de energie. Prin urmare, dacă ar fi posibil să încetinești dispozitivul înainte de a intra în atmosferă, să zboare cu viteză mică sau chiar să cadă încet pe Pământ, acesta nu s-ar încălzi atât de mult și pericolul pentru echipaj ar fi nesemnificativ.
Aici se află captura. Zborurile spațiale necesită costuri mari de energie. Masa sarcinii utile a rachetei este o mică parte din masa totală la decolare a rachetei. În cea mai mare parte, există combustibil în mijlocul rachetei, majoritatea fiind ars în prima etapă de trecere prin straturile inferioare ale atmosferei. Este necesar să trimiteți echipamentul sau echipajul navei în spațiu. Combustibil este, de asemenea, necesar pentru ieșirea de pe orbita Pământului în timpul aterizării și o cantitate foarte mare din acesta. Prin urmare, la frânare, există riscul ca combustibilul să determine nava să ia foc. În cele mai multe cazuri, rezervoarele de combustibil sunt cele care explodează din cauza temperaturii ridicate în timpul aterizării.
Interesant de asemenea:
- 10 cele mai ciudate lucruri pe care le-am învățat despre găurile negre în 2021
- Terraformarea lui Marte: s-ar putea planeta roșie să se transforme într-un nou Pământ?
Aterizare, asemănătoare cu decolarea, doar în sens invers
Pentru a decelera aproape complet vehiculul înainte de a intra în atmosferă, va fi necesar să se folosească aceeași cantitate de combustibil ca în timpul decolării, presupunând că masa vehiculului nu se modifică semnificativ în timpul misiunii. Cu toate acestea, atunci când adăugăm combustibilul necesar pentru ridicarea navei și pentru frânarea ulterioară la greutatea navei, acesta se dovedește a fi înmulțit de multe ori. Și tocmai acest trist calcul economic înseamnă că este încă necesar să ne bazăm pe inhibarea atmosferei Pământului.
De exemplu, la aterizarea rachetelor SpaceX Falcon 9, se folosește combustibil, dar aici racheta în sine este foarte ușoară (în mare parte doar rezervorul de combustibil se întoarce pe Pământ), iar întoarcerea de pe o orbită îndepărtată nu se efectuează.
Inginerii au calculat că aterizarea pe Pământ necesită aceleași resurse de combustibil pe kilogram ca și decolarea pe orbită. Adică este aproape ca o decolare, doar în sens invers.
Și, probabil, așa va fi mult timp. Nu numai în timpul misiunilor Artemis 1, ci și după ce un om ajunge pe Planeta Roșie. Când, într-o oarecare măsură, acest obstacol va fi depășit, atunci se va putea spune că am stăpânit în sfârșit zborurile spațiale. Pentru că toată lumea poate decola, dar pot apărea probleme cu aterizarea.
Dar istoria cunoaște multe exemple când oamenii de știință și inginerii noștri au reușit să rezolve probleme complexe. Sperăm că foarte curând un zbor către Lună sau Marte nu va fi mai dificil decât un zbor de la New York la Kiev. Cu o aterizare placuta si sigura.
Dacă doriți să ajutați Ucraina să lupte cu ocupanții ruși, cel mai bun mod de a face acest lucru este să donați Forțelor Armate ale Ucrainei prin Salveaza viata sau prin pagina oficiala NBU.
Citeste si:
De ce nu folosesc scenarii hibride de întoarcere a navelor spațiale. „Aripi” nu rezistente la căldură și nu scuturi de ablație termică + parașuta.
Planare cu frânare împotriva atmosferei, „parașutism” final controlat pe o „trambulină” improvizată. Și nu trebuie să ardeți combustibil, poate reziduuri neproduse. Lăsăm șasiul la sol, luăm doar sistemul de control.
Opinia unui geniu matematic nerecunoscut și a unui altruist practic este deosebit de interesantă.