Мы всегда с большим интересом ждем пилотируемых миссий в космос, но сегодня поговорим о том, почему возвращение экипажа на Землю до сих пор является огромной проблемой.
Космос всегда привлекал людей, был чем-то таинственным, неизведанным. Звезды, далекие планеты привлекают нас, побуждают к исследованиям, экспериментам и межпланетным полетам. Стоит сказать, что в последнее время космические полеты, хотя мы до сих пор и не путешествуем в первом классе, кажется, осваиваются в базовом объеме. Миссия Artemis 1 к Луне уже должна была полететь, но из-за погодных условий старт отложили до 2 сентября. И хотя мы с волнением ждем старта, надо понимать, что возвращение тоже будет критическим моментом, несмотря на то, что это беспилотная миссия.
Космические миссии можно разделить на два класса. Те, в которых космический аппарат когда-нибудь вернется на Землю, преимущественно это пилотируемые миссии, и те, которые получили билет в один конец. Здесь также можно упомянуть о предстоящих пилотируемых миссиях, например, на Марс от Илона Маска, которые не обязательно будут возвращаться на Землю. Но на самом деле такой летательный аппарат тоже должен где-нибудь приземлиться. Оказывается, что именно этап приземления наиболее труден во время таких миссий. Сегодня попробуем в этом разобраться.
Читайте также:
С тех пор, как человек впервые полетел в космос, мы беспокоились о его здоровье и общем успехе полета. В случае с пилотируемыми полетами критичным может быть любой момент. Безопасность экипажа и оборудования на борту, если это беспилотная миссия, всегда были в приоритете. Инженеры и руководители таких миссий, и сами космонавты или астронавты, понимали все риски таких полетов. Не все эти миссии были удачными, особенно первые, но важно было сделать выводы, исправить ошибки и не повторять их в будущем.
К примеру, во время первой миссии корабля “Аполлон” все закончилось трагически уже на этапе предстартовых испытаний. В знаменитой миссии “Аполлон-13” произошла авария во время полета, в результате чего высадка на поверхность Луны стала невозможной. Хорошо, что удалось спасти экипаж и успешно приводнить корабль в 7,5 км от авианосца “Иводжима”. Выводы были сделаны, а следующий корабль миссии отправили в космос только через 5 месяцев. Даже самая успешная миссия “Аполлон-11” была полна напряженных моментов при высадке астронавтов на поверхность Луны и последующем взлете и возвращении на Землю. Также многие аварии потерпели и советские космические корабли “Союз”. Это, к сожалению, было и является нормой в космической отрасли.
Да, это преимущественно единичные, непредсказуемые ситуации. Однако в любой пилотируемой космической миссии, связанной с возвращением на Землю, есть момент, всегда напряженный. Вы наверняка знаете, какие непредсказуемые проблемы возникают при посадке на Марс беспилотных аппаратов, но в случае с пилотируемыми миссиями – на кону человеческие жизни. Все мы помним катастрофу 2003 года – во время приземления шаттл “Колумбия” (Columbia) просто сгорел в плотных слоях атмосферы, трагически погиб весь экипаж из семи человек.
Ниже представлен фрагмент из фильма “Аполлон-13”, который демонстрирует процесс посадки на Землю астронавтов. Конечно, это кино, имеющее свои правила, оно не обязательно точно отражает реальность, но и не очень сильно от нее отличается.
Читайте также: Космический телескоп Джеймса Уэбба: 10 целей для наблюдения
Казалось бы, здесь должна помогать гравитация, поэтому не нужно мучиться, чтобы затормозить ракету. Но ее скорость составляет десятки тысяч километров в час – именно такая скорость необходима для того, чтобы аппарат вышел на орбиту вокруг Земли (так называемая первая космическая скорость, то есть 7,9 км/с), или даже вышел за нее (вторая космическая скорость , то есть 11,2 км/с) и улетел, например, на Луну. И именно эта высокая скорость — проблема.
Ключевой момент при возвращении на Землю или при посадке на другую планету – торможение. Это так же трудно, как и разгон корабля во время взлета. Ведь ракета перед взлетом не двигалась по отношению к Земле. И так же этого не будет после того, как она приземлится. Как и с самолетом, на который мы садимся в аэропорту. Хотя при полете он достигает скорости 900 км/ч (крейсерская скорость пассажирского самолета среднего размера), после приземления он снова останавливается.
Это означает, что ракета, которая должна приземлиться на Землю, должна снизить свою скорость до нуля. Звучит просто, но это не так. Самолет, который должен замедлить скорость с 900 км/ч до 0 км/ч по отношению к Земле, имеет гораздо более простую задачу, чем ракета, мчащаяся со скоростью около 28 000 км/ч. К тому же ракета не только летит с бешеной скоростью, но и почти вертикально входит в плотные слои атмосферы. Не под углом как самолет, а практически вертикально после того, как покинула земную орбиту.
Единственное, что может эффективно замедлить летательный аппарат, это атмосфера Земли. А она даже во внешних слоях достаточно плотная, и создает трение о поверхность спускаемого аппарата, что при неблагоприятных условиях может привести к его перегреванию и разрушению. Итак, после того как космический корабль затормозится до скорости, меньшей первой космической, он начинает снижаться, падая на Землю. Выбором соответствующей траектории полета в атмосфере можно обеспечить появление нагрузок, не превышающих допустимой величины. Однако при спуске стенки корабля могут и должны разогреваться до высокой температуры. Поэтому безопасный спуск в атмосфере Земли возможен только при наличии на наружной обшивке аппарата специальной теплозащиты.
Даже марсианская атмосфера, более чем в 100 раз более тонкая земной, является серьезным препятствием. Это ощущают на себе все аппараты, спускающиеся на поверхность Красной планеты. Достаточно часто с ними происходят аварии или они просто сгорают в атмосфере Марса.
Иногда такое торможение полезно, о чем свидетельствуют миссии, в которых атмосфера была дополнительным тормозом, что помогало аппаратам выйти на целевую орбиту планеты. Но это скорее исключения.
Также интересно: Почему космические аппараты оснащены процессорами 20 века
Да, атмосферное торможение достаточно эффективно, но оно имеет огромные недостатки, хотя и необходимо для эффективного торможения.
Такое торможение в случае орбитальных миссий к другим планетам не является полным, а возвращение на Землю связано с полным торможением. То же самое касается и посадки марсохода на Марс. Зонд, попадающий на его орбиту, не должен полностью остановиться, иначе он упал бы на поверхность Красной планеты.
Аппараты в космосе, вращающиеся вокруг Земли или возвращающиеся с Луны, двигаются на огромных скоростях, которые они набрали во время взлета. Поэтому, например, Международная космическая станция время от времени корректирует орбиту, поднимая ее, потому что чем она выше, тем меньше должна быть скорость, необходимая для нахождения на орбите.
Поскольку достижение таких скоростей требует соответствующих расходов энергии, торможение должно быть связано с аналогичными затратами энергии. Поэтому, если бы можно было сильно затормозить аппарат перед входом в атмосферу, лететь на малой скорости или даже медленно падать на Землю, он не так сильно нагревался бы и опасность для экипажа была бы незначительной.
Вот тут и кроется закавыка. Полеты в космос требуют огромных энергетических затрат. Масса полезной нагрузки ракеты составляет незначительную часть общей взлетной массы ракеты. В основном внутри ракеты топливо, большая часть которого сжигается на первом этапе прохождения нижних слоев атмосферы. Оно необходимо для отправки оборудования или экипажа корабля в космос. Топливо также нужно и для выхода с орбиты Земли во время приземления, и очень большое количество. Поэтому при торможении существует риск, что топливо станет причиной возгорания корабля. В большинстве случаев именно топливные баки и взрываются от высокой температуры во время приземления.
Также интересно:
Чтобы почти полностью затормозить аппарат перед входом в атмосферу, потребуется использовать такое же количество топлива, как и во время взлета, если предположить, что масса аппарата существенно не изменится во время миссии. Однако, когда мы добавим топливо, необходимое для подъема корабля и для дальнейшего торможения, к весу корабля, оказывается, что он увеличивается во много раз. И именно этот печальный экономический расчет означает, что все еще нужно полагаться на торможение атмосферой Земли.
К примеру, при посадке ракет Falcon 9 SpaceX используется топливо, но здесь сама ракета очень легкая (на Землю возвращается в основном только топливный бак), а возвращение с дальней орбиты не осуществляется.
Инженеры рассчитали, что посадка на Землю требует таких же топливных ресурсов на килограмм, как взлет на орбиту. То есть, это почти как взлет, только в обратном направлении.
И, вероятно, так будет еще долго. Не только во время миссий Artemis 1, но и после того, как человек попадет на Красную планету. Когда в какой-то мере это препятствие будет преодолено, тогда вполне можно будет сказать, что мы окончательно освоили космические полеты. Ибо каждый может взлететь, а вот с посадкой могут возникнуть проблемы.
Но история знает много примеров, когда нашим ученым и инженерам удавалось решить сложнейшие задачи. Надеемся, что уже очень скоро полет на Луну или Марс будет не более сложным, чем перелет самолетом из Нью-Йорка в Киев. С приятным и безопасным приземлением.
Вы можете помочь Украине бороться с российскими оккупантами, лучший способ – сделать пожертвование для Вооруженных Сил Украины через Savelife или через официальную страницу НБУ.
Читайте также:
Leave a Reply