Космічні пілотовані місії: чому повернення на Землю досі проблема?

Ми завжди з великою цікавістю чекаємо на пілотовані місії у космос, але сьогодні поговоримо про те, чому повернення екіпажу на Землю й досі є величезною проблемою.

Космос завжди приваблював людей, був чимось таємничим, незвіданим. Зорі, далекі планети ваблять нас, спонукають до досліджень, експериментів та міжпланетних польотів. Варто сказати, що останнім часом космічні польоти, хоча ми й досі не подорожуємо в першому класі, здається, освоюються в базовому обсязі. Місія Artemis 1 до Місяця вже мала полетіти, але через погодні умови старт відклали до 2 вересня. І хоча ми з хвилюванням чекаємо старту, треба розуміти, що повернення також буде критичним моментом, незважаючи на те, що це безпілотна місія.

Космічні місії можна розділити на два класи. Ті, в яких космічний апарат колись повернеться на Землю, переважно це пілотовані місії, і ті, що отримують квиток в один кінець. Тут також можна згадати про майбутні пілотовані місії, наприклад, на Марс від Ілона Маска, які не обов’язково будуть повертатися на Землю. Але насправді такий літальний апарат теж має десь приземлитися. Виявляється, що саме етап приземлення є найважчим під час таких місій. Сьогодні спробуємо в цьому розібратись.

Читайте також:

• 100 років квантовій фізиці: Від теорій 1920 років до комп’ютерів
• 5 майбутніх космічних місій, про які варто замислитись

Безпека екіпажу та обладнання

Відколи людина вперше полетіла в космос, ми хвилювалися за її здоров’я та загальний успіх польоту. У випадку з пілотованими польотами критичним може бути будь-який момент. Безпека екіпажу та обладнання на борту, якщо це безпілотна місія, завжди були у пріоритеті. Інженери і керівники таких місій, та й самі космонавти чи астронавти, розуміли всі ризики таких польотів. Не всі ці місії були вдалими, особливо перші з них, але важливо було зробити висновки, виправити помилки і не повторювати їх в майбутньому.

Наприклад, під час першої місії корабля “Аполлон” все закінчилося трагічно вже на етапі передстартових випробувань. У знаменитій місії “Аполлон-13” сталася аварія під час польоту, внаслідок чого висадка на поверхню Місяця стала неможливою. Добре, що вдалося врятувати екіпаж і успішно приводнити корабель за 7,5 км від авіаносця “Іводжіма”. Висновки були зроблені, а наступний корабель місії відправили у космос тільки через 5 місяців. Навіть найуспішніша місія “Аполлон-11” була сповнена моментів напруги під час висадки астронавтів на поверхню Місяця і подальшого злету і поверненню на Землю. Також багато аварій зазнали і радянські космічні кораблі “Союз”. Це, на жаль, було і є нормою в космічній галузі.

Так, це переважно одиничні, непередбачувані ситуації. Однак у будь-якій пілотованій космічній місії, пов’язаній з поверненням на Землю, є момент, який завжди приголомшливий. Ви, напевно, знаєте, які непередбачувані проблеми виникають під час посадки на Марс безпілотних апаратів, але у випадку з пілотованими місіями – на кону людські життя. Всі ми пам’ятаємо катастрофу 2003 року – під час приземлення шатл “Колумбія (Columbia)” просто згорів у щільних шарах атмосфери, трагічно загинув весь екіпаж з семи чоловік.

Нижче наведено фрагмент із фільму “Аполлон-13”, який демонструє процес посадки на Землю астронавтів. Звісно, ​​це кіно, яке має свої правила, воно не обов’язково точно відображає реальність, але й не дуже сильно від неї відрізняється.

Читайте також: Космічний телескоп Джеймса Вебба: 10 цілей для спостереження

Чому безпечне повернення на Землю з космосу є такою проблемою?

Здавалося б, тут має допомагати гравітація, тому не потрібно мучитися, щоб загальмувати ракету. Але її швидкість становить десятки тисяч кілометрів на годину – саме така швидкість необхідна для того, щоб апарат або вийшов на орбіту навколо Землі (так звана перша космічна швидкість, тобто 7,9 км/с), або навіть вийшов за неї (друга космічна швидкість, тобто 11,2 км/с) і полетів, наприклад, на Місяць. І саме ця висока швидкість є проблемою.

Ключовий момент при поверненні на Землю або при посадці на іншу планету – гальмування. Це так само клопітно, як і розгін корабля під час зльоту. Адже ракета перед зльотом не рухалася відносно Землі. І так само цього не буде після того, як вона приземлиться. Як і з літаком, на який ми сідаємо в аеропорту. Хоча під час польоту він досягає швидкості 900 км/год (крейсерська швидкість пасажирського літака середнього розміру), після приземлення він знову зупиняється.

Це означає, що ракета, яка має приземлитися на Землю, повинна зменшити свою швидкість до нуля. Звучить просто, але це не так. Літак, який повинен уповільнити швидкість з 900 км/год до 0 км/год відносно Землі, має набагато простішу задачу, ніж ракета, яка мчить зі швидкістю близько 28 000 км/год. До того ж, ракета не тільки летить з шаленою швидкістю, а й майже вертикально входить у щільні шари атмосфери. Не під кутом, як літак, а практично вертикально після того, як покинула земну орбіту.

Єдине, що може ефективно уповільнити літальний апарат, — це атмосфера Землі. А вона навіть у зовнішніх шарах є досить щільною, і чинить тертя по поверхні апарату, що спускається, що за несприятливих умов може призвести до його перегрівання та руйнування. Отже, після того як космічний корабель загальмується до швидкості, дещо меншої за першу космічну, він починає знижуватися, падаючи на Землю. Вибором відповідної траєкторії польоту в атмосфері можна забезпечити виникнення навантажень не вище допустимої величини. Однак при спуску стінки корабля можуть і повинні розігріватись до дуже високої температури. Тому безпечний спуск в атмосфері Землі можливий лише за наявності на зовнішній обшивці апарату спеціального теплозахисту.

Навіть марсіанська атмосфера, яка більш ніж у 100 разів тонша за земну, є серйозною перешкодою. Це відчувають на собі всі апарати, які спускаються на поверхню Червоної планети. Достатньо часто з ними відбуваються аварії, або вони просто згорають в атмосфері Марсу.

Іноді таке гальмування корисне, про що свідчать місії, у яких атмосфера слугувала додатковим гальмом, що допомагало апаратам вийти на цільову орбіту планети. Але це скоріше винятки.

Також цікаво:

• Чому зірки миготять?
• Чому космічні апарати оснащені процесорами 20 століття

Атмосферне гальмування ефективне, але воно має величезні недоліки

Так, атмосферне гальмування досить ефективне, але воно має величезні недоліки, хоча й необхідне для ефективного гальмування.

Таке гальмування у випадку орбітальних місій до інших планет не є повним, а повернення на Землю пов’язане з повним гальмуванням. Це ж стосується і посадки марсохода на Марс. Зонд, який потрапляє на його орбіту, не повинен повністю зупинитися, інакше він би впав на поверхню Червоної планети.

Апарати в космосі, які обертаються навколо Землі або повертаються з Місяця, рухаються на величезних швидкостях, які їм надали під час зльоту. Тому, наприклад, Міжнародна космічна станція час від часу коригує орбіту, піднімаючи її, тому що чим вона вище, тим меншою повинна бути швидкість, необхідна для перебування на орбіті.

Оскільки надання цих швидкостей вимагає відповідних витрат енергії, гальмування має бути пов’язане з аналогічними витратами енергії. Тому якби можна було сильно загальмувати апарат перед входом в атмосферу, летіти на малій швидкості або навіть повільно падати на Землю, він би не так сильно нагрівався і небезпека для екіпажу була б незначною.

Ось тут і криється заковика. Польоти в космос вимагають величезних енергетичних витрат. Маса корисного навантаження ракети становить незначну частину загальної злітної маси ракети. Здебільшого в середині ракети паливо, більша частина якого спалюється на першому етапі проходження нижніх шарів атмосфери. Воно необхідне для відправлення обладнання або екіпажу корабля у космос. Паливо також потрібно і для виходу з орбіти Землі під час приземлення, і дуже велика його кількість. Тому при гальмуванні є ризик, що паливо стане причиною загорання корабля. В більшості випадків саме паливні баки і вибухають від високої температури під час приземлення.

Також цікаво:

• 10 найдивніших речей, які ми дізналися про чорні діри у 2021
• Тераформування Марса: чи може Червона планета перетворитися на нову Землю?

Посадка, аналогічна зльоту, тільки у зворотному напрямку

Для того, щоб майже повністю загальмувати апарат перед входом в атмосферу, знадобиться використати таку ж кількість палива, як і під час зльоту, якщо припустити, що маса апарата істотно не зміниться під час місії. Однак, коли ми додамо паливо, необхідне для підйому корабля і для подальшого гальмування, до ваги корабля, виявляється, що вона збільшується у багато разів. І саме цей сумний економічний розрахунок означає, що все ще необхідно покладатися на гальмування атмосферою Землі.

Наприклад, при посадці ракет Falcon 9 SpaceX використовується паливо, але тут сама ракета дуже легка (на Землю повертається в основному тільки паливний бак), а повернення з далекої орбіти не здійснюється.

Інженери вирахували, що посадка на Землю вимагає таких же паливних ресурсів на кілограм, як і зліт на орбіту. Тобто, це майже як і зліт, тільки у зворотному напрямку.

І, мабуть, так буде ще довго. Не тільки під час місій Artemis 1, але й після того, як людина потрапить на Червону планету. Коли якоюсь мірою ця перешкода буде подолана, тоді цілком можна буде сказати, що ми остаточно освоїли космічні польоти. Бо кожен може злетіти, а от з посадкою можуть виникнути проблеми.

Але історія знає багато прикладів, коли нашим вченим та інженерам вдавалося вирішити складні задачі. Сподіваємось, що вже дуже скоро політ на Місяць або Марс буде не більш складним, ніж переліт літаком з Нью-Йорка до Києва. З приємним і безпечним приземленням.

Якщо ви хочете допомогти Україні боротися з російськими окупантами, найкращий спосіб зробити це – пожертвувати кошти Збройним Силам України через Savelife або через офіційну сторінку НБУ.

Читайте також:

• Спостереження за Червоною планетою: Історія марсіанських ілюзій
• Телепортація з наукової точки зору та її майбутнє