Các nhiệm vụ không gian có người lái: Tại sao việc quay trở lại Trái đất vẫn là một vấn đề?

Chúng tôi luôn mong đợi các sứ mệnh có người lái vào không gian, nhưng hôm nay chúng ta sẽ nói về lý do tại sao việc đưa các phi hành đoàn trở lại Trái đất vẫn là một thách thức lớn.

Không gian luôn thu hút mọi người, nó là một cái gì đó bí ẩn, chưa được khám phá. Dawns, những hành tinh xa xôi vẫy gọi chúng ta, khuyến khích chúng ta nghiên cứu, thử nghiệm và các chuyến bay liên hành tinh. Điều đáng nói là gần đây các chuyến bay vũ trụ, mặc dù chúng ta vẫn không du hành bằng khoang hạng nhất, nhưng dường như đã thành thạo một khối lượng cơ bản. Sứ mệnh lên mặt trăng của Artemis 1 đã được cho là đã bay, nhưng do điều kiện thời tiết, việc phóng đã bị hoãn lại đến ngày 2 tháng . Và trong khi chúng ta đang hồi hộp chờ đợi sự ra mắt, chúng ta phải hiểu rằng sự trở lại cũng sẽ là một thời điểm quan trọng, mặc dù thực tế đó là một nhiệm vụ không người lái.

Nhiệm vụ không gian có thể được chia thành hai lớp. Những chuyến tàu vũ trụ một ngày nào đó sẽ quay trở lại Trái đất chủ yếu là những sứ mệnh có người lái, và những nhiệm vụ nhận được vé một chiều. Ở đây chúng ta cũng có thể đề cập đến các sứ mệnh có người lái trong tương lai, ví dụ như lên sao Hỏa của Elon Musk, mà không nhất thiết sẽ quay trở lại Trái đất. Nhưng trên thực tế, một chiếc máy bay như vậy cũng phải hạ cánh ở một nơi nào đó. Nó chỉ ra rằng giai đoạn hạ cánh là phần khó khăn nhất trong các nhiệm vụ như vậy. Hôm nay chúng ta sẽ cố gắng tìm ra nó.

Đọc thêm:

• 100 năm Vật lý lượng tử: Từ các lý thuyết của những năm 1920 đến Máy tính
• 5 sứ mệnh không gian trong tương lai để suy nghĩ về

Phi hành đoàn và thiết bị an toàn

Kể từ lần đầu tiên con người bay vào vũ trụ, chúng tôi đã lo lắng về sức khỏe của anh ấy và sự thành công chung của chuyến bay. Trong trường hợp của các chuyến bay có người lái, bất kỳ thời điểm nào cũng có thể rất quan trọng. Sự an toàn của phi hành đoàn và thiết bị trên tàu, nếu đó là một nhiệm vụ không người lái, luôn được ưu tiên hàng đầu. Các kỹ sư và lãnh đạo của các sứ mệnh như vậy, cũng như các phi hành gia hoặc phi hành gia, hiểu tất cả các rủi ro của các chuyến bay như vậy. Không phải tất cả các nhiệm vụ này đều thành công, đặc biệt là những nhiệm vụ đầu tiên, nhưng điều quan trọng là phải rút ra kết luận, sửa chữa sai lầm và không lặp lại chúng trong tương lai.

Ví dụ, trong sứ mệnh đầu tiên của tàu vũ trụ Apollo, mọi thứ đã kết thúc một cách bi thảm ở giai đoạn thử nghiệm trước khi phóng. Trong sứ mệnh Apollo 13 nổi tiếng, một tai nạn đã xảy ra trong chuyến bay khiến việc hạ cánh trên bề mặt mặt trăng trở nên bất khả thi. Điều đáng mừng là đã có thể cứu được thủy thủ đoàn và đưa thành công con tàu cách hàng không mẫu hạm Iwo Jima 7,5 km. Kết luận đã được đưa ra và con tàu sứ mệnh tiếp theo được đưa vào vũ trụ chỉ 5 tháng sau đó. Ngay cả sứ mệnh Apollo 11 thành công nhất cũng đầy rẫy những khoảnh khắc căng thẳng trong quá trình hạ cánh của các phi hành gia trên bề mặt Mặt trăng và sau đó là cất cánh và trở về Trái đất. Tàu vũ trụ Soyuz của Liên Xô cũng gặp nhiều tai nạn. Thật không may, điều này đã và đang là tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp vũ trụ.

Vâng, đây hầu hết là những tình huống đơn lẻ, không thể đoán trước được. Tuy nhiên, trong bất kỳ nhiệm vụ không gian có người lái nào liên quan đến việc quay trở lại Trái đất, có một khoảnh khắc luôn gây ấn tượng mạnh. Bạn có thể biết những vấn đề khó lường nảy sinh khi hạ cánh các phương tiện không người lái lên sao Hỏa, nhưng trong trường hợp thực hiện các nhiệm vụ có người lái, tính mạng con người đang bị đe dọa. Tất cả chúng ta đều nhớ thảm họa năm 2003 - trong quá trình hạ cánh, tàu con thoi "Columbia" chỉ đơn giản là bốc cháy trong lớp khí quyển dày đặc, toàn bộ phi hành đoàn gồm người đã chết thảm thương.

Dưới đây là một đoạn phim "Apollo-13", trình diễn quá trình hạ cánh của các phi hành gia xuống Trái đất. Đương nhiên, đây là một bộ phim có quy luật riêng, không nhất thiết phải phản ánh chính xác hiện thực, nhưng cũng không sai biệt lắm.

Đọc thêm: Kính viễn vọng không gian James Webb: 10 mục tiêu cần quan sát

Tại sao việc trở về Trái đất một cách an toàn từ không gian lại là một vấn đề khó khăn như vậy?

Có vẻ như trọng lực sẽ giúp ích ở đây, vì vậy không cần phải vật lộn để làm chậm tên lửa. Nhưng tốc độ của nó là hàng chục nghìn km / giờ - đây là tốc độ cần thiết để thiết bị có thể đi vào quỹ đạo quanh Trái đất (cái gọi là tốc độ vũ trụ đầu tiên, tức là 7,9 km / s), hoặc thậm chí vượt xa nó ( tốc độ vũ trụ thứ hai, tức là 11,2 km / s) và bay lên Mặt Trăng, chẳng hạn. Và chính tốc độ cao này là vấn đề.

Điểm mấu chốt khi quay trở lại Trái đất hoặc khi hạ cánh xuống hành tinh khác là phanh. Điều này cũng rắc rối như việc tăng tốc con tàu trong quá trình cất cánh. Rốt cuộc, tên lửa đã không di chuyển so với Trái đất trước khi cất cánh. Và sau khi cô ấy hạ cánh cũng vậy. Như với chiếc máy bay chúng ta lên sân bay. Mặc dù nó đạt tốc độ 900 km / h (tốc độ bay của một máy bay chở khách cỡ trung) trong chuyến bay, nhưng nó lại dừng lại sau khi hạ cánh.

Điều này có nghĩa là một tên lửa sắp hạ cánh xuống Trái đất phải giảm tốc độ của nó xuống bằng không. Nghe thì có vẻ đơn giản nhưng không phải vậy. Một chiếc máy bay phải giảm tốc độ từ 900 km / h xuống 0 km / h so với Trái đất có nhiệm vụ dễ dàng hơn nhiều so với một tên lửa đang bay với tốc độ khoảng 28 km / h. Ngoài ra, tên lửa không chỉ bay với tốc độ điên cuồng mà còn đi vào các lớp dày đặc của khí quyển gần như theo phương thẳng đứng. Không phải ở góc nghiêng như máy bay mà gần như thẳng đứng sau khi rời quỹ đạo Trái đất.

Thứ duy nhất có thể làm chậm máy bay một cách hiệu quả là bầu khí quyển của Trái đất. Và nó khá dày đặc, ngay cả ở các lớp bên ngoài, và gây ra ma sát trên bề mặt của thiết bị giảm dần, trong điều kiện không thuận lợi có thể dẫn đến quá nhiệt và phá hủy thiết bị. Vì vậy, sau khi tàu vũ trụ giảm tốc đến tốc độ thấp hơn một chút so với tàu vũ trụ đầu tiên, nó bắt đầu đi xuống, rơi xuống Trái đất. Bằng cách chọn đường bay thích hợp trong khí quyển, có thể đảm bảo sự xuất hiện của tải trọng không vượt quá giá trị cho phép. Tuy nhiên, trong quá trình hạ nhiệt, các bức tường của con tàu có thể và nên nóng lên đến nhiệt độ rất cao. Do đó, việc đi xuống bầu khí quyển của Trái đất một cách an toàn chỉ có thể thực hiện được nếu có một thiết bị bảo vệ nhiệt đặc biệt trên lớp vỏ bên ngoài.

Ngay cả bầu khí quyển của sao Hỏa, mỏng hơn Trái đất hơn 100 lần, cũng là một trở ngại nghiêm trọng. Điều này được cảm nhận bởi tất cả các thiết bị đi xuống bề mặt của Hành tinh Đỏ. Khá thường xuyên xảy ra tai nạn với họ, hoặc đơn giản là họ bị cháy trong bầu khí quyển của sao Hỏa.

Đôi khi việc phanh như vậy rất hữu ích, bằng chứng là các sứ mệnh trong đó bầu khí quyển đóng vai trò như một lực hãm bổ sung, giúp các phương tiện đi vào quỹ đạo mục tiêu của hành tinh. Nhưng đây là những ngoại lệ.

Cũng thú vị:

• Tại sao các vì sao lấp lánh?
• Tại sao tàu vũ trụ được trang bị bộ vi xử lý thế kỷ 20

Phanh trong khí quyển có hiệu quả, nhưng nó có những hạn chế lớn

Đúng, phanh khí quyển khá hiệu quả, nhưng nó có những nhược điểm rất lớn, mặc dù nó là cần thiết để phanh hiệu quả.

Sự giảm tốc như vậy trong trường hợp nhiệm vụ quỹ đạo đến các hành tinh khác không hoàn thành và việc quay trở lại Trái đất có liên quan đến sự giảm tốc hoàn toàn. Điều tương tự cũng áp dụng cho việc hạ cánh của tàu thám hiểm trên sao Hỏa. Một tàu thăm dò đi vào quỹ đạo của nó không được dừng lại hoàn toàn, nếu không nó sẽ rơi xuống bề mặt Hành tinh Đỏ.

Các thiết bị trong không gian, quay quanh Trái đất hoặc quay trở lại từ Mặt trăng, di chuyển với tốc độ rất lớn được cung cấp cho chúng tại thời điểm cất cánh. Vì vậy, ví dụ, Trạm vũ trụ quốc tế điều chỉnh quỹ đạo theo thời gian, nâng nó lên, vì càng lên cao, tốc độ cần thiết để ở trên quỹ đạo càng thấp.

Vì việc cung cấp các tốc độ này đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng tương ứng, nên việc phanh phải gắn liền với mức tiêu hao năng lượng tương tự. Do đó, nếu có thể làm chậm thiết bị trước khi bay vào bầu khí quyển, bay ở tốc độ thấp hoặc thậm chí từ từ rơi xuống Trái đất, nó sẽ không nóng lên quá nhiều và nguy hiểm cho phi hành đoàn là không đáng kể.

Đây là nơi bắt được nằm. Các chuyến bay vũ trụ đòi hỏi chi phí năng lượng rất lớn. Khối lượng trọng tải của tên lửa là một phần nhỏ trong tổng khối lượng cất cánh của tên lửa. Phần lớn, có nhiên liệu ở giữa tên lửa, hầu hết được đốt cháy ở giai đoạn đầu tiên khi đi qua các lớp thấp hơn của khí quyển. Cần phải đưa thiết bị hoặc thủy thủ đoàn vào vũ trụ. Nhiên liệu cũng cần thiết để thoát ra khỏi quỹ đạo Trái đất trong quá trình hạ cánh, và một lượng rất lớn trong số đó. Do đó, khi phanh gấp, nhiên liệu sẽ có nguy cơ khiến tàu bốc cháy. Trong hầu hết các trường hợp, đó là các thùng nhiên liệu phát nổ do nhiệt độ cao trong quá trình hạ cánh.

Cũng thú vị:

• 10 điều kỳ lạ nhất mà chúng ta biết được về lỗ đen vào năm 2021
• Terraforming Mars: Liệu Hành tinh Đỏ có thể biến thành một Trái đất mới?

Hạ cánh, tương tự như cất cánh, chỉ theo hướng ngược lại

Để xe giảm tốc gần như hoàn toàn trước khi bay vào bầu khí quyển, cần sử dụng lượng nhiên liệu tương tự như khi cất cánh, giả sử rằng khối lượng của xe không thay đổi đáng kể trong quá trình thực hiện nhiệm vụ. Tuy nhiên, khi chúng ta đổ thêm nhiên liệu cần thiết để nâng tàu và để phanh tiếp theo thì trọng lượng của tàu sẽ tăng lên gấp nhiều lần. Và chính tính toán kinh tế đáng buồn này có nghĩa là vẫn cần phải dựa vào sự ức chế của bầu khí quyển Trái đất.

Ví dụ, khi hạ cánh tên lửa SpaceX Falcon 9, nhiên liệu được sử dụng, nhưng ở đây bản thân tên lửa rất nhẹ (chủ yếu chỉ có thùng nhiên liệu quay trở lại Trái đất), và việc quay trở lại từ quỹ đạo xa không được thực hiện.

Các kỹ sư đã tính toán rằng hạ cánh xuống Trái đất yêu cầu nguồn nhiên liệu tương tự trên mỗi kg khi cất cánh vào quỹ đạo. Đó là, nó gần giống như một lần cất cánh, chỉ theo hướng ngược lại.

Và, có lẽ, nó sẽ như thế này trong một thời gian dài. Không chỉ trong các nhiệm vụ Artemis 1, mà còn sau khi con người đến Hành tinh Đỏ. Khi nào chướng ngại vật này được khắc phục ở một mức độ nào đó, thì có thể nói rằng cuối cùng chúng ta đã làm chủ được các chuyến bay vũ trụ. Vì mọi người đều có thể cất cánh, nhưng có thể gặp sự cố khi hạ cánh.

Nhưng lịch sử biết nhiều ví dụ khi các nhà khoa học và kỹ sư của chúng ta giải quyết được các vấn đề phức tạp. Chúng tôi hy vọng rằng một chuyến bay đến Mặt Trăng hoặc Sao Hỏa sẽ sớm không khó khăn hơn một chuyến bay từ New York đến Kyiv. Với một cuộc hạ cánh dễ chịu và an toàn.

Nếu bạn muốn giúp Ukraine chống lại những kẻ chiếm đóng Nga, cách tốt nhất để làm điều đó là quyên góp cho Lực lượng vũ trang Ukraine thông qua Cuộc sống tiết kiệm hoặc thông qua trang chính thức NBU.

Đọc thêm:

• Quan sát Hành tinh Đỏ: Lịch sử Ảo ảnh về Sao Hỏa
• Dịch chuyển từ quan điểm khoa học và tương lai của nó