Vi ser alltid fram emot bemannade uppdrag i rymden, men idag ska vi prata om varför det fortfarande är en stor utmaning att återvända besättningar till jorden.
Rymden har alltid lockat människor, det var något mystiskt, outforskat. Gryningar, avlägsna planeter lockar oss, uppmuntrar oss till forskning, experiment och interplanetära flygningar. Det är värt att säga att rymdflygningar på senare tid, även om vi fortfarande inte reser i första klass, verkar bemästras i en grundläggande volym. Uppdraget Artemis 1 till månen var redan tänkt att flyga, men på grund av väderförhållanden sköts uppskjutningen upp till den 2 september. Och medan vi med spänning väntar på uppskjutningen måste vi förstå att återkomsten också kommer att vara ett kritiskt ögonblick, trots att det är ett obemannat uppdrag.
Rymduppdrag kan delas in i två klasser. De där rymdfarkosten en dag kommer att återvända till jorden är mestadels bemannade uppdrag, och de som får en enkelbiljett. Här kan vi också nämna framtida bemannade uppdrag, till exempel till Mars av Elon Musk, som inte nödvändigtvis kommer tillbaka till jorden. Men i verkligheten måste ett sådant flygplan också landa någonstans. Det visar sig att landningsfasen är den svåraste delen av sådana uppdrag. Idag ska vi försöka reda ut det.
Läs också:
Säkerhet för besättning och utrustning
Ända sedan människan först flög ut i rymden har vi oroat oss för hennes hälsa och den övergripande framgången med flygningen. När det gäller bemannade flygningar kan varje ögonblick vara kritisk. Säkerheten för besättningen och utrustningen ombord, om det är ett obemannat uppdrag, har alltid varit en prioritet. Ingenjörer och ledare för sådana uppdrag, såväl som kosmonauter eller astronauter själva, förstod alla risker med sådana flygningar. Alla dessa uppdrag var inte framgångsrika, särskilt de första, men det var viktigt att dra slutsatser, rätta till misstag och inte upprepa dem i framtiden.
Till exempel, under det första uppdraget av rymdfarkosten Apollo, slutade allt tragiskt i skedet av tester före lanseringen. I det berömda Apollo 13-uppdraget inträffade en olycka under flygningen, vilket ledde till att landning på månens yta blev omöjlig. Det är bra att det var möjligt att rädda besättningen och framgångsrikt föra fartyget 7,5 km bort från Iwo Jima hangarfartyget. Slutsatser drogs, och nästa uppdragsskepp skickades ut i rymden bara 5 månader senare. Även det mest framgångsrika Apollo 11-uppdraget var fullt av spända ögonblick under landningen av astronauter på månens yta och den efterföljande start och återkomst till jorden. Den sovjetiska rymdfarkosten Soyuz drabbades också av många olyckor. Detta var och är tyvärr normen inom rymdindustrin.
Ja, det här är mest enstaka, oförutsägbara situationer. Men i alla bemannade rymduppdrag som involverar återvändande till jorden, finns det ett ögonblick som alltid är fantastiskt. Du känner säkert till de oförutsägbara problem som uppstår när man landar obemannade fordon på Mars, men när det gäller bemannade uppdrag står människoliv på spel. Vi minns alla katastrofen 2003 - under landningen brann skytteln "Columbia" helt enkelt upp i de täta lagren av atmosfären, hela besättningen på sju personer dog tragiskt.
Nedan är ett fragment från filmen "Apollo-13", som visar processen att landa astronauterna på jorden. Naturligtvis är det här en film som har sina egna regler, den speglar inte nödvändigtvis verkligheten korrekt, men den skiljer sig inte så mycket från den heller.
Läs också: James Webb rymdteleskop: 10 mål att observera
Varför är det ett sådant problem att återvända säkert till jorden från rymden?
Det verkar som att gravitationen borde hjälpa här, så det finns ingen anledning att kämpa för att bromsa raketen. Men dess hastighet är tiotusentals kilometer i timmen - detta är den hastighet som krävs för att enheten antingen ska gå i omloppsbana runt jorden (den så kallade första kosmiska hastigheten, dvs. 7,9 km/s), eller till och med gå utanför den ( den andra kosmiska hastigheten, dvs 11,2 km/s) och flög till exempel till månen. Och det är denna höga hastighet som är problemet.
Nyckelpunkten när man återvänder till jorden eller när man landar på en annan planet är inbromsning. Detta är lika besvärligt som att accelerera fartyget under start. Trots allt rörde sig raketen inte i förhållande till jorden innan starten. Och det blir det inte heller efter att hon landat. Precis som med planet går vi ombord på flygplatsen. Även om den når en hastighet på 900 km/h (marshastigheten för ett medelstort passagerarplan) under flygning, stannar den igen efter landning.
Det betyder att en raket som är på väg att landa på jorden måste minska sin hastighet till noll. Det låter enkelt, men det är det inte. Ett flygplan som måste sakta ner från 900 km/h till 0 km/h relativt jorden har en mycket lättare uppgift än en raket som färdas i cirka 28 000 km/h. Dessutom flyger raketen inte bara i en vansinnig hastighet, utan går också in i atmosfärens täta lager nästan vertikalt. Inte i en vinkel som ett flygplan, utan nästan vertikalt efter att ha lämnat jordens omloppsbana.
Det enda som effektivt kan bromsa ett flygplan är jordens atmosfär. Och det är ganska tätt, även i de yttre lagren, och orsakar friktion på ytan av den fallande enheten, vilket under ogynnsamma förhållanden kan leda till överhettning och förstörelse. Så efter att rymdskeppet saktat ned till en hastighet något mindre än det första rymdskeppet, börjar det sjunka och falla till jorden. Genom att välja lämplig flygbana i atmosfären är det möjligt att säkerställa förekomsten av belastningar som inte överstiger det tillåtna värdet. Men under nedstigning kan och bör fartygets väggar värmas upp till en mycket hög temperatur. Därför är en säker nedstigning till jordens atmosfär endast möjlig om det finns en speciell termisk skyddsanordning på det yttre höljet.
Även Mars atmosfär, som är mer än 100 gånger tunnare än jordens, är ett allvarligt hinder. Detta känns av alla enheter som går ner till ytan av den röda planeten. Ganska ofta händer olyckor med dem, eller så brinner de helt enkelt upp i Mars atmosfär.
Ibland är sådan bromsning användbar, vilket framgår av uppdrag där atmosfären fungerade som en extra broms, och hjälpte fordonen att komma in i planetens målbana. Men dessa är snarare undantag.
Också intressant:
Atmosfärisk bromsning är effektiv, men den har stora nackdelar
Ja, atmosfärisk bromsning är ganska effektiv, men den har stora nackdelar, även om den är nödvändig för effektiv bromsning.
Sådan retardation i fallet med orbitala uppdrag till andra planeter är inte fullständig, och återgången till jorden är förknippad med fullständig retardation. Detsamma gäller landningen av rovern på Mars. En sond som går in i sin omloppsbana får inte stanna helt, annars skulle den falla till den röda planetens yta.
Enheter i rymden, som kretsar runt jorden eller återvänder från månen, rör sig med de enorma hastigheter som gavs till dem vid starten. Därför justerar till exempel den internationella rymdstationen omloppsbanan då och då, och höjer den, för ju högre den är, desto lägre bör hastigheten som behövs för att stanna i omloppsbana vara.
Eftersom tillhandahållandet av dessa hastigheter kräver en motsvarande energiförbrukning, måste bromsning förknippas med en liknande energiförbrukning. Därför, om det var möjligt att sakta ner enheten innan den går in i atmosfären, flyga i låg hastighet eller till och med sakta falla till jorden, skulle den inte värmas upp så mycket och faran för besättningen skulle vara obetydlig.
Det är här haken ligger. Rymdresor kräver enorma energikostnader. Massan av raketens nyttolast är en liten del av raketens totala startmassa. För det mesta finns det bränsle i mitten av raketen, varav det mesta förbränns i det första steget av passagen genom de lägre lagren av atmosfären. Det är nödvändigt att skicka utrustningen eller besättningen på fartyget ut i rymden. Bränsle behövs också för att lämna jordens omloppsbana under landning, och en mycket stor mängd av det. Därför finns det vid inbromsning risk att bränslet gör att fartyget tar eld. I de flesta fall är det bränsletankarna som exploderar av den höga temperaturen vid landning.
Också intressant:
- 10 konstigaste saker vi lärde oss om svarta hål 2021
- Terraforming Mars: Kan den röda planeten förvandlas till en ny jord?
Landning, liknande start, endast i motsatt riktning
För att nästan helt bromsa fordonet innan det går in i atmosfären kommer det att vara nödvändigt att använda samma mängd bränsle som vid start, förutsatt att fordonets massa inte förändras nämnvärt under uppdraget. Men när vi lägger till bränslet som behövs för att lyfta fartyget och för efterföljande bromsning till fartygets vikt, visar det sig att det mångdubblas. Och det är just denna trista ekonomiska kalkyl som gör att det fortfarande är nödvändigt att förlita sig på hämningen av jordens atmosfär.
Till exempel, när man landar SpaceX Falcon 9-raketer, används bränsle, men här är själva raketen väldigt lätt (för det mesta återvänder bara bränsletanken till jorden), och returen från en avlägsen omloppsbana utförs inte.
Ingenjörer har beräknat att landning på jorden kräver samma bränsleresurser per kilogram som att lyfta i omloppsbana. Det vill säga, det är nästan som en start, bara i motsatt riktning.
Och förmodligen kommer det att vara så här länge. Inte bara under Artemis 1-uppdragen, utan också efter att en människa når den röda planeten. När i viss mån detta hinder kommer att övervinnas, då kommer det att vara möjligt att säga att vi äntligen har bemästrat rymdfärder. För alla kan lyfta, men det kan bli problem med landningen.
Men historien känner till många exempel när våra vetenskapsmän och ingenjörer lyckades lösa komplexa problem. Vi hoppas att en flygning till månen eller Mars mycket snart inte kommer att bli svårare än en flygning från New York till Kiev. Med en trevlig och säker landning.
Om du vill hjälpa Ukraina att bekämpa de ryska ockupanterna är det bästa sättet att göra det att donera till Ukrainas väpnade styrkor genom Rädda liv eller via den officiella sidan NBU.
Läs också:
Varför använder de inte återvändande scenarier för hybridrymdfarkoster. Ej värmetåliga "vingar" och inte termiska ablationssköldar + fallskärm.
Glidning med inbromsning mot atmosfären, avslutande kontrollerad "fallskärmshoppning" på en improviserad "studsmatta". Och du behöver inte bränna bränsle, kanske oproducerade rester. Vi lämnar chassit på marken, vi tar bara kontrollsystemet.
Åsikten från ett okänt matematiskt geni och en praktisk altruist är särskilt intressant.