RW Space

После успешного завершения миссии на Луну экипаж «Артемиды II» собирается вернуться на Землю.

Четыре астронавта установили новый рекорд дальности путешествия людей от Земли, достигнув максимального расстояния в 406 771 километр от нашей родной планеты.

Их возвращение завершится высокоскоростным, гиперзвуковым и чрезвычайно горячим возвращением в атмосферу Земли, после чего их космический корабль приводнится в Тихом океане у берегов Земли. побережье Калифорнии примерно в 20:00 10 апреля по местному времени.

Вход в атмосферу станет последним испытанием, которое экипажу придется пережить в своей эпической десятидневной миссии. Это сопряжено со многими опасностями, но их космический корабль оснащен множеством технологий, обеспечивающих их безопасность.

Быстрое возвращение в атмосферу

Капсула «Орион», на которой находятся астронавты «Артемиды II», достигнет атмосферы Земли со скоростью более 11 км/с (40 000 км/ч). Это в 40 раз быстрее, чем движется пассажирский самолет.

Вы можете посмотреть прямую трансляцию возвращения экипажа здесь:

Если вместо этого мы рассмотрим кинетическую энергию, то есть энергию, которой обладает объект в результате своего движения, то при входе в атмосферу капсула Ориона будет иметь почти в 2000 раз больше кинетической энергии на килограмм транспортного средства, чем пассажирский самолет.

Как и любой космический корабль, возвращающийся домой, ему придется замедлиться и уменьшить свою скорость. кинетическую энергию почти до нуля, чтобы можно было раскрыть парашюты и безопасно приземлиться на Землю.

Космические корабли уменьшают свою кинетическую энергию, выполняя контролируемый вход в атмосферу через верхние слои атмосферы Земли, где они используют аэродинамическое сопротивление атмосферы в качестве тормоза для замедления.

В отличие от самолета, который обычно спроектирован так, чтобы быть аэродинамическим и минимизировать силы сопротивления для снижения расхода топлива, возвращающийся космический корабль делает обратное. Они спроектированы так, чтобы быть максимально неаэродинамическими, чтобы максимизировать сопротивление и помочь им замедлиться.

Это замедление при входе в атмосферу может быть чрезвычайно резким.

Замедление и ускорение обычно описываются в перегрузках, или для краткости в «g». Это сила замедления или ускорения, деленная на стандартное ускорение, которое мы все ощущаем от гравитации Земли. Пилот Формулы-1 испытывает перегрузку более 5 g при прохождении поворота, что близко к максимальной перегрузке, которую человек может выдержать, не теряя сознания.

Небольшие беспилотные возвращаемые капсулы, такие как капсула НАСА OSIRIS-REx, которая доставила образцы с астероида Бенну, просто влетают в атмосферу и быстро замедляются. Эти записи происходят очень быстро, менее чем за минуту. Но перегрузки в этом случае могут достигать более 100 — это нормально для роботизированных транспортных средств, но не для людей.

Корабли с экипажем, такие как капсула НАСА «Орион», используют подъемную силу, чтобы вовремя замедлить вход. Это снижает силу перегрузки до более приемлемого уровня, на котором люди могут выжить, и позволяет повторному входу в атмосферу длиться несколько минут.

Вход в атмосферу с очень высокой температурой

Капсула Ориона снова войдет в атмосферу, двигаясь со скоростью, более чем в 30 раз превышающей скорость звука.

Ударная волна окутает космический корабль, создавая температуру воздуха 10 000°C или выше – примерно в два раза выше температуры поверхности Солнца.

Сильнейшая жара превращает воздух, пересекающий ударную волну, в электрически заряженная плазма. Это временно блокирует радиосигналы, поэтому астронавты не смогут общаться на самых сложных участках спуска.

Гарантия безопасного входа в атмосферу

Космический корабль выдерживает чрезвычайно суровые условия входа в атмосферу благодаря тщательному проектированию траекторий, чтобы максимально минимизировать нагрев.

Корабль также оснащен системой тепловой защиты. По сути, это изолирующее покрытие, которое защищает космический корабль, его экипаж или груз от жесткого гиперзвукового потока, возникающего снаружи.

Система тепловой защиты специально разработана для корабля и его миссии. Материалы, которые могут выдерживать больше тепла, помещаются на поверхности, где ожидается самая суровая окружающая среда, а также точно регулируется толщина.

Эти материалы предназначены для того, чтобы раскаляться докрасна и разлагаться при контакте с ними, но они выживут. Раскаленное свечение также излучает тепло обратно в атмосферу, а не позволяет ему поглощаться космическим кораблем.

Эта точная конструкция позволяет Артемиде проходить через воздух температурой 10 000 °C, сохраняя при этом максимальную температуру поверхности теплозащитного экрана всего около 3 000 °C.

Большинство космических аппаратов защищены материалами, называемыми аблятивными материалами. Обычно они изготавливаются из углеродного волокна и клея, известного как фенольная смола.

Эти абляционные теплозащитные экраны поглощают энергию и вводят относительно холодный газ в поток вдоль поверхности транспортного средства, помогая все охладить.

Аблятивный теплозащитный материал, используемый в капсуле Ориона, называется AVCOAT. Это версия материала, который защитил капсулу Аполлона, когда она вернулась с Луны в конце 1960-х и начале 1970-х годов.

Хотя миссия «Артемида I» – испытательный полет без экипажа – имела большой успех, абляция теплового экрана во время входа в атмосферу оказалась намного сильнее, чем ожидалось. В некоторых местах от теплового экрана отделились большие куски материала.

После длительных проверок и анализа инженеры все же решили использовать такой же тип теплового экрана в миссии «Артемида II».

Они считают, что «Артемида I» потеряла куски своего теплового экрана из-за повышения давления внутри материала во время «пропускной» части входа, когда космический корабль вышел из атмосферы, чтобы остыть, прежде чем выполнить второй вход в место приземления.

Для «Артемиды II»: вместо этого инженеры решили немного изменить траекторию, чтобы по-прежнему использовать подъемную силу, но включить менее выраженный «пропуск».

По теме: Астронавты «Артемиды II» размышляют о «сюрреалистическом» путешествии на Луну перед возвращением

Удивительно видеть, чего НАСА и астронавты достигли в этой миссии до сих пор. Но, как и многие другие, я испытаю облегчение, когда увижу, что их благополучно приветствуют дома на Земле.

Крис Джеймс, старший преподаватель Центра гиперзвука Школы машиностроения и горного дела Университета Квинсленда

Эта статья переиздана из журнала The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.