Vi ser altid frem til bemandede missioner ud i rummet, men i dag skal vi tale om, hvorfor det stadig er en kæmpe udfordring at vende tilbage til Jorden.
Rummet har altid tiltrukket mennesker, det var noget mystisk, uudforsket. Daggry, fjerne planeter lokker os, opmuntrer os til forskning, eksperimenter og interplanetariske flyvninger. Det er værd at sige, at den seneste tid rumflyvninger, selvom vi stadig ikke rejser på første klasse, ser ud til at være mestret i et grundlæggende volumen. Artemis 1-missionen til månen skulle allerede flyve, men på grund af vejrforholdene blev opsendelsen udskudt til den 2. september. Og mens vi venter spændt på opsendelsen, må vi forstå, at hjemkomsten også bliver et kritisk øjeblik, på trods af at det er en ubemandet mission.
Rummissioner kan opdeles i to klasser. Dem, hvor rumfartøjet en dag vil vende tilbage til Jorden, er for det meste bemandede missioner, og dem, der får en enkeltbillet. Her kan vi også nævne fremtidige bemandede missioner, for eksempel til Mars af Elon Musk, som ikke nødvendigvis vender tilbage til Jorden. Men i virkeligheden skal sådan et fly også lande et sted. Det viser sig, at landingsfasen er den sværeste del af sådanne missioner. I dag vil vi prøve at finde ud af det.
Læs også:
- 100 år med kvantefysik: Fra teorier fra 1920'erne til computere
- 5 fremtidige rummissioner at tænke på
Besætnings- og udstyrssikkerhed
Lige siden mennesket første gang fløj ud i rummet, har vi bekymret os om hans helbred og den overordnede succes med flyvningen. I tilfælde af bemandede flyvninger kan ethvert øjeblik være kritisk. Sikkerheden for besætningen og udstyret ombord, hvis det er en ubemandet mission, har altid været en prioritet. Ingeniører og ledere af sådanne missioner, såvel som kosmonauter eller astronauter selv, forstod alle risici ved sådanne flyvninger. Ikke alle disse missioner var vellykkede, især de første, men det var vigtigt at drage konklusioner, rette fejl og ikke gentage dem i fremtiden.
For eksempel, under den første mission af Apollo-rumfartøjet, endte alt tragisk på stadiet af pre-launch tests. I den berømte Apollo 13-mission skete der en ulykke under flyvningen, som et resultat af hvilken landing på månens overflade blev umulig. Det er godt, at det var muligt at redde besætningen og med succes bringe skibet 7,5 km væk fra Iwo Jima hangarskibet. Konklusioner blev draget, og det næste missionsskib blev sendt ud i rummet kun 5 måneder senere. Selv den mest succesrige Apollo 11-mission var fuld af spændte øjeblikke under landingen af astronauter på Månens overflade og den efterfølgende start og tilbagevenden til Jorden. Det sovjetiske rumfartøj Soyuz led også mange ulykker. Dette var og er desværre normen i rumindustrien.
Ja, det er for det meste enkeltstående, uforudsigelige situationer. Men i enhver bemandet rummission, der involverer tilbagevenden til Jorden, er der et øjeblik, der altid er fantastisk. Du kender sikkert de uforudsigelige problemer, der opstår, når man lander ubemandede køretøjer på Mars, men i tilfælde af bemandede missioner er menneskeliv på spil. Vi husker alle katastrofen i 2003 - under landingen brændte rumfærgen "Columbia" simpelthen op i de tætte lag af atmosfæren, hele besætningen på syv mennesker døde tragisk.
Nedenfor er et fragment fra filmen "Apollo-13", som demonstrerer processen med at lande astronauterne på Jorden. Selvfølgelig er dette en film, der har sine egne regler, den afspejler ikke nødvendigvis virkeligheden nøjagtigt, men den er heller ikke meget forskellig fra den.
Læs også: James Webb Space Telescope: 10 mål at observere
Hvorfor er det sådan et problem at vende sikkert tilbage til Jorden fra rummet?
Det ser ud til, at tyngdekraften burde hjælpe her, så der er ingen grund til at kæmpe for at bremse raketten. Men dens hastighed er titusindvis af kilometer i timen - dette er den hastighed, der er nødvendig for, at enheden enten kan gå i kredsløb om Jorden (den såkaldte første kosmiske hastighed, dvs. 7,9 km/s), eller endda gå ud over den ( den anden kosmiske hastighed, dvs. 11,2 km/s) og fløj for eksempel til Månen. Og det er denne høje hastighed, der er problemet.
Nøglepunktet, når du vender tilbage til Jorden, eller når du lander på en anden planet, er at bremse. Dette er lige så besværligt som at accelerere skibet under start. Raketten bevægede sig trods alt ikke i forhold til Jorden før start. Og det bliver det heller ikke efter hun er landet. Som med flyet går vi ombord i lufthavnen. Selvom det når en hastighed på 900 km/t (marchhastigheden for et mellemstort passagerfly) under flyvning, stopper det igen efter landing.
Det betyder, at en raket, der er ved at lande på Jorden, skal reducere sin hastighed til nul. Det lyder simpelt, men det er det ikke. Et fly, der skal sænke farten fra 900 km/t til 0 km/t i forhold til Jorden, har en meget lettere opgave end en raket, der rejser med omkring 28 km/t. Derudover flyver raketten ikke kun med en vanvittig fart, men kommer også ind i atmosfærens tætte lag næsten lodret. Ikke i en vinkel som et fly, men næsten lodret efter at have forladt Jordens kredsløb.
Det eneste, der effektivt kan bremse et fly, er Jordens atmosfære. Og det er ret tæt, selv i de ydre lag, og forårsager friktion på overfladen af den nedadgående enhed, som under ugunstige forhold kan føre til dens overophedning og ødelæggelse. Så efter at rumskibet decelererer til en hastighed lidt mindre end det første rumskib, begynder det at falde ned og falde til Jorden. Ved at vælge den passende flyvevej i atmosfæren er det muligt at sikre forekomsten af belastninger, der ikke overstiger den tilladte værdi. Men under nedstigningen kan og bør skibets vægge varmes op til en meget høj temperatur. Derfor er en sikker nedstigning til jordens atmosfære kun mulig, hvis der er en speciel termisk beskyttelsesanordning på yderkappen.
Selv Mars atmosfære, som er mere end 100 gange tyndere end Jordens, er en alvorlig hindring. Dette mærkes af alle de enheder, der går ned til overfladen af den røde planet. Ganske ofte sker der ulykker med dem, eller de brænder simpelthen op i Mars atmosfære.
Nogle gange er en sådan bremsning nyttig, som det fremgår af missioner, hvor atmosfæren tjente som en ekstra bremse, der hjalp køretøjerne med at komme ind i planetens målbane. Men disse er snarere undtagelser.
Også interessant:
Atmosfærisk bremsning er effektiv, men den har store ulemper
Ja, atmosfærisk bremsning er ret effektiv, men den har store ulemper, selvom den er nødvendig for effektiv bremsning.
En sådan deceleration i tilfælde af orbitale missioner til andre planeter er ikke fuldstændig, og tilbagevenden til Jorden er forbundet med fuldstændig deceleration. Det samme gælder roverens landing på Mars. En sonde, der kommer ind i sin bane, må ikke stoppe helt, ellers ville den falde til overfladen af den røde planet.
Enheder i rummet, der kredser om Jorden eller vender tilbage fra Månen, bevæger sig med de enorme hastigheder, som blev givet dem på tidspunktet for start. Derfor justerer den internationale rumstation f.eks. kredsløbet fra tid til anden og hæver den, for jo højere den er, jo lavere skal den hastighed, der skal til for at blive i kredsløb, være.
Da levering af disse hastigheder kræver et tilsvarende energiforbrug, skal bremsning være forbundet med et tilsvarende energiforbrug. Derfor, hvis det var muligt at bremse enheden, før den kommer ind i atmosfæren, flyve med lav hastighed eller endda langsomt falde til Jorden, ville den ikke varme op så meget, og faren for besætningen ville være ubetydelig.
Det er her fangsten ligger. Rumflyvninger kræver enorme energiomkostninger. Massen af rakettens nyttelast er en lille del af rakettens samlede startmasse. For det meste er der brændstof i midten af raketten, hvoraf det meste afbrændes i det første trin af passage gennem de nederste lag af atmosfæren. Det er nødvendigt at sende udstyret eller skibets besætning ud i rummet. Brændstof er også nødvendigt for at forlade jordens kredsløb under landing, og en meget stor mængde af det. Ved opbremsning er der derfor risiko for, at brændstoffet får skibet til at gå i brand. I de fleste tilfælde er det brændstoftankene, der eksploderer af den høje temperatur under landing.
Også interessant:
- 10 mærkeligste ting, vi lærte om sorte huller i 2021
- Terraforming Mars: Kan den røde planet blive til en ny jord?
Landing, svarende til start, kun i modsat retning
For næsten at bremse køretøjet fuldstændigt, inden det går ind i atmosfæren, vil det være nødvendigt at bruge samme mængde brændstof som under start, forudsat at køretøjets masse ikke ændrer sig væsentligt under missionen. Men når vi lægger det brændstof, der skal til for at løfte skibet og til efterfølgende opbremsning, til skibets vægt, viser det sig at blive mangedoblet. Og det er netop denne triste økonomiske beregning, der gør, at det stadig er nødvendigt at stole på hæmningen af Jordens atmosfære.
For eksempel ved landing af SpaceX Falcon 9-raketter bruges brændstof, men her er selve raketten meget let (for det meste er det kun brændstoftanken, der vender tilbage til Jorden), og returen fra en fjern bane udføres ikke.
Ingeniører har beregnet, at landing på Jorden kræver de samme brændstofressourcer pr. kilogram som at lette i kredsløb. Det vil sige, det er næsten som et takeoff, kun i den modsatte retning.
Og sandsynligvis vil det være sådan i lang tid. Ikke kun under Artemis 1-missionerne, men også efter at et menneske når den røde planet. Når denne forhindring til en vis grad vil blive overvundet, så vil det være muligt at sige, at vi endelig har mestret rumflyvninger. For alle kan lette, men der kan være problemer med landingen.
Men historien kender mange eksempler, hvor vores videnskabsmænd og ingeniører formåede at løse komplekse problemer. Vi håber, at en flyvning til Månen eller Mars meget snart ikke bliver sværere end en flyvning fra New York til Kiev. Med en behagelig og sikker landing.
Hvis du vil hjælpe Ukraine med at bekæmpe de russiske besættere, er den bedste måde at gøre det på at donere til Ukraines væbnede styrker gennem Red livet eller via den officielle side NBU.
Læs også:
Hvorfor bruger de ikke hybride rumfartøjers returscenarier. Ikke varmebestandige "vinger" og ikke termiske ablationsskærme + faldskærm.
Svæveflyvning med opbremsning mod atmosfæren, afsluttende kontrolleret "faldskærmsudspring" på en improviseret "trampolin". Og du behøver ikke brænde brændstof, måske uproducerede rester. Vi efterlader chassiset på jorden, vi tager kun kontrolsystemet.
Meningen fra et uanerkendt matematisk geni og en praktisk altruist er især interessant.