We kijken altijd uit naar bemande missies naar de ruimte, maar vandaag gaan we het hebben over waarom het terugbrengen van bemanningen naar de aarde nog steeds een enorme uitdaging is.
De ruimte heeft altijd mensen aangetrokken, het was iets mysterieus, onontgonnen. Dageraad, verre planeten wenken ons, moedigen ons aan tot onderzoek, experimenten en interplanetaire vluchten. Het is de moeite waard om te zeggen dat de laatste tijd ruimtevluchten, hoewel we nog steeds niet in eerste klas reizen, in een basisvolume onder de knie lijken te zijn. De Artemis 1-missie naar de maan zou al vliegen, maar door weersomstandigheden werd de lancering uitgesteld tot 2 september. En terwijl we vol spanning wachten op de lancering, moeten we begrijpen dat de terugkeer ook een kritiek moment zal zijn, ondanks het feit dat het een onbemande missie is.
Ruimtemissies kunnen worden onderverdeeld in twee klassen. Die waarin het ruimtevaartuig op een dag naar de aarde zal terugkeren, zijn meestal bemande missies en degenen die een enkeltje krijgen. Hier kunnen we ook toekomstige bemande missies noemen, bijvoorbeeld naar Mars door Elon Musk, die niet noodzakelijkerwijs naar de aarde zullen terugkeren. Maar in werkelijkheid moet zo'n vliegtuig ook ergens landen. Het blijkt dat de landingsfase het moeilijkste deel is van dergelijke missies. Vandaag gaan we proberen het uit te zoeken.
Lees ook:
- 100 jaar kwantumfysica: van theorieën uit de jaren twintig tot computers
- 5 toekomstige ruimtemissies om over na te denken
Veiligheid van bemanning en uitrusting
Sinds de mens voor het eerst de ruimte in vloog, maken we ons zorgen over zijn gezondheid en het algehele succes van de vlucht. Bij bemande vluchten kan elk moment kritiek zijn. De veiligheid van de bemanning en uitrusting aan boord, als het een onbemande missie is, is altijd een prioriteit geweest. Ingenieurs en leiders van dergelijke missies, evenals kosmonauten of astronauten zelf, begrepen alle risico's van dergelijke vluchten. Niet al deze missies waren succesvol, vooral de eerste, maar het was belangrijk om conclusies te trekken, fouten te corrigeren en ze in de toekomst niet te herhalen.
Tijdens de eerste missie van het Apollo-ruimtevaartuig eindigde alles bijvoorbeeld tragisch in het stadium van pre-lanceringstests. In de beroemde Apollo 13-missie vond tijdens de vlucht een ongeluk plaats, waardoor een landing op het oppervlak van de maan onmogelijk werd. Het is goed dat het mogelijk was om de bemanning te redden en het schip met succes op 7,5 km afstand van het Iwo Jima vliegdekschip te brengen. Er werden conclusies getrokken en het volgende missieschip werd pas 5 maanden later de ruimte in gestuurd. Zelfs de meest succesvolle Apollo 11-missie was vol spannende momenten tijdens de landing van astronauten op het oppervlak van de maan en de daaropvolgende start en terugkeer naar de aarde. Het Sovjet Sojoez-ruimtevaartuig leed ook veel ongevallen. Dit was en is helaas de norm in de ruimtevaartindustrie.
Ja, dit zijn meestal enkele, onvoorspelbare situaties. Echter, in elke bemande ruimtemissie die de terugkeer naar de aarde omvat, is er een moment dat altijd verbluffend is. U kent waarschijnlijk de onvoorspelbare problemen die ontstaan bij het landen van onbemande voertuigen op Mars, maar bij bemande missies staan mensenlevens op het spel. We herinneren ons allemaal de ramp van 2003 - tijdens de landing verbrandde de shuttle "Columbia" gewoon in de dichte lagen van de atmosfeer, de hele bemanning van zeven mensen stierf tragisch.
Hieronder staat een fragment uit de film "Apollo-13", die het proces van het landen van de astronauten op aarde laat zien. Natuurlijk is dit een film die zijn eigen regels heeft, het hoeft niet per se een juiste weergave van de werkelijkheid te zijn, maar het verschilt er ook niet veel van.
Lees ook: James Webb Space Telescope: 10 doelen om te observeren
Waarom is veilig terugkeren naar de aarde vanuit de ruimte zo'n probleem?
Het lijkt erop dat de zwaartekracht hier zou moeten helpen, dus het is niet nodig om te worstelen om de raket te vertragen. Maar zijn snelheid is tienduizenden kilometers per uur - dit is de snelheid die nodig is voor het apparaat om ofwel in een baan rond de aarde te gaan (de zogenaamde eerste kosmische snelheid, d.w.z. 7,9 km/s), of er zelfs voorbij te gaan ( de tweede kosmische snelheid, d.w.z. 11,2 km/s) en vloog bijvoorbeeld naar de maan. En het is deze hoge snelheid die het probleem is.
Het belangrijkste punt bij het terugkeren naar de aarde of bij het landen op een andere planeet is remmen. Dit is net zo lastig als het versnellen van het schip tijdens het opstijgen. De raket bewoog immers niet ten opzichte van de aarde voor het opstijgen. En dat zal ook niet zijn nadat ze is geland. Net als bij het vliegtuig stappen we op het vliegveld in. Hoewel het tijdens de vlucht een snelheid van 900 km/u (de kruissnelheid van een middelgroot passagiersvliegtuig) bereikt, stopt het weer na de landing.
Dit betekent dat een raket die op het punt staat om op aarde te landen, zijn snelheid tot nul moet verminderen. Het klinkt eenvoudig, maar dat is het niet. Een vliegtuig dat moet vertragen van 900 km/u naar 0 km/u ten opzichte van de aarde heeft een veel gemakkelijkere taak dan een raket die met ongeveer 28 km/u vliegt. Bovendien vliegt de raket niet alleen met een waanzinnige snelheid, maar komt hij ook bijna verticaal de dichte lagen van de atmosfeer binnen. Niet onder een hoek zoals een vliegtuig, maar bijna verticaal na het verlaten van de baan van de aarde.
Het enige dat een vliegtuig effectief kan vertragen, is de atmosfeer van de aarde. En het is behoorlijk dicht, zelfs in de buitenste lagen, en veroorzaakt wrijving op het oppervlak van het dalende apparaat, wat onder ongunstige omstandigheden kan leiden tot oververhitting en vernietiging. Dus nadat het ruimteschip is afgeremd tot een snelheid die iets minder is dan het eerste ruimteschip, begint het te dalen en valt het naar de aarde. Door de juiste vliegbaan in de atmosfeer te kiezen, is het mogelijk om ervoor te zorgen dat belastingen de toegestane waarde niet overschrijden. Tijdens de afdaling kunnen en moeten de wanden van het schip echter tot een zeer hoge temperatuur opwarmen. Daarom is een veilige afdaling in de atmosfeer van de aarde alleen mogelijk als er een speciale thermische beveiliging op de buitenste behuizing is.
Zelfs de atmosfeer van Mars, die meer dan 100 keer dunner is dan die van de aarde, vormt een serieus obstakel. Dit wordt gevoeld door alle apparaten die naar het oppervlak van de Rode Planeet afdalen. Er gebeuren vaak ongelukken met ze, of ze verbranden gewoon in de atmosfeer van Mars.
Soms is zo'n remmen nuttig, zoals blijkt uit missies waarin de atmosfeer als een extra rem diende en de voertuigen hielp om de doelbaan van de planeet binnen te gaan. Maar dit zijn nogal uitzonderingen.
Ook interessant:
Atmosferisch remmen is effectief, maar heeft enorme nadelen
Ja, atmosferisch remmen is behoorlijk effectief, maar het heeft enorme nadelen, hoewel het noodzakelijk is voor effectief remmen.
Een dergelijke vertraging in het geval van orbitale missies naar andere planeten is niet volledig en de terugkeer naar de aarde gaat gepaard met volledige vertraging. Hetzelfde geldt voor de landing van de rover op Mars. Een sonde die in zijn baan komt, mag niet volledig tot stilstand komen, anders zou hij naar de oppervlakte van de Rode Planeet vallen.
Apparaten in de ruimte, die in een baan om de aarde draaien of terugkeren van de maan, bewegen met de enorme snelheden die ze kregen op het moment van opstijgen. Daarom past het internationale ruimtestation bijvoorbeeld van tijd tot tijd de baan om de aarde aan en verhoogt deze, want hoe hoger deze is, hoe lager de snelheid die nodig is om in de baan te blijven.
Aangezien het verschaffen van deze snelheden een overeenkomstig energieverbruik vereist, moet het remmen gepaard gaan met een vergelijkbaar energieverbruik. Daarom, als het mogelijk zou zijn om het apparaat te vertragen voordat het de atmosfeer binnengaat, met lage snelheid te vliegen of zelfs langzaam naar de aarde te vallen, zou het niet zo veel opwarmen en zou het gevaar voor de bemanning onbeduidend zijn.
Dit is waar de vangst ligt. Ruimtevluchten vereisen enorme energiekosten. De massa van het laadvermogen van de raket is een klein deel van de totale startmassa van de raket. Voor het grootste deel bevindt zich brandstof in het midden van de raket, waarvan het meeste wordt verbrand in de eerste fase van de passage door de lagere lagen van de atmosfeer. Het is noodzakelijk om de uitrusting of de bemanning van het schip de ruimte in te sturen. Brandstof is ook nodig om de baan van de aarde te verlaten tijdens de landing, en een zeer grote hoeveelheid ervan. Daarom bestaat bij het remmen het risico dat de brandstof ervoor zorgt dat het schip in brand vliegt. In de meeste gevallen zijn het de brandstoftanks die tijdens de landing ontploffen door de hoge temperatuur.
Ook interessant:
- 10 raarste dingen die we leerden over zwarte gaten in 2021
- Terraforming Mars: kan de rode planeet veranderen in een nieuwe aarde?
Landen, vergelijkbaar met opstijgen, alleen in omgekeerde richting
Om het voertuig bijna volledig te vertragen voordat het de atmosfeer binnengaat, zal het nodig zijn om dezelfde hoeveelheid brandstof te gebruiken als tijdens het opstijgen, ervan uitgaande dat de massa van het voertuig tijdens de missie niet significant verandert. Wanneer we echter de brandstof die nodig is om het schip op te tillen en voor het daaropvolgende remmen bij het gewicht van het schip optellen, blijkt dit vele malen te vermenigvuldigen. En het is precies deze trieste economische berekening die betekent dat het nog steeds nodig is om te vertrouwen op de remming van de atmosfeer van de aarde.
Bij het landen van bijvoorbeeld SpaceX Falcon 9-raketten wordt brandstof gebruikt, maar hier is de raket zelf erg licht (meestal keert alleen de brandstoftank terug naar de aarde) en wordt de terugkeer vanuit een verre baan niet uitgevoerd.
Ingenieurs hebben berekend dat het landen op aarde dezelfde brandstofbronnen per kilogram vereist als het opstijgen in een baan om de aarde. Dat wil zeggen, het is bijna als een start, alleen in de tegenovergestelde richting.
En waarschijnlijk zal dat nog lang zo blijven. Niet alleen tijdens de Artemis 1-missies, maar ook nadat een mens de Rode Planeet heeft bereikt. Wanneer dit obstakel tot op zekere hoogte zal worden overwonnen, dan zal het mogelijk zijn om te zeggen dat we eindelijk ruimtevluchten onder de knie hebben. Omdat iedereen kan opstijgen, maar er kunnen problemen zijn met landen.
Maar de geschiedenis kent vele voorbeelden waarin onze wetenschappers en ingenieurs complexe problemen wisten op te lossen. We hopen dat zeer binnenkort een vlucht naar de maan of Mars niet moeilijker zal zijn dan een vlucht van New York naar Kiev. Met een prettige en veilige landing.
Als u Oekraïne wilt helpen in de strijd tegen de Russische bezetters, kunt u dat het beste doen door te doneren aan de strijdkrachten van Oekraïne via Red het leven of via de officiële pagina NBU.
Lees ook:
Waarom gebruiken ze geen terugkeerscenario's voor hybride ruimtevaartuigen. Geen hittebestendige "vleugels" en geen thermische ablatieschilden + parachute.
Glijden met afremmen tegen de atmosfeer, uiteindelijk gecontroleerd "parachutespringen" op een geïmproviseerde "trampoline". En u hoeft geen brandstof te verbranden, misschien niet-geproduceerde resten. We laten het chassis op de grond staan, we nemen alleen het besturingssysteem mee.
Vooral de mening van een niet-erkend wiskundig genie en een praktische altruïst is interessant.