Mēs vienmēr ar nepacietību gaidām pilotētas misijas kosmosā, taču šodien mēs runāsim par to, kāpēc apkalpes atgriešana uz Zemi joprojām ir milzīgs izaicinājums.
Kosmoss vienmēr ir piesaistījis cilvēkus, tas bija kaut kas noslēpumains, neizpētīts. Rītausmas, tālas planētas mūs aicina, mudina pētīt, eksperimentēt un veikt starpplanētu lidojumus. Jāteic, ka pēdējā laikā kosmosa lidojumi, lai gan joprojām nebraucam pirmajā klasē, šķiet apgūti pamatapjomā. Artemis 1 misijai uz Mēnesi jau bija paredzēts lidot, taču laika apstākļu dēļ palaišana tika atlikta līdz 2. septembrim. Un, kamēr mēs ar bažām gaidām palaišanu, mums jāsaprot, ka arī atgriešanās būs kritisks brīdis, neskatoties uz to, ka tā ir bezpilota misija.
Kosmosa misijas var iedalīt divās klasēs. Tās, kurās kosmosa kuģis kādreiz atgriezīsies uz Zemes, galvenokārt ir pilotētas misijas, un tās, kas saņem biļeti vienā virzienā. Šeit var minēt arī turpmākās pilotējamās misijas, piemēram, Elona Muska uz Marsu, kas ne vienmēr atgriezīsies uz Zemes. Bet patiesībā arī tādai lidmašīnai kaut kur ir jānolaižas. Izrādās, ka nosēšanās fāze ir visgrūtākā šādās misijās. Šodien mēs centīsimies to izdomāt.
Lasi arī:
- 100 gadi kvantu fizikai: no 1920. gadu teorijām līdz datoriem
- 5 nākotnes kosmosa misijas, par kurām padomāt
Apkalpes un aprīkojuma drošība
Kopš brīža, kad cilvēks pirmo reizi lidoja kosmosā, mēs esam noraizējušies par viņa veselību un vispārējiem lidojuma panākumiem. Pilotu lidojumu gadījumā jebkurš brīdis var būt kritisks. Apkalpes un aprīkojuma drošība uz kuģa, ja tā ir bezpilota misija, vienmēr ir bijusi prioritāte. Šādu misiju inženieri un vadītāji, kā arī paši kosmonauti vai astronauti saprata visus šādu lidojumu riskus. Ne visas šīs misijas bija veiksmīgas, īpaši pirmās, taču svarīgi bija izdarīt secinājumus, labot kļūdas un neatkārtot tās turpmāk.
Piemēram, kosmosa kuģa Apollo pirmās misijas laikā viss traģiski beidzās pirmspalaišanas testu stadijā. Slavenajā Apollo 13 misijā lidojuma laikā notika avārija, kuras rezultātā nosēšanās uz Mēness virsmas kļuva neiespējama. Labi, ka izdevās izglābt apkalpi un veiksmīgi nogādāt kuģi 7,5 km attālumā no Iwo Jima aviācijas bāzeskuģa. Tika izdarīti secinājumi, un nākamais misijas kuģis tika nosūtīts kosmosā tikai 5 mēnešus vēlāk. Pat visveiksmīgākā Apollo 11 misija bija pilna saspringtiem brīžiem astronautu nosēšanās laikā uz Mēness virsmas un tai sekojošajā pacelšanās un atgriešanās uz Zemes laikā. Arī padomju kosmosa kuģis Sojuz cieta daudzās avārijās. Tā diemžēl bija un ir norma kosmosa industrijā.
Jā, tās pārsvarā ir atsevišķas, neparedzamas situācijas. Tomēr jebkurā pilotējamā kosmosa misijā, kas saistīta ar atgriešanos uz Zemes, vienmēr ir mirklis, kas vienmēr ir satriecošs. Jūs droši vien zināt, kādas neparedzamās problēmas rodas, nolaižot bezpilota transportlīdzekļus uz Marsa, taču pilotējamo misiju gadījumā uz spēles tiek liktas cilvēku dzīvības. Mēs visi atceramies 2003. gada katastrofu - nosēšanās laikā atspoļkuģis "Columbia" vienkārši sadega blīvajos atmosfēras slāņos, visa septiņu cilvēku apkalpe traģiski gāja bojā.
Zemāk ir fragments no filmas "Apollo-13", kas demonstrē astronautu nosēšanās procesu uz Zemes. Protams, šī ir filma, kurai ir savi noteikumi, tā ne vienmēr precīzi atspoguļo realitāti, bet arī īpaši neatšķiras no tās.
Lasi arī: Džeimsa Veba kosmiskais teleskops: 10 novērojamie mērķi
Kāpēc droša atgriešanās uz Zemi no kosmosa ir tāda problēma?
Šķiet, ka gravitācijai šeit vajadzētu palīdzēt, tāpēc nav jācīnās, lai palēninātu raķeti. Bet tā ātrums ir desmitiem tūkstošu kilometru stundā - tas ir ātrums, kas nepieciešams, lai ierīce vai nu dotos orbītā ap Zemi (tā sauktais pirmais kosmiskais ātrums, t.i., 7,9 km/s), vai pat pārsniegtu to ( otrais kosmiskais ātrums , t.i., 11,2 km/s) un lidoja, piemēram, uz Mēnesi. Un problēma ir tieši šajā lielajā ātrumā.
Galvenais punkts, atgriežoties uz Zemes vai nolaižoties uz citas planētas, ir bremzēšana. Tas ir tikpat apgrūtinoši kā kuģa paātrināšana pacelšanās laikā. Galu galā raķete pirms pacelšanās nepārvietojās attiecībā pret Zemi. Un tā nebūs arī pēc viņas nolaišanās. Tāpat kā ar lidmašīnu, ko iekāpjam lidostā. Lai gan lidojumā tas sasniedz ātrumu 900 km/h (vidēja izmēra pasažieru lidmašīnas kreisēšanas ātrums), pēc nosēšanās tas atkal apstājas.
Tas nozīmē, ka raķetei, kas gatavojas nolaisties uz Zemes, ir jāsamazina ātrums līdz nullei. Tas izklausās vienkārši, bet tā nav. Lidmašīnai, kurai attiecībā pret Zemi jāsamazina ātrums no 900 km/h līdz 0 km/h, ir daudz vieglāks uzdevums nekā raķetei, kas lido ar aptuveni 28 000 km/h. Turklāt raķete ne tikai lido neprātīgā ātrumā, bet arī gandrīz vertikāli iekļūst blīvajos atmosfēras slāņos. Nevis tādā leņķī kā lidmašīna, bet gandrīz vertikāli pēc Zemes orbītas atstāšanas.
Vienīgais, kas var efektīvi palēnināt lidaparātu, ir Zemes atmosfēra. Un tas ir diezgan blīvs pat ārējos slāņos un rada berzi uz lejupejošās ierīces virsmas, kas nelabvēlīgos apstākļos var izraisīt tās pārkaršanu un iznīcināšanu. Tātad, pēc tam, kad kosmosa kuģis palēninās līdz ātrumam, kas ir nedaudz mazāks nekā pirmais kosmosa kuģis, tas sāk nolaisties, nokrītot uz Zemi. Izvēloties atbilstošu lidojuma trajektoriju atmosfērā, iespējams nodrošināt slodžu rašanos, kas nepārsniedz pieļaujamo vērtību. Tomēr nolaišanās laikā kuģa sienas var un tām vajadzētu uzkarst līdz ļoti augstai temperatūrai. Tāpēc droša nolaišanās Zemes atmosfērā iespējama tikai tad, ja uz ārējā apvalka ir speciāla termiskās aizsardzības ierīce.
Pat Marsa atmosfēra, kas ir vairāk nekā 100 reižu plānāka nekā Zemes, ir nopietns šķērslis. To jūt visas ierīces, kas nolaižas uz Sarkanās planētas virsmu. Diezgan bieži ar viņiem notiek nelaimes gadījumi, vai arī viņi vienkārši izdeg Marsa atmosfērā.
Dažreiz šāda bremzēšana ir noderīga, par ko liecina misijas, kurās atmosfēra kalpoja kā papildu bremze, palīdzot transportlīdzekļiem iekļūt planētas mērķa orbītā. Bet tie drīzāk ir izņēmumi.
Interesanti arī:
Atmosfēras bremzēšana ir efektīva, taču tai ir milzīgi trūkumi
Jā, atmosfēras bremzēšana ir diezgan efektīva, taču tai ir milzīgi trūkumi, lai gan tas ir nepieciešams efektīvai bremzēšanai.
Šāds palēninājums orbitālo misiju gadījumā uz citām planētām nav pilnīgs, un atgriešanās uz Zemi ir saistīta ar pilnīgu palēninājumu. Tas pats attiecas uz rovera nolaišanos uz Marsa. Zonde, kas nonāk savā orbītā, nedrīkst pilnībā apstāties, pretējā gadījumā tā nokristu uz Sarkanās planētas virsmu.
Kosmosā esošās ierīces, kas riņķo ap Zemi vai atgriežas no Mēness, pārvietojas ar milzīgu ātrumu, kāds tām tika piešķirts pacelšanās brīdī. Tāpēc, piemēram, Starptautiskā kosmosa stacija ik pa laikam koriģē orbītu, to paceļot, jo jo augstāka tā ir, jo mazākam jābūt ātrumam, kas nepieciešams, lai noturētos orbītā.
Tā kā šo ātrumu nodrošināšana prasa atbilstošus enerģijas izdevumus, bremzēšana ir jāsaista ar līdzīgu enerģijas patēriņu. Tāpēc, ja būtu iespēja palēnināt ierīci pirms nokļūšanas atmosfērā, lidot ar nelielu ātrumu vai pat lēnām nokrist uz Zemi, tā tik ļoti nesakarstu un briesmas apkalpei būtu niecīgas.
Šeit slēpjas loms. Kosmosa lidojumi prasa milzīgas enerģijas izmaksas. Raķetes kravnesības masa ir neliela daļa no raķetes kopējās pacelšanās masas. Lielākoties raķetes vidū atrodas degviela, kuras lielākā daļa tiek sadedzināta pirmajā šķērsošanas posmā caur atmosfēras zemākajiem slāņiem. Ir nepieciešams nosūtīt kosmosā aprīkojumu vai kuģa apkalpi. Degviela ir nepieciešama arī iziešanai no Zemes orbītas nosēšanās laikā un ļoti liels tās daudzums. Tāpēc, bremzējot, pastāv risks, ka degviela izraisīs kuģa aizdegšanos. Vairumā gadījumu nosēšanās laikā no augstās temperatūras eksplodē degvielas tvertnes.
Interesanti arī:
- 10 dīvainākās lietas, ko uzzinājām par melnajiem caurumiem 2021. gadā
- Marsa terraformēšana: vai Sarkanā planēta varētu pārvērsties par jaunu Zemi?
Nosēšanās, līdzīgi kā pacelšanās, tikai pretējā virzienā
Lai gandrīz pilnībā palēninātu transportlīdzekļa ātrumu pirms nokļūšanas atmosfērā, būs nepieciešams izmantot tādu pašu degvielas daudzumu kā pacelšanās laikā, pieņemot, ka transportlīdzekļa masa misijas laikā būtiski nemainās. Taču, ja kuģa svaram pievienojam degvielu, kas nepieciešama kuģa pacelšanai un tai sekojošai bremzēšanai, izrādās, ka tā tiek reizināta daudzkārt. Un tieši šis skumjais ekonomiskais aprēķins nozīmē, ka joprojām ir jāpaļaujas uz Zemes atmosfēras kavēšanu.
Piemēram, nolaižoties SpaceX Falcon 9 raķetēm, tiek izmantota degviela, taču šeit pati raķete ir ļoti viegla (pārsvarā uz Zemi atgriežas tikai degvielas tvertne), un atgriešanās no tālākas orbītas netiek veikta.
Inženieri ir aprēķinājuši, ka nolaišanās uz Zemes prasa tādus pašus degvielas resursus uz kilogramu kā pacelšanās orbītā. Tas ir, tas ir gandrīz kā pacelšanās, tikai pretējā virzienā.
Un, iespējams, tā tas būs vēl ilgi. Ne tikai Artemis 1 misiju laikā, bet arī pēc tam, kad cilvēks sasniedz Sarkano planētu. Kad kaut kādā mērā šis šķērslis tiks pārvarēts, tad varēs teikt, ka beidzot esam apguvuši kosmosa lidojumus. Jo pacelties var visi, bet var būt problēmas ar nosēšanos.
Taču vēsture zina daudz piemēru, kad mūsu zinātniekiem un inženieriem izdevās atrisināt sarežģītas problēmas. Mēs ceram, ka pavisam drīz lidojums uz Mēnesi vai Marsu nebūs grūtāks par lidojumu no Ņujorkas uz Kijevu. Ar patīkamu un drošu piezemēšanos.
Ja vēlaties palīdzēt Ukrainai cīnīties ar krievu okupantiem, labākais veids, kā to izdarīt, ir ziedot Ukrainas bruņotajiem spēkiem caur Savelife vai izmantojot oficiālo lapu NBU.
Lasi arī:
Kāpēc viņi neizmanto hibrīdu kosmosa kuģu atgriešanās scenārijus? Nav karstumizturīgi "spārni" un ne termoablācijas vairogi + izpletnis.
Slīdēšana ar bremzēšanu pret atmosfēru, gala kontrolēta "izpletņlēkšana" uz improvizēta "bauta". Un nevajag dedzināt degvielu, varbūt nesaražotās atliekas. Mēs atstājam šasiju uz zemes, mēs ņemam tikai vadības sistēmu.
Īpaši interesants ir neatzīta matemātikas ģēnija un praktiska altruista viedoklis.