SpaceX Dragon 2 sæt til neglebidende landing – her er raketvidenskaben

Hvis alt går efter planen, en flammende drage vil lyse himlen op over Atlanterhavet, inden den forhåbentlig køles af med en vandig splashdown den 8. marts. SpaceX Dragon 2-kapslen er af enorm betydning for rumflyvning, da den netop er blevet det første kommercielle køretøj, der automatisk lægger til i det internationale rum Station (ISS), og sigter mod at transportere astronauter dertil om et par måneder. Nu står den over for en af ​​de mest farlige dele af sin mission - at vende sikkert tilbage til Jorden.

ISS, og den nu dockede Dragon 2-kapsel, kredser i øjeblikket med en hastighed på 27, 600 km i timen, omkring 400 km over jordens overflade. For at give et objekt i kredsløb en sikker landing, hvilket tydeligvis er særligt vigtigt, hvis det skal transportere astronauter, denne enorme hastighed skal reduceres til cirka nul, når den når jordens overflade.

Denne ændring i hastighed kommer fra en blanding af raketskydning, friktion, luftmodstand, faldskærme og til sidst vand. Et afgørende aspekt for at opnå det er at beregne, hvilken vinkel objektet skal bringes ind i gennem atmosfæren. Hastigheden af ​​ethvert objekt i kredsløb er produktet af to komponenter, den ene bevæger sig mod Jordens centrum og den anden i retning af sin bane. Så når rumfartøjet kommer ind i atmosfæren igen, dens bevægelse vil være en kombination af disse.

Det første skridt i at få Dragon 2 hjem er at sænke rumfartøjets kredsløbshastighed. Dette vil blive opnået ved at affyre raketter mod kørselsretningen, stejlere bevægelsesvinklen (se diagrammet nedenfor), indtil den dykker ned i de tættere områder af atmosfæren. Den krævede hastighedsændring er i virkeligheden meget lille – man behøver kun at decelerere med ca. en 60-del af stationens hastighed. Jordens atmosfære vil så klare resten.

Men vinklen for at komme ind i atmosfæren betyder noget. Hvis det er for stejlt, kapslen vil opleve overdreven deceleration. Hvis det er for lavt, der vil ikke være tilstrækkelig modstandskraft til at bremse fartøjet tilstrækkeligt til landing. Det er endda muligt at ende med at springe rumfartøjet over i atmosfæren, som at skumme en sten på en dam. Derfor, rumfartøjet skal rejse inden for et snævert område af mulige vinkler kaldet "indgangskorridoren".

Kæmpe risici

Når kapslen kommer gennem atmosfæren, det vil trænge sig vej gennem stadig tættere luft. Dette forårsager friktion omkring ydersiden af ​​rumfartøjet, varme det op. Grundlæggende den involverede fysiske proces er en omdannelse af energi fra kinetisk (bevægelse) til termisk (varme). De høje reentry-hastigheder producerer også en chokbølge foran rumfartøjet, som opvarmer luften til tusindvis af grader. Dette svarer til luft, der varmes op i en cykelpumpe, da den er komprimeret. Den genererede varme kan være højere end smeltepunktet for metallerne i rumfartøjets hud, så en god varmeisolator skal være til stede for at beskytte den.

Dragon-rumfartøjet bruger et kulstofbaseret termisk beskyttelsessystem - et lag af ablativt materiale, som brænder væk, at beskytte rumfartøjet. Betydningen af ​​varmeafskærmning blev fremhævet under Columbia Shuttle-hændelsen, hvor en flise blev beskadiget ved start, hvilket resulterede i, at rumfærgen gik i opløsning ved genindtræden og dræbte besætningsmedlemmerne.

Den genererede varme vil også afhænge af indgangsvinklen. Hvis vinklen er for stejl, varmen genereret af chokbølgen og friktionen foran på rumfartøjet vil overvælde afskærmningen, potentielt få rumfartøjet til at gå i stykker eller eksplodere. Have sagt, at, hvis alt går godt, de avancerede varmeafskærmningsmaterialer, der bruges på Dragon 2, forventes at modstå hundredvis af atmosfæriske tilbagevendende flyvninger.

Hurtig deceleration genererer også en stærk g-kraft. Det er de kræfter, du føler, der virker på din krop under acceleration, som i en rutsjebane. Et g svarer til Jordens tyngdekraft. I en standard Soyuz-landing, astronauter oplever op til omkring 6g. I en af ​​de mest ekstreme Soyuz-landinger i 2008, astronauter oplevede over 8g, resulterer i åndedrætsbesvær og spinal kompression for besætningen.

Den menneskelige krop har en begrænset tolerance over for g-kræfter - de fleste mennesker vil besvime ved en vedvarende acceleration på 7 g. Da Dragon 2 er designet til at være det første kommercielle passagerrumfartøj, decelerationskræfterne og varmetolerancerne skal beviseligt være inden for sikre grænser på denne prøvekørsel.

For at teste denne sikkerhed for nye astronauter, Dragon 2-lanceringen har en modig passager. Ripley er en mannequin, der sidder på et af besætningssæderne og vil tage data såsom den indre temperatur, oplevede tryk og g-kræfter. Dette vil i sidste ende afgøre, om genindtrængen er sikker for mennesker.

Touchdown

Når decelerationen på grund af friktion har bremset rumfartøjet tilstrækkeligt, den resterende hastighed vil blive kastet med en kombination af faldskærme og et splashdown i Atlanten. Når Dragon 2 er klar til at blive bemandet, inddrivelsesproceduren vil sandsynligvis ligne de amerikanske missioner i 1960'erne og 70'erne. Kapslen vil flyde i havet, og astronauterne bliver derefter samlet op med skib eller helikopter. Historisk set, denne ventetid for besætningen har været mellem 30 og 90 minutter.

Tidligere designs til Dragon 2 inkorporerede en motordrevet landing, involverer at sætte farten ned med raketter, svarende til de nylige Falcon-tunge booster raketlandinger. Men dette er dyrere og kan være mere farligt.

Mens den blødere landing i vand har sine fordele, et alternativ er at vende tilbage til land. Dette er den tilgang, som Boeings CST-100 Starliner tager, som vil bruge en kombination af faldskærme og airbags til at reducere dens landingshastighed. Starliner har sin første ISS rendezvous testflyvning planlagt til næste måned, også ubemandet.

Ligesom Starliner, Soyuz-kapslerne (som har kørt siden slutningen af ​​1960'erne) vender tilbage til landet. Men de bruger små bremseraketter i det sidste mulige sekund for at blødgøre landingen, og er det mest langlivede og succesrige rumfartøj til dato.

Landingen og genopretningen af ​​Dragon 2 vil repræsentere en afgørende milepæl i kommerciel rumflyvning. Hvis det lykkes, det vil være første gang, at et privat firma har fløjet et menneskevurderet rumfartøj i kredsløb, lagde til kaj med ISS og returnerede den sikkert til Jorden. Hvis det lykkes, det vil foretage en anden testtur i juli med NASA-astronauter om bord. En sådan præstation vil forhåbentlig i høj grad forbedre vores udsigter til yderligere menneskelig udforskning af rummet.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.