Videnskaben bag splashdown - rumfartsingeniør forklarer, hvordan NASA og SpaceX får rumfartøjer sikkert tilbage

Når et rumskib falder tilbage til Jorden, kan atmosfæren og dens virkninger ikke ignoreres. Som et hypersonisk køretøj (et, der bevæger sig med hastigheder, der er større end fem gange lydens hastighed), oplever fartøjet adskillige kræfter, der skal styres omhyggeligt for at lette sikker og kontrolleret genindstigning.

1. Atmosfærisk træk

Når et rumfartøj kommer ind i jordens atmosfære, møder det træk, som er en kraft, der modarbejder dets bevægelse. Denne friktion mellem køretøjets overflade og luftmolekylerne får rumfartøjet til at sænke farten.

Den varme, der genereres fra friktionen med luftmolekylerne, hæver temperaturen på både den ydre hud af rumfartøjet og den omgivende luft. Denne varme kaldes aerotermisk opvarmning.

2. Tryk og chokbølger

Den høje hastighed, hvormed et rumfartøj kommer ind i atmosfæren igen, får luften foran det til at komprimere, hvilket resulterer i en stigning i trykket. Dette genererer en chokbølge, der forplanter sig udad fra rumfartøjets næse.

Chokbølgen resulterer i pludselige og betydelige trykændringer, hvilket forårsager intense vibrationer i hele rumfartøjet. Disse vibrationer kan beskadige følsomt udstyr og forstyrre flyveoperationer, hvis de ikke styres korrekt.

3. Plasma og radio blackout

Rumfartøjets højhastighedspassage gennem atmosfæren fører til ionisering af luftmolekyler, som skaber et lag plasma omkring køretøjet. Dette plasma reflekterer radiobølger, hvilket forårsager radiofrekvens blackout. Dette kan forstyrre kommunikationsforbindelser med jordstationer, hvilket komplicerer sporing og kontrol under genindstigning.

4. Udsættelse af faldskærm

For yderligere at reducere hastigheden kan rumfartøjet udsende faldskærme. Disse enheder bruger det træk, der skabes af det øgede overfladeareal til at bremse rumfartøjet.

5. Splashdown

Som et sidste trin kommer rumfartøjet ind i vandet med en kontrolleret hastighed. Dette gøres for at reducere stødkræfterne og potentielt farlige vibrationer, der kan opstå under en hård landing.

Designet og materialerne, der bruges til at konstruere et rumfartøj, er afgørende for at modstå de ekstreme kræfter, der opstår under genindstigning, og for at sikre sikker tilbagevenden af ​​køretøjet og dets passagerer.

The Engineering of Splashdown:NASA og SpaceX

Processen med splashdown involverer flere vigtige tekniske overvejelser og systemer. Lad os undersøge, hvordan NASA og SpaceX håndterer denne fase af deres missioner.

1. Planlægger genindtræden

Før genindtræden beregner rumfartsingeniører omhyggeligt banen, vinklen og hastigheden, hvormed rumfartøjet skal krydse Jordens atmosfære. Disse beregninger har til formål at balancere sikkerhed og brændstofeffektivitet.

2. Varmeafskærmning

For at beskytte rumfartøjet mod den intense aerotermiske opvarmning bruger både NASA og SpaceX termiske beskyttelsessystemer (TPS). Disse består af materialer, der tåler høje temperaturer, typisk lavet af ablative materialer eller kompositmaterialer.

For eksempel bruger NASAs Orion-rumfartøj et avanceret termisk beskyttelsessystem kendt som Avcoat-materialet, som er en kulfiberkomposit belagt med et lag silica. Materialet kan tåle temperaturer på op til 2.200 grader Celsius (3.992 grader Fahrenheit).

I mellemtiden anvender SpaceX's Dragon-rumfartøj et PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) varmeskjold. PICA er et let og yderst effektivt materiale, der kan modstå temperaturer på op til 2.760 grader Celsius (5.000 grader Fahrenheit).

3. Manøvrering

For at modstå de intense vibrationer forårsaget af chokbølgerne er rumfartøjer som Orion og Dragon designet med aerodynamiske former, der minimerer chokbølgeeffekter. De anvender også kontrolsystemer, der justerer rumfartøjets holdning og stabiliserer det under genindstigning.

4. Håndtering af radioblænding

NASA og SpaceX bruger flere kommunikationsstrategier til at styre radioblændingsfasen. Disse kan omfatte installation af redundante og forskelligartede kommunikationssystemer på rumfartøjet, brug af højere frekvenssignaler, der bedre kan trænge ind i det ioniserede lag, og planlægning af kommunikation passerer strategisk.

5. Udsættelse af faldskærm

Når rumfartøjet sænker farten tilstrækkeligt, udsættes faldskærme for yderligere at reducere hastigheden. NASAs Orion-rumfartøj bruger tre faldskærme, hver mere end 100 fod i diameter, for at opnå den ønskede nedstigningshastighed.

SpaceX's Dragon-rumfartøj anvender på den anden side et unikt dobbeltfaldskærmssystem. Drogue-faldskærmene sættes først ind for at stabilisere fartøjet. Derefter udløses hovedfaldskærmene, større og kraftigere, for at sikre en kontrolleret og sikker nedstigning.

Konklusion

Splashdown er en kritisk fase af et rumfartøjs genindtræden, der kræver omhyggelig konstruktion og planlægning. NASA og SpaceX har udviklet og implementeret innovative teknologier til at håndtere de forskellige kræfter og udfordringer, som man støder på i denne fase, for at sikre sikker tilbagevenden af ​​astronauter og værdifuld nyttelast.