Возвращаемая капсула

Аполлона-17 Командный модуль приводнился в Тихом океане.

Возвращаемая капсула — это часть космической капсулы , которая возвращается на Землю после космического полета. Форма частично определяется аэродинамикой ; Капсула аэродинамически устойчива, падая вперед тупым концом, что позволяет только тупому концу требовать теплового экрана для входа в атмосферу . Пилотируемая капсула содержит приборную панель космического корабля, ограниченное пространство для хранения вещей и сиденья для членов экипажа. Поскольку форма капсулы имеет небольшую аэродинамическую подъемную силу , окончательный спуск осуществляется на парашюте , либо приземляясь на суше, в море, либо путем активного захвата самолетом. Напротив, разработка возвращаемых космических аппаратов пытается обеспечить более гибкий профиль входа в атмосферу.

Структура

Спускаемые капсулы обычно имеют диаметр менее 5 метров (16 футов) из-за аэродинамических требований ракеты-носителя . Конструкция капсулы одновременно эффективна по объему и имеет прочную конструкцию, поэтому обычно можно сконструировать небольшие капсулы с характеристиками, сравнимыми с конструкциями несущего тела или космического самолета , по всем параметрам, кроме подъемной силы и лобового сопротивления, за меньшие затраты. космический корабль «Союз» Примером может служить . В большинстве капсул для повторного входа использовался абляционный тепловой экран , и они не допускали повторного использования. , По состоянию на декабрь 2005 года многоцелевой экипажный корабль «Орион» вероятно, будет использовать капсулу десятикратного повторного использования со сменным тепловым экраном. Нет никаких ограничений, за исключением отсутствия инженерного опыта, на использование высокотемпературных керамических плиток или сверхвысокотемпературных керамических листов в спускаемых капсулах.

Материалы для капсулы разработаны по-разному, например, командного модуля «Аполлон » алюминиевая сотовая конструкция . Алюминий очень легкий, а его структура придает капсуле дополнительную прочность. Первые космические корабли имели стеклянное покрытие, залитое синтетической смолой и подвергавшееся воздействию очень высоких температур. Углеродное волокно , армированные пластмассы и керамика — это новые материалы, которые постоянно совершенствуются для использования в освоении космоса.

Возвращение в атмосферу

В большинстве капсул для входа в атмосферу использовался абляционный тепловой экран , и они не допускали повторного использования. Первые космические корабли имели стеклянное покрытие, залитое синтетической смолой и подвергавшееся воздействию очень высоких температур.

Капсулы входа в атмосферу хорошо подходят для входа в атмосферу с высокой энергией. Капсулы возвращаются сначала в кормовую часть, когда пассажиры лежат, поскольку это оптимальное положение для человеческого тела, чтобы противостоять перегрузкам, возникающим при соударении капсулы с атмосферой. Округлая форма (тупой корпус) капсулы образует ударную волну, которая удерживает большую часть тепла от теплозащитного экрана, но система тепловой защиты все равно необходима. Космическая капсула должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять силам входа в атмосферу, таким как сопротивление , и должна войти в атмосферу под точным углом атаки, чтобы предотвратить отрыв от поверхности атмосферы или разрушительно высокие ускорения.

Когда спускаемая капсула проходит через атмосферу, капсула сжимает воздух перед собой, который нагревается до очень высоких температур. Температура поверхности капсулы может достигать 1480 ° C (2700 ° F), когда она спускается через атмосферу Земли. ^{[ нужна ссылка ]} Чтобы предотвратить попадание этого тепла во внутренние конструкции, капсулы обычно оснащаются абляционным тепловым экраном , который обугливается и испаряется, отводя тепло.

Командный модуль «Аполлона» вернулся в атмосферу со смещением центра масс от центральной линии; это заставило капсулу принять наклонное положение в воздухе, обеспечивая подъемную силу, которую можно было использовать для управления направлением. системы управления реакцией Для управления капсулой посредством вращения вектора подъемной силы использовались подруливающие устройства .

Для окончательного спуска используются парашюты, иногда дополненные тормозными ракетами, если капсула предназначена для приземления на поверхность Земли. Примеры наземно-посадочных капсул включают «Восток», «Восход», «Союз», «Шэньчжоу» и Boeing CST-100 Starliner . Другие капсулы, такие как «Меркурий», «Близнецы», «Аполлон», «Орион» и «Дракон», приводнились в океане.

Аэродинамический нагрев

Капсулы хорошо подходят для входов в атмосферу при высоких температурах и динамических нагрузках. В то время как планеры с треугольным крылом, такие как « Спейс Шаттл» , могут возвращаться с низкой околоземной орбиты , а подъемные тела способны заходить даже с Луны , редко можно найти конструкции спускаемых с Марса аппаратов , которые не являются капсулами. Исключением является нынешний проект РКК «Энергия» для «Клипера» , способного летать на Марс.

Инженеры, создающие спускаемую капсулу, должны такие силы, как гравитация и сопротивление учитывать . Капсула должна быть достаточно прочной, чтобы быстро замедляться, выдерживать чрезвычайно высокие или низкие температуры и пережить приземление. Когда капсула приближается к поверхности планеты или луны, ей приходится замедляться с очень точной скоростью. Если он замедлится слишком быстро, все в капсуле будет раздавлено. Если он не замедлится достаточно быстро, он врежется в поверхность и будет уничтожен. Существуют дополнительные требования для входа в атмосферу. Если угол атаки слишком мал, капсула может оторваться от поверхности атмосферы. Если угол атаки слишком крутой, силы торможения могут быть слишком высокими или тепло при входе в атмосферу может превысить допуски теплового экрана.

Капсулы сначала входят в заднюю часть салона, когда пассажиры лежат, поскольку это оптимальное положение для человеческого тела, чтобы противостоять тормозящей перегрузке. Задняя часть имеет закругленную форму (тупой корпус), поскольку при этом образуется ударная волна, которая не касается капсулы, а тепло отклоняется, а не плавит автомобиль.

Командный модуль Аполлона снова вошел в атмосферу со смещением центра масс от центральной линии; это заставило капсулу принять наклонное положение в воздухе, обеспечивая боковой подъем, который можно было использовать для управления направлением. Для управления капсулой в автоматическом или ручном режиме за счет изменения вектора подъемной силы использовались ротационные подруливающие устройства.

На меньших высотах и скоростях парашюты используются для замедления капсулы за счет увеличения сопротивления.

Капсулы также должны быть способны выдерживать удар, когда они достигают поверхности Земли. Все капсулы США с экипажем («Меркурий», «Джемини», «Аполлон») приземлились на воду; В советских/российских кораблях «Союз» и китайском «Шэньчжоу» (и запланированных американских, российских и индийских) капсулы с экипажем используют небольшие ретро-ракеты для приземления. В условиях меньшей гравитации Марса подушек безопасности достаточно для безопасной посадки некоторых роботизированных миссий.

Гравитация, сопротивление и подъемная сила

Двумя крупнейшими внешними силами, с которыми сталкивается спускаемая капсула, являются гравитация и сопротивление .

Сопротивление — это сопротивление капсулы движению в воздухе . Воздух представляет собой смесь различных молекул , включая азот, кислород и углекислый газ. Все, что падает в воздух, сталкивается с этими молекулами и поэтому замедляется. Величина сопротивления капсулы зависит от многих факторов, включая плотность воздуха, а также форму, массу, диаметр и шероховатость капсулы. Скорость космического корабля во многом зависит от совместного воздействия двух сил — гравитации, которая может ускорить ракету, и сопротивления, которое замедлит ракету. Капсулы, входящие в атмосферу Земли, будут значительно замедлены, поскольку наша атмосфера очень плотная.

Когда капсула проходит через атмосферу, она сжимает воздух перед собой, который нагревается до очень высоких температур (вопреки распространенному мнению, трение не имеет существенного значения).

Хорошим примером этого является падающая звезда . Падающая звезда, которая обычно крошечная, создает так много тепла, проходящего через атмосферу, что воздух вокруг метеорита раскаляется добела. Поэтому, когда сквозь него проходит огромный объект, например капсула, выделяется еще больше тепла.

По мере замедления капсулы сжатие молекул воздуха, ударяющихся о поверхность капсулы, создает большое количество тепла. Поверхность капсулы может нагреваться до 1480 ° C (2700 ° F), когда она спускается через атмосферу Земли. Все это тепло необходимо отводить. Капсулы Reentry обычно покрыты материалом, который плавится, а затем испаряется («абляция»). Это может показаться контрпродуктивным, но испарение отнимает тепло у капсулы. Это предотвращает попадание тепла при входе внутрь капсулы. Капсулы подвергаются более интенсивному нагреву, чем космические самолеты, а керамика, такая как используемая на космических кораблях, обычно менее пригодна, и во всех капсулах использовалась абляция.

На практике капсулы действительно создают значительную и полезную подъемную силу. Этот подъемник используется для управления траекторией капсулы, позволяя уменьшить перегрузки экипажа, а также уменьшить пиковую передачу тепла в капсулу. Чем дольше автомобиль находится на большой высоте, тем разрежен воздух и тем меньше тепла передается. Например, у Apollo CM отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению составляло около 0,35. В отсутствие какой-либо подъемной силы капсула Аполлона подверглась бы замедлению примерно на 20 g (8 g для низкоорбитального космического корабля), но при использовании подъемной силы траектория сохранялась примерно на уровне 4 g. ^{[ нужна ссылка ]}

Текущие конструкции

Шэньчжоу

Возвращаемая капсула является «средним» модулем трехчастного космического корабля «Союз» или «Шэньчжоу» : орбитальный модуль расположен в передней части космического корабля, а модуль обслуживания или оборудования прикреплен к задней части. Особенность системы приземления позволяет использовать один парашют и « тормозную ракету », таким образом, теплозащитный экран сбрасывается с космического корабля аналогично развертыванию посадочного мешка на американском космическом корабле «Меркурий» . Как и командный модуль космического корабля «Аполлон» , спускаемая капсула «Шэньчжоу» не имеет возможности многоразового использования; каждый космический корабль летает один раз, а затем «выбрасывается» (обычно отправляется в музеи).

О спускаемой капсуле «Шэньчжоу» известно мало подробностей, за исключением того, что в ней используются некоторые технологии конструкции «Союза ТМ». Новый космический корабль «Союз ТМА», который теперь используется исключительно для полетов на Международную космическую станцию , имеет модифицированные кушетки, позволяющие летать более высоким членам экипажа, и оснащен технологией « стеклянной кабины », аналогичной той, которая используется на космических кораблях «Шаттл» и новейших коммерческих и военных самолетах.

Soyuz

В бывшем Советском Союзе произошли две катастрофы и одна, близкая к катастрофе, причем все три произошли с капсулой во время схода с орбиты и входа в атмосферу. «Союз-1» потерпел катастрофу, когда парашюты не раскрылись, и капсула врезалась в землю на скорости более 300 миль в час (483 км/ч), в результате чего погиб космонавт Владимир Комаров . «Союз-5» едва не потерпел катастрофу, когда спускаемая капсула первой вошла в атмосферу носом, что связано с отказом служебного модуля отделиться, как это было в полете «Восток-1» . К счастью, сервисный модуль сгорел, и капсула восстановилась.

«Союз-11» потерпел катастрофу в 1971 году, когда уравнительный клапан, использовавшийся для выравнивания давления воздуха во время финального спуска «Союза», преждевременно открылся в космическом вакууме, в результате чего погибли три члена экипажа, не одетые в скафандры . В последующих полетах, от «Союза-12» до «Союза-40» , использовался экипаж из двух человек, поскольку третье сиденье пришлось снять для управления скафандром. В версии «Союз-Т» восстановлено третье сиденье.