Изображение предоставлено: Unsplash/CC0 Public Domain
21 июля 1961 года американский астронавт Гас Гриссом в течение примерно 15 минут чувствовал себя на вершине мира — и так оно и было на самом деле.
Гриссом был членом экипажа миссии Liberty Bell 7, баллистического испытательного полета, в ходе которого он был катапультирован через атмосферу с помощью ракеты. Во время испытания он сел в небольшую капсулу и достиг высоты более 100 миль, прежде чем приводниться в Атлантике.
Корабль ВМС США «Рэндольф» наблюдал за успешным завершением миссии с безопасного расстояния. Все шло по плану, авиадиспетчеры на мысе Канаверал аплодировали, а Гриссом знал, что только что стал вторым американским астронавтом в истории, вступившим в VIP-клуб.
Гриссом остался в своей капсуле, покачиваясь на нежных волнах океана. Пока он ждал вертолета, который доставит его на сухую палубу военного корабля США «Рэндольф», он записал некоторые данные полета. Но затем дело приняло неожиданный оборот.
Неправильная команда в системе взрывчатки капсулы привела к тому, что люк распахнулся, и вода хлынула в крошечное пространство. Гриссом также забыл закрыть клапан в своем скафандре, из-за чего вода просочилась в его скафандр, пока он изо всех сил пытался остаться на плаву.
После драматического побега из капсулы он пытался держать голову над водой, сигнализируя пилоту вертолета, что что-то пошло не так. Вертолет смог спасти его в последний момент.
Спасение Гриссома, во время которого он чуть не погиб, остается одним из самых драматичных высадок на воду в истории. Но всплытие под воду остается одним из самых распространенных способов возвращения астронавтов на Землю. Я профессор аэрокосмической техники и изучаю механизмы, которые играют роль в этих явлениях. К счастью, большинство приземлений на воду не так нервны, по крайней мере, на бумаге.
Объяснение приводнения
Прежде чем космический корабль сможет безопасно приземлиться, он должен снизить скорость по мере возвращения на Землю. Во время обратного полета на Землю космический корабль обладает высокой кинетической энергией. Трение с атмосферой создает сопротивление воздуха, которое замедляет космический корабль. Трение преобразует кинетическую энергию космического корабля в тепловую энергию или тепло.
Все это тепло излучается в окружающий воздух, который становится очень, очень горячим. Поскольку скорость входа в атмосферу может во много раз превышать скорость звука, сила воздуха, давящего на транспортное средство, превращает окружающую его среду в пылающий горячий поток с температурой около 2700 градусов по Фаренгейту (1500 градусов по Цельсию). В случае с гигантской ракетой Starship SpaceX эта температура даже достигает 3000 градусов по Фаренгейту (почти 1700 градусов по Цельсию).
К сожалению, при входе в атмосферу, как бы быстро ни происходил этот переход, космический корабль не успевает затормозиться до безопасной скорости, которая не приведет к крушению. Поэтому инженеры прибегают к другим методам, способным замедлить космический корабль при приводнении.
Парашюты — первый вариант. НАСА обычно использует дизайны ярких цветов, например оранжевого, чтобы их было легко заметить. Они также огромны, их диаметр превышает 30 метров, и в каждой возвращаемой ракете обычно используется более одной, чтобы обеспечить оптимальную устойчивость.
Первые раскрывающиеся парашюты, называемые тормозными парашютами, раскрываются, когда скорость транспортного средства падает ниже примерно 700 метров в секунду.
Но даже в этом случае ракета не должна удариться о твердую поверхность. Он должен приземлиться где-то, что поглотит удар. Исследователи сразу же обнаружили, что вода является отличным амортизатором. Так произошла посадка на воду.
Почему вода?
Вода имеет относительно низкую вязкость (то есть она быстро деформируется под напряжением) и гораздо меньшую плотность, чем твердая порода. Эти две характеристики делают его идеальным для посадки космических кораблей. Однако другая главная причина, почему вода так хорошо работает, заключается в том, что она покрывает 70% поверхности Земли. Поэтому вероятность удара о него при падении из космоса высока.
Наука, лежащая в основе приводнения, сложна, как доказывает долгая история.
В 1961 году США осуществили первую в истории пилотируемую высадку на воду. Использовались капсулы возврата ртути.
Эти капсулы имели примерно коническую форму и падали основанием в сторону воды. Астронавт внутри сидел лицом вверх. Основание поглощало большую часть тепла, поэтому исследователи построили тепловой экран, который испарялся, когда капсула пролетала через атмосферу.
По мере того как капсула замедлялась и трение уменьшалось, воздух охлаждался. Это позволило ему поглотить избыточное тепло от автомобиля и тем самым охладить его. Если бы скорость была достаточно низкой, парашюты раскрылись бы.
Брызги происходят со скоростью около 24 метров в секунду. Хотя это не совсем мягкий удар, он достаточно медленный, чтобы капсула врезалась в море и поглотила удар, не повредив свою конструкцию, груз или астронавтов внутри.
После катастрофы «Челленджера» в 1986 году, когда вскоре после запуска сломался космический корабль «Челленджер», инженеры начали проектировать свои аппараты, ориентируясь на так называемый феномен краш-тестов — степень повреждений, которые получает космический корабль при столкновении с поверхностью.
Теперь все транспортные средства должны доказать, что они дают шанс выжить на воде после возвращения из космоса. Исследователи строят сложные модели, а затем проверяют их в лабораторных экспериментах, чтобы доказать, что конструкция достаточно прочна, чтобы соответствовать этому требованию.
В будущее
В период с 2021 по июнь 2024 года семь капсул Dragon компании SpaceX совершили безупречное приводнение по возвращении с Международной космической станции.
6 июня самая мощная на сегодняшний день ракета Starship компании SpaceX приземлилась в Индийском океане, совершив впечатляющую вертикальную посадку на воду. Ракетные ускорители продолжали стрелять во время подхода к поверхности, создавая вокруг сопел необычайное облако шипящего пара.
SpaceX использует приземление на воду для восстановления своих ускорителей после запуска без существенного повреждения их критических частей, что позволяет перерабатывать их для будущих миссий. Возможность повторного использования позволяет частным компаниям сэкономить миллионы долларов на инфраструктуре и сократить расходы на миссии.
Приводнение по-прежнему является наиболее распространенным методом возвращения космических кораблей в атмосферу Земли, и по мере того, как все больше космических агентств и частных компаний стремятся к звездам, мы, вероятно, увидим гораздо больше подобных методов в будущем.
Информация от: Разговором
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
