Возвращаемая капсула - Reentry capsule

Командный модуль " Аполлона-17 " затонул в Тихом океане .
Запущенная капсула "Союз ТМА" после приземления, 2005 г.

Спускаемая капсула представляет собой часть в космической капсуле , которая возвращает на Землю после космического полета. Форма частично определяется аэродинамикой ; Капсула аэродинамически устойчива к падению тупым концом вначале, что позволяет только тупому концу нуждаться в тепловом экране для входа в атмосферу . Его форму также сравнивают с формой фары старого автомобиля. Пилотируемая капсула содержит приборную панель космического корабля, ограниченное пространство для хранения и сиденья для членов экипажа. Поскольку форма капсулы имеет небольшую аэродинамическую подъемную силу , окончательный спуск осуществляется с помощью парашюта , который либо останавливается на суше, либо в море, либо путем активного захвата самолетом. Напротив, разработка спускаемых аппаратов космических самолетов пытается обеспечить более гибкий профиль входа в атмосферу.

Структура

Рисунок командного модуля Аполлона, летящего тупым концом теплового экрана под ненулевым углом атаки , чтобы установить подъемный вход и контролировать место приземления.

Подходящие капсулы обычно были меньше 5 метров (16 футов) в диаметре из-за аэродинамических требований ракеты-носителя . Конструкция капсулы является как объемно эффективной, так и конструктивно прочной, поэтому обычно можно сконструировать небольшие капсулы с характеристиками, сопоставимыми с конструкциями подъемного корпуса или космического самолета, во всем, кроме отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению, за меньшие деньги. Космический корабль Союза является примером. В большинстве капсул для повторного входа использовался абляционный тепловой экран, и они не использовались повторно. По состоянию на декабрь 2005 года в многоцелевом транспортном средстве « Орион», вероятно, будет использоваться десятикратная многоразовая капсула со сменным теплозащитным экраном. Нет никаких ограничений, за исключением отсутствия инженерного опыта, для использования высокотемпературной керамической плитки или сверхвысокотемпературных керамических листов на возвратных капсулах.

Материалы для капсулы разработаны по - разному, как и командного модуля Apollo «s алюминиевой сотовой структуры . Алюминий очень легкий, а структура придает капсуле дополнительную прочность. Ранний космический аппарат имел покрытие из стекла, залитого синтетической смолой, и подвергался воздействию очень высоких температур. Углеродное волокно , армированный пластик и керамика - новые материалы, которые постоянно улучшаются для использования в космических исследованиях.

Возвращение

В большинстве возвращаемых капсул использовался абляционный тепловой экран для повторного входа, и они не использовались повторно. Ранний космический корабль имел покрытие из стекла, залитого синтетической смолой, и подвергался воздействию очень высоких температур.

Капсулы для повторного входа хорошо подходят для повторного входа с высокой энергией. Капсулы повторно входят в кормовой конец первыми, когда пассажиры лежат, так как это оптимальное положение для человеческого тела, чтобы противостоять перегрузкам, возникающим при столкновении капсулы с атмосферой. Округлая форма (тупой корпус) капсулы образует ударную волну, которая удерживает большую часть тепла от теплозащитного экрана, но система тепловой защиты все же необходима. Космическая капсула должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять силам входа в атмосферу, таким как сопротивление , и должна повторно входить под точным углом атаки, чтобы предотвратить отскок от поверхности атмосферы или разрушительно высокие ускорения.

Когда возвращаемая 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. Чтобы это тепло не достигало внутренних структур, капсулы обычно снабжены абляционным тепловым экраном, который плавится, а затем испаряется, отводя тепло.

Командный модуль Apollo вернулся со смещением центра масс от центральной линии; это заставляло капсулу принимать угловое положение в воздухе, обеспечивая подъемную силу, которую можно было использовать для управления направлением. Двигатели системы управления реакцией использовались для управления капсулой посредством вращения вектора подъемной силы.

Парашюты используются для окончательного спуска, иногда их дополняют тормозящие ракеты, если капсула предназначена для приземления на поверхность Земли. Примеры капсул для наземной посадки: Восток, Восход, Союз, Шэньчжоу и Boeing CST-100 Starliner . Другие капсулы, такие как Меркурий, Близнецы, Аполлон, Орион и Дракон, плещутся в океане.

Аэродинамический обогрев

Капсулы хорошо подходят для повторных входов при высокой температуре и динамической нагрузке. В то время как дельтапланеры, такие как космический шаттл, могут возвращаться с низкой околоземной орбиты , а подъемные тела могут входить даже с Луны , редко можно встретить конструкции для возвращающихся с Марса аппаратов , не являющихся капсулами. Нынешний проект RKK Energia для Kliper , способного летать на Марс, является исключением.

Инженеры, создающие возвращаемую капсулу, должны учитывать такие силы, как сила тяжести и сопротивление . Капсула должна быть достаточно прочной, чтобы быстро замедляться, выдерживать очень высокие или низкие температуры и выдерживать посадку. Когда капсула приближается к поверхности планеты или луны, она должна замедляться с очень точной скоростью. Если он замедлится слишком быстро, все в капсуле будет раздавлено. Если он не замедлится достаточно быстро, он упадет на поверхность и будет уничтожен. Существуют дополнительные требования для входа в атмосферу. Если угол атаки слишком мал, капсула может ускользнуть от поверхности атмосферы. Если угол атаки слишком крутой, силы замедления могут быть слишком высокими или теплота возврата может превысить допуски теплового экрана.

Капсулы возвращаются сначала в кормовой части, когда пассажиры лежат, поскольку это оптимальное положение для человеческого тела, чтобы выдержать замедляющую перегрузку. Задний конец имеет закругленную форму (тупое тело), ​​так как это формирует ударную волну, которая не касается капсулы, и тепло отводится, а не плавит автомобиль.

Командный модуль Аполлона вернулся со смещением центра масс от центральной линии; это заставляло капсулу принимать угловое положение в воздухе, обеспечивая подъем вбок, который использовался для управления направлением. Вращательные двигатели использовались для управления капсулой в автоматическом или ручном режиме путем изменения вектора подъемной силы.

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

Капсулы также должны выдерживать удар, когда они достигают поверхности Земли. Все капсулы с экипажем из США («Меркурий», «Близнецы», «Аполлон») приземлятся на воду; Советские / российские «Союз» и китайский Шэньчжоу (а также планируемые США, Россия, Индия) с подвесными капсулами используют небольшие ракеты для приземления на сушу. В условиях меньшей гравитации Марса подушек безопасности было достаточно для безопасной посадки некоторых роботизированных миссий.

Гравитация, сопротивление и подъем

Две из самых больших внешних сил, которые испытывает возвращаемая капсула, - это гравитация и сопротивление .

Сопротивление - сопротивление капсулы движению по воздуху . Воздух представляет собой смесь разных молекул , включая азот, кислород и углекислый газ. Все, что падает через воздух, ударяется об эти молекулы и поэтому замедляется. Величина сопротивления капсуле зависит от многих факторов, включая плотность воздуха, а также форму, массу, диаметр и шероховатость капсулы. Скорость космического корабля сильно зависит от совместного действия двух сил - силы тяжести, которая может ускорить ракету, и сопротивления, которое замедляет ее. Капсулы, попадающие в атмосферу Земли, будут значительно замедлены из-за большой толщины нашей атмосферы.

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

Хороший тому пример - падающая звезда . Падающая звезда, которая обычно крошечная, выделяет столько тепла, проходящего через атмосферу, что воздух вокруг метеорита становится раскаленным добела. Поэтому, когда проходит огромный объект, такой как капсула, выделяется еще больше тепла.

Когда капсула замедляется, сжатие молекул воздуха, ударяющихся о поверхность капсулы, создает большое количество тепла. Температура поверхности капсулы может достигать 1480 ° C (2700 F) при спуске через атмосферу Земли. Все это тепло нужно отвести. Возвратные капсулы обычно покрыты материалом, который плавится, а затем испаряется («абляция»). Это может показаться контрпродуктивным, но испарение отнимает тепло от капсулы. Это предотвращает попадание возвращаемого тепла внутрь капсулы. Капсулы подвергаются более интенсивному нагреву, чем космические самолеты, и керамика, используемая на космических кораблях, обычно менее пригодна, и все капсулы использовали абляцию.

На практике капсулы действительно создают значительную и полезную подъемную силу. Этот подъемник используется для управления траекторией капсулы, что позволяет снизить перегрузку экипажа, а также уменьшить пиковую теплопередачу в капсулу. Чем дольше автомобиль находится на большой высоте, тем тоньше воздух и тем меньше отводится тепла. Например, Apollo CM имел отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению около 0,35. В отсутствие подъемной силы капсула Apollo подверглась бы замедлению около 20g (8g для космических аппаратов на низкой околоземной орбите), но с использованием подъемной силы траектория удерживалась на уровне около 4g.

Текущий дизайн

Шэньчжоу

Возвращаемая капсула является «средним» модулем трехкомпонентного космического корабля «Союз» или « Шэньчжоу» - орбитальный модуль расположен в передней части космического корабля, а модуль обслуживания или оборудования прикреплен к задней части. Особенность в системе посадки позволяет использовать один парашют и « тормозную ракету », таким образом, теплозащитный экран сбрасывается с космического корабля, аналогично развертыванию посадочной сумки на космическом корабле США Mercury . Как командный модуль на космическом корабле Аполлона , спускаемый капсулы Шэньчжоу не имеет многоразовые возможности; каждый космический корабль запускается один раз, а затем «выбрасывается» (обычно отправляется в музеи).

О возвращаемой капсуле в Шэньчжоу известно немногое, за исключением того, что в ней используются некоторые технологии, заложенные в конструкции "Союз ТМ". Новый космический корабль "Союз ТМА", который теперь используется исключительно для полетов на Международной космической станции , имеет модифицированные кушетки, позволяющие летать более высоким членам экипажа, и оснащен технологией " стеклянной кабины ", аналогичной той, что используется на космических кораблях "Шаттл" и более новых коммерческих и военных самолетах.

Союз

В бывшем Советском Союзе произошло две катастрофы и одна близкая к катастрофе, все три были связаны с капсулой во время спуска с орбиты и входа в атмосферу. "Союз-1" закончился катастрофой, когда парашюты не раскрылись, и капсула врезалась в землю на скорости более 300 миль в час (483 км / ч), убив космонавта Владимира Комарова . "Союз-5" чуть не закончился катастрофой, когда спускаемая капсула первой вошла в носовую часть атмосферы, что связано с отказом служебного модуля, аналогичным тому, который имел место в полете " Восток-1" . К счастью, служебный модуль сгорел, и капсула восстановилась.

"Союз-11" потерпел катастрофу в 1971 году, когда уравнительный клапан, использовавшийся для выравнивания давления воздуха во время последнего спуска "Союза", преждевременно открылся в космическом вакууме, в результате чего погибли три члена экипажа, которые не были одеты в скафандры . Последующие полеты с корабля "Союз-12" на " Союз-40" выполнялись с экипажем из двух человек, поскольку для управления скафандром требовалось снять третье сиденье. В варианте " Союз-Т" восстановлено третье кресло.

Список возвращаемых капсул

Ссылки

  • "Союз-Десант" . НАСА. - Описывает спуск корабля "Союз-ТМА".

Смотрите также