Reintrare

Reintrarea navei spațiale Hayabusa peste Australia (2010)

În tehnologia spațială , reintrarea se referă la faza critică a intrării unei rachete în atmosfera planetei din care a decolat. Intrarea în atmosferă a unui alt corp ceresc nu este , în general , numit re intrare, dar numit atmosferă de intrare . În cele ce urmează, reintrarea este legată de pământ.

Când reintră, atmosfera încetinește racheta de la viteza de orbită de obicei mare și o mulțime de energie cinetică este transformată în căldură într-un timp scurt . Obiectele fără scut termic vor fi distruse. Plasma fierbinte creată de comprimarea aerului în fața obiectului și de căldura de frecare întrerupe, de asemenea, o conexiune radio ( blackout ). Datorită dimensiunilor lor și a intrării relativ plane, navetele spațiale nu au fost complet învăluite de plasmă, ceea ce înseamnă că, din 1988, a fost posibilă o legătură radio continuă prin TDRS folosind banda S. Conform ecuației rachetei, frânarea prealabilă la o viteză mai puțin critică ar necesita o cantitate mare de energie și, prin urmare, mase mari de combustibil. Până în prezent, acest lucru a exclus o astfel de procedură.

Termenul este folosit nu numai pentru navele spațiale cu echipaj , ci și pentru sondele spațiale , focoasele ICBM-urilor , capsule cu material de probă, precum și pentru obiectele care ar putea sau ar trebui să ardă , cum ar fi etapele rachetelor arse sau sateliții dezafectați. Adesea obiectul este pe orbită în prealabil și coborârea începe cu aprinderea frânei împotriva direcției de zbor. Reintroducerea nu include fazele ulterioare ale coborârii, în care sarcina termică este mică. Din același motiv, termenul nu este folosit pentru obiecte care au atins doar o mică parte din viteza orbitală.

Exemple

În călătoriile spațiale cu echipaj , sunt capsule de întoarcere ( Apollo , Soyuz , Shenzhou ) sau navete spațiale reutilizabile (de exemplu , navete spațiale ) care trebuie să supraviețuiască reintrării fără daune pentru a nu pune în pericol astronauții. Cu MOOSE , a fost dezvoltat un sistem de reintrare deosebit de mic și ușor pentru a salva astronauții în caz de urgență.

Fiecare lansare a unei rachete cu mai multe etape lasă în urmă etapele superioare arse, care, după ce sarcina a fost finalizată, intră în atmosferă și parțial arde. La fel, sateliții (dezafectați) sunt complet sau în mare parte distruși într-un accident controlat pentru a evita resturile spațiale suplimentare . Calea de intrare este aleasă astfel încât părțile mari care ar putea supraviețui reintrării să cadă în mare. Exemplu spectaculos de o astfel de operațiune a fost rus Mir - Stația Spațială . Telescopul spatial Hubble ar putea fi , de asemenea adus la un accident controlat după sfârșitul duratei sale de funcționare, deoarece recuperarea acestuia nu mai apare în NASA e planurile din cauza prăbușirii a navetei spațiale Columbia și ar deveni prea costisitoare prin alte mijloace.

În cazul sondelor care nu intră în aceeași atmosferă ca la început, nu vorbim despre o reintrare, ci despre o intrare pe atmosferă. Acestea includ aterizările sondelor planetare ( Cassini-Huygens , Mars-Rover ) și așa-numita frânare a atmosferei sau captarea atmosferei .

Focurile de rachete balistice intercontinentale (ICBM) sau rachetele balistice lansate de submarine (SLBM) , care se deplasează pe suprafețe mari în spațiu și apoi - protejate de un vehicul de reintrare - pătrund în atmosferă cu viteză mare, intră și ele.

Condiții pentru reintrarea în siguranță

Ca unghi incident în care este spațiul , unghiul menționat, printre care apare o navă spațială relativă la orizontală în straturile mai dense ale atmosferei unui corp ceresc . Înălțimea acestui punct este determinată în mod arbitrar. De exemplu, NASA specifică o altitudine de 400.000 de picioare (aproximativ 122 km) pentru intrarea în atmosfera terestră (interfața de intrare).

La reintrare, sunt cerute mari materialele utilizate și structura celulei navei spațiale. Temperatura de pe ecranele termice atinge mai mult de o mie de grade Celsius atunci când intră în atmosfera terestră, iar viteza aerului este redusă rapid, astfel încât să apară întârzieri severe.

Dacă racheta trebuie să reziste la sarcina de căldură nedeteriorată, materialele rezistente la căldură cu o conductivitate termică redusă, cum ar fi ceramica în plăci de protecție termică, sunt de obicei utilizate în nave spațiale refolosibile , care asigură o izolație suficientă. În plus, căldura trebuie radiată din nou; Materialele ceramice sunt la fel de potrivite pentru acest lucru ca și materialele metalice. Prin utilizarea materialelor cu un punct de topire scăzut, este posibil să se utilizeze un scut termic ablativ pentru răcire . Materialul folosit în scutul termic sublimate sau pirolizează . Stratul limită relativ rece rezultat izolează straturile de mai jos și transportă o mare parte a căldurii. Un scut termic ablativ este din punct de vedere tehnic mai simplu și mai ieftin decât un scut termic reutilizabil; Cu un design adecvat, sunt posibile viteze de intrare (chiar) mai mari (mai multă energie cinetică care trebuie convertită). Dacă pe o navă spațială reutilizabilă se folosește un scut termic ablativ, acesta trebuie înlocuit după fiecare zbor.

Unghiul de intrare și viteza rachetei trebuie calculate cu exactitate dacă se garantează o coborâre și aterizare controlate și sigure în zona de aterizare intenționată. Unghiul de intrare este de obicei între 6 ° și 7 °. Dacă intrarea este prea puțin adâncă, nava spațială părăsește din nou atmosfera (după fiecare intrare ulterioară în atmosferă ar fi decelerată mai mult, dar zona țintă ar fi ratată), dacă intrarea este prea abruptă, sarcina termică și decelerarea navele spațiale sunt prea mari. Când nava spațială Apollo a reintrat după ce s-a întors de pe lună, unghiul de intrare a fost ideal 6,5 °, cu o toleranță de plus / minus 0,5 °.

Calculul traseului zborului

De la începutul călătoriilor spațiale , a fost o sarcină importantă să se calculeze în mod fiabil reintrarea și, în special, să se determine timpul și locul arderii sau a locului de aterizare. În funcție de modul de reintrare, apar sau apar diferite dificultăți. Cele Capsulele spațiale Apollo au avut nici un combustibil pentru a încetini înainte de a reintra un nivel scăzut orbita , care ar fi fost apoi măsurat cu precizie. Corecțiile pe orbită trebuiau făcute la o distanță mare înainte ca capsula modulului de comandă să fie întreruptă și trebuia efectuată cu un nivel foarte ridicat de precizie pentru condițiile din acel moment.

Când coborâți de pe o orbită joasă, trebuie să fie posibilă măsurarea precisă a contactului de frână . De exemplu, naveta spațială americană a folosit motoarele slabe OMS pentru a reduce viteza orbitei cu 1% în decurs de trei minute. Această delta v de numai 90 m / s este suficientă pentru a pătrunde în atmosferă pe o orbită eliptică de cealaltă parte a pământului - din nou rotită în direcția zborului. Forma și unghiul de atac al planorului spațial generează o ridicare care aplatizează coborârea inițial mai abruptă înainte de a se produce cea mai mare sarcină . Distribuția puterii devine mai compactă în ceea ce privește timpul, ceea ce reduce absorbția căldurii.

Dificultăți deosebite în calcularea căilor foarte plane sunt / au fost, printre altele:

  • cunoștințe insuficiente despre densitatea curentă a aerului de-a lungul pistei. Această problemă a fost încă complet nerezolvată în jurul anului 1960 și a condus la erori de prognoză de până la 2 zile. Ionosferei , de asemenea , variază în funcție de regiune cu activitate solara .
  • schimbarea rezistenței la aer a rachetei care se rotește și se rotește - nu a fost complet rezolvată până în prezent
  • Modelarea dezintegrării rachetei (părțile mai mici sunt frânate mai tare)

Pentru corpurile grele sau cu formă regulată, calculele sunt mai fiabile decât pentru sateliții ușori cu brațe diferite. Accidentele individuale ar putea fi calculate până la câteva minute, iar pista la câțiva kilometri.

Navele spațiale care ar trebui să aterizeze în siguranță din nou o sarcină utilă sunt, prin urmare, modelate corespunzător. Capsula de întoarcere își asumă astfel o poziție aerodinamic stabilă în zbor, astfel încât racheta cu scutul termic să cadă mai întâi în atmosferă ( nava spațială Soyuz , nava spațială Mercur ).

Până în anii 1970 a existat o rețea separată de observatori vizuali numită Moonwatch , care a fost supravegheată de Observatorul Astrofizic Smithsonian din SUA (SAO) și care a cuprins câteva sute de echipe de voluntari din întreaga lume. Suportul camerelor prin satelit (în special stațiile Baker / Nunn ) de către astronomi amatori relativ simplu echipați a fost necesar deoarece, în ciuda efortului tehnic, camerele nu vizează prea mult în anumite condiții în care observatorii vizuali pot reacționa mult mai flexibil.

Astfel de domenii problematice sunt printre altele

  • Măsurători în amurg (rachete numai în lumina soarelui, dar timpi de expunere lungi imposibili)
  • traiectorii foarte profunde
  • Inexactitatea prognozei chiar înainte de reintrare, ceea ce face dificilă programarea camerelor.

Riscuri

În general, decolarea și aterizarea unei nave spațiale (cu rachetă) sunt fazele critice ale zborului pentru care există un risc crescut de accidente.

În cazul navetei spațiale americane, se știe că sistemul de protecție termică utilizat (format în principal din panouri armate carbon-carbon și plăci ceramice) rezistă la temperaturi foarte ridicate, dar este foarte sensibil la influențele mecanice. În februarie 2003, naveta spațială Columbia NASA a ars parțial când a reintrat la sfârșitul misiunii STS-107 , deoarece cel puțin una dintre cele mai puternice părți ale sistemului de protecție termică de pe marginea din față aripii stângi a fost deteriorată de o bucată de spumă de mărimea unei serviete. Deoarece aceste daune nu au fost descoperite în timpul misiunii (unele avertismente ale angajaților NASA au fost ignorate sau banalizate de controlul zborului), la reintrare, plasma care pătrunde în aripă ar putea afecta structura sa de aluminiu într-o asemenea măsură încât suprafața stângă și apoi întreaga navetă a fost distrusă.

Aterizările pe Marte sunt mai dificil de realizat datorită densității reduse a atmosferei Marte, astfel încât sondele de aterizare pot uneori să lovească suprafața cu o viteză prea mare și să fie deteriorate. Din același motiv, există limitări în înălțimile de aterizare de pe suprafața marțiană, astfel încât în ​​prezent sondele pot fi aterizate doar la înălțimi mai mici de 2 km, ceea ce înseamnă că unele dintre regiunile interesante ale Marte nu pot fi atinse. În schimb, aterizările pe Venus sau pe Titan sunt mult mai ușor de realizat datorită atmosferei dense, dar presiunea ridicată și temperatura ridicată a atmosferei Venus reprezintă un pericol suplimentar pentru vehiculele de aterizare.

Vezi si

literatură

Link-uri web

Commons : reintrare  - colecție de imagini, videoclipuri și fișiere audio

Dovezi individuale

  1. ^ David J. Shayler: departe de pământ . În: Space Rescue. Asigurarea siguranței zborurilor spațiale echipate. Springer Praxis , Berlin / Heidelberg / New York 2009, ISBN 978-0-387-69905-9 , pp. 261-262 , doi : 10.1007 / 978-0-387-73996-0_7 .