Svi su čuli onu opominjuću priču da bi svemirska letilica, ako bi ušla u atmosferu pod prevelikim uglom, bila spržena i uništena. Ili bi se odbila nazad u kosmos. Hajde da razmotrimo da li je to zapravo baš tako.
Odmah da razrešimo dilemu: JESTE! Svaki objekat, koji u želji da se spusti na površinu ponovo ulazi u atmosferu Zemlje ili nekog drugog sveta, mora to da uradi unutar vrlo uskog raspona uglova. Gornja i donja margina te reentri zone određena je kombinacijom tri faktora: putanjom objekta, stepenom usporavanja, i aerodinamičkim zagrevanjem. Pokušaću da objasnim značaj svakog od ova tri. Ovaj ograničeni region koji diktiraju ovi parametri poznat je kao koridor i prikazan je ispod.
Granice koje ograničavaju tipični reentry koridor za svemirske letilice.
Trajektorija koju letilica prati pri povratku na Zemlju, delom zavisi i od vrste orbite kojom se kreće oko planete. Orbitna putanja je značajna jer determiniše brzinu kojom će se letilica kretati kada dotakne atmosferu. Jedan od najčešćih tipova orbite je kružna orbita, koju tokom kretanja oko Zemlje (uglavnom) prati većina svemirskih letilica poput (civilnih) satelita i spejs šatlova. Karakteristika takvih letilica je da kruže oko Zemlje brzinom koja se kreće između 27.360 i 28.970 km/h, i da je to brzina kojom prilikom ulaska u atmosferu paraju najgornje njene slojeve.
Da bi bile kadre da se izbore sa Zemljinom gravitacijom, letilice koje putuju van Zemljine orbite, kao što su bile ''Apolo'' misije za Mesec, moraju da imaju još veću brzinu. Prilikom povratka na Zemlju, te se letilice, umesto kružne putanj, kreću paraboličnim ili hiperboličnim orbitama, koje su mnogo "brže". Prilikom reenteringa, "Apolo" kapsule, naprimer, letele su se brzinama koje su se kretale oko 40.000 km/h.
Prilikom povratka u atmosferu, letilice, bilo da su sa ili bez ljudske posade, prate jednu od tri moguće putanje, kao što se vidi na slici ispod. Glavna razlika između tih ulaznih trajektorija jeste u tome koliko daleko će letilica da odleti od tačke u kojoj je prvi put dotakla atmosferu do tačke gde je planirano da sleti. Tu udaljenost najviže diktira noseća sila (1) koju letilica stvara dok putuje atmosferom.
Vrste reentry trajektorija: (a) balistička, (b) jedreća, i (c) glisirajuća.
Daleko najveći deo povrataka svemirskih letilica na Zemlju prati tzv. balističku ulaznu trajektoriju. Tom prilikum, letilice stvaraju vrlo malu aerodinamičku noseću silu, a odnos uzgon/otpor (L/D; lift–to–drag) uvek je manji od 1. Pri povratku, letilice uranjaju u atmosferu i padaju dole pod uticajem gravitacije i otpora. Sile otpora vazduha ih usporavaju toliko da uskoro mogu da otvore padobran(e) i meko ateriraju. Mesto spuštanja je određeno uslovima prvog kontakta letilice i atmosfere, a kada jednom napusti orbitu i otpočne balističko spuštanje pilot više nije u mogućnosti da utiče na trajektoriju kapsule ili mesto njenog sletanja. Pošto letilica zapravo pada vertikalno na dole kroz atmosferu, njen trag na zemlji ("downrange distance") od tačke prvog ulaska u atmosferu do tačke sletanja relativno je kratak. Sve američke kapsule sa ljudskom posadom, recimo "Mercury" i "Gemini", pratili su balističke ulazne trajektorije i spuštale se u okean. Ruske "Sajuz" kapsule i danas koriste ovakve trajektorije i uspešno sleću u pustare Sibira.
Alternativa ovom reentri prilazu je jedreća trajektorija, gde se letilica kroz atmosferu kreće slično avionu. Tom prilikom, svemirska letilica ulazi u atmosferu pod velikim napadnim uglom (2) i stvara značajan aerodinamički uzgon. Za to vreme, letilica stvara odnos uzgon/otpor od preko 4, što joj dozvoljava da odleti mnogo dalje od balističke kapsule. Glavna prednost ove tehnike je u tome što pilotu omogućava daleko veću kontrolu trajektorije letilice, i dozvoljava mu (teorijski) da odabere mesto za sletanje. Dodatna prednos je u tome što u većini slučajeva letilica može da sleti na pistu neoštećena, i kasnije može da se iskoristi i za drugi let. Ta tehnika je dokazana u slučajevima šatlova, trenutno jedinim letilicama koje trenutno koriste jedreću ulaznu trajektoriju.
|
|
Spejs šatl orbiter tokom reenreringa. Vide se zone visokog zagrevanja. Napadni ugao je ~55°. |
|
|
Apolo komandni modul uleće pod velikim uglom u atmosferu. |
Još neuobičajeniju reentri opciju, koja objedinjujei balistički i jedreći profil, predstavlja glisirajuća, ili poskakujuća ("skip") trajektorija. U njenom slučaju, svemirska letilica najpre ulazi u gornje slojeve atmosfere, stvarajući otpor koji donekle usporava letilicu. Međutim, letilica takođe stvara odnos uzgon/otpor između 1 i 4, zahvaljujući čemu ponovo napušta atmosferu. Kako letilica glisira preko atmosfere, taj proces se ponavlja nekoliko puta, isto kao što to čini pljosnati kamen kada ga bacimo po površini vode. Ti kontakti postepeno usporavaju letilicu sve dok ne bude u stanju da sigurno uđe u atmosferu i balističkom putanjom sleti na zemlju.
Prednost glisirajuće trajektorije je u tome što svemirski brod može da odleti mnogo dalje od mesta koje bi mu omogućio balistički ili jedreći stil. Glavana mana joj je, međutim, u tome što zahteva mnogo masivniji toplotni štit, budući da apsorbovana toplota tokom glisiranja biva znatno veća. Slična tehnika, poznata kao vazdušno hvatanje ("aerocapture"), bila je upotrebljena za sonde bez ljudske posade (3), mada se ova metoda pre koristi za usporavanje i ulazak u orbitu planeta nego za reentering.
Bez obzira koju vrstu ulazne trajektorije izaberemo, moramo da vodimo računa da usporavanje ne bude prebrzo, jer će u tom slučaju doći do pregrevanja letilice. Ljudi (čak ni najpripremljeniji) ne mogu da izdrže preveliko ubrzavanje ili usporavanje, tako da su uopšeno, tokom reenteringa, letilice s ljudskom posadom ograničene na kočenje ne veće od 10 g (4). Putnici su takođe limitirani temperaturom koju mogu da tolerišu, tako da aerodinamička temperatura kapsule, koja se stvara trenjem atmosfere, mora da ostane dovoljno niska da održi zadovoljavajuću temperaturu u unutrašnjosti. Ovi činioci su nešto manje restriktivni kada se radi o bespilotnim letilicama, ali su čak i one limitirane nivoom usporavanja i zagrevanja koje mogu da prežive.
|
|
Kapsula "Apola 8" fotografisana tokom reentrija. |
Svi ovi faktori o kojima smo ovde pričali određuju koliko koso neki objekat može da uđe u atmosferu i sleti sigurno. Ako je ugao preveliki, letilica će da usporava previše brzo, što će stvoriti toliko veliki g i temperaturu da će letilica da se razleti i izgori. Ako je pak ugao premali, letilica će izazvati premali otpor i neće dovoljno usporiti da bi ušla u trajektoriju za sletanje na zemlju. Umesto toga, letilica će se odbiti od atmosfere i ponovo otići u kosmos, sa premalo goriva da načini još jedan kontrolisani pokušaj reenteringa. Ova ograničenja ostavljaju malo prostora za grešku, tako da inženjeri čine velike napore da svemirskim letilicama osiguraju pažljivo navođenje na odgovarajuću putanju koja će im omogućiti da prežive sve ekstreme ulaska u atmosferu.
Kao i u gradskom saobraćaju, nisu sva kočenja uspešna – ovo nisu ostaci express–lonca, već ono što je ostalo od kapsule "Genesis". A trebalo je da nam posle 27 meseci puta donese uzorke sa Sunca ...
P.S.
Predmet koja danas drži rekord kao najbrža ljudskom rukom napravljena stvar koja je preživela ulazak u Zemljinu atmosferu jeste "Stardustov" termos sa uzorcima – on je 2005. na visini od oko 135 km leteo brzinom od jezivih 46,660 km/h! To je bilo za oko 70% brže nego što spejs šatlovi ulaze u orbitu. To nebi bilo moguće da Stardust nije koristio vrhunske ugljenične ablativne materijale za termoštit (Phenolic Impregnated Carbon Ablator, PICA).
Ako ti ovo izgleda brzo, šta onda reći za do sada najbrži ulazak u neku atmosferu, a radi se o svemirskoj sondi "Galileo" i Jupiteru? Ova sonda teška samo 338,93 kg uletela je u atmosferu ovog džina brzinom od preko 170.000 km/h, dok je njen štit (pre nego što je letilica isparila) bio izložen temperaturi od čitavih 16.000 K (solarna fotosfera ima oko 5.900 K) Tom prilikom, toplotni fluks je iznosio oko 15.000 W/cm2. Za usporedbu, najveći toplotni fluks kome se bio izložen omotač "Mars Pathfindera" bio je 106 W/cm2, a komandni modul "Apola 4" (ušao je u atmosferu brzinom od oko 39.000 km/h) imao je fluks od samo 497 W/cm2.
1 - Letilica koja se kreće atmosferom izložena je uticajima 4 osnovne sile: težini koja vuče letilicu ka zemlji, potisku koji gura letilicu napred, otporu ili sili vazduha koja se suprotstavlja kretanju letilice, i nosećoj sili uzgona koja teži da avion diže u vis.
2 - Radi se o uglovima od oko 50°.
3 - O ovoj tehnici je pisao – a ko drugi – Artur Čarls Klark, u noveli 2010: Odyssey Two, gde jedan ruski a drugi kineski svemirski brod koriste Jupiterovu atmosferu za smanjivanje prilazne brzine. U stvarnosti, ovu tehniku su koristile sonde "Zond 6" i "Zond 7" pri povratku sa Meseca, kada je trebalo pretvoriti hiperboličku u eliptičnu orbitu.
4 - To se svakako ne odnosi na svetskog rekordera, Johna Steppa, koji je tokom eksperimenta pedesetih godina izdržavao ubrzanje od fantastičnih 46,2 g.
Npr. lovac "Eurofighter Typhoon" ima tehnička ograničenja od +9 g i –3 g.
