Kuidas inimesed kosmosest naasevad. Kõik, mida pead teadma elust ISS-i pardal

Esmapilgul tundub, et kosmoselaeva Maale laskumine peaks olema palju lihtsam kui selle tõus. Kõik teavad hästi: ülesmäge on raske minna, aga allamäge on lihtsam. Kahjuks osutub see lihtne ja ilmselge tõde “kosmosemäelt” laskumisel mitte päris tõeks. Me pidasime mehitatud kosmoselaeva disaini sobivaks pikaajalisteks lendudeks avakosmoses. See koosneb kahest põhiosast: orbitaalkambrist ja nn laskumismoodulist (nimetatakse ka taassisenemissõidukiks). Lisaks on laeval pidurimootor, päikesepatarei ja hulk muid süsteeme. Kõik need laeva komponendid toimetatakse Maalt avakosmosesse. Kuid mitte kogu laev naase Maale, vaid ainult väike osa sellest, see, mida nimetatakse laskumismooduliks.

Enne Maale laskumise alustamist liiguvad kõik kosmoseaparaadi meeskonnaliikmed laskumissõidukisse. Samuti on seal varustus, mis on vajalik meeskonna elu toetamiseks, samuti vaatlusmaterjalid, mida meeskond teostab vastavalt lennuplaanile. Laeva ülejäänud osad eralduvad sobival hetkel laskumissõiduki küljest ja kukuvad mõne aja pärast Maale. Väljend "kukkuma maa peale" ei ole päris täpne. Kosmoselaeva osad, mis "kukkuvad Maale", ei ulatu Maa pinnale. Läbides tihedaid õhukihte, need kuumenevad ja põlevad, nii nagu põlevad Maa atmosfääri sisenevad raud- ja kivimeteoriidid.

Inimene on käinud mitte ainult Maa-lähedases kosmoses, 200 - 300 km kaugusel Maa pinnast, vaid ka nn süvakosmoses. Süva- ja lähikosmosest naasvate kosmoselaevade Maale laskumise tingimused ei ole samad. Olles Maa lähedal avakosmoses, liigub laev kiirusega = 8 km/sek, st tal on esimene põgenemiskiirus. Sellise ümber maakera liikumiskiirusega, kõrgustel, kus atmosfäär puudub või peaaegu puudub, võib laev püsida väga kaua, ilma et see Maast eemalduks või sellele kukuks. Mida tuleb teha, et laev hakkaks Maale laskuma ehk kukkuma? Selleks peaksite selle liikumise kiirust vähendama.

Kuigi tavaliselt tahavad kõik pikalt ja kaugelt reisilt naasjad võimalikult kiiresti koju jõuda, ei tasu kosmosest kiirustades naasta, sest kosmoselaeva pidurdamine pole lihtne või õigemini öeldes odav. Oleme juba öelnud, et iga lisakilogramm lasti laevas on äärmiselt ebasoovitav asi. Ümber Maa orbiidil liikuvat kosmoselaeva saab pidurdada, kui lülitada sisse mootor, mis arendab laeva liikumise vastu suunatud tõukejõudu.

Oletame, et kosmoselaeva ja kõige selle peal oleva (ilma kütuseta) mass on 3 tonni Kui palju kütust on vaja laevale kaasa võtta, et vähendada selle kiirust 8-lt 4 km/sek-le?

Laeva kiiruse vähendamiseks 4 km/sek võrra on vaja sisse lülitada mootor, mis tekitaks selle liikumisele vastupidises suunas suunatud tõukejõu. Oletame, et kütuse põlemisproduktide väljalaskekiirus pidurdusmootori düüsist on 3000 m/sek (tänapäevaste vedelkütusega rakettmootorite puhul saavutatav väärtus). Tsiolkovski loodud valem võimaldab kindlaks teha, et kosmoselaeva algmass ehk mass koos kütusega peaks enne pidurdusmootori sisselülitamist olema 11,4 tonni, seega peaks laeva kütus olema = 8400 kg. Seega ületab pidurimootoris põletatava kütuse mass peaaegu 3 korda laeva konstruktsiooni ja selles asuva lasti massi. See kosmoselaevade pidurdamise meetod on väga ebaökonoomne ja praktiliselt raskesti rakendatav, kuna nii suure kütusemassi kosmosesse viimine pole lihtne ega odav. Kuid selgus, et orbitaallendu sooritavat kosmoseaparaati pole vaja nii palju aeglustada, et see alustaks Maale laskumist.

Laskumise trajektooril liikumise alustamiseks peab laev kaotama vaid väikese osa oma kiirusest. Kosmoselaeva kiiruse vähendamisest 200 - 250 m/sek võrra piisab täiesti. Meie poolt vaadeldud juhtumi puhul, st 3 tonni kaaluva kosmoseaparaadi puhul võib pidurdusmootori lühiajalise töötamise korral saavutada kiiruse kaotuse 200 m/sek, kui see põletab kütust, mille mass on alla kümnendiku laeva mass. Kuid kosmoselaev peab maanduma peaaegu nullkiirusel, vastasel juhul toimub katastroof – laev ja selles viibinud meeskond kukuvad maandumishetkel alla. Kuidas saab laevalt ära võtta kogu või peaaegu kogu selle kineetilise energia? Praktiliselt teostatava viisi kosmoselaeva aeglustamiseks ilma kütust raiskamata osutas K. E. Tsiolkovski. Maa õhukest võib Tsiolkovski sõnul mängida piduri rolli planeetidevaheliselt teekonnalt Maale naasvatele kosmoselaevadele. Õhkpidurdus? Selline ettepanek ei pruugi tunduda täiesti realistlik. Kuid pea meeles, kuidas tuul sulle näkku puhub, kui järsust mäest kiiresti alla suusatad. Proovige kiirteel alla kihutades oma käsi autoaknast välja pista. Õhk muutub peaaegu kaalutust ja märkamatust elastseks. Teil on raskusi hoida oma peopesa auto liikumissuunaga risti.

Kosmoselaeva kiirus Maa õhuümbrisesse sisenemisel (pärast 100 - 200 m/sek võrra aeglustamist) ületab kiireima lennuki kiirust ligikaudu 28 korda. Sellistel tohututel kiirustel on õhul suur liikumistakistus. Igasugune takistus on seotud hõõrdumise ilmnemisega. Hõõrdumine tekib ka kehade liikumisel õhus. Võtke kaks puutükki ja hõõruge need kiiresti kokku. - Mida sa märkad? - Puidutükid kuumenevad – see on tingitud sellest, et teie tehtav hõõrdetöö on muutunud soojuseks. Õhuga hõõrdumisega kaasneb ka soojuse eraldumine.

Kui kosmoseaparaadid liiguvad Maa atmosfääris, ei toimu mitte ainult õhuhõõrdumine. Kui laev läbib õhuümbrist, tekitab see enda ette suruõhu laine. Õhk ei suru kokku järk-järgult, vaid väga lühikese aja jooksul. Kui suur see kompressioon on? Arvutused näitavad, et suruõhu rõhk võib kosmoselaeva liikumise ajal ulatuda 50 atm-ni. Füüsikakursusest teate, et gaasi kiire kokkusurumine või paisumine toimub praktiliselt ilma sissevoolu ja soojuse eemaldamiseta, kuna lühikese aja tõttu ei jõua soojus keskkonda (kokkusurumisel) ega sealt edasi kanduda. väliskeskkond (laienemise ajal). Selliseid protsesse nimetatakse adiabaatilisteks.

Adiabaatilise kokkusurumise tõttu kuumutatakse lendava kosmoselaeva ees asuv õhukiht kõrge temperatuurini. Lendava kosmoselaeva poolt kokkusurutud õhukihi temperatuur võib ulatuda 8000° K. See on väga kõrge temperatuur. Maal pole aineid, mis võiksid sellel temperatuuril püsida tahkes olekus. Kõige tulekindlamad ained hakkavad muutuma gaasiks või vedelikuks temperatuuril 4000–4500 ° C. Kas kosmoseaparaat suudab nii kõrgele temperatuurile vastu pidada? Lisaks tuleb meeles pidada, et laeva sees, selle kere taga on inimesi.

Kosmoselaeva pidurdamine õhkpiduriga nõuab teatud ettevaatusabinõude järgimist, vastasel juhul võib laev mitte ainult aeglustuda, vaid ka enne Maale jõudmist läbi põleda. Laeva laskumine Maa-lähedaselt orbiidilt algab selle aeglustumisega avakosmoses, kus õhku pole. Selleks lülitatakse korraks sisse pidurdusmootorid, mis arendavad laeva liikumisele vastupidises suunas suunatud tõukejõudu. Pärast pidurdusmootorite süttimist muudab kosmoselaev oma trajektoori ja hakkab Maale lähenedes laskuma.

Tavaliselt lendab kosmoselaev orbiidil ümber Maa õhukesta piirist mingil kaugusel, nii et pärast pidurdamist laskub laev mõneks ajaks ruumi, kus õhku praktiliselt pole. Laeva õhuvabas ruumis laskumise aeg ei tohi olla väiksem kui teatud väärtus. Selle aja jooksul tehakse laeval ettevalmistustööd õhuümbrisesse sisenemiseks. Seetõttu on kõrgus, millest alates on võimalik kosmoselaeva trajektoori muuta, s.t alustada Maale laskumist, piiratud ettevalmistustööde tegemiseks kuluva ajaga.

Mida tuleb kosmoseaparaadil teha enne, kui see siseneb Maa õhuatmosfääri? Pärast seda, kui laev on mootoriga pidurdanud, visatakse sealt kõik minema, ilma milleta see laskuda saab. Hooldusruum, pidurimootor ja mõned süsteemid on kasutuselt kõrvaldatud. Seda tehakse selleks, et vähendada kosmoselaeva massi ja seega vähendada energiahulka, mida on vaja laevalt Maale laskumisel võtta.

Riis. 14. Lander on läätse kujuga.

Laskumissõiduki põhja ja selle külgpindade termiline kaitse ei mehaaniliste ega termiliste omaduste poolest on mõeldud vastu pidama koormustele, mida esiosa peab taluma. Järelikult, vältimaks laskumissõiduki hävimist või kuumenemist laskumisel lubamatult kõrgele temperatuurile, peab see Maa atmosfääri sisenema esiosa ettepoole suunatud. Selleks peab see enne atmosfääri sisenemist olema sobivalt orienteeritud ja sellises orienteeritud asendis sisenema Maa õhuümbrisesse.

Orienteerumisel on ka teine ​​eesmärk, nimelt tagada, et laskuv sõiduk siseneks atmosfääri teatud nurga all. Milleks see mõeldud on? Sisenemisnurk mõjutab mitmeid laskumisprotsessi parameetreid. Mehitatud kosmoselaevade puhul määrab atmosfääri sisenemise nurga kiirenduse suurus, mida inimene suudab taluda. Oleme juba öelnud, et kui kosmoselaev tõstetakse kosmosesse, tekivad ülekoormused, mis ületavad mitu korda inimese enda kaalu.

Erinevalt tõusust liigub kosmoselaev laskumisel negatiivse kiirendusega. Millised jõud mõjuvad laskumissõidukis olevale inimesele selle laskumise ajal? Esiteks raskusjõud F = mg (m on astronaudi mass, g on raskuskiirendus), mis on suunatud maakera keskpunkti poole. Lisaks sellele mõjub sellele vastassuunas suunatud elastsusjõud. Need kaks jõudu annavad kiirenduse a, mis on suunatud vastassuunas ~.

Järelikult kogeb astronaut orbiidilt Maale laskudes Maalt suunatud jõudu. See jõud surub astronaudi salongi istmele või lakke. Suuruse järgi ületab see jõud astronaudi normaalkaalu (tema kaal puhkeolekus) ühe võrra. Inimene talub ülekoormust, st oma kehakaalu suurenemist 10–12 korda. (Muidugi muutub see sel juhul praktiliselt kasutuskõlbmatuks.) Suur kaalutõus või, nagu öeldakse, suur ülekoormus on inimese elule ohtlik.

Ülekoormus, mida astronaudid kogevad laskumissõiduki orbiidilt Maa pinnale laskumisel, sõltub sellest, millise nurga all laskuv sõiduk Maa atmosfääris horisondi suhtes liigub.

Riis. 15. Kosmoselaeva laskumine Maale.

Kuid laskumisnurka ei saa teha liiga väikeseks, kuna sel juhul tekib meeskonna ohutusele veel üks oht, mis on seotud ülekuumenemisega.

Mõelgem, kuidas mõjutab laskuva sõiduki lennutrajektoori kuju selle kuumenemist. Oleme juba öelnud, et suurem osa kineetilisest ja potentsiaalsest energiast, mida kosmoselaev kosmoses orbitaallennul omab, muundatakse Maale laskumisel siseenergiaks. Kuidas soojeneb laskuv sõiduk, kui laskub Maale mööda järsku trajektoori, võrreldes liikumisega mööda teatud kurvi, mis asub horisondi suhtes väikese nurga all? Järsul laskumisel aeglustab taassisenev sõiduk kiiremini ja selle tulemusena kaotab kiiremini energiat. Mööda lauget kurvi laskudes viibib seade kauem haruldastes õhukihtides ja seetõttu ei vähenda see kiirust nii järsult kui esimesel juhul. Ilmselgelt, mida laugem on trajektoor, seda aeglasemalt sõiduk kiirust kaotab. Järelikult on ajaühikus tekkiv soojushulk, kui sõiduk laskub mööda järsku trajektoori, oluliselt suurem kui laskumisel mööda trajektoori, mis moodustab horisondiga väikese nurga.

Eeltoodust võib järeldada, et mida järsem on laskumise trajektoor, seda väiksem on laskumissõiduki ülekuumenemise oht ja seega ka meeskonnale. Kuid see järeldus on vale. Laskumissõiduki salongis meeskonna jaoks vastuvõetavate temperatuuritingimuste säilitamise seisukohalt on liiga sujuv laskumine ebasoovitav. Mis seda seletab? Teate, et tulekahjude kustutamisel peavad päästemeeskonnad sageli sisenema põlevasse majja, võitledes end leekidest läbi. Inimene valatakse veega üle ja ta läbib märgades riietes tulemüüri, ilma et ta ennast kahjustaks. Ta oleks võinud seda teha kuivülikonnas, kui viimane oleks valmistatud mittesüttivast riidest. Õhus põlevate esemete leegi temperatuur on tavaliselt 450–500°C. See on üsna kõrge temperatuur, kuid kuna tuletõrjuja oma mittesüttivas ülikonnas on leegis väga lühikest aega, pole ülikonnal aega soojeneda ja seetõttu pole nii kõrge temperatuur ohtlik. inimese jaoks.

Kuidas tunneks end inimene samas mittesüttivast kangast ülikonnas, kui teda ümbritsevas keskkonnas oleks leegi temperatuurist isegi kaks-kolm korda madalam temperatuur, kuid selles viibitud aega arvestati mitme minutiga? Ilmselt oleks see ohtlik mitte ainult tervisele, vaid ka inimelule. Mittesüttivast kangast ülikond poleks teda aidanud - nii pika aja jooksul oleks inimkeha soojenenud ümbritseva õhu temperatuurini ehk üle kuumenenud. Sarnane pilt tekib siis, kui laskuv sõiduk atmosfääris liigub. Kui aparaat laskub mööda järsku trajektoori, antakse sellele ajaühikus suurem kogus soojust kui tasasel trajektooril liikudes. Kuid selleks, et kuumus jõuaks seadme salongi, kus meeskond asub, võtab aega. See aeg sõltub laskumissõiduki välispinnale kantud kuumakaitsekihi iseloomust ja paksusest ning soojusisolatsiooni omadustest, mis paikneb soojuskaitsekihi all.

Kui sõiduki laskumine toimub kiiresti, siis ei pruugi soojenemisaega piisata ja siis, vaatamata laskumissõidukile ajaühikus väljast, õhu atmosfääri kuumadest gaasidest saadavast suurest soojushulgast salongis oleval õhul pole aega palju soojeneda. Pika laskumise ajal (mööda tasast trajektoori), kuigi vähem kuumast õhust antakse ajaühikus vähem soojust, jõuab osa sellest siiski laskumissõiduki salongi läbi kuumakaitsekatte ja soojusisolatsiooni. sõiduki nahast, mis toob kaasa õhu ja kõigi salongis asuvate esemete kuumenemise.

Seega kaks indikaatorit, millest sõltub kosmoseaparaadi meeskonna Maale laskumise ohutus, nagu ülekoormus ja kuumenemine, muutuvad erinevalt sõltuvalt laskumissõiduki laskumistrajektoori tüübist atmosfääri tihedates kihtides. Ülekoormuse vähendamine nõuab sujuvat trajektoori ja pikka laskumisaega. Vastupidi, laskumissõiduki salongi ülekuumenemise lubamatus nõuab laskumist mööda järsemat trajektoori lühikese aja jooksul, et sõiduk püsiks tihedates õhukihtides. Laskumise trajektoor on valitud selliselt, et ülekoormus ei ületaks inimkehale lubatud väärtust ning samas ei oleks temperatuur sõiduki salongis, kus meeskond asub, üle 40 kraadi. -50 °C. Inimene talub seda temperatuuri kergesti. Mehitatud kosmoselaevade orbiidilt Maale langetamise juba laialdane praktika näitab, et salongisisese ülekoormuse ja õhutemperatuuri lubatud väärtused on tagatud, kui atmosfääri tihedates kihtides on laskumisaeg 20–25 minutit.

Uurisime maalähedasest või -lähedasest kosmosest taassiseneva sõiduki laskumise tingimusi. Maa lähedal olles ja selle ümber liikudes on kosmoseobjekti kiirus ~ 8 km/sek (esimene põgenemiskiirus). Selleks, et kosmoselaev läheks süvakosmosesse ja külastaks mis tahes taevakeha meie päikesesüsteemis, peab see saavutama kiiruse 11,2 km/sek (ehk teise põgenemiskiiruse). Ja ta peab ka süvakosmosest naasma teise kosmilise kiirusega. Kuidas see mõjutab laskumistingimusi?

Enne kui kaalume kosmoseaparaadi laskumist Maale pärast planeetidevaheliselt lennult naasmist, uurime välja, kuidas toimub kosmoseobjektide lähenemine sellisele taevakehale nagu Kuu.

Maa-lähedasel orbiidil olles on kosmoselaeva kiirus võrdne esimese kosmilise kiirusega. Seda kiirust omades ei saa ta Maale kukkuda, kuid ei saa ka Maast eemalduda ega lennata teistele taevakehadele.

Riis. 16. Maa tehissatelliidi trajektoorid erinevatel kiirustel maakera suhtes.

Peab ütlema, et peaaegu kõik Maa tehissatelliidid, mis asuvad madalal Maa orbiidil, liiguvad mitte ringis, vaid ellipsis. Miks? Mõnikord on Maa tehissatelliidi elliptiline trajektoor vajalik selleks, et see saaks kosmoses täita oma ülesandeid. Nendel juhtudel antakse satelliitidele teadlikult esimesest kosmilisest kiirusest veidi suurem kiirus. Valdavalt osutub tehissatelliitide trajektoor elliptiliseks, sest lihtsalt raske on tagada, et satelliidi kiirus arvutatud kõrgusel vastaks täpselt esimesele kosmilisele kiirusele.

Kosmoselaeva kiiruse kasvades muutub selle trajektoor elliptilisest paraboolseks. Kiirust, millega kosmoselaev saavutab paraboolse trajektoori, nimetatakse teiseks kosmiliseks kiiruseks, see on võrdne ~ 11,2 km/sek. Paraboolsel trajektooril, nagu ka ringikujulisel, on ainult teoreetiline tähendus. Kosmoselaevade ja asustamata kosmoselaevade lennud Kuule ja teistele Päikesesüsteemi planeetidele (Marss, Veenus) toimuvad mitte mööda paraboolseid, vaid hüperboolseid trajektoore. Kosmoselaev saab liikuda mööda parabooli ainult siis, kui selle kiirus vastab täpselt teisele kosmilisele kiirusele ja kui see on veidi väiksem, siis liigub ta mööda suletud kõverat - ellipsit, st ta ei asu Maa lähedal ega asu suudab lennata teistele päikesesüsteemi planeetidele. Kui laevale anda teisest kosmilisest kiirusest veidi suurem kiirus, ei muutu selle trajektoor enam parabooliks, vaid hüperbooliks. Hüperbool on avatud kõver ja kosmoselaev, olles lülitunud hüperboolsele trajektoorile, ei saa seda mööda liikudes Maale läheneda. Ta liigub temast üha kaugemale ja kaotab lõpuks temaga kontakti, see tähendab, et ta ei tunne enam gravitatsiooni mõju.

Seega, et lennata Kuule või mõnele Päikesesüsteemi planeedile, tuleb Maa-lähedasel orbiidil asuvale kosmoselaevale anda kiirus, mis on võrdne teise kosmilise kiirusega või sellest veidi suurem. Kui pärast seda, kui kosmoselaev saavutab teisest kosmilisest kiirusest veidi suurema kiiruse, lülitatakse mootor välja, jätkab laev liikumist mööda hüperboolset trajektoori.

Riis. 17. Punktis A on keha külgetõmbejõud Maa poolt (F h) võrdne selle keha tõmbejõuga Kuu poolt (F l)

Kuna Kuu mass on 81 korda väiksem Maa massist, on Kuu gravitatsioonikiirendus väiksem kui Maa gravitatsioonikiirendus ja Kuu esimene põgenemiskiirus on vaid 1,7 km/ sek. Mida on vaja selleks, et kosmoseaparaat Kuu orbiidilt lahkuks ja Maale lendaks? Ilmselgelt, nii nagu Maalt Kuule lahkumise puhul, tuleb sellele anda nn teine ​​Kuu põgenemiskiirus. Maa-lähedase ruumi puhul on teine ​​põgenemiskiirus 11,2 km/s, Kuu-lähedases ruumis on see oluliselt väiksem. Kosmoselaev suudab Kuu gravitatsioonivööndist lahkuda ja lennata Päikesesüsteemi teistele taevakehadele, kui selle kiirus ületab veidi üle 2,4 km/sek. Selle kiirusega hakkab kosmoselaev Kuust eemalduma, tõustes selle pinna suhtes ülespoole.

Liikudes mööda hüperboolset trajektoori, eemaldub kosmoseaparaat Kuust, vähendades järk-järgult kiirust. Selle kineetiline energia muundub potentsiaalseks energiaks. Jõudnud neutraalpunkti, kus Kuu gravitatsioonijõudu tasakaalustab Maa gravitatsioonijõud, hakkab kosmoselaev Maa poole langema. Neutraalses punktis on kosmoseaparaadil maksimaalne potentsiaalne energia (Maa suhtes).

Maale lähenedes potentsiaalne energia väheneb ja kineetiline energia suureneb. Maale lähenedes saavutab kosmoseaparaat kiiruse ligikaudu 11,2 km/sek, ehk siis teise kosmilise kiiruse. Sellise kiirusega Maale laskumine on ebaturvaline. Enne laskumise alustamist on vaja vähendada laeva kiirust. Aga kuidas?

Oleme juba määranud, kui palju kütust tuleb rakettmootoris põletada, et kosmoselaeva kiirust alandada 8-lt 4 km/sek. Selgus, et see nõuab liiga palju kütust, et selline kosmoseobjektide pidurdamise tee omaks praktilist tähtsust. Kiirusel 11,2 km/sek liikuvat keha on veelgi keerulisem pidurdada. Nõukogude Liidu ja USA kosmoselendude arvutused ja praktika näitavad, et teisel põgenemiskiirusel liikuvate kosmoselaevade pidurdamise probleemi saab edukalt lahendada, kui kasutada maakera õhuümbrise pidurdusefekti. Kui kosmoselaev naaseb orbitaallennult Maale, kui selle kiirus ei ole palju suurem esimesest kosmilisest kiirusest, on võimalik saavutada atmosfääri pidurdavat mõju kasutades ohutu laskumine, kui laeva tihedatesse kihtidesse sisenemise nurk on sobiv. õhkkond on tagatud. Tasapisi üha tihedamatesse õhukihtidesse sisenev laev soojeneb ja samal ajal aeglustub, kuni jõuab Maa pinnale.