Om allt går enligt planerna, en brinnande drake kommer att lysa upp himlen över Atlanten innan den förhoppningsvis svalnar med en vattenstänk den 8 mars. SpaceX Dragon 2-kapseln är av enorm betydelse för rymdfärd eftersom den precis har blivit det första kommersiella fordonet som automatiskt dockar med International Space Station (ISS), och siktar på att frakta dit astronauter om några månader. Nu står den inför en av de farligaste delarna av sitt uppdrag – att återvända till jorden på ett säkert sätt.

ISS, och den nu dockade Dragon 2-kapseln, kretsar för närvarande med en hastighet av 27, 600 km i timmen, cirka 400 km över jordens yta. För att ge ett kretsande föremål en säker landning, vilket helt klart är särskilt viktigt om det ska bära astronauter, denna enorma hastighet måste minskas till ungefär noll när den når jordens yta.

Denna förändring i hastighet kommer att komma från en blandning av raketavfyrning, friktion, luftmotstånd, fallskärmar och till sist vatten. En avgörande aspekt för att uppnå det är att beräkna vilken vinkel objektet ska föras in i genom atmosfären. Hastigheten för ett föremål i omloppsbana är produkten av två komponenter, den ena rör sig mot jordens centrum och den andra i sin banas riktning. Så när rymdfarkosten går in i atmosfären igen, dess rörelse kommer att vara en kombination av dessa.

Det första steget för att få Dragon 2 hem är att sakta ner rymdfarkostens omloppshastighet. Detta kommer att uppnås genom att skjuta raketer mot färdriktningen, brantare rörelsevinkeln (se diagram nedan) tills den sjunker in i de tätare områdena av atmosfären. Förändringen i hastighet som krävs är i själva verket mycket liten – man behöver bara bromsa med ungefär en 60:edel av stationens hastighet. Jordens atmosfär gör sedan resten.

Men vinkeln för att komma in i atmosfären spelar roll. Om det är för brant, kapseln kommer att uppleva överdriven retardation. Om det är för grunt, det kommer inte att finnas tillräckligt med dragkraft för att bromsa farkosten tillräckligt för landning. Det är till och med möjligt att hoppa över rymdfarkosten längs atmosfären, som att skumma en sten på en damm. Därför, rymdfarkosten måste färdas inom ett smalt område av möjliga vinklar som kallas "ingångskorridoren".

Enorma risker

När kapseln kommer genom atmosfären, den kommer att tränga sig igenom allt tätare luft. Detta orsakar friktion runt utsidan av rymdfarkosten, värma upp den. I grunden den fysiska processen som är involverad är en omvandling av energi från kinetisk (rörelse) till termisk (värme). De höga återinträdeshastigheterna producerar också en stötvåg framför rymdfarkosten som värmer luften till tusentals grader. Detta liknar luft som värms upp i en cykelpump då den komprimeras. Värmen som genereras kan vara högre än smältpunkten för metallerna i rymdfarkostens hud, så det måste finnas en bra värmeisolator för att skydda den.

Rymdfarkosten Dragon använder ett kolbaserat termiskt skyddssystem – ett lager av ablativt material som brinner bort, skydda rymdfarkosten. Vikten av värmeavskärmning framhölls under Columbia Shuttle-incidenten, där en kakel skadades vid start, vilket resulterade i att skytteln sönderdelade vid återinträde och dödade besättningsmedlemmarna.

Värmen som genereras kommer också att bero på ingångsvinkeln. Om vinkeln är för brant, värmen som genereras av stötvågen och friktionen på rymdfarkostens framsida kommer att överväldiga avskärmningen, potentiellt få rymdfarkosten att gå sönder eller explodera. Med det sagt, Om allt går bra, de avancerade värmeavskärmande materialen som används på Dragon 2 förväntas klara hundratals atmosfäriska återinträdesflygningar.

Snabb inbromsning genererar också stark g-kraft. Dessa är krafterna du känner verkar på din kropp under acceleration, som i en berg-och dalbana. Ett g motsvarar dragningen av jordens gravitation. I en standard Soyuz-landning, astronauter upplever upp till cirka 6g. I en av de mest extrema Sojuz-landningarna 2008, astronauter upplevde över 8g, vilket resulterar i andningssvårigheter och ryggradskompression för besättningen.

Människokroppen har en begränsad tolerans mot g-krafter – de flesta människor kommer att svimma vid en ihållande acceleration på 7g. Eftersom Dragon 2 är designad för att vara den första kommersiella passagerarrymdfarkosten, retardationskrafterna och värmetoleranserna måste bevisligen ligga inom säkra gränser vid denna provkörning.

För att testa denna säkerhet för nya astronauter, lanseringen av Dragon 2 har en modig passagerare. Ripley är en skyltdocka som sitter i ett av besättningsplatserna och tar data som den interna temperaturen, upplevda tryck och g-krafter. Detta kommer i slutändan att avgöra om återinträdet är säkert för människor.

Landning

När inbromsningen på grund av friktion har bromsat rymdfarkosten tillräckligt, den återstående hastigheten kommer att fällas med en kombination av fallskärmar och en splashdown i Atlanten. När Dragon 2 är redo att bemannas, återvinningsförfarandet kommer sannolikt att likna de amerikanska beskickningarna på 1960- och 70-talen. Kapseln kommer att flyta i havet och astronauterna plockas sedan upp med fartyg eller helikopter. Historiskt sett, denna väntetid för besättningen har varit någonstans mellan 30 och 90 minuter.

Tidigare design för Dragon 2 inkluderade en motordriven landning, involverar att sakta ner med raketer, liknande de senaste Falcon-tunga boosterraketlandningarna. Men detta är dyrare och kan vara farligare.

Medan den mjukare landningen i vatten har sina fördelar, ett alternativ är att återvända till land. Detta är det tillvägagångssätt som Boeings CST-100 Starliner använder, som kommer att använda en kombination av fallskärmar och krockkuddar för att minska sin landningshastighet. Starliner har sin första ISS rendezvous testflygning planerad till nästa månad, också obemannad.

Som Starliner, Soyuz-kapslarna (som har körts sedan slutet av 1960-talet) återvänder till land. Men de använder små bromsraketer i sista möjliga sekund för att mjuka upp landningen, och är de mest långlivade och framgångsrika rymdfarkosterna hittills.

Landningen och återhämtningen av Dragon 2 kommer att representera en avgörande milstolpe inom kommersiell rymdflygning. Om det lyckas, det kommer att vara första gången som ett privat företag har flugit en människoklassad rymdfarkost i omloppsbana, dockade med ISS och returnerade den säkert till jorden. Om det lyckas, det kommer att göra en andra testresa i juli med NASA-astronauter ombord. En sådan prestation kommer förhoppningsvis att avsevärt förbättra våra möjligheter till ytterligare mänskligt rymdutforskning.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.