Objekt som kommer in i jordens atmosfär står inför en svår resa. Pete Turner/Stone Collection/Getty Images
Att skjuta upp en rymdfarkost i rymden är en sak. Att ta tillbaka det är en annan.
Återinträde i rymdfarkoster är en knepig affär av flera anledningar. När ett föremål kommer in i jordens atmosfär utsätts det för några krafter, inklusive gravitation och dra . Tyngdkraften kommer naturligt att dra ett föremål tillbaka till jorden. Men enbart gravitationen skulle få föremålet att falla farligt snabbt. Lyckligtvis innehåller jordens atmosfär partiklar av luft. När föremålet faller träffar och gnider det mot dessa partiklar, vilket skapar friktion . Denna friktion gör att objektet upplever drag, eller luftmotstånd , vilket saktar ner objektet till en säkrare infartshastighet. Läs mer om dessa faktorer i "Tänk om jag kastade en slant från Empire State Building?"
Denna friktion är dock en blandad välsignelse. Även om det orsakar drag, orsakar det också intensiv värme. Närmare bestämt mötte skyttlar intensiva temperaturer på cirka 3000 grader Fahrenheit (cirka 1649 grader Celsius) [källa:Hammond]. Trubbig kroppdesign hjälpte till att lindra värmeproblemet. När ett föremål – med trubbig yta vänd nedåt – kommer tillbaka till jorden, skapar den trubbiga formen en chockvåg framför fordonet. Den chockvågen håller värmen på avstånd från föremålet. Samtidigt saktar den trubbiga formen också ner objektets fall [källa:NASA].
Apollo-programmet, som flyttade flera bemannade fartyg fram och tillbaka från rymden under 1960- och 1970-talen, täckte kommandomodulen med en speciell ablativ material som brann upp vid återinträde och absorberar värme. Till skillnad från Apollo-fordonen, som byggdes för engångsbruk, var rymdfärjor återanvändbara bärraketer (RLV). Så istället för att bara använda ablativt material, inkorporerade de hållbar isolering. Därefter kommer vi att fördjupa oss i den moderna processen för återinträde för skyttlar.
Satellitens undergång
Satelliter behöver inte stanna uppe i jordens omloppsbana för alltid. Gamla satelliter faller ibland tillbaka till jorden. På grund av de svåra förhållandena för återinträde kan de brännas allvarligt på vägen ner. Vissa av dem kan dock överleva fallet och träffa jordens yta. Vid kontrollerade fall manipulerar ingenjörer framdrivningssystemen på en satellit för att få den att falla på en säker plats, som havet.
Nedstigningen av en rymdfärja
De främre kanterna och nosen på skytteln använde RCC-material NASA
Att återinträda på jorden handlar om attitydkontroll . Och nej, detta betyder inte att astronauter behöver ha en positiv attityd (även om det alltid är till hjälp). Snarare hänvisar det till vinkeln som rymdfarkosten flyger med. Här är en översikt över en skyttelnedstigning:
Lämnar omloppsbana :För att sakta ner skeppet från dess extrema omloppshastighet, vände skeppet runt och flög faktiskt bakåt under en period. Orbital manövreringsmotorerna (OMS) driver sedan fartyget ur omloppsbanan och mot jorden.
Närstigning genom atmosfären :Efter att den var säkert utanför omloppsbanan vände skytteln nos-först igen och gick in i atmosfären buken nedåt (som en magflop) för att dra fördel av motståndet med sin trubbiga botten. Datorer drog upp näsan till en attackvinkel (nedstigningsvinkel) på cirka 40 grader.
Landning :Om du har sett filmen "Apollo 13" kanske du kommer ihåg att astronauterna återvänder till jorden i sin kommandomodul och landar i havet där räddningsarbetare hämtar dem. Rymdfärjor såg ut och landade mycket mer som flygplan. När fartyget låg tillräckligt lågt tog befälhavaren över datorerna och styrde skytteln till en landningsbana. När den rullade längs remsan satte den ut en fallskärm för att sakta ner den.
Resan tillbaka till jorden är het. Istället för de ablativa materialen som finns på rymdfarkosten Apollo, hade rymdfärjor speciella värmebeständiga material och isolerande plattor som kunde upprätthålla värme från återinträde.
På den här bilden visar NASA-arbetare var Columbia fick kakelskador under sin jungfruflygning. NASA/Space Frontiers/Hulton Archive/Getty Images
Reinforced Carbon Carbon (RCC) :Detta kompositmaterial täckte näsan och kanterna på vingen, där temperaturen blir som varmast. 2003 skadades Columbias RCC under uppskjutningen, vilket orsakade utbränning vid återinträde, vilket dödade alla sju besättningsmedlemmar.
Fibrous Refractory Composite Insulation (FRCI) :Dessa svarta plattor ersatte HRSI-plattor på många ställen eftersom de är starkare, lättare och mer värmebeständiga.
Lågtemperatur återanvändbar ytisolering (LRSI) :Dessa vita kiselplattor är tunnare än HRSI-plattor och skyddade olika områden från temperaturer upp till 1 200 grader F (649 grader C).
Avancerad flexibel återanvändbar ytisolering (AFRSI) :Tillverkade av silikaglastyg, dessa yttre filtar installerades på den främre övre delen av en skyttel och tål temperaturer på upp till 1 500 grader F (816 grader C). Under åren tog dessa över mycket av LRSI-materialet på en skyttel.
Filt återanvändbar ytisolering (FRSI) :Detta material tål temperaturer på upp till 700 grader F (371 grader C) och är tillverkat av värmebehandlad vit Nomex-filt (ett material som används i brandmäns skyddskläder).
Ta en titt på länkarna som följer för att ta reda på mer om de utmaningar som rymdutforskning innebär.
Bittera påminnelser
Precis som Challenger-katastrofen 1986 påminde oss om hur riskabla skytteluppskjutningar är, påminde Columbia-katastrofen oss om hur farligt det är att återinträda i atmosfären. 2003 brann rymdfärjan Columbia och dess sju besättningsmedlemmar upp när de återvände till jorden. Efter undersökning upptäckte NASA att skador på vänster vinge (som faktiskt inträffade under lyftet), släppte in varm luft vid återinträde och gjorde att skytteln tappade kontrollen och brann upp.
Vanliga frågor
Hur påverkar vinkeln för återinträde en rymdfarkosts förmåga att motstå intensiv värme?
Vinkeln för återinträde är avgörande för att hantera rymdfarkostens värmeexponering. En brant återinträdesvinkel kan leda till överdriven uppvärmning och potentiell skada, medan en för liten vinkel kan leda till att rymdfarkosten studsar från atmosfären. Den optimala vinkeln säkerställer att rymdfarkosten kan motstå intensiv värme genom kontrollerad retardation och värmefördelning, vilket effektivt utnyttjar termiska skyddssystem.
Vilka framsteg har gjorts inom termiska skyddssystem sedan rymdfärjan?
Sedan rymdfärjans era har framstegen inom termiska skyddssystem (TPS) fokuserat på att förbättra värmebeständigheten och hållbarheten. Nya material och teknologier, såsom förbättrade ablativa beläggningar, förstärkt kol-kol och avancerade kiselplattor, erbjuder bättre skydd mot återinträdestemperaturer.
Mycket mer information
Relaterade artiklar
Varför svävar det dussintals döda djur i rymden?
Så fungerar rymdfärjor
Hur kretsar satelliter runt jorden?
Så fungerar rymdstationer
Så fungerar rymdskräp
Fler bra länkar
NASA
USA Centennial of Flight
Space.com
Källor
Cuk, Matija, Dave Rothstein, Britt Scharringhausen. "Varför behöver rymdfarkoster värmesköldar som kommer tillbaka till jorden men inte lämnar?" Astronomiavdelningen vid Cornell University. Jan. 2003. (9 maj 2008) http://curious.astro.cornell.edu/question.php?number=448
Day, Dwayne A. "Reentry Vehicle Technology." U.S.S. Centennial of Flight Commission. (9 maj 2008) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/reentry/Tech19.htm
Dumoulin, Jim. "Space Shuttle Orbiter Systems." NASA Kennedy Space Center. (9 maj 2008) http://science.ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/sts_sys.html
Hammond, Walter Edward. "Designmetoder för rymdtransportsystem." AIAA, 2001. (9 maj 2008) http://books.google.com/books?id=uxlKU3E1MUIC&dq=Design+ Methodologies+for+Space+Transportation+Systems&as_brr=3&client=firefox-a&source=gbs_summary_s&cad=0>
Jacobson, Nathan S. "As-Fabricated Armed Carbon/Carbon Characterized." NASA. Juli 2005. (9 maj 2008) http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/2004/RM/RM01D-jacobson1.html
NASA. "Äventyr med Apollo." Ames Research Center. (9 maj 2008) http://www.nasa.gov/centers/ames/news/releases/2004/moon/ adventure_apollo.html
NASA. "HSF - The Shuttle:Entry." NASA. 13 februari 2003. (9 maj 2008) http://www.spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/shutref/events/entry/
Pete-Cornell, M. Elisabeth. "Säkerheten för det termiska skyddssystemet för rymdfärjan Orbiter:kvantitativ analys och organisatoriska faktorer." Rapport till National Aeronautics and Space Administration, dec, 1990. (9 maj 2008) spaceflight.nasa.gov/shuttle/archives/sts-107/investigation/tps_safety.pdf
